大型車輛電子外后視鏡系統(tǒng)設(shè)計研究與實現(xiàn)

孫德生，李 鋒

（1.深圳智者行天下科技有限公司，廣東 深圳 518133；2.廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 511483）

大型車輛包括大貨車、泥頭車、大巴車、客運車等，這些車有一些共同特點，比如車身高、體積大、軸距長、內(nèi)外輪差大，導(dǎo)致車身周圍存在多個盲區(qū)，比如車頭盲區(qū)、車尾盲區(qū)、A柱盲區(qū)、右轉(zhuǎn)軌跡盲區(qū)［1-3］。目前大型車輛依靠多片物理鏡片解決了部分盲區(qū)，但在雨霧天容易在物理鏡片上沾水、起霧造成行車時觀察困難，增加了安全隱患。近年來由于大型車輛盲區(qū)問題引發(fā)的交通事故越來越多，利用科技手段解決盲區(qū)問題刻不容緩［4-5］。歐洲ECE R46標(biāo)準(zhǔn)已允許使用電子外后視鏡替代物理鏡片后視鏡，奔馳全新Actros大貨車上已經(jīng)導(dǎo)入電子外后視鏡替代了傳統(tǒng)物理后視鏡，也只解決了側(cè)后方盲區(qū)，左右側(cè)車頭盲區(qū)無法覆蓋，只解決了局部的盲區(qū)問題，價格還很昂貴。目前國內(nèi)市面上也有一些盲區(qū)輔助產(chǎn)品，顯示屏幕小，配置的攝像頭夾在外后視鏡桿子上或固定在車身上，很多大型車輛車頭比車廂要窄，安裝在車頭車身就會被擋住，裝在車身上，車頭又兼顧不到，安裝環(huán)境決定了攝像頭需要使用大角度的，但是圖像變形也大，駕駛員參考圖像判斷誤差會較大。

本文提出采取多路攝像頭視頻技術(shù)和使用攝像頭固定新型安裝掛臂的大型車輛電子外后視鏡，既能解決車輛的側(cè)后方和側(cè)前方視覺盲區(qū)，又能解決倒車盲區(qū)，并且支持DVR錄像功能，有緊急情況需要回放時可快速回放錄像，維護駕駛員合法利益。大尺寸屏幕顯示高清晰度盲區(qū)圖像，可以大大降低大型車輛因為盲區(qū)原因引發(fā)的交通事故，給駕駛員提供更好的行車安全服務(wù)和體驗，整套解決方案經(jīng)濟性和實用性都相當(dāng)突出。

1 電子外后視鏡硬件系統(tǒng)

電子外后視鏡解決方案基于MSC8339芯片平臺，接入多路攝像頭，創(chuàng)新設(shè)計了用于攝像頭固定的新型支點掛臂。

1.1 系統(tǒng)硬件框架設(shè)計

電子外后視鏡硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 電子外后視鏡硬件原理框圖

主控制器SOC采用MSC8339芯片平臺，ARM Cortex-A7單核800MHz主頻，支持同時輸入兩路攝像頭數(shù)據(jù)，支持兩路1080P錄像，支持SDIO WiFi模塊接入，支持聲音輸入輸出，支持SPI Nor、Nand、TF card存儲設(shè)備接入，接入GNSS模塊提供系統(tǒng)時間、位置、速度等，系統(tǒng)設(shè)計了5個硬按鍵和支持紅外遙控作為輸入操作控制。側(cè)后方攝像頭通過一路視頻解串器輸入到主控制器，側(cè)前方攝像頭和倒車攝像頭通過另外一路視頻解串器進行二選一，輸入到主控制器，3個攝像頭分辨率均為1080P。系統(tǒng)配置12.3寸高亮度顯示屏，顯示分辨率為1920×720，亮度高達700nits，超視角，符合RoHs要求［6］。系統(tǒng)采用寬電壓設(shè)計，標(biāo)準(zhǔn)電壓為24V，支持9～36V電源輸入。

1.2 攝像頭短掛臂和長掛臂

大型車輛種類多，從車頭跟車身寬度比較的角度來分，有車頭跟車身寬度非常接近的車，比如大巴車、渣土車；也有車頭比車身窄的車，比如大貨車、掛車、拖車。針對不同特征的車，如果攝像頭采取同一種處理方法難以覆蓋需求。

針對車頭跟車身寬度非常接近的車輛，設(shè)計一個攝像頭短掛臂，如圖2所示。

短掛臂上可以放置2個攝像頭，一個朝后的側(cè)后方攝像頭和一個朝下的側(cè)前方攝像頭，可以小范圍撥動調(diào)節(jié)視角。短掛臂可以安裝在車頭部分，通過打通螺絲固定。

針對車頭比車身窄的車輛，設(shè)計一個攝像頭長掛臂，如圖3所示。

圖2 攝像頭短掛臂

長掛臂的臂膀比較長，約60cm，安裝在車頭上，通過臂膀伸出來攝像頭可以輕松看到側(cè)后方和側(cè)前方的圖像。

圖3 攝像頭長掛臂

2 電子外后視鏡軟件系統(tǒng)設(shè)計

電子外后視鏡軟件系統(tǒng)基于嵌入式小系統(tǒng)，把多個攝像頭數(shù)據(jù)根據(jù)場景來做分屏顯示，支持DVR錄像、紅外遙控器和硬按鍵輸入控制，支持基于WiFi的手機互聯(lián)功能，包括在線固件升級、電子質(zhì)保等。

2.1 分屏顯示

電子外后視鏡同時最多只能顯示兩路攝像頭圖像，因此在沒有倒車事件時就分屏顯示側(cè)前方和側(cè)后方的攝像頭圖像，有倒車的時候就顯示側(cè)后方和車尾攝像頭的圖像［7-8］。整個屏幕分辨率為720×1920，側(cè)后方攝像頭水平角度為120°，垂直角度為65°，視野大，車輛行駛過程中注意力也會是重點觀察的區(qū)域，因此將側(cè)后方攝像頭顯示分辨率設(shè)置大一些，為720×1280。由于角度比較大，圖像即使做了一些畸變校正，圖像周邊變形還是會較大一點，因此裁剪掉變形稍大的部分，截取1280×720的圖像大小來做顯示，做到1∶1顯示，變形最小，真實感、距離感都是最好的。側(cè)前方的攝像頭由于是朝下的，水平角度為83°，垂直角度為50°，攝像頭圖像有一部分跟側(cè)后方是有重疊的，因此重點關(guān)注的是正下方和靠車頭部分，通過圖像采樣截取640×720大小的圖像。實際安裝顯示效果如圖4所示。系統(tǒng)兼容設(shè)計倒車攝像頭，在倒車時，自動切換倒車攝像頭來替代側(cè)前方攝像頭，解決后視倒車盲區(qū)問題。

圖4 電子外后視鏡分屏顯示

2.2 錄像和輸入控制設(shè)計

盲區(qū)圖像顯示的同時能把行駛動態(tài)存儲下來也很重要，有異常狀況時可以及時在本機回放，維護駕駛員權(quán)益。系統(tǒng)使用的主控MSC8339支持兩路1080P圖像H.264硬編碼，存儲到TF卡里，新錄的文件覆蓋最早錄的文件，循環(huán)錄像。系統(tǒng)啟動時間小于3s，工作常態(tài)為開機直接進入分屏顯示視頻畫面，除了跟錄像設(shè)置和回放相關(guān)的操作外幾乎可以不用操作，因此考慮整個系統(tǒng)的設(shè)計成本，不集成觸摸屏，設(shè)計上留了5個硬按鍵和紅外遙控輸入。單獨通過這5個硬按鍵或者通過紅外遙控器能完成系統(tǒng)所有功能操作。

2.3 基于WiFi手機互聯(lián)

系統(tǒng)硬件設(shè)計上沒有集成通信模塊，但設(shè)計了WiFi模塊，為了手機能與系統(tǒng)互聯(lián)，在手機端開發(fā)基于WiFi局域網(wǎng)私有協(xié)議的APP（車智享），來實現(xiàn)一些需要聯(lián)網(wǎng)的功能。

2.3.1 DVR相關(guān)

系統(tǒng)開機后，系統(tǒng)WiFi模塊默認為AP模式，手機車智享通過連接電子外后視鏡的熱點，連接成功后手機跟電子外后視鏡就可以完成局域網(wǎng)點對點通信，通過通信可以拿到電子外后視鏡的軟件系統(tǒng)版本、存儲卡的健康狀態(tài)、產(chǎn)品的質(zhì)保信息等，可以做一些錄像的設(shè)置，比如設(shè)置錄像分辨率、碼率、格式化TF卡等。同時基于FTP協(xié)議可以把設(shè)備里面的錄像文件和拍照文件通過WiFi下載到手機上，便于分享和必要的時候展示證據(jù)。

2.3.2 系統(tǒng)固件升級

手機連上電子外后視鏡的WiFi后就不能連接外網(wǎng)了，無法獲取存儲在外網(wǎng)服務(wù)器上的軟件系統(tǒng)版本和電子質(zhì)保信息。在車智享上設(shè)計一個設(shè)備WiFi模式切換的功能，讓手機做熱點AP功能，設(shè)備做STA功能，需要切換的時候通過車智享把手機端擬設(shè)置的熱點名稱和密碼通過私有協(xié)議先發(fā)給設(shè)備，設(shè)備收到后回傳信息到車智享，同時關(guān)閉WiFi熱點，打開AP模式持續(xù)嘗試連接手機熱點［9］。車智享收到確認信息后，立馬可以申請關(guān)閉WiFi，同時打開WiFi熱點。待設(shè)備連上手機熱點后，設(shè)備和手機又處于同一個局域網(wǎng)下，不但所有基于局域網(wǎng)的通信可正常操作，此時手機還具備連接外網(wǎng)的能力，連接狀態(tài)邏輯圖如圖5所示。

圖5 連接狀態(tài)邏輯

手機車智享可獲取服務(wù)器上設(shè)備最新的固件程序版本，如果比當(dāng)前設(shè)備的固件程序新，可以一鍵更新固件。車智享通過移動網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器上獲取最新的固件文件，再通過WiFi通信傳送給設(shè)備，設(shè)備把固件儲存到TF卡上，校驗固件沒有異常即可重啟機器自動進入升級模式，升級完成后自動刪除TF卡里的程序免得系統(tǒng)重復(fù)進入升級模式。

2.3.3 電子質(zhì)保設(shè)計

產(chǎn)品都有一個質(zhì)保期，目前通行的做法為做質(zhì)保卡，找不到質(zhì)保卡了以購物發(fā)票實際為準(zhǔn)，再則就是以出廠時間計算。本系統(tǒng)設(shè)計了電子質(zhì)保信息，把電子質(zhì)保信息存儲到云端服務(wù)器，每個機器有唯一條形碼標(biāo)識。系統(tǒng)開機后彈出請激活電子質(zhì)保信息的提示框，在沒有完成電子質(zhì)保信息的情況下每5min彈一次，促進客戶激活電子質(zhì)保。

設(shè)備跟手機車智享連接后，車智享拿到設(shè)備的條形碼查詢云端是否有電子質(zhì)保信息，如果沒有，提示用戶立即在車智享上激活電子質(zhì)保，操作車智享可觸發(fā)激活指令到云端服務(wù)器，同時發(fā)送質(zhì)保信息到設(shè)備端，設(shè)備端把電子質(zhì)保信息存儲到EEPROM，設(shè)備后面每次開機自動查詢EEPROM里是否有電子質(zhì)保信息，如果有就不彈提示框，如果沒有就彈提示框。這種電子質(zhì)保設(shè)計保護了消費者權(quán)益，也便于廠商售后管理。

2.4 實測情況

在陰天、霧天等弱光環(huán)境下，反射后二次衰減，弱光環(huán)境下駕駛員無法觀察清楚，裝備了電子外后視鏡后，實測效果如圖6所示。

下雨等惡劣天氣，玻璃鏡片無法正常光學(xué)反射，不便于觀察側(cè)后方路況的情況，實測效果對比如圖7所示。

夜視環(huán)境下，清晰看見人和物體，后向強光照射下成像清晰不刺眼，如圖8所示。

圖像傳輸?shù)膶崟r性非常重要，視頻圖像的延時主要由攝像頭從采集到輸出圖像、傳輸控制、屏幕顯示延時組成［10］。系統(tǒng)圖像延時實測小于80ms，滿足該類產(chǎn)品的實時性要求。更換成高幀率的攝像頭系統(tǒng)圖像延時能小于60ms，但整個系統(tǒng)的方案成本將明顯增加。

圖6 陰天等弱光環(huán)境下對比

圖7 雨天效果對比

圖8 夜晚弱光環(huán)境下對比

3 結(jié)束語

本文詳細分析了電子外后視鏡的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計，在實測中，對比了各種天氣環(huán)境下物理鏡片和電子外后視鏡的顯示效果，電子外后視鏡各方面都明顯占優(yōu)。系統(tǒng)沒有支持觸摸屏操控上稍顯麻煩，設(shè)計了手機互聯(lián)功能一定程度彌補了操控上的不足，整套系統(tǒng)設(shè)計成本經(jīng)濟性好，實用性佳。國外有不少國家已經(jīng)立法允許使用電子后視鏡來替代物理鏡片方式，國內(nèi)電子內(nèi)后視鏡解決方案既能做電子鏡顯示，又能做物理鏡顯示［10］，在一些前裝車廠已經(jīng)導(dǎo)入，在未來幾年內(nèi)也勢必會推進電子外后視鏡的合法性，目前國內(nèi)只能加裝，但市場需求旺盛前景廣闊。