基于單目攝像頭的FCWS測試與評價

馮贊

招商局檢測車輛技術(shù)研究院有限公司 重慶 401122

長途客運車輛、旅游客車及危險物品運輸車輛發(fā)生交通事故危害性不言而喻，道路運輸車輛的行駛安全性越來越受到重視[1]。智能視頻監(jiān)控終端應(yīng)運而生，其搭載的LDW及FCWS系統(tǒng)能及時向駕駛員發(fā)出車道偏離預(yù)警和前向碰撞預(yù)警，有效減少事故的發(fā)生率[2-3]。FCWS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式多種多樣，包括單目攝像頭型式、雙目攝像頭型式、攝像頭+雷達(dá)型式等，部分系統(tǒng)采用雙雷達(dá)型式[4-5]。其中單目攝像頭型式的FCWS系統(tǒng)相較于毫米波雷達(dá)型式的FCWS系統(tǒng)性價比高，近距識別率高，使用范圍更廣，市場占有率更高。不過單目攝像頭型式的FCWS系統(tǒng)也存在環(huán)境適應(yīng)性差、識別效率相對低、算法較為復(fù)雜等缺點。

本文篩選10套具有代表性的基于單目攝像頭的FCWS系統(tǒng)，按照相同的試驗方法，對終端的FCWS性能進(jìn)行評價分析，探討目前市面上主流FCWS系統(tǒng)供應(yīng)商的大體水平，提出一種新的性能評定指標(biāo)，為標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供一定的數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 基于單目攝像頭的FCWS工作原理

單目攝像頭式的FCWS相對攝像頭與雷達(dá)融合的FCWS而言，成本更低，但也存在算法更為復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)能力更弱的缺點。同時，其對前方目標(biāo)的識別僅依靠位于前擋風(fēng)玻璃下沿的ADAS攝像頭，對目標(biāo)的識別效率也受一定影響。單目攝像頭式的FCWS主要采用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與模型壓縮技術(shù)、距離目標(biāo)檢測與精準(zhǔn)定位技術(shù)、亞像素級目標(biāo)跟蹤技術(shù)、圖像處理技術(shù)等進(jìn)行目標(biāo)識別。圖1為單目攝像頭式的FCWS功能架構(gòu)。整個系統(tǒng)可分別感知層、決策層和執(zhí)行層，感知層利用單目攝像頭對環(huán)境進(jìn)行感知，并將圖像信息傳輸至決策層，決策層通過圖像處理與分析，實時分析出前方目標(biāo)相對自車的相對距離、速度及車道等信息，向執(zhí)行層發(fā)出報警指令，對駕駛員進(jìn)行預(yù)警。

圖1 FCWS功能架構(gòu)圖

2 FCWS性能測試評價方法

本文參照J(rèn)T/T 883-2014《營運車輛行駛危險預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗方法》[6]中的試驗方法，將10組測試樣品安裝在營運客車內(nèi)，測試FCWS分別在前方目標(biāo)車輛靜止、前方目標(biāo)車輛移動和前方目標(biāo)車輛制動的情況下的預(yù)警情況。預(yù)警時間（簡稱TTC），其閾值由車速和目標(biāo)車輛的運動狀態(tài)決定。因此，目標(biāo)探測距離的準(zhǔn)確性對預(yù)警時間的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性有很大的影響。

2.1 測試設(shè)備、場地

為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性及可行度，在重慶機動車強檢試驗場進(jìn)行FCWS測試，采用英國ABD駕駛機器人、英國OXTS RT慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、高精度定位基站、Euro-NCAP認(rèn)證的目標(biāo)假車等設(shè)備。試驗場地為重慶機動車強檢試驗場的制動路（一段約1 km的長直瀝青路面）、如圖2所示。

圖2 前撞預(yù)警測試場景

2.2 FCWS測試場景

2.2.1 前方目標(biāo)車輛靜止場景

前方目標(biāo)車輛靜止場景中，被測樣車在150 m以外，以(72±1.6) km/h的車速駛向靜置于車道中央的氣球假車，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應(yīng)大于2.7 s。

不同廠家生產(chǎn)的1 0款基于單目攝像頭的FCWS系統(tǒng)進(jìn)行前方目標(biāo)車輛靜止場景下的FCWS性能比對試驗后，所得測試結(jié)果見圖3及表1。

圖3 前方目標(biāo)車輛靜止場景測試結(jié)果對比圖

表1 前方目標(biāo)車輛靜止場景的測試結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，測試樣品的穩(wěn)定性普遍不高，離散性較強，TTC在2.59～4.10 s間變動，但主要在2.7～4.0 s之間。從表1分析得出，第二組樣品的TTC標(biāo)準(zhǔn)差最小，測試樣品的穩(wěn)定性最優(yōu)。對前方目標(biāo)車輛靜止場景中的所有試驗結(jié)果求平均，10組樣品的TTC均值為3.26 s。

2.2.2 前方目標(biāo)車輛移動場景

前方目標(biāo)車輛移動場景中，被測樣車在 150 m以外，以（72±1.6） km/h的車速駛向以32 km/h速度移動的氣球假車，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應(yīng)大于2.1 s，見圖4和表2。

表2 前方目標(biāo)車輛移動場景的測試結(jié)果

圖4 前方目標(biāo)車輛移動場景測試結(jié)果對比圖

該情景下的試驗結(jié)果與前方目標(biāo)車輛靜止場景的測試結(jié)果相差不大，TTC分布在2.65～4.63 s之間。其中，第二組樣品的標(biāo)準(zhǔn)差最小，穩(wěn)定性同樣最優(yōu)。該場景中，10組樣品的7次測試結(jié)果的算術(shù)平均值為3.19 s。將測試結(jié)果與前方目標(biāo)車輛靜止場景的測試結(jié)果對比，不難發(fā)現(xiàn)，在前方目標(biāo)車輛靜止場景測試中的標(biāo)準(zhǔn)差小的樣品，在前方目標(biāo)車輛移動場景中的標(biāo)準(zhǔn)差也較小，兩場景的測試結(jié)果成正相關(guān)。

2.2.3 前方目標(biāo)車輛制動場景

前方目標(biāo)車輛制動場景中，被測樣車在150 m以外，以(72±1.6) km/h的車速駛向以(72±1.6) km/h速度移動的氣球假車，樣車與氣球假車的相對距離保持(30±1.5) m，氣球假車以(0.3±0.03) g的減速度制動，樣車與氣球假車的初始速度之差不超過1.6 km/h，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應(yīng)大于2.4 s，見圖5和表3。

圖5 前方目標(biāo)車輛制動場景測試結(jié)果對比圖

表3 前方目標(biāo)車輛制動場景測試結(jié)果

由表3可知，第二組樣品的標(biāo)準(zhǔn)差最小，樣品的預(yù)警穩(wěn)定性同樣最優(yōu)。該場景中，10組樣品的7次測試結(jié)果的算術(shù)平均值為3.03 s。將三種場景下的測試結(jié)果進(jìn)行比對發(fā)現(xiàn)，前方車輛制動場景中的測試結(jié)果與另外兩場景的標(biāo)準(zhǔn)差不存在正相關(guān)的關(guān)系。結(jié)合測試場景，不難分析其中原因，在前方車輛制動場景中，前車突然減速制動，前后車不僅相對距離迅速減小，相對速度也有所增加。相較于另外兩個場景，前方車輛制動場景對FCWS要求更高，測試條件更為嚴(yán)苛。若FCWS硬件數(shù)據(jù)采集和傳輸、芯片的運算不及時，算法的合理性欠佳等，F(xiàn)CWS產(chǎn)生報警的時間都會受到影響。

2.3 FCWS性能測試分析與評價

TTC的閾值由車速和目標(biāo)車輛的運動狀態(tài)決定，因此，目標(biāo)探測距離的準(zhǔn)確性對預(yù)警時間的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性有很大的影響。通過橫向比對，在車輛行駛時，攝像頭容易受車輛的顛簸出現(xiàn)抖動，對視頻畫面產(chǎn)生一定影響，從而影響FCWS對目標(biāo)相對距離的識別，使得TTC小幅波動，若將報警閾值設(shè)置在2.7 s附近，容易出現(xiàn)報警時間小于2.7 s的問題，反之，若將報警閾值設(shè)置在4.0 s附近，F(xiàn)CWS系統(tǒng)預(yù)警時間更早，但同時也容易出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況，影響駕駛員的正常駕駛。綜上所述，將TTC設(shè)置在2.7～4.0 s之間的某個合理數(shù)值，既可以避免因攝像頭抖動而產(chǎn)生的TTC波動的情況，也能避免FCWS系統(tǒng)誤觸發(fā)的情況。將10組FCW系統(tǒng)的測試結(jié)果的算術(shù)平均值作為報警閾值，單目攝像頭型式的終端能有效規(guī)避攝像頭抖動等異常情況導(dǎo)致TTC的波動較大的問題，可適用更多復(fù)雜范圍。

大部分研究者采用標(biāo)準(zhǔn)差來衡量FCWS設(shè)備報警的穩(wěn)定性[7-8]，標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度，可體現(xiàn)FCWS報警時機穩(wěn)定性的好壞，但并不能體現(xiàn)報警時機是否滿足要求。

結(jié)合上述分析，本文擬基于10組樣品測試結(jié)果的算術(shù)平均值，設(shè)置新的指標(biāo)，以表征樣品性能的優(yōu)劣，即試驗結(jié)果與所有樣本試驗結(jié)果均值的相關(guān)性 a來判別設(shè)備的優(yōu)良，具體公式如下：

式中，D為某情景中所有測試樣品的TTC均值；xn為某情景下測試樣品的第n次測試的TTC。

相關(guān)性a考慮了樣本的離散程度及樣本與總體均值的差異，綜合體現(xiàn)所測樣品預(yù)警時間的穩(wěn)定性及合理性。

由表4可知，前方目標(biāo)車輛靜止場景中，第二組樣品與均值的相關(guān)性最優(yōu)。同時，由表1可知，第二組樣品的標(biāo)準(zhǔn)差是10組中的最小者，且其次測試結(jié)果算術(shù)平均值也與10組樣品測試結(jié)果均值相近，這兩點印證了相關(guān)性評價的可靠性，說明相關(guān)性這一指標(biāo)不僅能反映樣本的離散性，也能反映樣本與均值的接近程度。所以，第二組樣品擁有更優(yōu)的預(yù)警穩(wěn)定性及預(yù)警時間的合理性。

表4 各組樣品在三種場景下的測試結(jié)果

同理，前方目標(biāo)車輛移動場景中，第四組樣品與均值的相關(guān)性最優(yōu)，在此場景中，該樣品的預(yù)警穩(wěn)定性及預(yù)警時間的合理性最優(yōu)。前方目標(biāo)車輛制動場景中，第三組樣品與均值的相關(guān)性最優(yōu)，在此場景中，該樣品的預(yù)警穩(wěn)定性及預(yù)警時間的合理性最優(yōu)。

3 結(jié)語

本文將10組基于單目攝像頭的FCWS系統(tǒng)進(jìn)行了橫向?qū)Ρ葴y試，基于測試數(shù)據(jù)，分析了FCWS系統(tǒng)在不同測試場景下出現(xiàn)不同測試結(jié)果的原因，同時提出了新的性能評價指標(biāo)，為JT/T 883-2014 標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供了新的思路。