車載電子后視鏡圖像畸變研究

摘要：設計了攝像頭光學透鏡組，在標準網格圖像經過該透鏡組成像之后，標準網格圖像產生了圖像畸變。當選用CMOS 圖像傳感器的長×寬比例的數值接近時，圖像產生的畸變就減小，對應TFT 顯示屏的尺寸長×寬比例的數值接近，電子后視鏡的視野也會減小；當CMOS 圖像傳感器的長×寬比例數值增大時，電子后視鏡的視野也會增大，圖像產生的畸變就增大。在ISO 16505 中沒有規定幾何畸變的具體參數指標，如果電子后視鏡CMS 與汽車主機廠前裝配套，則CMS 顯示屏的尺寸或者長×寬比例需要有固定比例數值，以便保證電子后視鏡的技術參數一致，也可以保證汽車的駕駛安全。

關鍵詞：電子后視鏡；CMS；圖像畸變；MOS 圖像傳感器；顯示屏

中圖分類號：U463 收稿日期：2022-12-07

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.02.012

1 前言

當前，車載電子后視鏡已成為研究及應用的熱點，2018 年巴黎車展上，奧迪e-tron 開始與大家見面。電子后視鏡采用攝像頭+顯示屏的設計，車外部的攝像頭體積更小，外觀更加漂亮，外部攝像頭由于體積小使風阻系數更低，這對于性能車來說有很大的幫助，其功能更加豐富，可以根據需求調節攝像頭的顯示內容。

電子后視鏡涉及的攝像頭包括圖像傳感器和光學透鏡組、圖像信息傳輸和圖像處理、圖像顯示等技術范疇［1-3］。在一些復雜路段，電子后視鏡顯示的畫面更多，可有效地減少死角。電子后視鏡集成的并線輔助功能要比傳統后視鏡的更加先進，可有效地避免因盲區而產生的剮蹭事件。電子后視鏡的攝像頭較小，帶有加熱功能，顯示區域在車內，在雨天行車時顯示得更加清晰，進一步提升了安全性。如雷克薩斯ES 上的電子后視鏡套件帶有“夜視”功能，在黑夜也可以清晰地顯示后方的情況，提升了夜間行車的安全性。

汽車發展了幾百年一直使用的是鏡面后視鏡，因此在突然使用電子后視鏡時人們不是很習慣，雷克薩斯ES 的電子后視鏡顯示屏在A 柱上，奧迪e-tron 的顯示屏在門板上都一時讓人難以適應。

2 ISO 16505 圖像畸變及幾何畸變

電子后視鏡CMS 已經制定并頒布了一些相應的標準：ISO 16505《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》［4］；ECE R046《汽車后視鏡及安裝后視鏡的汽車認證的統一規定》；GB15084-2022《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》。

上述標準中基本上采用相同的技術要求，也就是說相應的技術參數均互相引用。但是，相應的標準給出的指標即參數，其預留參數范圍過大，不利于CMS 產品的推廣應用。由于制定標準時，涉及制造技術、CMS 技術研究程度及深度、樣品測試及成熟度等技術水平的限制，制造符合標準或者法規的電子后視鏡需要專業的技術，特別是光學透鏡、圖像信息處理和安全功能等方面技術［5-6］。

CMS 的顯示電視畸變：

δPHD=ΔH/H×100%

式中，H 是圖像水平中心垂直線處顯示在監控器上的圖像從底部到頂部的照片高度；ΔH 是圖像對角拐角處圖像的垂直偏差量。

在ISO 16505 中：3.2.7 最大車鏡視角：lt;駕駛員側gt;在駕駛員側給定車鏡類別的現有同類車輛中發現的β［車鏡］最大值。注1：入口，其表示為β［車鏡/駕駛員/最大值］，以度為單位進行測量：—對于聯合國第46 號法規III 類車鏡，該值規定為β［車鏡/駕駛員/最大值］為65°。

為保證CMS 的適當性能，在相同的總視角范圍內，避免放大值低于相應的傳統車鏡系統的放大值變得很重要。在所需視野范圍內不同放大率的特性也應在視角（β）方面與相應的傳統車鏡系統相同。

ISO16505 中“圖G.1-桶形畸變和理想直線的最外側邊界線的畸變”如圖1 所示，其中數字的含義：1 是CMS 監控器的實際顯示圖像區域；2 是物體空間中場景矩形區域的投影，其線條為顯示在CMS 監控器1 上有畸變的最外側連續線條；3 是場景矩形區域直線投影中的理想圖像，其在監控器上的實際投影圖像與監控器最外側邊界線相切（見線2）；4 是圖像中心；5 為H：監控器上在圖像水平中心處的輸出圖像垂直高度；6 為ΔH：圖像最外側連續線的垂直偏差（線2 和1 的拐角點之間）；7 為h［理想］：有直線投影的理想圖像徑向高度（與光學中心軸的距離）；8 為h［監控器］：監控器上有畸變的實際圖像徑向高度；9 為Δh：圖像徑向高度與理想直線投影的偏差。

除此之外，圖2 所表示的ISO16505 中的“圖B.22”顯示了放大系數的變化情況。

在國際標準制定過程中，在技術層面已經通過了專業人員的設計和分析，在產品應用效果方面，CMS 產品經過檢測和分析。在ISO16505 中，對于CMS 的光學設計給出了如下說明：

附件C.4.3 不對稱或不規則設計案例。上述所有測量程序、注釋和相關說明都考慮了光學對稱設計。但在實際應用中，也有可能將一些有意地不對稱應用到CMS設計中。

3 攝像頭的光學透鏡成像原理

攝像頭的成像是以凸透鏡成像的原理為基礎的，采用多個凸透鏡和凹透鏡進行組合，物體以光線的原理成像在像平面上，也稱為物體的圖像。

在非成像光學中，采用多組凸透鏡和凹透鏡進行光線準直。在成像光學中，運用凹凸透鏡組合來消除攝像頭的球差、軸外像差、色差等各種像差，提高成像質量。與光軸平行的光線射入凸透鏡時，理想的鏡頭應該是所有的光線聚集在一點后，再以錐狀擴散開來，這個聚集所有光線的點叫作焦點。對于單個透鏡來說，焦距是指從光心到焦點的距離，如圖3 所示，對于多個透鏡組成的鏡頭組來說，焦距是指像方主平面到焦點的距離。

在光學工程中，視場角是指鏡頭對圖像傳感器的張角。視野也稱視場范圍，是指鏡頭能觀測到的實際范圍。鏡頭的視野大小和相機的分辨率決定視覺系統所能達到的視覺檢測精度。相同的工作距離下，焦距越短，視場角越大，視野也就越大；相同的焦距下，視場角一定，工作距離越遠，視野越大。攝像頭的景深，能在像平面上獲得清晰像的物方空間深度，在被攝物平面（對焦點）前后一定范圍內的物體，在無需調焦的情況下，其成像仍然清晰，這段可清晰成像空間深度就是景深。

4 CMOS 圖像傳感器與圖像畸變相關性

在IOS 16505 的“6.8.6 幾何畸變”中，給出了圖像幾何畸變具體要求。在“7 測試方法的7.8.6 幾何畸變”“附件G（信息性文檔）畸變測量”中，描述了測試要求。光學畸變（distortion）：由于鏡頭在不同視場放大倍率的不一樣，使得圖像相對于物體失去相似性，這種像變形的缺陷稱為光學畸變。光學畸變只影響成像的幾何形狀，并不影響成像的清晰度，常見的光學畸變主要有兩種類型，即桶形畸變和枕形畸變，圖像畸變矯正技術涉及系統延時，畸變矯正需要大量圖像處理數據，因此，在CMS制造過程中，圖像畸變矯正和延時兩項技術非常關鍵［7-9］。

SONY 發布車載CMOS 圖像傳感器IMX490（表1），業界最有效540 萬像素，實現了“HDR（高動態拍攝）功能”和“控制LED 閃光”兩個功能，不僅保留了和現存產品同樣的分解功能，同時還實現了擴大畫面，并可以識別更廣泛的障礙物、標識、交通信號燈。通過運用獨特的像素構造和曝光方法，改善飽和度，即使在同時實現HDR 功能和控制LED 閃光的情況下，也可以實現120dB 動態范圍。因此，即使直接面對在10 萬Lux 的太陽光下行走的汽車，也可以控制反光白點，在光線反差大的地方，如隧道進出口，也可以準確地捕捉對象物體的圖像，防止噪音和運動偽差，同時可以把敏感度改善約15%，提高了在低照明度環境下識別行人和障礙物的能力。

符合AEC-Q100 二級汽車電子元件可靠性標準，適用于批量生產，推出了符合ISO 26262 汽車功能安全標準的開發流程，以確保設計質量符合汽車應用的功能安全要求，從而支持功能安全級別ASIL D 進行故障檢測，通知和控制。

通常情況下，普通的行程記錄儀為了節省成本，采用高分辨率的CMOS 圖像傳感器，成像之后采用圖像剪切方式進行圖像處理，如圖4 所示，在原始圖像（圖4a）中，以汽車為中心圖像進行剪切圖像，生成處理之后的圖像如圖4b 所示。

5 電子后視鏡圖像畸變分析

意法半導體ST 的VG5661 和VG5761 是160 萬像素和230 萬像素的汽車全局快門影像傳感器，不同于每次一行連續直接讀取像素數據的卷簾快門，全局快門同時捕獲所有像素的數據。獨創一項汽車全局快門圖像傳感器雙存儲單元像素技術，每個像素雖然都有兩個存儲單元，但是像素尺寸仍然保持在3.2 μm，因此，傳感器體積緊湊，而且分辨率更高，能夠在極具挑戰性的光照條件下拍攝銳利、清晰的圖像。

兩個存儲區支持雙圖像存儲，可實現高達98 dB 的線性高動態范圍或背景消除，無時滯現象，不給主機系統帶來額外的處理負荷，從而降低了主處理器的處理量，并減少了修正偽影的情況。此外，在近紅外補光時，高動態范圍和高MTF（調制傳遞函數）進一步減少了自然光源的干擾。VG5661 和VG5761 采用標準BGA 封裝或是可以直接集成到汽車OEM 系統的裸片上，符合AEC-Q100 二級標準，并包含汽車安全標準ISO 26262規定的ASIL-B 攝像系統需具備的復雜安全完整性功能。

在表2 中，得到圖像傳感器的有源區長×寬為1∶0.62，當標準網格圖像經過攝像頭的光學透鏡組時，產生標準網格圖像的畸變圖像，如圖5 所示，按照ISO 16505的測量方法，可以得出圖像的畸變δPHD，具體計算方法如表3 所示。

在表3 中，按照圖1 中ISO 中標注的圖像畸變的各種測量數值，攝像頭的成像效果是符合要求的，也就是圖像畸變符合ISO 16505 法規的，但是，在電子后視鏡的顯示屏上，視頻圖像效果與實際情況差別比較大。駕駛員通過電子后視鏡觀察路況時，會產生一些差別，對駕駛安全具有不確定因素。

在表4 中，采用VG6640 CMOS 圖像傳感器，其器件參數如圖6 所示。

按照ISO 16505 的測量方法，可以得出圖像的畸變δPHD，具體計算方法如表5 所示。

在表5 中，按照圖1 中ISO 中標注的圖像畸變的各種測量數值，在CMOS 圖像傳感器的長×寬比1∶0.75，圖像產生的畸變就減小，對應TFT 顯示屏的尺寸長×寬比例接近相同。在這種情況下，電子后視鏡的視野會減小，因此，當CMOS 圖像傳感器的長×寬比例增大時，電子后視鏡的視野也會增大。

6 結語

設計了攝像頭光學透鏡組，在標準網格圖像經過攝像頭光學透鏡組之后，其圖像產生了圖像畸變。依據ISO 16505 圖像畸變的定義，計算出各種情況下圖像畸變的參數值，包括電視畸變1、電視畸變2、垂直方向畸變、水平方向畸變和幾何徑向畸變。當CMOS 圖像傳感器的長×寬比例接近相同時，圖像產生的畸變就減小，對應TFT 顯示屏的尺寸長×寬比例接近相同。在這種情況下，電子后視鏡的視野也會減小。當CMOS 圖像傳感器的長×寬比例增大時，電子后視鏡的視野也會增大。ISO16505 中沒有給出圖像的幾何畸變的具體參數指標，如果電子后視鏡CMS 與汽車主機廠前裝配套，CMS 顯示屏的尺寸或者長×寬比例需要有固定比例數值，以便保證電子后視鏡的技術參數一致，也可以保證汽車的駕駛安全［10］。電子后視鏡涉及的電子技術領域，其主要的車規級元器件均處于成熟階段，因此，電子后視鏡能夠在新能源汽車領域得到廣泛應用。

參考文獻：

［1］付紅強，付兵凱新型電子后視鏡（CMS）攝像機探析［J］商用汽車，2022（7）：72-74

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［8］葉圣偉，胡燕嬌基于SOPC 的汽車電子后視鏡系統的研究與設計［J］汽車實用技術，2017（10）：75-77

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［10］高龍琛低延時高精度嵌入式疲勞駕駛遠程監控系統［D］濟南：山東大學，2021

作者簡介：

郭志友，男，1959 年，教授級高級工程師，研究方向為第三代半導體科學技術、成像與非成像光學技術和汽車電子。