全景系统设计过程的结构要素确定

引言

全景泊车辅助系统(简称"全景系统")是近年来出现并发展迅速的一种车载电子设备,它的主要功能是通过安装在车辆前后左右的四个大广角摄像头摄取车辆四周的图像,通过对图像进行畸变校正,将图像重新还原为与实地相似的平面或立体图像,再通过合理的定位,将四个周边图像按实际位置拼接成为车辆周边的完整的环境图像,对车辆的安全驾驶能起到很大的帮助作用(图1)。

图1 全景系统的界面

全景系统是由全景控制单元、四个全景摄像头、连接线束等物料组成,搭载在车载视像系统上。全景系统主要安装在小型车辆上,其他大型车辆也有安装,但比例很低。根据全景图形的拼接情况,全景系统可以分为平面(2D)和立体(3D)两种拼接方式。

1影响全景图像拼接的结构因素

一般家轿、SUV安装全景系统的车型,其长度在4.5~5m的范围内,加上车辆需要显示的单边范围为2~3m,需要车载摄像头的最大拍摄范围达到7~11m。而车上适合安装摄像头的位置不多,高度一般也不超过1.2m。需要摄像头有比较广阔的取景角度(视场角),只有大广角的鱼眼摄像头能达到,所以全景用的摄像头就只能是鱼眼摄像头。平面拼接的摄像头水平视场角须大于170°,垂直视场角须大于110°:立体拼接要求更高,水平视场角须大于185°,垂直视场角须大于124°,这样拼接出来的图像才比较清晰。

全景系统的图像质量取决于摄像头的摄取范围能否达到系统要求,而影响摄像头摄取范围的因素有摄像头的固定位置、高度和摄像头的摆放角度,固定位置和高度决定了图像的取图范围大小,而角度决定了图像能否覆盖需要取的位置,下面分别介绍对这些结构要素的要求。

2摄像头的安装位置和高度要求

2.1前视摄像头的安装位置选择

车前部能安装摄像头的位置主要有上格栅、下格栅、前保险杠。出于车的结构完整、强度保持的需要,无论车厂还是4S店,都不允许通过打孔、开缝、切角等破坏车前部结构件的方式进行前视摄像头的安装。所以,在保险杠上安装就不可能了。那就只有在上、下格栅(俗称"中网"和"风网")上安装才比较合理。

前视安装需要符合哪些条件,才能摄取到符合系统要求的图像呢?先说说高度。全景摄像头的分辨率约为30万像素,解像能力是640×480以上,从清晰度角度来说,2m以下都能摄取到足够清晰的图像:如果用百万像素级(1280×720)的高清摄像头,三四米的高度取的图仍能令人满意。车的宽度一般在1.8m左右,加上全景需能反映车身外2~3m距离内的图像,这样前摄就必须能取到周围6~8m范围内比较清晰的图像。车的前部高度一般都在1.2m内,SUV高些,家轿更低。为了能取到合适的图像,前视摄像头装得越高越好。所以前视摄像头一般都会装在上格栅上,这样取景范围才能更大,可供选择的余地也就越多。摄像头的安装最好不要低于0.5m,为了保证高度需要,摄像头可以装偏些。

另一个问题是为了保证摄像头的取图平衡性,摄像头应尽量安装在车辆的中线上,在有选择的情况下,可以装低些(以不违反0.5m的要求为前提)。很多车因为车标在中轴位置,摄像头又不能放在车标上(也有摄像头装在车标上,如图2所示),上格栅的设计导致中线已经没有位置可供摄像头放置,就只能将摄像头放在偏些的位置上了。这样需要注意一个要求:摄像头的安装尽可能不偏于车辆中线200mm以上,如果偏出了这个距离,图像拼接时就会产生左、右图像边缘处清晰度明显不同的问题,影响到产品的视像效果。

图2 装在车标上的前视摄像头

2.2后视摄像头的安装位置选择

后视摄像头的安装条件与前视相似,同样是越高越好,最好安装在中线上。

在4S店加装全景系统,后视摄像头的安装要尽量用好已有的结构,后视的位置常选择取代两种车上现成的结构:倒车摄像头和牌照灯。两个位置的高度是一样的,一般都在1m以上的高位。

倒车摄像头的位置是首选,这个位置比较靠中线,因为尾箱开箱提手位置的存在,倒车摄像头也不是处于正中,会偏一点。对于自动锁尾箱的车,开锁位置不在正中,处在正中的就是倒车摄像头了。倒车摄像头的固定结构与全景后视摄像头相似,很容易就可以改为后摄,无需做太大改动。而且,倒车摄像头在设计时已经考虑了车辆符合安全规范的需要,改装后的全景后摄也能达到安规要求。新车多数配有倒车摄像头,改装起来很简单。

牌照灯位置的改装比较麻烦,需要将牌照灯换掉,重做一个带摄像头的牌照灯安上去(图3)。这样的结构现在已较少采用,在车厂统一安排生产和加装时,不会接受这种安装方式。这种改装方式有几个弊病:一是改装后的灯用得小了一号,亮度比不上改装前好:二是凸出的后摄结构会遮挡灯光,不符合安规要求:三是所有牌照灯都是左右各一个的,改装的后摄会离中线较远,图像效果受影响。

图3 取代牌照灯的后视摄像头

2.3左右摄像头的安装位置选择

左右摄像头的安装一般选在左右后视镜的底部,小型车这两个位置最适合安放左右摄像头,既有足够的高度,也比较隐蔽,对车的外观影响较小。

不是由车厂统一安排生产时,左右后视镜就不带安装摄像头结构,需在上面加装。左右后视镜体积不大,但内部的物料不少,多余的空间不多,需要选择合适安放又不损害到内部结构的位置。

左右摄的安放,在结构允许时,最好能离车身远些,如果离车身太近,车身占据了相当多的图像位置,有效的取图面积会大大减少。

在车厂统筹生产的情况下,由于车型固定,生产规划由车厂统一安排,产品的生产批量和产量得到保障。车厂是不允许破坏性安装的,但是后视镜的底壳可以整体置换,需要重新开模生产带有左右摄固定结构的底壳,生产成本比较高,不过由于产量有保证,成本均摊到产品中,成本控制较易实现,因而成为左右摄安装的常见做法(图4)。

图4 更换底壳安装的左右摄像头

在4S店由全景厂家加装时不确定性因素比较多,能否加装,加装数量多少,受到车型的产量、价格、档次、结构等因素影响,销量不确定时,开模生产底壳就不是个好选项了。为了节省成本,破坏性安装就难以避免了,当然,这须得到客户的许可,以免产生意外的纠纷和索赔。最常见的是在底壳用开孔器开孔,将摄像头塞入孔内固定好,这样做简单易行、安装简便、用时节省、成本也低。也有在底壳上只开过线孔,将左右视整套结构用螺钉固定在底壳上的,这样安装更简单,但比较易损坏,外观不好看,也会阻碍新出车型的后视镜折叠,已经被放弃了。

纵使是破坏性的安装,也需与车辆的后视镜相配套,形成比较协调的一体效果,需要进行专车专用的设计。有些厂家为节省成本,采用了通用的结构,与底壳吻合的结构件用软塑料或丁腈橡胶适配底壳的不同形状,虽然也能用,但因为安装位置和底壳形状差别太大,安装位置会露出缝隙或变形过大,不够美观耐用。

3摄像头安装角度的确定

3.12D拼接的角度要求

图5是全景拼接时对四个摄像头安装角度的要求。

前视摄像头的角度受制于上格栅结构,不允许前摄角度下倾较大。但从取图的要求来说,前摄的角度还是大些好,如可能取到259也是可以的,尽量不要用09,因为图像最清晰部分在中央,摄像头平放,就不可避免地会取到清晰度较差的边缘地带了。

但前视也不允许取更大角度,因为摄像头算是比较脆弱的光学产品,尤其是它的镜头是玻璃的,极易因冲撞受损,不允许成为车辆最突前的部件,安装位置比上格栅前突一点就好,不应超过前保险杠。车型设计一般是流线型的,上格栅带有一定的倾角,即使格栅结构不限制摄像头的角度,前保险杠也比摄像头前突,摄像头下倾角度太大,前保和格栅就会遮挡大部分图像,不但影响取图质量,也会因为遮挡过多而导致拼接时有太大的取图盲区,影响驾驶者对周边的判断。

后视的角度相对自由些,阻挡位置不多,而且角度有章可循,套用倒车摄像头的角度就比较合理。后视与前视一样,虽然可用09,但对取图不好,一般不用。后摄的角度一般在209~359之间,无论用倒车摄像头结构还是用取代牌照灯的结构。大于359也会面临后壳和后保占用图像过多的问题。

左右摄像头的角度选取很关键,对取图的影响最大,尤其是在家轿上。左右摄的取景距离最远,车长是5m左右,加上前2m后3m,有效图像的距离必须在10m以上。左右摄安装在左右后视镜底部,这个位置距车前部近,离车后部远。左右摄前后摆放角度哪怕是差19,都会对取图产生影响。左右摄的角度有两个方向:一是外倾角度,二是后倾角度。外倾是为了尽量少取些车身的图像,在2D拼接中,不需要外倾太多,因为在界面上,除了全景拼接图外,还有前、后、左、右的单视图存在,挂倒档,系统会显出后摄的单视图:打左/右转向灯,系统会显出左/右单视图。为了表示视图方位,左/右单视图画面会带有1/5~1/4车身位置。外倾59~159就能满足2D取图的需要,如果角度更大,图像最清晰的位置就会落到需要显示的距离之外了。

为了保证前后取图的合理范围,左右摄会往后倾斜一定的角度。左右摄后倾角度一般取59,不宜做大改动,这是实装测试的结果。在对一汽迈腾的左右摄角度进行安装测试时发现,取09,后方的取图达不到需要的距离:改为109时,前方取图距离也达不到要求:取为59时,前、后取图均能达到平衡。迈腾是家轿,左右摄离地面距离比较近,对角度要求比较苛刻,对安装位置较高的SUV类车,角度可以做更大的调整,但是,既然后倾59就能达到前后取图比较平衡的结果,就没必要对角度进行调整了。

3.23D拼接的角度要求

3D拼接对前后摄的要求与2D相同,主要区别在于左右摄的安装角度的不同。

3D的拼接图形如图6所示,图中可见3D的拼接已不是单纯以地面为参照,还需要顾及到地面以上物体的拼接完整。

全景系统的安装过程中,有个环节叫标定,在系统安装完成后,需在地面铺设相关的图案,通过摄像头对图案的摄取和取点进行定位并达到精确拼接的目的。图示可见标定布是前后左右四块,这种方法拼接精度较高。主流的全景系统生产厂家,2D与3D的标定是用同一套标定方法。

图6 3D拼接后的全景图

在3D的系统中,左右摄不但需要考虑能拍摄到有一定高度的周边物体,同时也需兼顾摆放在车四周的标定布的完整摄取,对摄像头的要求更高,所以3D摄像头比2D的要求更高,水平和垂直视场角要求更大,能摄取更广阔角度的图像。在对选用角度进行测试时,用一组水平1859、垂直1249的高清摄像头测试,外倾角度小于459时,勉强可完整摄取到靠在车边的标定布,取得合格的标定结果。角度更小当然对标定更有利,可是这样就降低了对周边物体的摄取高度,为了平衡两方面的需要,取359~459是合理的选择。

对后倾角的选择,不少厂家为了方便,取为09,这样左右视图的变形更小。这用于SUV的安装时没有问题,也能拼接完整,只是全景图的左后和右后的图拼接后质量稍差些。这个选择是视客户要求确定的,但是既然后倾59时能达到前后取图比较平衡,就没有修改这个角度的必要。

4结语

博维公司是国内最早从事全景系统设计和生产的高科技公司,在全景系统研发和生产过程中所确定下来的结构要素,一直都是行业的参照数据。现在生产全景的厂商已经很多,但它们所生产的全景系统,这方面的结构数据与本文所列举的大同小异,而且也没有发现实际使用中产生过什么明显的问题,这些数据是经得起实践考验的。