汽車攝像機監視器系統研究與應用綜述

郭華金 鐘良輝

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400041）

0 引言

汽車在行駛過程中，駕駛員80%的視野都是來源于駕駛員的直接或者間接觀察[1]。汽車駕駛視野是安全行駛的重要組成部分，合理且宜人的駕駛視野能夠直接提高汽車駕駛安全性并有效降低交通事故發生的概率。

人體左右眼的單眼視區角度均為150°，雙眼的重合視區角度為120°[2]。在排除汽車左右A 柱、中央B柱的情況下，能保證直接獲取前方大部分視野。但是，當駕駛員有變道、超車和減速駕駛意圖時，則必須依靠后視鏡對汽車側方和后方的目標車輛或者行人進行觀察。但由于傳統后視鏡的尺寸、曲率的設計因素加上可能會存在的圖像失真、變形等原因，駕駛員通過傳統光學后視鏡對目標物的距離估計會存在一定誤差。更為重要的是，當人眼與后視鏡的視野滿足一定條件時，兩者在汽車側方形成的視野盲區空間能完全容納一輛轎車，至于行人或者其它更小的目標則會有更大的概率使駕駛員對盲區視野誤判，從而造成行車安全隱患和交通事故。

為減少汽車外置后視鏡存在的盲區，歐美汽車廠商對駕駛視野進行了研究，研究重點側重于車身結構的設計以及駕駛員信息獲取和反饋。日本的汽車企業則將涉及的醫學、生理學、心理學領域學科應用到汽車視野研究中，例如日本汽車企業與醫學機構合作，從生理學角度測試駕駛員駕駛活動相關的反應來研究駕駛員的視野認知。

隨著2018 年奧迪e-tron 在汽車上搭載了電子后視鏡并量產上市，國內外企業相繼在電子后視鏡方面進行相關布局并開展產品應用設計開發工作。電子后視鏡也可稱為攝像機監視器系統（Camera Monitor System，CMS），由攝像機與監視器組成。要求CMS 在規定視野內需要看清車輛后方、側方視野，CMS 屬于間接視野裝置。與傳統光學后視鏡相比，CMS 體積更小，車輛在行駛過程中風阻更低，傳統后視鏡片被攝像頭取代，視角更加靈活，視野更加寬闊。

CMS 可以視為汽車先進駕駛輔助系統（Advanced Driving Assist Systems,ADAS）的一部分。在駕駛員駕駛過程中，CMS 提供較為寬闊和清晰的視野，保證行車安全。但由于它作為一種電子產品，在行車過程中有可能會因為電路、天氣、環境、駕駛員適應度和反應原因，無法保證與駕駛員有足夠的匹配度，其圖像的清晰度以及整個系統的穩定和可靠性也需提高，在未來的應用上還有待深入研究。歐盟和日本先后在2016 年和2017 年通過了CMS 立法，明確表示CMS 可以取代傳統后視鏡，在一定程度上認可了電子后視鏡對駕駛員視野方面的作用和研發潛力。2023 年，工信部發布了《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》[3]，初步確立了CMS 的可行性，并給出了4類和5類監視器的尺寸設定要求。

國內外對于電子后視鏡的研究主要分為3 個部分：

（1）在固定后視鏡監視器尺寸和布局位置的前提下，駕駛員進行模擬駕駛換道、超車、倒車等行車指定任務，并與傳統后視鏡進行對照試驗。

（2）依據汽車人機工程學設計方法，研究汽車顯示器布置的可能性，包括對比不同CMS 布置方案，駕駛員在駕駛過程中所展現出的行為、表征和生理現象，研究顯示器布置對駕駛員駕駛過程中行為和操控的影響。

（3）研究顯示器和攝像機主要性能參數，包括放大率、視角、與駕駛員的距離和分辨率，建立非線性參數方程，在保證駕駛員看清顯示器的基礎上，進行CMS布置設計。

1 CMS相關國內外標準與法案

聯合國在2016 年7 月實行的第46 號文件ECER46《關于間接視野裝置和機動車安裝認證的統一規定》[4]，在CMS取代后視鏡相關的文件中對視野范圍進行最低限度的要求和規定。

不論是從駕駛員側還是乘客側方向看，主要后視裝置視野應使駕駛員能夠看到至少4 m 寬、平坦、水平的道路部分，其以平行于縱向中間垂直面并穿過車輛駕駛員側車輛最外點的平面為邊界，并從駕駛員眼點后20 m 延伸至地平線。此外，駕駛員應能看到寬度超過1 m 的道路，該道路以一個平行于縱向中間垂直面并穿過車輛最外點的平面為邊界，該平面從穿過駕駛員眼點的垂直面后面4 m 的點開始，如圖1所示。

圖1 后視鏡水平視野要求[4]

圖2 后視鏡視野角[9]

除此之外，由國際標準化組織（ISO）在2019 年7月發布的ISO 16505:2019《道路車輛攝像機—監視器系統的人類工效學和性能方面的要求和試驗程序》[5]側重于對監視器和攝像機的性能要求，包括視野范圍、放大率以及分辨率，還對分辨率的測試進行規定并給出了測試方法。

2 CMS的可實施性發展研究

有關CMS 可實施性最先是由國外的汽車制造商以及汽車零部件供應商開始規劃并研究的，尤其是以Honda、BMW 等汽車公司以及Valeo 汽車零部件公司為主。且目前大多數的研究對象多傾向于傳統轎車以及貨車，其它研究對象已經擴展到重型載貨車甚至是牽引車。

2.1 商用貨車CMS應用研究

由于貨車底盤高、離地間隙大，前方視野存在很大的視野盲區，貨車側后方的視野即使在安裝了廣角后視鏡、外側主后視鏡、前視鏡以及下視鏡后，依然存在著很大的視野盲區。Valeo 公司的Miguel Hurtado[6]針對商用貨車在行車過程中自然存在的盲區（車輛自身結構和體型原因）進行分析，從攝像機的布置方式以及視野范圍進行優化設計，提高視野覆蓋率的同時，控制成本并保證監視器圖像的清晰，有效地減少了視野盲區并增加駕駛員的視野可見范圍。但是文中并沒有提及監視器的布置方式以及攝像機布置的方法與原理，只是從減少視野盲區的角度進行分析，缺乏試驗以及模擬仿真的過程，無法驗證理論的適用性與可靠性。基于此，來自弗吉尼亞理工大學交通學院的Grerory Fitch[7]等則進行了2 組試驗。一組是在貨車駕駛室設置3 個顯示器取代后視鏡，另一組則是以傳統后視鏡作為對照。統計駕駛員在變道任務過程中車速、加速度變化、制動踏板、轉向信號的使用情況，以目標車輛與當前車輛的距離、位置和行駛速度作為分析指標，進行實際跟車試驗。分析結果表明：（1）駕駛員在看向攝像機監控系統時能同時注意到前方道路情況。（2）當不需要變道時，與相鄰車輛的間隙沒有改變。（3）駕駛員更有可能在夜間和右轉時使用電子后視鏡。（4）駕駛員表示電子后視鏡能幫助他們意識到周圍物體并融入交通環境。

由于監視器布置在離駕駛員較近的高度，能有效保證駕駛員在看向后視鏡時，有足夠的視線去留意汽車前方道路情況，且避免對駕駛員安全駕駛產生不利的影響，這就要求監視器布置在一個比較合理的位置上。而且攝像機監視器系統是基于光學原理而設計的電子產品，在夜晚或者光亮度不足的情況下，通過曝光或者光亮度補償的方式，可以讓監視器中的視頻圖像更為清晰，相比于傳統光學后視鏡，能保證后方視野清晰可見。但由于汽車內部存在鏡子、玻璃、顯示器反射物，極有可能在一定條件下，對駕駛員造成眩目影響。

針對攝像機監視系統在貨車上實際應用過程中可能出現的問題。Fitch[8]團隊邀請了12 名貨車駕駛員對有電子后視鏡的貨車試駕，進行為期4個月的試驗并采用問卷調查的方式收集駕駛員對電子后視鏡的看法和意見。調查結果指出，大部分駕駛員對電子后視鏡增強視野是比較認可的，而且3個攝像機的有效布置能減少盲點，幫助駕駛員確定和判斷目標車輛與試驗車輛的接近程度。部分駕駛員認為，監視器在夜晚產生的眩光對于駕駛員來說太亮，降低了他們在夜晚看清道路細節的能力。所以研究者認為要想讓攝像機監視器系統取代后視鏡，必須在覆蓋右側盲點的前提下，不產生新的盲點，安裝位置最好不要在風窗玻璃和側窗的關鍵區域以避免產生新盲點和交叉反射，讓駕駛員能夠有效利用視野并判斷整個交通狀況。除此之外，監視器亮度應能夠根據環境和人眼特性進行變化，方便駕駛員直接進行視野獲取。

由于貨車本身車型較大、車身較長，在轉彎以及變道過程中，如果不能做到對側后方視野的快速獲取，極有可能發生交通安全事故。尤其是美國的貨車，至少配備了8 個后視鏡對汽車周圍的視野進行獲取。但駕駛員在實際行車過程中要做到對汽車后方視野全面兼顧的同時，還要保證雙眼視線對前方視野的獲取，這對貨車駕駛員也是一種挑戰和考驗。如果汽車電子后視鏡想要在保證視野的前提下，完全有效取代后視鏡，用極少數的監視器（3個）提供視野是一個可行的方法。在控制成本基礎上，減少監視器的數量可以減少視野盲點并避免分散駕駛員注意力。甚至可以考慮在一個監視器中融合多個攝像頭視野，形成全景畫面，但全景畫面呈現視野的同時，也需要駕駛員去區分視野方位，這無疑會增加駕駛員反應、決策以及后續駕駛操作時間，在一定程度上又會增加安全隱患。所以用傳統光學后視鏡加上攝像機監視器系統配合使用是最佳的選擇，一方面能夠減少視野盲區，提高視野范圍。另一方面，較少的監視器能夠讓駕駛員直接進行視野獲取，而不需要去甄別監視器所指定的畫面。但這一系統需要駕駛員在行駛前進行熟悉和把控，并且監視器的布置位置可能會因人而異，由于駕駛員的視力、年齡直接影響到反應時間，所以在布置CMS 時，監視器的尺寸、清晰度與駕駛員的距離需要進行統籌考慮。

2.2 乘用車CMS應用研究

當前，CMS在乘用車上的應用研究更為深入。由于轎車后視鏡只有2 個，且分別布置在左右A 柱附近。用CMS替代后視鏡的研究中，攝像機的放置依舊是在原光學后視鏡的位置上，而監視器則多放置在汽車左右A柱位置。但仍有不同的放置方式，如雷克薩斯ES 200的監視器則是放置在前左右車門內，寶馬無鏡汽車版則在后視鏡旁放置了一塊76.2 mm（3 英寸）的車內液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）作為監視器。

來自本田研發公司的Oshida等[9]針對攝像機在替代后視鏡方面的有效性進行研究，通過模擬駕駛的方式，在高速公路中的4車道模型環境中對20名參與者進行試驗。試驗采用了3種后視鏡布置方案：

（1）乘客側的試驗后視鏡使用半徑為1 400 mm的球面鏡，視野角度為18°。

（2）乘客側試驗用的后視鏡為提供80°視角的電子攝像機，在中控臺布置一塊203 mm（8英寸）的顯示屏作為監控器。

（3）乘客側使用80°視角的電子攝像頭，在中控臺布置一塊102 mm（4 英寸）顯示屏作為監控器。而在駕駛員側都是布置一塊提供20°視野的非球面鏡。

試驗結果表明，單獨使用傳統后視鏡進行變道操作時，事故發生率為6.2%。將傳統后視鏡與電子后視鏡一起使用時，事故發生率降低至2.6%。可以認為電子后視鏡對減少事故發生率是有效的。Oshida 等[9]還分別研究了電子后視鏡監視器尺寸為203 mm（8 英寸）和102 mm（4 英寸）的試驗數據，分析認為使用2 種不同尺寸的監視器在減少事故發生率上沒有顯著差異。尺寸因素在試驗中并沒有對結果產生影響的原因是中控臺儀表離駕駛員比較近，不論是8 英寸還是4 英寸監視器都能保證駕駛員能夠直接獲取視野。

3 CMS監視器布置設計研究

在CMS監視器布置方案設計中，大多數的研究側重于監視器布置在汽車A 柱以及駕駛艙中控臺儀表中央。其依據多來源于傳統后視鏡的布置方式，但沒有相關的理論或者試驗能夠解釋這種傳統后視鏡布置的合理性或者整體設計方案的正確性。

來自德國烏爾姆應用科學大學電氣工程與信息技術系的Terzis[10]針對CMS 整體系統設計及相關要求，在2015 年11 月發布了《攝像機監視器系統手冊》（Handbook of Camera Monitor Systems: The Automotive Mirror-Replacement Technology based on ISO 16505），旨在全面概述攝像機監視器系統科學與技術，并結合ISO 16505將其從理論推進到實際開發中。其主要包括5 個方面：（1）CMS 系統設計與標準化和規范；（2）CMS 汽車技術基礎；（3）人類視覺感知與人體工程學設計；（4）乘用車與商用車CMS 測試和概念；（5）高級應用和安全。

在此手冊中，對監視器的總體布置提到了2 種布置方式，對后續研究人員的布置研究提供了參考和驗證分析依據。其布置方法如圖3所示。

圖3 監視器布置[10]

在監視器布置設計中，Kim 等[11]則設計了4 種電子后視鏡監視器布置位置（圖4）：

圖4 監視器布置方式[11]

（1）中控臺小屏幕監視器（Small Display，SD）；

（2）中控臺大屏監視器（Large Display,LD）；

（3）鏡內監視器（Internal Mirror Display,IMD）；

（4）無監視器（No Display）。

以4 種常見的倒車任務下（平行泊車、兩輛車之間的倒車、車道倒車和車庫倒車），避免與障礙物相碰撞的有效性為評價指標，并且記錄了眼部眼球運動軌跡以及車輛動力學特征參數（速度、加速度和制動踏板行程）。并最終以監視器的高頻使用率為指標得出在該試驗條件下的最佳監視器放置位置。試驗結果表明駕駛員通過IMD 進行汽車側后方視野的獲取頻次和傾向性大于其他兩種方式，能有效減少碰撞事故發生率。相比之下，SD 或者LD 布置方式涉及到其他更為復雜的情況，這也是后續需要驗證和關注的關鍵點。

慕尼黑路德維希馬克西米利安大學人類科學中心和德國本田研發中心的Wittmann 等[12]則以駕駛員座椅和中控臺儀表盤為中心設計了7種不同的監視器布置方式（圖5），位置分別是：

圖5 7種不同監視器的布置方式[12]

（1）前窗速度表上方（A）；

（2）在速度表上（B）；

（3）中控臺上方（C）；

（4）中控臺中間位置（D）；

（5）在中控臺底部（E）；

（6）類似于模擬抬頭顯示（HUD）位置（F）；

（7）車內后視鏡位置（G）。

在試驗方面給出了2種駕駛條件：

（1）自由視野條件下，駕駛員可以在屏幕和監視器中自由切換；（2）聚焦視野條件下，駕駛員將視野聚焦于監視器。

這2種條件表示駕駛員在駕駛艙需要完成的視覺和運動任務的不同方式。主要駕駛任務為：屏幕顯示一個主要的道路場景，當顯示屏隨機出現10 次紅燈時，駕駛員需要踩下制動踏板。次要任務則是將信息通過監視器進行顯示。將兩次不同任務下駕駛員保持車道時間、反應時間與可見視野范圍進行比較，試驗結果表明：車載監視器的位置對于駕駛操控和駕駛員的心理有著直接聯系。監視器離風窗玻璃越近（中控臺上方或者儀表上方），對于駕駛員完成指定任務的不利影響就越小。并建議汽車制造商在考慮監視器布置位置時，考慮中控臺位置，以便呈現最佳的視覺信息。

日本岡山大學自然科學與技術研究院智能機械系統系的Murata 等[13]為了研究監視器布置和尺寸對駕駛員的直接影響，分析車載監視器代替汽車側后視鏡的有效性，通過駕駛員在環模擬的方法來驗證電子后視鏡的有效性。在此之前駕駛員需要對車輛所有情況進行熟悉，并調整至最佳的座椅狀態。首先執行一項主要的模擬駕駛試驗，其次對側后視鏡或者車內監視器中目標車輛的二次識別任務進行試驗。主要計算兩次試驗模擬駕駛任務中的跟蹤誤差、目標車輛的忽視或者識別率以及識別效率。通過自身車輛與目標車輛的距離以及預定目標車輛出現在側后視鏡或者監視器中的時間進行整體判斷和評價分析。試驗對照因素分別為：

（1）監視器尺寸為152 mm（6 英寸）和203 mm（8英寸）；

（2）放置位置（側后視鏡、駕駛員中心周圍、轉向盤周圍和后側視鏡周圍）以及駕駛員側面（左側和右側）（圖6）。

圖6 以不同位置為中心的監視器布置方式[13]

通過比較后側視鏡與監視器之間的效率評價指標，對每組試驗結果進行評分和主觀評級。

試驗結果表明：在6種不同組合條件下，駕駛員對目標車輛的跟蹤誤差、目標車輛忽略比例和錯誤反應在6種試驗條件下沒有大的差異，位于駕駛員座椅中心和轉向盤周圍的監視器布置是最為理想的，比側視鏡的反應更快。與側視鏡相比，在駕駛員中心周圍安裝203 mm（8 英寸）液晶顯示器作為監視器對目標車輛的反應時間減少了23.6%。

Murata 等[13]認為，從駕駛員對目標車輛的反應時間和能見度數據來看，只考慮尺寸和安裝位置之間的相互作用，用監視器來替代側后視鏡是可行的。一方面研究人員認為電子后視鏡取代側后視鏡，需要多方面考慮。僅從本次試驗評價指標和客觀數據來看，只有一部分試驗數據顯示電子后視鏡的優勢與潛在價值。要全面考量電子后視鏡在實際應用過程中能否得到認可，就需要全面系統地比較與傳統后視鏡的優劣性。模擬駕駛或者實際跟車試驗都是比較可靠的，首先需要考慮到后視鏡對駕駛員的作用，主要是在起步階段以及倒車、變道、加速超車、減速和停車過程中會使用到后視鏡。比如在城市道路行駛時，由于交通情況復雜，車速的變化幅度比較大，駕駛員會大概率更換車道和路徑，這更需要駕駛員通過后視鏡進行多頻次的視野獲取和觀察。在高速行駛時，如果能盡早獲取側后方車輛信息并對距離做出合理的判斷，就能極大地減少變道事故率，提高行車安全性。而隨著攝像頭視野角度和景深距離增大，在保持與駕駛員一定距離的前提下，監視器尺寸也會相應增大，以確保駕駛員能夠看清目標車輛或者行人，也是性能匹配研究的重點。

4 CMS監視器與攝像頭性能匹配研究

由于CMS是由監視器、攝像頭和圖像處理單元組成的電子系統，因此監視器和攝像頭的性能參數匹配尤為重要，直接影響到成本與清晰度。研究人員認為當監視器與駕駛員相對位置一旦確定后，監視器的放大率也就確認了，而有些性能參數則可以選擇與攝像頭參數做匹配設計。來自法雷奧公司的Hurtado 等[14]針對監視器的性能參數（縱橫比、尺寸、分辨率）與攝像頭的參數（視野角度、放大因子、像素密度），結合駕駛員的人眼分辨率建立非線性參數方程。ISO 16505:2019[5]中也對此進行了說明和規定，比如系統在乘客側和駕駛員側的平均放大率和最小放大率都要大于被替代的鏡像放大率。3類CMS的監視器水平放大率和縱向放大率之比為0.75～1.34，人眼視覺分辨率按照0.7進行計算。

5 結論與展望

根據學術界和產業界CMS應用研究成果，CMS完全替代傳統側后視鏡是可行的，具有很大潛力和應用價值。相關實車試驗和模擬駕駛驗證CMS 在車輛變道、泊車和高速行駛過程中減少交通事故發生率的有效性。目前研究的側重點應該在于監視器布置方式的合理性，基于此，可以考慮從眼橢圓的角度出發，進行視野設計，并減少監視器造成新的前視野盲區概率。但由于國內對CMS還沒有進行比較系統的研究，因此將后視鏡和中控臺儀表板相關設計理論應用到監視器的布置之中是可行的。且攝像頭的高度和角度布置可以參考汽車后視鏡曲率和放大率進行設計，并結合人眼視覺測距原理進行布置研究。

隨著車聯網技術、自動駕駛技術高速發展，基于激光雷達的距離檢測以及基于攝像頭的行人、車輛、道路、建筑物特征識別系統的建立與完善，電子攝像頭的應用會跟隨著智能網聯汽車的發展得到廣泛應用。CMS 結合目標識別和自動測距功能進行開發和研究，一方面能夠提供駕駛員較寬廣的側后方視野，另一方面又能根據距離進行預警提示，將人眼視覺和機器視覺相結合保證行車安全。

目前只有我國、歐盟和日本頒布了CMS 相關法律，推動CMS 替代后視鏡，相關法律法規對CMS 整體性能提出了很高要求和嚴格規定。CMS 要在全世界范圍內應用有難度，除了監視器的布置和整體性能之外，駕駛員在駕駛車輛時，需要時間來適應并習慣用CMS來替代傳統光學后視鏡。此外，成本依舊是大多數汽車企業和用戶需要考慮的因素。