電子視鏡的發(fā)展與應(yīng)用

張永剛 楊元雷 張方 景壯壯

（中國(guó)重型汽車集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250002）

主題詞：后視鏡 電子視鏡 法規(guī)

1 引言

近年來(lái)，隨著汽車和電子攝像、視頻顯示、數(shù)據(jù)交互技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)攝像頭取代后視鏡的電子視鏡成為新趨勢(shì)。電子視鏡視野寬闊，不受外界環(huán)境影響，風(fēng)阻小、人機(jī)交互性好，同時(shí)可擴(kuò)展到自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。目前世界領(lǐng)先的商用車企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電子視鏡的商業(yè)化應(yīng)用，產(chǎn)品持續(xù)更新迭代。然而，國(guó)內(nèi)電子視鏡的發(fā)展，面臨法規(guī)未出臺(tái)、技術(shù)門檻高、開(kāi)發(fā)成本高、外企專利壁壘的困難。但用戶不再滿足后視鏡的基本功能，期望應(yīng)用更高端的電子視鏡并拓展到自動(dòng)駕駛。本文從電子視鏡的優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)構(gòu)成、市場(chǎng)需求、發(fā)展現(xiàn)狀、法規(guī)環(huán)境5個(gè)維度展開(kāi)分析，對(duì)電子視鏡國(guó)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出建議。

2 后視鏡劣勢(shì)分析

后視鏡主要存在以下4點(diǎn)劣勢(shì)：視野盲區(qū)、易受環(huán)境影響、對(duì)整車風(fēng)阻貢獻(xiàn)大、缺少人機(jī)交互。

2.1 后視鏡存在視野盲區(qū)

后視鏡成像原理是光的反射，即地面或周圍環(huán)境中的物體通過(guò)視鏡鏡面反射到人眼，因鏡片大小及視線角度限制存在一定的盲區(qū)。當(dāng)駕駛員過(guò)度信賴后視鏡，潛在的風(fēng)險(xiǎn)就高，影響行車安全。根據(jù)GB 15084—2013《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》，對(duì)于駕駛室II類主外后視鏡、Ⅳ類廣角鏡的視野技術(shù)要求（圖1、圖2），實(shí)際視鏡視野較法規(guī)視野有一定的余量，但仍存在盲區(qū)[1]。

圖1 II類主外后視鏡視野法規(guī)要求[1]

圖2 Ⅳ類廣角鏡視野法規(guī)要求[1]

由于后視鏡盲區(qū)造成的交通事故在中國(guó)約占30%，美國(guó)約占20%。在高速公路上70%因變換車道所發(fā)生的交通事故是由后視鏡盲區(qū)造成的[2]。

特別是在掛車轉(zhuǎn)彎時(shí)，掛車與牽引車駕駛室成較大的角度，導(dǎo)致駕駛員通過(guò)視鏡只能觀測(cè)到掛車的局部區(qū)域，整體的盲區(qū)很大，易將車邊的行人等卷入車底，存在很大的安全隱患[3-4]。圖3為牽引車轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景。駕駛員通過(guò)車窗觀察，由于視鏡遮擋，損失了一部分直接視野，也存在安全隱患。

圖3 半掛車轉(zhuǎn)彎視野盲區(qū)

2.2 后視鏡應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境存在不足

雨霧、強(qiáng)光、弱光等惡劣環(huán)境直接影響駕駛員視線、鏡面反射效果，使駕駛員無(wú)法正確、及時(shí)地做出駕駛判斷，影響駕駛安全。雨霧天氣、強(qiáng)光環(huán)境下的視鏡，視野清晰程度明顯下降。

2.3 后視鏡對(duì)整車風(fēng)阻、風(fēng)噪貢獻(xiàn)大

根據(jù)GB 15084—2013《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》[1]對(duì)后視鏡有關(guān)鏡片尺寸及位置的規(guī)定，后視鏡外觀、尺寸、造型難以有大的突破。但是，用戶希望獲得超過(guò)法規(guī)視野之外更大的視野，導(dǎo)致后視鏡尺寸、總體質(zhì)量增加，對(duì)整車風(fēng)阻的貢獻(xiàn)增大[5]，后視鏡引起的風(fēng)阻約為整車風(fēng)阻的2%～5%[6]，圖4 是某車型的風(fēng)阻分析。除此之外，后視鏡對(duì)整車氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)大，且離駕駛員較近，影響駕駛員駕駛舒適性[7]。

圖4 某車型的風(fēng)阻分析

2.4 后視鏡缺少人機(jī)交互

后視鏡是人眼通過(guò)在視鏡鏡面光的反射獲取車輛周邊視野，如果駕駛員未主動(dòng)觀測(cè)、或車輛周邊有突發(fā)情況，駕駛員就可能無(wú)法獲知車輛周邊的真實(shí)情況，容易造成交通事故。

3 電子視鏡優(yōu)勢(shì)分析

電子視鏡，即用電子方式取代后視鏡，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）稱其為攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)（Camera Monitor System,CMS）。圖5 是奔馳Actros 電子視鏡系統(tǒng)的駕駛室室外部分和駕駛室內(nèi)部分。

圖5 奔馳Actros電子視鏡

3.1 CMS系統(tǒng)構(gòu)成

CMS 系統(tǒng)由圖像采集、電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）控制器、圖像顯示3部分構(gòu)成，如圖6。

圖6 CMS系統(tǒng)構(gòu)成

圖像采集由攝像頭、物理防護(hù)2 部分構(gòu)成。物理防護(hù)包含：防抖動(dòng)、加熱、防掛水功能，主要為攝像頭提供穩(wěn)定、可靠的工作環(huán)境。

ECU 控制器包含：雙數(shù)據(jù)率隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Double Data- Rate Random- Access Memory, DDR RAM）、顏色管理、直播監(jiān)視器、圖像處理器、微控制器。圖像處理器包含硬件部分和軟件2部分，圖像處理器通過(guò)低電壓差分信號(hào)（Low-Voltage Differential Signaling,LVDS）驅(qū)動(dòng)將圖像信息傳遞到圖像顯示部分的圖像信號(hào)處理（Image Signal Processing,ISP）視頻流；微控制器通過(guò)CAN線與圖像顯示部門的網(wǎng)關(guān)交互信息。

圖像顯示中ISP 視頻流將前端圖像信號(hào)處理，在面板上顯示攝像頭采集的畫面。通過(guò)網(wǎng)關(guān)與整車電器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息交互。CMS實(shí)現(xiàn)了通過(guò)電子化元件代替后視鏡。

3.2 CMS改善盲區(qū)

CMS 攝像頭視角靈活，攝像頭的視域廣，視覺(jué)覆蓋面積更廣闊。目前，商用車CMS外置攝像頭裝置基本布置在駕駛室頂蓋，從車內(nèi)觀察車外狀況時(shí)減少了后視鏡的視線遮擋，直接視野更好。由于顯示屏布置在駕駛室內(nèi)A柱區(qū)域，駕駛員觀察顯示屏?xí)r頭部擺動(dòng)角度小，觀察更方便。CMS可在車輛轉(zhuǎn)向、倒車時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)軟件算法切換臨時(shí)視野顯示區(qū)域，提供比后視鏡更加寬廣的視角。在半掛牽引車轉(zhuǎn)彎時(shí)，CMS可根據(jù)掛車提供的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使CAN信號(hào)通過(guò)軟件相關(guān)算法切換顯示圖像區(qū)域，隨動(dòng)顯示車輛的動(dòng)態(tài)視野圖像，場(chǎng)景隨動(dòng)是CMS的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[8]，解決了傳統(tǒng)視鏡掛車轉(zhuǎn)彎時(shí)駕駛員看不到掛車兩側(cè)視野的問(wèn)題。王豐元[9]設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的載貨汽車后視鏡轉(zhuǎn)向隨動(dòng)系統(tǒng)，采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)后視鏡電機(jī)工作，調(diào)整鏡面角度、改變視野區(qū)域，而CMS 是根據(jù)轉(zhuǎn)向盤角度通過(guò)軟件計(jì)算切換圖像顯示區(qū)域。CMS可通過(guò)攝像頭的像素升級(jí)、顯示器面板的像素升級(jí)提供更清晰的畫面。

3.3 CMS環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

CMS的攝像頭小巧，且攝像頭周邊環(huán)境殼體對(duì)其進(jìn)行保護(hù)可不受雨雪天氣影響。攝像頭表面有一層疏水膜，可實(shí)現(xiàn)攝像頭無(wú)掛水現(xiàn)象，如攝像頭出現(xiàn)起霧、掛霜、結(jié)冰的情況，可通過(guò)攝像頭區(qū)域的加熱功能去除表面的霧、霜、冰層，保證攝像頭輸出的圖像清晰。在外界光線不良時(shí)，如強(qiáng)光、光線過(guò)暗或光線閃爍等，均會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量變差，CMS通過(guò)2種方式提升成像質(zhì)量：

（1）改變攝像頭參數(shù)，如調(diào)節(jié)光圈、調(diào)整曝光時(shí)間；

（2）依靠圖像控制器對(duì)圖像進(jìn)行處理，主動(dòng)進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，獲得清晰的視野圖像[10-11]。

通過(guò)顏色管理、色調(diào)映射算法、白平衡、色彩控制、銳度控制方法還原真實(shí)圖像和顏色。

3.4 CMS風(fēng)阻貢獻(xiàn)小

與后視鏡比，CMS外部硬件有效減小了車輛的迎風(fēng)截面積，可降低風(fēng)阻、減少能源消耗[12]。李少峰[13]通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）建模理論分析，電子視鏡較后視鏡在降低整車氣動(dòng)噪聲和氣動(dòng)阻力方面優(yōu)勢(shì)明顯。奔馳測(cè)試Actros 車型采用了CMS 后，減少油耗約1.5%[14]，相對(duì)裝配后視鏡的車型，在車輛生命周期內(nèi)，運(yùn)營(yíng)成本降低明顯。

3.5 CMS交互更人性化

基于CMS的傳感器和處理器，如果駕駛員觀察不到位，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)顯示屏上方的警示燈以及語(yǔ)音提示進(jìn)行提醒，遇到緊急情況時(shí)還會(huì)通過(guò)必要的緊急制動(dòng)實(shí)現(xiàn)更理想的安全保證。CMS 可擴(kuò)展作為自動(dòng)駕駛的“眼睛”，實(shí)時(shí)監(jiān)控路況并結(jié)合人工智能實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行反饋，優(yōu)化駕駛員的駕駛習(xí)慣，保證駕駛安全。CMS同時(shí)具備車輛周邊環(huán)境的監(jiān)視功能，夜晚停車如遇到駕駛室外有異響，在不拉開(kāi)駕駛室窗簾的情況下，可直接啟動(dòng)CMS 觀察車外情況，省去開(kāi)窗或下車等繁瑣動(dòng)作。

3.6 CMS成本逐步降低

CMS 需要滿足車輛使用環(huán)境，同時(shí)拍攝效果、成像效果、顯示效果的要求很高，這勢(shì)必增加整車成本。但隨著CMS 在商用車市場(chǎng)逐漸推廣、普及，以及電子攝像頭、處理器芯片、顯示屏技術(shù)的快速發(fā)展，CMS成本會(huì)有一定程度的下降。

4 CMS市場(chǎng)需求

CMS的市場(chǎng)需求主要來(lái)源于2個(gè)方面：

（1）商用車駕駛員對(duì)視野盲區(qū)改善、特殊天氣視野的需求；

（2）對(duì)商用車整個(gè)生命周期降低風(fēng)阻、降低油耗的需求。

4.1 駕駛員視野需求

駕駛員常常會(huì)遇到以下情景：由于視鏡盲區(qū)導(dǎo)致的車輛事故，嚴(yán)重危及人員的生命安全，事故較輕的也會(huì)涉及車輛維修，同時(shí)降低車輛的出勤率，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失；下雨天氣特別是大到暴雨時(shí)，車窗玻璃、后視鏡鏡面一直處于雨水擊打、存在雨幕的情況，駕駛安全無(wú)法得到保證，變道、轉(zhuǎn)彎存在未知性，極易造成安全事故。CMS 可以在惡劣天氣通過(guò)駕駛室內(nèi)顯示屏提供間接視野，提高了環(huán)境適應(yīng)性。

4.2 整車降油耗需求

整車燃油消耗是車輛生命周期內(nèi)除車輛購(gòu)置費(fèi)外最大的費(fèi)用支出，任何降低油耗的技術(shù)均會(huì)是車輛生產(chǎn)企業(yè)和用戶的選擇，同時(shí)符合國(guó)家對(duì)油耗限值節(jié)能減排的趨勢(shì)。

5 CMS發(fā)展現(xiàn)狀

商用車行業(yè)正在大力推進(jìn)CMS的技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)應(yīng)用，本節(jié)主要分析CMS的發(fā)展現(xiàn)狀。

2016年漢諾威車展上，奔馳在Urban e Truck純電動(dòng)概念卡車上首次展示了CMS；依維柯在其概念車上裝配了CMS；德國(guó)曼公司在TGX 牽引車上裝配了CMS。

2018 年漢諾威車展上，奔馳在新Actros、新Arocs多個(gè)車型上裝配了CMS，同年奔馳CMS 在Actros、Arocs系列重卡上開(kāi)始批量生產(chǎn)交付。

2021年7月，德國(guó)曼公司CMS在TGX、TGS、TGM、TGL 系列重卡批量生產(chǎn)交付。2021 年6 月達(dá)夫公司CMS 在XF、XG 車型批量生產(chǎn)交付。沃爾沃、斯堪尼亞均有裝配CMS 車型的量產(chǎn)交付。CMS 技術(shù)的可靠性已經(jīng)通過(guò)了驗(yàn)證，進(jìn)入了商業(yè)化的應(yīng)用。

2022 年，奔馳發(fā)布新一代電子視鏡系統(tǒng)-Mirror-Cam2.0。德國(guó)曼公司發(fā)布新的電子視鏡系統(tǒng)-OptiView。

目前，國(guó)內(nèi)商用車企業(yè)也在進(jìn)行CMS 的相關(guān)研發(fā)，但大部分處于技術(shù)開(kāi)發(fā)、迭代優(yōu)化、產(chǎn)品試制試驗(yàn)階段，并無(wú)小批量生產(chǎn)。

6 CMS法規(guī)環(huán)境

歐洲法規(guī)ECE R46-2016《關(guān)于批準(zhǔn)后視鏡和就后視鏡的安裝方面批準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車輛的統(tǒng)一規(guī)定》頒布確認(rèn)允許CMS替代后視鏡合法上路。2017年6月，日本作為UN-ECE 成員國(guó)采用了ECE R46，CMS 在日本可以合法上路。美國(guó)后視鏡法規(guī)FMVSS 111 規(guī)定車輛必須配備物理后視鏡，尚不允許用CMS替代后視鏡。

2019 年7 月，中國(guó)汽標(biāo)委車身附件分委會(huì)對(duì)GB 15084《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》CMS擴(kuò)標(biāo)啟動(dòng)了工作組會(huì)議。2020年3月，GB 15084標(biāo)準(zhǔn)起草工作組發(fā)布了《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》征求意見(jiàn)稿，包含了CMS 的相關(guān)術(shù)語(yǔ)定義、技術(shù)要求、試驗(yàn)、安裝要求。2022年12月29日，GB 15084—2022《機(jī)動(dòng)車輛間接視野裝置性能和安裝要求》增加了CMS的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

7 CMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

7.1 法規(guī)完善

世界領(lǐng)先的商用車企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)CMS量產(chǎn)，并得到了市場(chǎng)的驗(yàn)證與認(rèn)可，技術(shù)層面已完全成熟，成本方面隨著量產(chǎn)、零部件企業(yè)相繼投入研發(fā)，CMS 生產(chǎn)成本會(huì)逐漸下降。法規(guī)層面應(yīng)盡快將CMS納入標(biāo)準(zhǔn)，完善認(rèn)證流程，可以極大地激活、推動(dòng)CMS 的商業(yè)化應(yīng)用，充分挖掘整車企業(yè)和零部件的研發(fā)潛力、技術(shù)升級(jí)。CMS合規(guī)同時(shí)可推動(dòng)國(guó)內(nèi)企業(yè)研發(fā)產(chǎn)品，參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

7.2 專利布局

賴立強(qiáng)等[15]分析了CMS 專利國(guó)外主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有奧迪公司、康諾特電子、梅克朗等，且涉及CMS的諸多核心技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)的專利主要集中在圖形用戶界面、調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)等非完全核心技術(shù)。中國(guó)的商用車企業(yè)和零部件企業(yè)，應(yīng)加大對(duì)CMS 的研發(fā)，同時(shí)開(kāi)展對(duì)標(biāo)研究，打破國(guó)外企業(yè)設(shè)置的專利壁壘、技術(shù)壁壘、商業(yè)壁壘。

7.3 商業(yè)推廣

CMS 在駕駛安全、智能駕駛方面有重要作用，同時(shí)在降低風(fēng)阻、噪聲、能耗方面有較大的貢獻(xiàn)[16]，與目前中國(guó)提出并推動(dòng)的“碳達(dá)峰”與“碳中和”戰(zhàn)略相匹配，政府機(jī)構(gòu)、行業(yè)協(xié)會(huì)、整車企業(yè)應(yīng)加以引導(dǎo)和應(yīng)用。因CMS 研發(fā)、生產(chǎn)投入高，相關(guān)部門應(yīng)給與一定的經(jīng)濟(jì)政策支持，促進(jìn)CMS的商業(yè)推廣。

8 結(jié)束語(yǔ)

（1）CMS具有巨大的市場(chǎng)需求，其視野寬闊、可應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境、低風(fēng)阻、低油耗、交互人性化的優(yōu)點(diǎn)推動(dòng)了CMS在商用車上率先應(yīng)用的發(fā)展方向。

（2）歐洲商用車CMS商業(yè)化表明CMS的技術(shù)已成熟，國(guó)內(nèi)CMS法規(guī)和認(rèn)證流程仍需完善。

（3）國(guó)內(nèi)企業(yè)在CMS研發(fā)、生產(chǎn)的同時(shí)，需規(guī)避國(guó)外企業(yè)專利壁壘，同時(shí)加強(qiáng)核心技術(shù)專利的申請(qǐng)。

（4）CMS 在商用車上的應(yīng)用具有極大的環(huán)保效益。

（5）要促進(jìn)CMS 在商用車上的大規(guī)模應(yīng)用，還需在技術(shù)、法規(guī)、推廣多方面開(kāi)展工作。