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備,它的主要功能是通過安裝在車輛前后左右的四個大廣角攝像頭攝取車輛四周的圖像,通過對圖像進行畸變校正,將圖像重新還原為與實地相似的平面或立體圖像,再通過合理的定位,將四個周邊圖像按實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構因素
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,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170°,垂直視場角須大于110°:立體拼接要求更高,水平視場角須大于185°,垂直視場角須大于124°,這樣拼接出來的圖像才比較清晰。
全景系統(tǒng)的圖像質量取決于攝像頭的攝取范圍能否達到系統(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構要素的要求。
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、前保險杠。出于車的結構完整、強度保持的需要,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構件的方式進行前視攝像頭的安裝。所以,在保險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(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距離內的圖像,這樣前攝就必須能取到周圍6~8m范圍內比較清晰的圖像。車的前部高度一般都在1.2m內,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。
另一個問題是為了保證攝像頭的取圖平衡性,攝像頭應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)。很多車因為車標在中軸位置,攝像頭又不能放在車標上(也有攝像頭裝在車標上,如圖2所示),上格柵的設計導致中線已經(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,如果偏出了這個距離,圖像拼接時就會產(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構,后視的位置常選擇取代兩種車上現(xiàn)成的結構:倒車攝像頭和牌照燈。兩個位置的高度是一樣的,一般都在1m以上的高位。
倒車攝像頭的位置是首選,這個位置比較靠中線,因為尾箱開箱提手位置的存在,倒車攝像頭也不是處于正中,會偏一點。對于自動鎖尾箱的車,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構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。而且,倒車攝像頭在設計時已經(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,重做一個帶攝像頭的牌照燈安上去(圖3)。這樣的結構現(xiàn)在已較少采用,在車廠統(tǒng)一安排生產(chǎn)和加裝時,不會接受這種安裝方式。這種改裝方式有幾個弊病:一是改裝后的燈用得小了一號,亮度比不上改裝前好:二是凸出的后攝結構會遮擋燈光,不符合安規(guī)要求:三是所有牌照燈都是左右各一個的,改裝的后攝會離中線較遠,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,左右后視鏡就不帶安裝攝像頭結構,需在上面加裝。左右后視鏡體積不大,但內部的物料不少,多余的空間不多,需要選擇合適安放又不損害到內部結構的位置。
左右攝的安放,在結構允許時,最好能離車身遠些,如果離車身太近,車身占據(jù)了相當多的圖像位置,有效的取圖面積會大大減少。
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)品的生產(chǎn)批量和產(chǎn)量得到保障。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)帶有左右攝固定結構的底殼,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)品中,成本控制較易實現(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、價格、檔次、結構等因素影響,銷量不確定時,開模生產(chǎn)底殼就不是個好選項了。為了節(jié)省成本,破壞性安裝就難以避免了,當然,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,將攝像頭塞入孔內固定好,這樣做簡單易行、安裝簡便、用時節(jié)省、成本也低。也有在底殼上只開過線孔,將左右視整套結構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)調的一體效果,需要進行專車專用的設計。有些廠家為節(jié)省成本,采用了通用的結構,與底殼吻合的結構件用軟塑料或丁腈橡膠適配底殼的不同形狀,雖然也能用,但因為安裝位置和底殼形狀差別太大,安裝位置會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是全景拼接時對四個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構,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,因為圖像最清晰部分在中央,攝像頭平放,就不可避免地會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,因為攝像頭算是比較脆弱的光學產(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就好,不應超過前保險杠。車型設計一般是流線型的,上格柵帶有一定的傾角,即使格柵結構不限制攝像頭的角度,前保險杠也比攝像頭前突,攝像頭下傾角度太大,前保和格柵就會遮擋大部分圖像,不但影響取圖質量,也會因為遮擋過多而導致拼接時有太大的取圖盲區(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構還是用取代牌照燈的結構。大于359也會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,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,這個位置距車前部近,離車后部遠。左右攝前后擺放角度哪怕是差19,都會對取圖產(chǎn)生影響。左右攝的角度有兩個方向: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,因為在界面上,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)會顯出后攝的單視圖:打左/右轉向燈,系統(tǒng)會顯出左/右單視圖。為了表示視圖方位,左/右單視圖畫面會帶有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,這是實裝測試的結果。在對一汽邁騰的左右攝角度進行安裝測試時發(fā)現(xiàn),取09,后方的取圖達不到需要的距離:改為109時,前方取圖距離也達不到要求:取為59時,前、后取圖均能達到平衡。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整,但是,既然后傾59就能達到前后取圖比較平衡的結果,就沒必要對角度進行調整了。
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,有個環(huán)節(jié)叫標定,在系統(tǒng)安裝完成后,需在地面鋪設相關的圖案,通過攝像頭對圖案的攝取和取點進行定位并達到精確拼接的目的。圖示可見標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的標定是用同一套標定方法。
圖6 3D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,同時也需兼顧擺放在車四周的標定布的完整攝取,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。在對選用角度進行測試時,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,勉強可完整攝取到靠在車邊的標定布,取得合格的標定結果。角度更小當然對標定更有利,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量稍差些。這個選擇是視客戶要求確定的,但是既然后傾59時能達到前后取圖比較平衡,就沒有修改這個角度的必要。
4結語
博維公司是國內最早從事全景系統(tǒng)設計和生產(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構要素,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),這方面的結構數(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)得起實踐考驗的。
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