光環境條件對于車載CMS產品對比度性能的影響

文/楊 通 王 瑋

在汽車新四化的發展趨勢下，攝像機–監視器系統（CMS）成為智能座艙的重要組成部分，受到眾多主機廠的重視。CMS 作為一種間接視野裝置，除了具備傳統光學視鏡的功能，為駕駛員提供駕駛車輛周圍的視野，還具有更大的視野范圍、更小的行車風阻等優點。2016 年，歐盟更新了間接視野裝置標準《關于批準機動車輛間接視野裝置和就間接視野裝置的安裝方面的統一規定》（UN R46），在車輛上正式允許CMS 完全替代光學視鏡。2022 年12 月，我國修訂發布國家標準《機動車輛 間接視野裝置 性能和安裝要求》（GB 15084–2022）。與2013 版舊標準相比，新標準增加了CMS 的技術要求與試驗方法，允許CMS 完全替代傳統光學視鏡。

在我國，CMS 產品剛出現在汽車零部件市場時，還沒有統一的評價指標，產品性能難以保證。[1]隨著GB 15084–2022 的發布，CMS 產品性能必須滿足該標準的技術要求。CMS 產品的一項關鍵技術指標是亮度對比度（CR），可用于評價產品的圖像質量性能，決定CMS 能否為駕駛員提供清晰可分辨的視野畫面。

評價CMS 的圖像性能需要以一定的光環境條件為前提。本文結合GB 15084–2022 與UN R46的技術要求，在不同的光環境條件下，對CMS 產品CR性能的影響進行研究，同時分析它們對應測試項的技術差異，希望能為產品的合規性設計和相關產品標準制定提供參考。

一、CMS 的CR 測試要求

GB 15084–2022 主要技術要求參照了2016 版UN R46 和后續的修改單。兩者的測試方法主要來源于《道路車輛 攝像監控系統的人類工效學和性能方面 要求和試驗規程》（ISO 16505：2019），但是部分測試方法略有差異。

關于CR測試項，GB 15084–2022 與UN R46的測試方法一致，即在CMS 的攝像機一端，設置黑白棋盤格圖卡，并給圖卡表面進行補光，同時給攝像機設置光環境；在CMS 的監視器一端，給監視器設置光環境。設置測試場景之后，測試人員利用成像式亮度計測試監視器上顯示黑白色塊的亮度，計算CR。GB 15084–2022 與UN R46 參考了車輛的實際運行情景，共設置了4 種典型的光環境，分別進行驗證，不同場景下的CMS 最小CR均需要滿足相關要求，具體場景設置見表1。

表1 GB 15084–2022 與UN R46 關于CR 測試光環境的主要場景設置規定

由表1 可見，GB 15084–2022 和UN R46 針對CR的測試，其光環境條件大部分一致，除了在散射環境光線的日間條件中有明顯差異。本文選取某一型號的II 類CMS 產品為測試樣品，依據GB 15084–2022 和UN R46 規定的光環境場景，分別進行CMS 樣品CR性能試驗驗證，并對兩項標準中對應測試項的技術差異進行對比試驗。

二、試驗分析

1.直接日光照射條件

直接日光照射條件模擬在白天行駛的車輛，直射陽光透過車輛擋風玻璃照射在CMS監視器上。本測試使用D65 高亮光源模擬太陽光，照射在監視器表面，監視器中心照度約為（4.5×104）lx。在此條件下，測試人員使用亮度測試設備獲取監視器表面的亮度分布，亮度圖見圖1（a）；同時，測試無模擬太陽光直射條件下的屏幕亮度作為對比，亮度圖見圖1（b）。

圖1 直接日光照射條件測試結果

對比兩圖可發現，在模擬太陽光照射監視器情況下，相較于無太陽光情況，監視器顯示畫面中黑白亮度對比有明顯下降，并且目視已難以區分黑白色塊。實際測得，在直接日光照射條件下，CR為1.8:1，不滿足GB 15084–2022 和UN R46中≥2:1 的限值要求。對于CMS 產品，較低的圖像對比度會造成駕駛員識別圖像困難，影響行車安全。

2.散射環境光線的日間條件

在白天無陽光直射下，CMS 產品監視器上仍然會接收散射光，為均勻光照。本測試使用D65面光源，為監視器提供均勻照明。

GB 15084–2022 與UN R46 散射環境光線的強度要求不一致，兩種條件下分別設置D65 面光源的發光強度為1 500 cd/m2與4 200 cd/m2。測試監視器表面的亮度分布見圖2（a）與圖2（b）。

圖2 散射環境光線的日間條件測試結果

目視可見，較高亮度散射光條件下，監視器黑白CR有所下降。在1 500 cd/m2與4 200 cd/m2散射光強條件下，監視器CR分別為3.5:1 與3.3:1，均滿足GB 15084–2022 和UN R46 中≥3:1 的限值要求。

該場景的條件設置，UN R46 參考了《道路車輛 攝像機監控系統的人體工程學和性能方面 要求和測試程序》（ISO 16505：2016）中的技術參數要求，并進一步提高了光照條件。對該項測試要求，GB 15084–2022 并沒有跟隨UN R46，考慮到國內相關產品發展水平和實際工作場景，最終要求與ISO 16505：2016 保持一致。

3.日落條件

黃昏時，太陽照射角度很小，有可能直接照射進入攝像機，成為炫目光源，對CMS 產品攝像機的成像造成強烈的干擾。測試人員利用高亮炫目光源模擬落日，以固定角度將光射入攝像機，觀察監視器成像情況。

監視器上有明顯的光暈和炫光圖像，對于實際攝像機視野造成了遮擋。UN R46 要求在炫目光源直接影響的區域之外進行測試CR，監視器畫面見圖3，炫目光源周圍區域的黑白對比有明顯下降，實測CR為2.8:1，滿足GB 15084–2022 和UN R46 ≥2:1 的限值要求。

4.夜間條件

該測試模擬夜間條件下的CMS 產品使用場景。該測試盡量避免引入干擾光源，僅圖卡設置微弱的A 光源照明條件，實測監視器圖像見圖4。從測試結構中可以看出，監視器顯示圖像的明暗對比明顯。這是由于監視器一端的環境光比較弱，圖像信號未被干擾。在夜間條件下，測得CR為10.9:1，滿足GB 15084–2022 和UN R46 中≥10:1的限值要求。

三、分析與結論

試驗中的CR測試結果見表2。

表2 GB 15084-2022 與UN R46 中CR 測試結果

以上測試結果表明，光環境條件會直接影響CMS 產品輸出圖像的CR。通過樣品在陽光直接照射條件、散射環境光線的日間條件、日落條件和夜間條件4 種光環境場景中的測試結果，本測試可以分析得到的結論是：根據客觀評價指標CR來看，在夜間條件下，CMS 樣品輸出圖像的CR最高。在夜間條件下，攝像頭光環境較弱，不利于成像。

因此，企業在產品設計時，應考慮該因素，通過技術改造對圖像做增強處理。考慮到夜間駕駛員可視范圍低，GB 15084–2022 和UN R46 在各場景中對于CMS 產品夜間的CR要求是最高的。

直接日光照射條件下，由于屏幕表面環境光亮度高，CR值下降非常嚴重。GB 15084–2022 和UN R46 對于該場景下的CR要求較低，但是由于測試條件比較嚴格，產品不滿足要求的風險仍然比較大。對于CMS 產品設計單位來說，提升太陽光照射下CMS 的CR值，可采用提高監視器顯示亮度、降低監視器表面反射率等手段。

散射環境光線日間條件下，GB 15084–2022 和UN R46 的測試參數差異較大，特別體現在散射光環境的光強條件上，UN R46 對環境光強度要求更高。理論上，在相同屏幕亮度條件下，環境光增強，屏幕CR將會縮小。在這一項測試項中，UN R46比GB 15084–2022 要求更加嚴格。目前，從本測試結果來看，在兩種測試條件下，結果數值差異并不明顯。受限于國內CMS 產品行業剛起步，試驗室獲取樣品的限制，本測試未能開展更多的試驗驗證，未來需要更多樣品的測試數據進一步驗證該問題。

CR是CMS 產品的一項重要性能參數，GB 15084–2022 要求CMS 產品在不同光環境下都需要滿足最低限值要求。企業在產品研發中應該充分考慮到CMS 產品的不同應用場景，確保CMS產品在不同場景下的性能，制定相關的產品標準，有效保障道路安全。