01前言

目前，車載攝像頭傳感器是主流的自動駕駛系統傳感器之一，視覺感知的方案也是大多數汽車廠商的感知融合方案的重要組成部分。攝像頭技術成熟且價格適中，在未來很長一段時間都將會是自動駕駛系統傳感器的優選方案。

02工作原理

車載攝像頭由鏡頭、CMOS/CCD圖像傳感器、圖像信號處理器以及串行器組成。它的工作原理是：物體表面反射的光線通過鏡頭入射到CMOS/CCD圖像傳感器，圖像傳感器將接收到的光信號轉換為數字信號并傳遞給圖像信號處理器，圖像信號處理器對數字信號進行圖像濾波和增強，并通過串行器對處理過的圖像信息進行串行化后傳輸給域控制器。

圖1車載攝像頭工作原理示意圖

攝像頭重要參數包括：

焦距，是鏡頭光學中心到感光元件成像平面的距離，焦距與探測范圍成正比，焦距越大，一般其探測范圍就越遠；

視場角，分為水平視場角和垂直視場角，描述攝像頭的視野角度；

分辨率，攝像頭畫面中X軸像素點數乘以Y軸的像素點數，分辨率越高，畫面越清晰；

信噪比，是信號電壓對噪聲電壓的比值，信噪比越高表明產生的雜波信號越少，圖像的信號質量也就越好；

動態范圍，指拍攝的同一個畫面內，能正常顯示細節的最亮和最暗物體的亮度值所包含的那個區間。動態范圍越大，過亮或過暗的物體在同一個畫面中都能正常顯示的程度也就越大。

03分類及其應用

車載攝像頭根據安裝位置分為五類：前視、后視、側視、環視以及內置攝像頭。

圖2車載攝像頭布置圖

前視攝像頭，前視攝像頭一般安裝在前擋風玻璃的上方，用于目標識別和測距測速，根據功能，又可以分為前視主攝像頭、前視廣角攝像頭以及前視長焦攝像頭。

前視主攝像頭，視場角60-80°左右，探測距離150m左右，用于監測車輛前方的寬闊視野，基本上能夠覆蓋大部分交通場景。

前視廣角攝像頭，視場角120° - 150°左右，探測距離在50 m左右的魚眼攝像頭，能夠拍攝到交通信號燈、行駛路線上的障礙物和距離較近的物體，非常適用于城市街道、低速緩行的交通場景。

前視長焦攝像頭，視場角30°左右，探測距離可達250 m以上，視野相對較窄，適用于高速行駛的交通場景。

后視攝像頭，視場角120-140°左右，探測距離50 m左右。一般安裝在后備箱上，主要功能是實現泊車輔助。

側視攝像頭，視場角一般為 90°-100°，探測距離80 m 左右，安裝在車輛兩側的中間位置，主要作用是檢測側向車輛及自行車。

環視攝像頭，安裝在車身四周，一般使用4-8個魚眼攝像頭，可分為前向魚眼攝像頭/左側魚眼攝像頭/右側魚眼攝像頭/后向魚眼攝像頭。用于全景環視功能的顯示，以及融合泊車功能的視覺感知及目標檢測。

內置攝像頭，一般安裝在中控臺，正對著駕駛員的面部，用于監控駕駛員的駕駛狀態，進行疲勞提醒等。

（1）攝像頭的優點包括：

種類齊全，技術成熟，攝像頭在日常生活中用處廣泛，衍生出了不同焦距和視場角的產品，覆蓋了車載的需求；

成本適中，相比于昂貴的激光雷達，攝像頭的價格是更加低廉的；

性能強大，攝像頭能夠探測到物體的顏色、紋理、輪廓、亮度信息，對于識別紅綠燈、交通標志這種帶有顏色特征的目標具有獨到的優勢。

（2）攝像頭的局限性體現在：

攝像頭傳感器易受光線影響，在黑夜、雪天、雨天等能見度下降的條件下，攝像頭的性能會下降；

攝像頭傳感器的測試測距能力略差于雷達，雷達可根據多普勒效應直接計算目標的距離和速度，攝像頭則依賴算法估計，準確性不如雷達。

04仿真驗證

攝像頭的仿真驗證是自動駕駛系統仿真的一部分，主要有兩種形式：一種是暗箱仿真，另外一種是視頻注入。

暗箱仿真，預先準備一個暗箱，內置高清顯示器、增距透鏡以及攝像頭支架，將待仿真的攝像頭放在支架上，通過調整支架使顯示器、透鏡、攝像頭的中心點在同一條水平線上。顯示器播放仿真的場景畫面，使用增距透鏡對畫面進行放大，確保放大后的畫面能夠布滿攝像頭感光元件的表面。攝像頭通過增距透鏡實時拍攝放大后的畫面，并將圖像信息處理后回傳，就完成了攝像頭的仿真。

圖3視頻暗箱工作原理示意圖

視頻注入，將仿真場景視頻流直接通過HDMI協議傳送到視頻注入單元，該視頻注入單元能將HDMI視頻轉碼為符合GMSL協議的串行數據流，然后將串行的數據流注入到域控制器中。

圖4視頻注入仿真原理示意圖

由上可以總結得出，不管哪種仿真方式，都離不開仿真場景，且場景中至少應該包含攝像頭模型、車輛模型、目標模型。其中攝像頭模型提供仿真畫面的視角，也就是說傳輸給暗箱或者視頻注入模塊的畫面是通過攝像頭視角“看”到的；車輛模型是用來安放待測的攝像頭的，攝像頭的位置決定了它的功能；目標模型即為攝像頭拍攝的目標，可以是其他車輛、行人、標志標線、路牌等等。

西門子的場景仿真軟件Prescan的一大特點就是具備豐富的傳感器模型，其中就包括2款攝像頭傳感器——普通單目攝像頭和魚眼攝像頭。

圖5攝像頭模型安裝位置設置

以普通單目攝像頭模型為例，在Prescan中，可以設置攝像頭的安裝位置，包括XYZ位置和沿XYZ方向轉動的情況，且可以直觀地在預覽界面中觀察。

圖6攝像頭傳感器參數設置

還可以設置攝像頭模型的分辨率、幀率、顏色模式、焦距、鏡頭尺寸、渲染范圍。除此之外，Prescan的攝像頭傳感器還可以添加各種效果，比如模糊、HDR、等立體角、正交投影、平射投影、雨滴效果、臟污效果等。

有了攝像頭模型，攝像頭仿真驗證的問題也就迎刃而解了：

根據實際的攝像頭參數來配置攝像頭模型的參數；

搭建場景，并輸出攝像頭視角的畫面；

使用暗箱或者視頻注入的方式將畫面信息傳遞給域控制器；

域控制器根據獲得的畫面信息，確定是否激活相應的自動駕駛功能。

05結語

車載的攝像頭傳感器的探測范圍和視場角都十分靈活，既可以遠程探測，也可以輔助泊車；既可以定點識別，也可以全景影像化；既可以描述輪廓，又能夠辨別色彩。用一種傳感器覆蓋了好幾種其他傳感器的功能，這也是某些主機廠敢于使用純視覺感知方案的原因。攝像頭有自己弱勢的地方，但總的來說在自動駕駛領域是不可或缺的。

作為自動駕駛仿真測試的一部分，攝像頭仿真的核心是攝像頭傳感器模型，優質的傳感器模型能夠通過一系列參數設置，最大程度地還原攝像頭視角下的畫面，讓仿真測試的結果更有說服力。

審核編輯：湯梓紅