基于單目攝像頭的FCWS測試與評價

馮贊

招商局檢測車輛技術研究院有限公司 重慶 401122

長途客運車輛、旅游客車及危險物品運輸車輛發生交通事故危害性不言而喻，道路運輸車輛的行駛安全性越來越受到重視[1]。智能視頻監控終端應運而生，其搭載的LDW及FCWS系統能及時向駕駛員發出車道偏離預警和前向碰撞預警，有效減少事故的發生率[2-3]。FCWS系統的結構型式多種多樣，包括單目攝像頭型式、雙目攝像頭型式、攝像頭+雷達型式等，部分系統采用雙雷達型式[4-5]。其中單目攝像頭型式的FCWS系統相較于毫米波雷達型式的FCWS系統性價比高，近距識別率高，使用范圍更廣，市場占有率更高。不過單目攝像頭型式的FCWS系統也存在環境適應性差、識別效率相對低、算法較為復雜等缺點。

本文篩選10套具有代表性的基于單目攝像頭的FCWS系統，按照相同的試驗方法，對終端的FCWS性能進行評價分析，探討目前市面上主流FCWS系統供應商的大體水平，提出一種新的性能評定指標，為標準的修訂提供一定的數據及理論支撐。

1 基于單目攝像頭的FCWS工作原理

單目攝像頭式的FCWS相對攝像頭與雷達融合的FCWS而言，成本更低，但也存在算法更為復雜、環境適應能力更弱的缺點。同時，其對前方目標的識別僅依靠位于前擋風玻璃下沿的ADAS攝像頭，對目標的識別效率也受一定影響。單目攝像頭式的FCWS主要采用深度學習網絡設計與模型壓縮技術、距離目標檢測與精準定位技術、亞像素級目標跟蹤技術、圖像處理技術等進行目標識別。圖1為單目攝像頭式的FCWS功能架構。整個系統可分別感知層、決策層和執行層，感知層利用單目攝像頭對環境進行感知，并將圖像信息傳輸至決策層，決策層通過圖像處理與分析，實時分析出前方目標相對自車的相對距離、速度及車道等信息，向執行層發出報警指令，對駕駛員進行預警。

圖1 FCWS功能架構圖

2 FCWS性能測試評價方法

本文參照JT/T 883-2014《營運車輛行駛危險預警系統技術要求和試驗方法》[6]中的試驗方法，將10組測試樣品安裝在營運客車內，測試FCWS分別在前方目標車輛靜止、前方目標車輛移動和前方目標車輛制動的情況下的預警情況。預警時間（簡稱TTC），其閾值由車速和目標車輛的運動狀態決定。因此，目標探測距離的準確性對預警時間的穩定性、準確性有很大的影響。

2.1 測試設備、場地

為保證測試結果的準確性及可行度，在重慶機動車強檢試驗場進行FCWS測試，采用英國ABD駕駛機器人、英國OXTS RT慣性組合導航系統、高精度定位基站、Euro-NCAP認證的目標假車等設備。試驗場地為重慶機動車強檢試驗場的制動路（一段約1 km的長直瀝青路面）、如圖2所示。

圖2 前撞預警測試場景

2.2 FCWS測試場景

2.2.1 前方目標車輛靜止場景

前方目標車輛靜止場景中，被測樣車在150 m以外，以(72±1.6) km/h的車速駛向靜置于車道中央的氣球假車，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應大于2.7 s。

不同廠家生產的1 0款基于單目攝像頭的FCWS系統進行前方目標車輛靜止場景下的FCWS性能比對試驗后，所得測試結果見圖3及表1。

圖3 前方目標車輛靜止場景測試結果對比圖

表1 前方目標車輛靜止場景的測試結果

由試驗結果可知，測試樣品的穩定性普遍不高，離散性較強，TTC在2.59～4.10 s間變動，但主要在2.7～4.0 s之間。從表1分析得出，第二組樣品的TTC標準差最小，測試樣品的穩定性最優。對前方目標車輛靜止場景中的所有試驗結果求平均，10組樣品的TTC均值為3.26 s。

2.2.2 前方目標車輛移動場景

前方目標車輛移動場景中，被測樣車在 150 m以外，以（72±1.6） km/h的車速駛向以32 km/h速度移動的氣球假車，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應大于2.1 s，見圖4和表2。

表2 前方目標車輛移動場景的測試結果

圖4 前方目標車輛移動場景測試結果對比圖

該情景下的試驗結果與前方目標車輛靜止場景的測試結果相差不大，TTC分布在2.65～4.63 s之間。其中，第二組樣品的標準差最小，穩定性同樣最優。該場景中，10組樣品的7次測試結果的算術平均值為3.19 s。將測試結果與前方目標車輛靜止場景的測試結果對比，不難發現，在前方目標車輛靜止場景測試中的標準差小的樣品，在前方目標車輛移動場景中的標準差也較小，兩場景的測試結果成正相關。

2.2.3 前方目標車輛制動場景

前方目標車輛制動場景中，被測樣車在150 m以外，以(72±1.6) km/h的車速駛向以(72±1.6) km/h速度移動的氣球假車，樣車與氣球假車的相對距離保持(30±1.5) m，氣球假車以(0.3±0.03) g的減速度制動，樣車與氣球假車的初始速度之差不超過1.6 km/h，樣車與氣球假車的車身縱向軸線間隔不超過0.6 m。FCWS的TTC應大于2.4 s，見圖5和表3。

圖5 前方目標車輛制動場景測試結果對比圖

表3 前方目標車輛制動場景測試結果

由表3可知，第二組樣品的標準差最小，樣品的預警穩定性同樣最優。該場景中，10組樣品的7次測試結果的算術平均值為3.03 s。將三種場景下的測試結果進行比對發現，前方車輛制動場景中的測試結果與另外兩場景的標準差不存在正相關的關系。結合測試場景，不難分析其中原因，在前方車輛制動場景中，前車突然減速制動，前后車不僅相對距離迅速減小，相對速度也有所增加。相較于另外兩個場景，前方車輛制動場景對FCWS要求更高，測試條件更為嚴苛。若FCWS硬件數據采集和傳輸、芯片的運算不及時，算法的合理性欠佳等，FCWS產生報警的時間都會受到影響。

2.3 FCWS性能測試分析與評價

TTC的閾值由車速和目標車輛的運動狀態決定，因此，目標探測距離的準確性對預警時間的穩定性、準確性有很大的影響。通過橫向比對，在車輛行駛時，攝像頭容易受車輛的顛簸出現抖動，對視頻畫面產生一定影響，從而影響FCWS對目標相對距離的識別，使得TTC小幅波動，若將報警閾值設置在2.7 s附近，容易出現報警時間小于2.7 s的問題，反之，若將報警閾值設置在4.0 s附近，FCWS系統預警時間更早，但同時也容易出現誤觸發的情況，影響駕駛員的正常駕駛。綜上所述，將TTC設置在2.7～4.0 s之間的某個合理數值，既可以避免因攝像頭抖動而產生的TTC波動的情況，也能避免FCWS系統誤觸發的情況。將10組FCW系統的測試結果的算術平均值作為報警閾值，單目攝像頭型式的終端能有效規避攝像頭抖動等異常情況導致TTC的波動較大的問題，可適用更多復雜范圍。

大部分研究者采用標準差來衡量FCWS設備報警的穩定性[7-8]，標準差能反映一個數據集的離散程度，可體現FCWS報警時機穩定性的好壞，但并不能體現報警時機是否滿足要求。

結合上述分析，本文擬基于10組樣品測試結果的算術平均值，設置新的指標，以表征樣品性能的優劣，即試驗結果與所有樣本試驗結果均值的相關性 a來判別設備的優良，具體公式如下：

式中，D為某情景中所有測試樣品的TTC均值；xn為某情景下測試樣品的第n次測試的TTC。

相關性a考慮了樣本的離散程度及樣本與總體均值的差異，綜合體現所測樣品預警時間的穩定性及合理性。

由表4可知，前方目標車輛靜止場景中，第二組樣品與均值的相關性最優。同時，由表1可知，第二組樣品的標準差是10組中的最小者，且其次測試結果算術平均值也與10組樣品測試結果均值相近，這兩點印證了相關性評價的可靠性，說明相關性這一指標不僅能反映樣本的離散性，也能反映樣本與均值的接近程度。所以，第二組樣品擁有更優的預警穩定性及預警時間的合理性。

表4 各組樣品在三種場景下的測試結果

同理，前方目標車輛移動場景中，第四組樣品與均值的相關性最優，在此場景中，該樣品的預警穩定性及預警時間的合理性最優。前方目標車輛制動場景中，第三組樣品與均值的相關性最優，在此場景中，該樣品的預警穩定性及預警時間的合理性最優。

3 結語

本文將10組基于單目攝像頭的FCWS系統進行了橫向對比測試，基于測試數據，分析了FCWS系統在不同測試場景下出現不同測試結果的原因，同時提出了新的性能評價指標，為JT/T 883-2014 標準的修訂提供了新的思路。