基于視覺優(yōu)化的車用攝像機監(jiān)視器系統(tǒng)CMS

華進勇 馮會健

摘 要：在商用車上，因為駕駛室高度及車身尺寸原因，視野盲區(qū)較多，因此必須安裝不同類別的視鏡來提供車外的視野，而較多數(shù)量的視鏡對駕駛員對車外物體識別是一個很大的挑戰(zhàn)。在駕駛員將注意力轉(zhuǎn)向一個物體之前，由于光流的變化，這個物體通常會先在他們的邊緣視野中被發(fā)現(xiàn)。目前商用車的后視鏡系統(tǒng)違反了這一原則，駕駛員必須專門觀察某一類視鏡，以便能夠發(fā)現(xiàn)視鏡中的物體。車用攝像機監(jiān)視器系統(tǒng)（CMS）的應(yīng)用能夠有效改善這種情況，從而顯著提高安全性。本文將基于人眼視覺感知研究一種車用攝像機監(jiān)視器系統(tǒng)（CMS）替代傳統(tǒng)后視鏡的方案。

關(guān)鍵詞：中央視覺;邊緣視覺;組合視野;安全性;商用車;CMS：車輛視鏡替代

1 商用車的視野

由于駕駛員座位位置較高，商用車的遠處視野被認為是非常理想的，但從駕駛員觀察車輛周圍仍存在較多的盲區(qū)。車輛周圍和后方不可見的區(qū)域只能通過視鏡看到。根據(jù)我國現(xiàn)行的GB 15084-2013《機動車輛間接視野裝置 性能和安裝要求》規(guī)定，N2類大于7.5噸和N3類車至少需要安裝六面視鏡。這些鏡子包括兩個主后視鏡（Class Ⅱ）、兩個廣角后視鏡（Class Ⅳ）以及乘客側(cè)的一個補盲鏡（Class Ⅴ）和一個前視鏡（Class Ⅵ）。圖1顯示了商用車強制安裝的視鏡（乘員側(cè)）。視鏡的多樣性和視野的不同增加了駕駛員觀察車輛周圍環(huán)境的困難，駕駛員必須同時監(jiān)控前方道路和目前強制安裝的6個視鏡。為了正確獲取車外視野，駕駛員應(yīng)該在什么時候觀察哪面視鏡將對行車安全及車外人員的保護起到非常重要的作用。

2 中央視覺和邊緣視覺

人類的視覺感知可以分為兩種不同的視覺方式：中央視覺和邊緣視覺。這兩種類型結(jié)合起來形成了一個強大的整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了人類眼睛對周圍的感知，即人類的視覺，而攝像機監(jiān)視器系統(tǒng)替代傳統(tǒng)視鏡的基本要求是根據(jù)這些特征和相關(guān)的認知能力規(guī)定的。

眼睛是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器官。這些電信號然后被傳輸?shù)酱竽X，大腦進行圖像處理。從某種意義上說，人眼可以比作攝像機，大腦可以比作圖形處理單元。攝像機通過所謂的像素接收光信號，而在人類視覺中，這一過程是通過位于視網(wǎng)膜上的視錐細胞（明視覺）和視桿細胞（暗視覺）進行的。與攝像機相比，這些受體在視網(wǎng)膜上的分布并不均勻。雖然在主視覺方向（中央視覺）上有非常高濃度的視錐細胞，但視桿細胞主要聚集在邊緣，在中央窩中沒有發(fā)現(xiàn)。來自中心視線的光落在中央窩上，這是視網(wǎng)膜上一個非常小的點，上面布滿了視錐細胞。每個視錐細胞都與其自己的神經(jīng)通路相連。與視桿細胞相比，對顏色敏感的視錐細胞對光不敏感，因此需要更多的時間來傳遞信號。中央窩視覺指的是視覺中敏銳的區(qū)域，尤其對圖像的主動感知。邊緣視覺與此不同，邊緣的感知通常是潛意識的。有效識別邊緣物體的一個重要因素是“光流”。如果物體的運動方向與實際的光流方向不同，就會產(chǎn)生一種刺激，這通常會激起人的反應(yīng)，在這種反應(yīng)中，眼睛向這個刺激物重新定位。連續(xù)的光流對于有效的物體識別非常重要。光流的每個局部旋轉(zhuǎn)或改變，例如在視鏡中發(fā)生的變化，都意味著視覺認知功能的額外工作。

3 商用車輛中人類感知的中央和邊緣視覺

通過中央凹視覺和邊緣視覺有關(guān)的理解，來描述商用車輛中的直接和間接視覺。圖2顯示了駕駛員從車輛上觀察前方5次（大約1.5-5秒的駕駛時間）的模擬感知。很明顯，駕駛員只能獲得他們所處環(huán)境中極小部分的清晰圖像。因此，駕駛員從少數(shù)幾個凝視點對其周圍環(huán)境的整體感知以及基于過去經(jīng)驗中獲得的信息，創(chuàng)建了一個所處環(huán)境模型。

當然，這種環(huán)境模型不僅考慮了直接視覺，也考慮了間接視覺。在這方面，由于主視鏡方向和各種視鏡的不同光流，對視鏡中物體的邊緣探測是非常困難的。駕駛員現(xiàn)在不得不同時跟蹤7個不同的光流，而不是跟蹤一個全局光流。

因此，目前使用的視鏡系統(tǒng)需要通過中央窩視覺來監(jiān)控周圍環(huán)境。這反過來意味著，使用現(xiàn)有視鏡系統(tǒng)的駕駛員必須有意地將視線轉(zhuǎn)向相應(yīng)的視鏡，以便看到車輛側(cè)面和后方的區(qū)域。這對于商用車的主后視鏡來說不是問題，因為它能觀察后方遠處視野，因此完全符合中央窩視覺的觀察感知，即對遠處物體的目標定位和感知。然而，對廣角鏡和補盲鏡物體的進行邊緣探測是不太可能的。在廣角鏡和補盲鏡中，駕駛員的任務(wù)是對附近物體進行可靠、隨機的探測，理想情況下這項任務(wù)是通過邊緣視覺來完成的，但現(xiàn)在必須用中央窩視覺來完成，即駕駛員必須有意識且要消耗一定時間觀察相應(yīng)的視鏡。

因為視線只能聚焦在一個觀察方向上，而中央視覺不能以平行方式工作，所以連續(xù)檢查所有的鏡子需要一定的時間。例如，駕駛員需要至少2秒來檢查乘客側(cè)的三面鏡子。以30km/h的速度，此時卡車已經(jīng)向前移動了大約17m（作為比較：五類視野的規(guī)定長度目前為4.75m，在此時間范圍內(nèi)可能會超過3.5倍）。特別是在復雜的交通情況下，駕駛員被迫將自己限制在駕駛車輛所需的視野范圍內(nèi)。由駕駛員決定他們需要看哪些視鏡，不需要看哪些視鏡。圖3僅在直視廣角鏡時才能看到騎車人（右圖）?？聪蛑骱笠曠R時并未看到騎車人（左圖）。

4 商用車CMS的設(shè)計

上述研究表明僅僅用CMS替換每個相應(yīng)的視鏡是無效的。用6個單獨的畫面替換6個視鏡會給駕駛員帶來與當前視鏡系統(tǒng)相同的挑戰(zhàn)。駕駛員將再次被迫選擇他們需要看到的圖像。相反，CMS目標應(yīng)該是減少顯示的圖像數(shù)量，同時向駕駛員提供相同數(shù)量的信息?；隈{駛測試的結(jié)果和關(guān)于人類感知的定義，我們可以制定視鏡替換系統(tǒng)設(shè)計的兩個主要目標：

（1）遠景（主后視鏡區(qū)域）的顯示應(yīng)按照當前的視鏡系統(tǒng)進行設(shè)計;

（2）近景（廣角鏡和補盲鏡區(qū)域）的顯示方式應(yīng)確保對物體的可靠探測。

只有減少監(jiān)控器的數(shù)量，這兩個主要目標才能實現(xiàn)。這兩個主要目標是通過合并視野來實現(xiàn)的。這種視野的優(yōu)勢顯而易見：駕駛員看到的是一個單一的綜合圖像，其中包含所有的信息，否則將是來自三面鏡子的信息放在一起。這改善了駕駛員的視野方向和對物體的空間定位。結(jié)果就是用更少的時間獲取更多的信息。駕駛員無需再判斷他們必須看三面鏡子中的哪一面，而是可以一目了然地獲得所有必要的信息。圖4顯示了將乘員側(cè)的主視鏡，廣角視鏡和補盲視鏡視野組合集成到一個監(jiān)視器上。

駕駛員更有可能通過使用CMS來注意周圍物體。不像以前的視鏡系統(tǒng)中需要監(jiān)控三個不同的光流，整個場景現(xiàn)在可以在顯示器上顯示，可監(jiān)控一個連續(xù)的光流。因此，駕駛員可以通過中央視覺將注意力集中在他們的目標上，同時通過邊緣視覺保持對周圍近的注意?？梢愿?、更有效地探測物體，甚至可以隨機探測。理想情況下用中央視覺完成的任務(wù)，即對四類和五類區(qū)域的觀察，現(xiàn)在可以用CMS通過邊緣視覺完成。圖5中騎車人第一眼就被發(fā)現(xiàn)，并且位置可以被正確確定。

5 結(jié)語

上述研究表明，視鏡替換解決方案有巨大的潛力，只要這些解決方案符合人體工程學設(shè)計。該系統(tǒng)針對人的感知和視力進行了優(yōu)化，它不僅能提高駕駛員的駕駛體驗，還能提高車輛駕駛的安全性。文中顯示的二類、四類和五類視野的組合顯示是針對人類中央窩和邊緣感知進行優(yōu)化的，CMS中圖像的直觀布局使駕駛員能夠輕松分析與車輛附近的物體，并跟蹤這些物體直到超出各觀察區(qū)域的邊界。這為駕駛員提供了一個單一全面的圖像分析所有的信息，否則他們將不得不從每側(cè)的三個單獨的視鏡中獲取這些信息。這有助于駕駛員感知車輛側(cè)面和后面的區(qū)域，不需要額外耗費精力來整合感知的信息。該系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是，駕駛員無需在看視鏡之前決定需要檢查哪些視野以及以何種順序進行檢查。從一側(cè)可以同時看到所有視野，這明顯提高了通過駕駛員的邊緣視覺發(fā)現(xiàn)物體的幾率。

參考文獻：

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