楊 通,王早早,卜偉理

(上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805)

引言

近年來隨著電子技術和智能駕駛技術的發(fā)展，車載攝像監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)開始應用到汽車上，部分替代或者補充光學后視鏡的功能，為駕駛員提供額外的視野，反饋保障安全駕駛所必須的道路信息。日本和歐盟地區(qū)已經(jīng)修改法規(guī)，允許在車輛上使用CMS系統(tǒng)完全替代光學后視鏡，國內相關法規(guī)也在修訂當中。

需要引起注意的是，CMS系統(tǒng)作為一種新的汽車零部件，對于汽車的主動安全性能有重要影響，其圖像質量問題更是引起重點關注[1]。2018年，IEEE P2020工作組發(fā)布了白皮書，提出了有關汽車攝像系統(tǒng)的圖像質量問題，涉及到人眼視覺和機器視覺的應用領域[2]。P2020白皮書中提到LED閃爍可能導致圖像信息丟失，以及動態(tài)范圍不足導致的圖像模糊等問題，這些問題對于駕駛員和輔助駕駛系統(tǒng)可能造成嚴重影響。

為了保證行車安全，CMS系統(tǒng)提供的圖像信息應最大程度的還原周圍道路信息，其中道路車輛的信號燈具是關鍵信息之一，汽車信號燈展示了車輛的行駛狀態(tài)，在保障行車安全方面發(fā)揮重要作用。有關汽車信號燈在CMS系統(tǒng)中的表現(xiàn)還未見有相關研究報道。

本文結合汽車燈具的國內法規(guī)要求，設計試驗對于汽車信號燈在車載CMS系統(tǒng)中的顯示問題進行驗證，并分析可能帶來的安全性問題。

1 汽車信號燈具國內法規(guī)分析

國內對于汽車信號燈的法規(guī)技術要求與歐盟ECE標準基本一致，相關要求根據(jù)技術指標可以概括為兩個方面：

1)色度要求。國標中對于信號燈的光色有明確要求，比如制動燈、后位燈為紅色，前位燈、晝間行駛燈為白色、轉向燈為琥珀色，同時對于各種光色的色坐標規(guī)定了嚴格的邊界范圍。各功能規(guī)定不同光色是為了方便辨識，并且為了使各燈具工作時不至于造成誤解和干擾，法規(guī)還規(guī)定了車輛前方不可見紅光，車后不可見白光(倒車燈除外)。

2)亮度要求。國標中對于各功能信號燈的發(fā)光強度都有限值要求，設定了最大和最小發(fā)光強度。設定發(fā)光限值是為了信號指示足夠醒目，同時又不至于過亮對其他道路使用者造成干擾。同時對于一些特定類型的燈具有補充要求，如制動、后位燈功能混合的燈具，兩功能同時點亮和后位燈單獨點亮的發(fā)光強度比值應不小于5，即制動燈的發(fā)光強度應至少4倍于后位燈，這一條款的設計是為了保證兩個功能亮度有明顯的區(qū)別，便于識別。

2 實驗設計與測試

通過以上分析，結合已知的汽車攝像系統(tǒng)的圖像質量問題，本文設計試驗重點關注汽車信號燈在CMS系統(tǒng)中的功能可辨識度。試驗方案如下：

選用的測試設備為成像式色度亮度計，可快速測試目標物色度與亮度。測試燈具樣品為LED汽車后組合燈，包含制動燈與后位燈功能，同時選取具有內后視鏡功能的CMS產(chǎn)品作為實驗樣品。使用色度亮度計設備分別測試燈具樣品和CMS產(chǎn)品屏幕中的燈具樣品圖像，從光色、亮度、閃爍特性等幾個方面進行測定。

2.1 光色

選取LED汽車后組合燈中的后位燈功能為測試目標。根據(jù)《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定》(GB 4785—2019)，汽車后位燈的光色應為紅色，色品坐標邊界為y≤0.335，y≥0.980-x。

點亮后位燈功能進行測試，色度亮度計直接測試燈具樣品，測試圖片如圖1所示，圖2為對應CMS屏幕測試圖片，目視觀察可發(fā)現(xiàn)，燈具后位燈光色為正常紅色，而CMS屏幕輸出的后位燈圖像顏色整體偏白，部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯白色，與樣品實際輸出光色差距明顯。

圖1 后位燈測試圖像Fig.1 Test image of rear position lamp

圖2 CMS屏幕顯示的后位燈圖像Fig.2 Test image of rear position lamp displayed on the screen

在上述后位燈圖像區(qū)域分別選取兩個點，記錄色度亮度計輸出測試結果，圖1中P1、P2點色坐標結果為(x=0.7346，y=0.2653)、(x=0.7325，y=0.2674)，位于法規(guī)要求的色品坐標范圍內。圖2中P1、P2點色坐標為(x=0.3651，y=0.3354)、(x=0.3891，y=0.2581)，遠遠偏離規(guī)定的色品坐標范圍。

根據(jù)色度測試結果可知，該CMS系統(tǒng)對被測后位燈進行采集成像后，輸出的燈具圖像光色失真嚴重，光色表現(xiàn)不符合相關法規(guī)限值要求，并且也不符合車后不可見白光的規(guī)定，判斷CMS系統(tǒng)輸出顏色失真是因為相機曝光過度導致，相機動態(tài)范圍不足，不能準確采集光信號。在實際使用中，失真的發(fā)光色度信息會對駕駛員的判斷造成干擾，甚至導致駕駛員對周圍車輛狀態(tài)的誤判。

2.2 亮度

同時點亮被測燈具的后位燈與制動燈功能，以評判被測CMS系統(tǒng)對不同亮度區(qū)域的表現(xiàn)能力。使用色度亮度計直接測試被測燈具，測試圖片如圖3所示。目視觀察，后位燈發(fā)光區(qū)域和制動燈發(fā)光區(qū)域亮度差別明顯。在圖中后位燈和制動燈發(fā)光區(qū)域中心位置分別選取兩個點，在亮度色度計中讀取亮度數(shù)據(jù)，后位燈發(fā)光區(qū)域中P1為212 cd/cm2，P2為189 cd/cm2；制動燈發(fā)光區(qū)域中P3為2 170 cd/cm2，P4為2 146 cd/cm2。

圖3 后位燈和制動燈測試圖像Fig.3 Test image of rear position lamp and stop lamp

使用色度亮度計測試CMS屏幕輸出的燈具圖像，如圖4所示。目視觀察，后位燈發(fā)光區(qū)域和制動燈發(fā)光區(qū)域亮度無明顯差別。選取圖中亮度數(shù)據(jù)，后位燈發(fā)光區(qū)域P1點194 cd/cm2，P2點為191 cd/cm2；制動燈發(fā)光區(qū)域中P3為206 cd/cm2，P4為214 cd/cm2。

圖4 CMS屏幕顯示的后位燈與制動燈圖像Fig.4 Test image of rear position lamp and stop lamp displayed on the screen

可以看出，對于具有明顯亮度差異的發(fā)光面，該CMS系統(tǒng)呈現(xiàn)的圖像中并沒有真實反映出這一差異，在圖像中無法通過亮度來區(qū)分后位燈和制動燈功能。國標GB 5920—2019中要求對于混合制動后位燈，兩功能的發(fā)光強度需滿足比例要求，已達到便于識別功能的效果，而劣化的CMS圖像質量使這一設計效果無法實現(xiàn)。

2.3 閃爍特性

P2020白皮書中指出對于類似紅綠燈的閃爍LED，攝像系統(tǒng)采集的圖像信息可能會有丟失，甚至可能引起觀察者的嚴重不適。在汽車燈具領域，常使用電壓的脈寬調制技術(PWM)來實現(xiàn)對于信號燈發(fā)光強度的控制，使用PWM的汽車信號燈工作中也處于快速閃爍狀態(tài)。為了驗證汽車信號燈的閃爍在CMS中的顯示效果，使用PWM控制器對于被測燈具信號燈功能的閃爍頻率進行控制。設定不同的頻率，觀察CMS中后位燈圖像的表現(xiàn)。

設定閃爍頻率為45 Hz，CMS屏幕中后位燈圖像已經(jīng)有明顯的閃爍現(xiàn)象。繼續(xù)降低閃爍頻率至25 Hz，圖像閃爍已經(jīng)非常嚴重。使用1/4 000相機快門速度，拍攝屏幕圖像，記錄到后位燈發(fā)光和不發(fā)光狀態(tài)的圖片，如圖5和圖6所示，這是由于較短的曝光時間導致相機拍攝時有一定幾率剛好錯過燈具發(fā)光狀態(tài)。

圖5 閃爍燈具的發(fā)光圖像Fig.5 Luminous condition image of a flashing lamp

圖6 閃爍燈具的不發(fā)光圖像Fig.6 Non-luminous condition image of a flashing lamp

汽車LED信號燈閃爍在不同應用領域都可能造成影響。對于CMS系統(tǒng)，LED閃爍可能使圖像顯示質量下降，閃爍的圖像也會影響駕駛員的注意力和舒適度，更嚴重可能會造成誤判，比如將位置燈誤判為轉向燈。在機器視覺應用中，LED閃爍造成的圖像信息丟失，可能影響基于圖像傳感技術的輔助駕駛系統(tǒng)的正常功能。

3 總結分析

通過上述的試驗結果及分析，可以得出結論，車載CMS系統(tǒng)中汽車信號燈的顯示可能出現(xiàn)一系列的圖像質量問題，影響信號燈的正常信號指示功能。結合汽車燈具國標要求分析，相關問題和影響主要體現(xiàn)在以下幾點：

從光色表現(xiàn)看，由于攝像頭動態(tài)范圍不足，CMS系統(tǒng)對于汽車信號燈的光色還原可能出現(xiàn)偏差，偏離法規(guī)要求的色坐標范圍。對于紅色信號燈，如制動燈、后位燈，以及琥珀色信號燈，如轉向燈，屏幕中可能顯示為白色，與原有的白色信號燈，如倒車燈容易混淆，會對駕駛員造成誤導，駕駛員如果依據(jù)錯誤的光色信息進行操作可能導致嚴重的安全事故。

從亮度表現(xiàn)來看，CMS可能出現(xiàn)的問題是對于不同亮度的信號燈功能不能進行區(qū)分顯示。這個同樣是由于攝像頭的動態(tài)范圍不足，圖像過曝導致亮度細節(jié)無法還原。汽車燈具國標中已經(jīng)明確規(guī)定了各信號燈功能的亮度范圍，便于駕駛員進行識別判斷，如果CMS系統(tǒng)無法有效顯示不同功能的亮度光度區(qū)別，同樣會對駕駛員的判斷造成干擾。

使用PWM技術的LED汽車信號燈可能在CMS顯示中表現(xiàn)為閃爍圖像，而這種閃爍現(xiàn)象會對信號功能的識別帶來嚴重影響。首先這將影響駕駛員的主觀視覺感受和注意力，同時可能造成駕駛員將閃爍圖像誤判為轉向燈圖像。另外，對于依賴圖像感知技術的輔助駕駛功能，LED閃爍可能導致圖像信息的丟失，影響信號識別的效率和準確率。

以上問題中，光色與亮度問題與CMS產(chǎn)品本身的技術水平相關，目前國外CMS產(chǎn)品法規(guī)中已經(jīng)對色彩還原、對比度等相關指標做了要求，國內標準也在修訂中，提升CMS產(chǎn)品硬件指標可以有效減少甚至消除相關問題。對于LED閃爍問題，法規(guī)中還沒有明確的指標進行規(guī)范，還需要進一步深入研究。