全景系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的結(jié)構(gòu)要素確定

引言

全景泊車輔助系統(tǒng)(簡稱"全景系統(tǒng)"）是近年來出現(xiàn)并發(fā)展迅速的一種車載電子設(shè)備,它的主要功能是通過安裝在車輛前后左右的四個(gè)大廣角攝像頭攝取車輛四周的圖像,通過對圖像進(jìn)行畸變校正,將圖像重新還原為與實(shí)地相似的平面或立體圖像,再通過合理的定位,將四個(gè)周邊圖像按實(shí)際位置拼接成為車輛周邊的完整的環(huán)境圖像,對車輛的安全駕駛能起到很大的幫助作用(圖1）。

圖1全景系統(tǒng)的界面

全景系統(tǒng)是由全景控制單元、四個(gè)全景攝像頭、連接線束等物料組成,搭載在車載視像系統(tǒng)上。全景系統(tǒng)主要安裝在小型車輛上,其他大型車輛也有安裝,但比例很低。根據(jù)全景圖形的拼接情況,全景系統(tǒng)可以分為平面(2D）和立體(3D）兩種拼接方式。

1影響全景圖像拼接的結(jié)構(gòu)因素

一般家轎、sUV安裝全景系統(tǒng)的車型,其長度在4.5～5m的范圍內(nèi),加上車輛需要顯示的單邊范圍為2～3m,需要車載攝像頭的最大拍攝范圍達(dá)到7～11m。而車上適合安裝攝像頭的位置不多,高度一般也不超過1.2m。需要攝像頭有比較廣闊的取景角度(視場角）,只有大廣角的魚眼攝像頭能達(dá)到,所以全景用的攝像頭就只能是魚眼攝像頭。平面拼接的攝像頭水平視場角須大于170x,垂直視場角須大于110x:立體拼接要求更高,水平視場角須大于185x,垂直視場角須大于124x,這樣拼接出來的圖像才比較清晰。

全景系統(tǒng)的圖像質(zhì)量取決于攝像頭的攝取范圍能否達(dá)到系統(tǒng)要求,而影響攝像頭攝取范圍的因素有攝像頭的固定位置、高度和攝像頭的擺放角度,固定位置和高度決定了圖像的取圖范圍大小,而角度決定了圖像能否覆蓋需要取的位置,下面分別介紹對這些結(jié)構(gòu)要素的要求。

2攝像頭的安裝位置和高度要求

2.1前視攝像頭的安裝位置選擇

車前部能安裝攝像頭的位置主要有上格柵、下格柵、前保險(xiǎn)杠。出于車的結(jié)構(gòu)完整、強(qiáng)度保持的需要,無論車廠還是4s店,都不允許通過打孔、開縫、切角等破壞車前部結(jié)構(gòu)件的方式進(jìn)行前視攝像頭的安裝。所以,在保險(xiǎn)杠上安裝就不可能了。那就只有在上、下格柵(俗稱"中網(wǎng)"和"風(fēng)網(wǎng)"）上安裝才比較合理。

前視安裝需要符合哪些條件,才能攝取到符合系統(tǒng)要求的圖像呢?先說說高度。全景攝像頭的分辨率約為30萬像素,解像能力是640×480以上,從清晰度角度來說,2m以下都能攝取到足夠清晰的圖像:如果用百萬像素級(jí)(1280×720）的高清攝像頭,三四米的高度取的圖仍能令人滿意。車的寬度一般在1.8m左右,加上全景需能反映車身外2～3m距離內(nèi)的圖像,這樣前攝就必須能取到周圍6～8m范圍內(nèi)比較清晰的圖像。車的前部高度一般都在1.2m內(nèi),sUV高些,家轎更低。為了能取到合適的圖像,前視攝像頭裝得越高越好。所以前視攝像頭一般都會(huì)裝在上格柵上,這樣取景范圍才能更大,可供選擇的余地也就越多。攝像頭的安裝最好不要低于0.5m,為了保證高度需要,攝像頭可以裝偏些。

另一個(gè)問題是為了保證攝像頭的取圖平衡性,攝像頭應(yīng)盡量安裝在車輛的中線上,在有選擇的情況下,可以裝低些(以不違反0.5m的要求為前提）。很多車因?yàn)檐嚇?biāo)在中軸位置,攝像頭又不能放在車標(biāo)上(也有攝像頭裝在車標(biāo)上,如圖2所示）,上格柵的設(shè)計(jì)導(dǎo)致中線已經(jīng)沒有位置可供攝像頭放置,就只能將攝像頭放在偏些的位置上了。這樣需要注意一個(gè)要求:攝像頭的安裝盡可能不偏于車輛中線200mm以上,如果偏出了這個(gè)距離,圖像拼接時(shí)就會(huì)產(chǎn)生左、右圖像邊緣處清晰度明顯不同的問題,影響到產(chǎn)品的視像效果。

圖2裝在車標(biāo)上的前視攝像頭

2.2后視攝像頭的安裝位置選擇

后視攝像頭的安裝條件與前視相似,同樣是越高越好,最好安裝在中線上。

在4S店加裝全景系統(tǒng),后視攝像頭的安裝要盡量用好已有的結(jié)構(gòu),后視的位置常選擇取代兩種車上現(xiàn)成的結(jié)構(gòu):倒車攝像頭和牌照燈。兩個(gè)位置的高度是一樣的,一般都在1%以上的高位。

倒車攝像頭的位置是首選,這個(gè)位置比較靠中線,因?yàn)槲蚕溟_箱提手位置的存在,倒車攝像頭也不是處于正中,會(huì)偏一點(diǎn)。對于自動(dòng)鎖尾箱的車,開鎖位置不在正中,處在正中的就是倒車攝像頭了。倒車攝像頭的固定結(jié)構(gòu)與全景后視攝像頭相似,很容易就可以改為后攝,無需做太大改動(dòng)。而且,倒車攝像頭在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了車輛符合安全規(guī)范的需要,改裝后的全景后攝也能達(dá)到安規(guī)要求。新車多數(shù)配有倒車攝像頭,改裝起來很簡單。

牌照燈位置的改裝比較麻煩,需要將牌照燈換掉,重做一個(gè)帶攝像頭的牌照燈安上去（圖3）。這樣的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已較少采用,在車廠統(tǒng)一安排生產(chǎn)和加裝時(shí),不會(huì)接受這種安裝方式。這種改裝方式有幾個(gè)弊病:一是改裝后的燈用得小了一號(hào),亮度比不上改裝前好;二是凸出的后攝結(jié)構(gòu)會(huì)遮擋燈光,不符合安規(guī)要求;三是所有牌照燈都是左右各一個(gè)的,改裝的后攝會(huì)離中線較遠(yuǎn),圖像效果受影響。

圖3取代牌照燈的后視攝像頭

2.3左右攝像頭的安裝位置選擇

左右攝像頭的安裝一般選在左右后視鏡的底部,小型車這兩個(gè)位置最適合安放左右攝像頭,既有足夠的高度,也比較隱蔽,對車的外觀影響較小。

不是由車廠統(tǒng)一安排生產(chǎn)時(shí),左右后視鏡就不帶安裝攝像頭結(jié)構(gòu),需在上面加裝。左右后視鏡體積不大,但內(nèi)部的物料不少,多余的空間不多,需要選擇合適安放又不損害到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置。

左右攝的安放,在結(jié)構(gòu)允許時(shí),最好能離車身遠(yuǎn)些,如果離車身太近,車身占據(jù)了相當(dāng)多的圖像位置,有效的取圖面積會(huì)大大減少。

在車廠統(tǒng)籌生產(chǎn)的情況下,由于車型固定,生產(chǎn)規(guī)劃由車廠統(tǒng)一安排,產(chǎn)劃的生產(chǎn)品量和產(chǎn)量得到批保。車廠是不允許破壞性安裝的,但是后視鏡的底殼可以整體置換,需要重新開模生產(chǎn)帶有左右攝固定結(jié)構(gòu)的底殼,生產(chǎn)成本比較高,不過由于產(chǎn)量有保證,成本均攤到產(chǎn)劃中,成本控制較易實(shí)現(xiàn),因而成為左右攝安裝的常見做法(圖4）。

圖4更換底殼安裝的左右攝像頭

在4S店由全景廠家加裝時(shí)不確定性因素比較多,能否加裝,加裝數(shù)量多少,受到車型的產(chǎn)量、價(jià)格、檔次、結(jié)構(gòu)等因素影響,銷量不確定時(shí),開模生產(chǎn)底殼就不是個(gè)好選項(xiàng)了。為了節(jié)省成本,破壞性安裝就難以避免了,當(dāng)然,這須得到客戶的許可,以免產(chǎn)生意外的糾紛和索賠。最常見的是在底殼用開孔器開孔,將攝像頭塞入孔內(nèi)固定好,這樣做簡單易行、安裝簡便、用時(shí)節(jié)省、成本也低。也有在底殼上只開過線孔,將左右視整套結(jié)構(gòu)用螺釘固定在底殼上的,這樣安裝更簡單,但比較易損壞,外觀不好看,也會(huì)阻礙新出車型的后視鏡折疊,已經(jīng)被放棄了。

縱使是破壞性的安裝,也需與車輛的后視鏡相配套,形成比較協(xié)調(diào)的一體效果,需要進(jìn)行專車專用的設(shè)計(jì)。有些廠家為節(jié)省成本,采用了通用的結(jié)構(gòu),與底殼吻合的結(jié)構(gòu)件用軟塑料或丁腈橡膠適配底殼的不同形狀,雖然也能用,但因?yàn)榘惭b位置和底殼形狀差別太大,安裝位置會(huì)露出縫隙或變形過大,不夠美觀耐用。

3攝像頭安裝角度的確定

3.12D拼接的角度要求

圖5是全景拼接時(shí)對四個(gè)攝像頭安裝角度的要求。

前視攝像頭的角度受制于上格柵結(jié)構(gòu),不允許前攝角度下傾較大。但從取圖的要求來說,前攝的角度還是大些好,如可能取到259也是可以的,盡量不要用09,因?yàn)閳D像最清晰部分在中央,攝像頭平放,就不可避免地會(huì)取到清晰度較差的邊緣地帶了。

但前視也不允許取更大角度,因?yàn)閿z像頭算是比較脆弱的光學(xué)產(chǎn)品,尤其是它的鏡頭是玻璃的,極易因沖撞受損,不允許成為車輛最突前的部件,安裝位置比上格柵前突一點(diǎn)就好,不應(yīng)超過前保險(xiǎn)杠。車型設(shè)計(jì)一般是流線型的,上格柵帶有一定的傾角,即使格柵結(jié)構(gòu)不限制攝像頭的角度,前保險(xiǎn)杠也比攝像頭前突,攝像頭下傾角度太大,前保和格柵就會(huì)遮擋大部分圖像,不但影響取圖質(zhì)量,也會(huì)因?yàn)檎趽踹^多而導(dǎo)致拼接時(shí)有太大的取圖盲區(qū),影響駕駛者對周邊的判斷。

后視的角度相對自由些,阻擋位置不多,而且角度有章可循,套用倒車攝像頭的角度就比較合理。后視與前視一樣,雖然可用09,但對取圖不好,一般不用。后攝的角度一般在209～359之間,無論用倒車攝像頭結(jié)構(gòu)還是用取代牌照燈的結(jié)構(gòu)。大于359也會(huì)面臨后殼和后保占用圖像過多的問題。

左右攝像頭的角度選取很關(guān)鍵,對取圖的影響最大,尤其是在家轎上。左右攝的取景距離最遠(yuǎn),車長是5m左右,加上前2m后3m,有效圖像的距離必須在10m以上。左右攝安裝在左右后視鏡底部,這個(gè)位置距車前部近,離車后部遠(yuǎn)。左右攝前后擺放角度哪怕是差19,都會(huì)對取圖產(chǎn)生影響。左右攝的角度有兩個(gè)方向:一是外傾角度,二是后傾角度。外傾是為了盡量少取些車身的圖像,在2D拼接中,不需要外傾太多,因?yàn)樵诮缑嫔?除了全景拼接圖外,還有前、后、左、右的單視圖存在,掛倒檔,系統(tǒng)會(huì)顯出后攝的單視圖:打左/右轉(zhuǎn)向燈,系統(tǒng)會(huì)顯出左/右單視圖。為了表示視圖方位,左/右單視圖畫面會(huì)帶有1/5～1/4車身位置。外傾59～159就能滿足2D取圖的需要,如果角度更大,圖像最清晰的位置就會(huì)落到需要顯示的距離之外了。

為了保證前后取圖的合理范圍,左右攝會(huì)往后傾斜一定的角度。左右攝后傾角度一般取59,不宜做大改動(dòng),這是實(shí)裝測試的結(jié)果。在對一汽邁騰的左右攝角度進(jìn)行安裝測試時(shí)發(fā)現(xiàn),取09,后方的取圖達(dá)不到需要的距離:改為109時(shí),前方取圖距離也達(dá)不到要求:取為59時(shí),前、后取圖均能達(dá)到平衡。邁騰是家轎,左右攝離地面距離比較近,對角度要求比較苛刻,對安裝位置較高的SUV類車,角度可以做更大的調(diào)整,但是,既然后傾59就能達(dá)到前后取圖比較平衡的結(jié)果,就沒必要對角度進(jìn)行調(diào)整了。

3.23D拼接的角度要求

3D拼接對前后攝的要求與2D相同,主要區(qū)別在于左右攝的安裝角度的不同。

3D的拼接圖形如圖6所示,圖中可見3D的拼接已不是單純以地面為參照,還需要顧及到地面以上物體的拼接完整。

全景系統(tǒng)的安裝過程中,有個(gè)環(huán)節(jié)叫標(biāo)定,在系統(tǒng)安裝完成后,需在地面鋪設(shè)相關(guān)的圖案,通過攝像頭對圖案的攝取和取點(diǎn)進(jìn)行定位并達(dá)到精確拼接的目的。圖示可見標(biāo)定布是前后左右四塊,這種方法拼接精度較高。主流的全景系統(tǒng)生產(chǎn)廠家,2D與3D的標(biāo)定是用同一套標(biāo)定方法。

圖63D拼接后的全景圖

在3D的系統(tǒng)中,左右攝不但需要考慮能拍攝到有一定高度的周邊物體,同時(shí)也需兼顧擺放在車四周的標(biāo)定布的完整攝取,對攝像頭的要求更高,所以3D攝像頭比2D的要求更高,水平和垂直視場角要求更大,能攝取更廣闊角度的圖像。在對選用角度進(jìn)行測試時(shí),用一組水平1859、垂直1249的高清攝像頭測試,外傾角度小于459時(shí),勉強(qiáng)可完整攝取到靠在車邊的標(biāo)定布,取得合格的標(biāo)定結(jié)果。角度更小當(dāng)然對標(biāo)定更有利,可是這樣就降低了對周邊物體的攝取高度,為了平衡兩方面的需要,取359～459是合理的選擇。

對后傾角的選擇,不少廠家為了方便,取為09,這樣左右視圖的變形更小。這用于SUV的安裝時(shí)沒有問題,也能拼接完整,只是全景圖的左后和右后的圖拼接后質(zhì)量稍差些。這個(gè)選擇是視客戶要求確定的,但是既然后傾59時(shí)能達(dá)到前后取圖比較平衡,就沒有修改這個(gè)角度的必要。

4結(jié)語

博維公司是國內(nèi)最早從事全景系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的高科技公司,在全景系統(tǒng)研發(fā)和生產(chǎn)過程中所確定下來的結(jié)構(gòu)要素,一直都是行業(yè)的參照數(shù)據(jù)。現(xiàn)在生產(chǎn)全景的廠商已經(jīng)很多,但它們所生產(chǎn)的全景系統(tǒng),這方面的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與本文所列舉的大同小異,而且也沒有發(fā)現(xiàn)實(shí)際使用中產(chǎn)生過什么明顯的問題,這些數(shù)據(jù)是經(jīng)得起實(shí)踐考驗(yàn)的。