车用摄像机监视器系统(CMS)标准综述,车载摄像机

1年前 (2023-02-14) 首席小编
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摘要:文章综述了国内外车用摄像机监视器系统(camera-monitor system,以下简称CMS)技术应用的基本情况,国内外标准和法规,CMS的功能性要求以及安装要求。CMS有助于改善驾驶员的间接视野,改善空气动力学特性并优化新车的燃油经济性。根据联合国第46号法规(UN-R46)[1]的最新版本和新标准ISO 16505[2]确立的标准框架,在欧洲及日本等国家批量生产的车辆中,可以采用CMS替代强制安装的传统视镜。根据传统后视镜的特性,设计的CMS必须具有类似功能,包括时间特性、系统分辨率、显示对象的大小和视野。

北京魔方CMS,摄于2021广州车展

1. 摄像机监视器系统技术背景

1.1 摄像机监视器系统技术现状

CMS从用途来讲就是汽车上用来替代传统后视镜的间接视野装置。随着智能网联,自动驾驶,ADAS等新技术的出现,汽车正在向电子化、智能化方向飞速发展,汽车后视镜也同样在发展,未来后视镜将允许被替代,摄像机加监视器的组合将用来解决后视野问题。利用摄像机监视器系统(CMS)替代标准强制规定安装的后视镜有助于降低车辆的空气阻力,减小视野盲区,提高恶劣环境下的视野表现。同时替代后视镜的摄像头可以集成ADAS及智能网联相关功能,并在车内的适当显示器上实时显示视觉信息。CMS包括一个摄像头(camera),用于捕捉视野,并向电子控制单元(ECU)发送信号以进一步处理,然后利用显示器(monitor)为驾驶员提供视野。

1.2 CMS在中国的情况

GB 15084《机动车辆 间接视野装置 性能和安装要求》[3]标准的内容以UN-R46法规中规定的要求和测试方法为基础。因此,在中国安装后视镜也属于强制性要求,且目前尚不允许用CMS替代此类后视镜(V类和VI类后视镜除外)。在2018年国内正式启动了GB15084标准的修订工作,在不久的将来国内允许用CMS替代传统后视镜成为可能。目前,有消息表示,该标准或将于2022年5月。

1.3 CMS在欧洲的情况

欧洲作为UN-R46法规最先实施的地区,在2016年就已经允许用CMS替代传统后视镜,各大整车企业也开始开发相关车型,目前已有乘用车及商用车的量产车型。

1.4 CMS在日本的情况

日本是《1958年协定书》的缔约方,已经同步采用UN-R46法规,在此基础上,日本已允许使用CMS替代车辆传统视镜。

1.5 CMS在美国的情况

美国间接视野装置的法规FMVSS 111规定车辆必须配备物理后视镜,尚不允许用CMS替代后视镜。2014年3月,汽车制造商联盟和特斯拉汽车公司请求NHTSA更新升级FMVSS 111,以使CMS合规。由于NHTSA希望在允许CMS前了解有关该系统的安全性能,汽车制造商联盟开展了安全影响方面的研究,目前美国汽车制造商联盟和NHTSA仍在进行有关该方面的沟通。

2.有关CMS的国外标准

根据UN-R46法规的要求,车辆必须配备提供间接视野的系统。通常,利用安装在车辆上的传统后视镜提供间接视野。根据新国际标准ISO 16505《道路车辆—摄像头监控系统的人机工程学和性能方面—要求和测试程序》,概述了利用摄像头监控系统替代此类必须配备的后视镜时相应的技术要求。

根据ISO 16505发布了联合国第46号法规的最新修正本。该修正本是首个允许在乘用车和商用车辆中使用CMS替代后视镜的法规。世界车辆法规协调论坛(WP.29)于2015年11月通过了UN-R46的修正提案,并于2016年8月正式生效。

2.1 UN-R46

联合国欧洲经济委员会世界车辆法规协调论坛(UN-ECE WP.29)是UN-ECE的其中一个工作组。该工作组在2009年开始着手修订R46号法规,以使摄像头监控系统能够替代所有后视镜。为了确定技术参数和试验方法,成立了摄像头监控系统非正式工作组(IGCMS)。对于商用车辆,自2005年起,就允许使用CMS替代V类后视镜(补盲后视镜)和VI类后视镜(前下视镜)。这两种类别的后视镜仅在车辆处于低速工况(如倒车等)时使用,不宜对所有其他类别的后视镜执行相同的要求。IGCMS的工作成果之一是在国际标准化组织(ISO)的专家团内对此类系统提出了一项提案。国际专家组于2010年至2014年期间进行了深入的研究,最终起草了ISO 16505,并且于2014年重组了IGCMS(ICGCMS II),根据ISO 16505标准内容,IGCMS II编制了UN R46的修正本,并新增了其他内容,而不是仅仅引用了ISO 16505标准的全部内容。该提案于2016年8月生效,允许替代以下类别的后视镜:用于乘用车的I类后视镜(内后视镜)和III类后视镜(主要外后视镜);用于商用车辆的II类后视镜(主外后视镜)、IV类后视镜(广角外后视镜)、V类后视镜(补盲外后视镜)和VI类后视镜(前外后视镜)。

2.2 ISO 16505

ISO 16505规定了CMS作为替代强制安装的后视镜而必须满足的最低技术要求,包括有关安全、人体工程学设计、性能要求以及测试方法。该新标准是未来标准CMS设计以及检测机构对CMS进行检测的依据。ISO 16505:2015标准文件于2015年5月首次发布,并于2019年出了修订版ISO 16505:2019,主要进行了一些编辑性修改,主要技术内容没有变化。ISO 16505:2019第2章为规范性引用文件,第3章描述了该标准所用术语和定义,其中一部分术语和定义与车辆及后视镜有关,一部分术语和定义与各组件(包括摄像头和监控器等)以及整个CMS有关的术语。标准第6章重点介绍并讨论了详细的系统技术要求,涉及到部件级及整车安装要求。第7章明确规定了各项技术要求的测试方法及合格判定要求。ISO 16505:2019最后讨论了功能安全问题,CMS是一个与安全相关的系统。

3 CMS的技术要求

3.1 功能要求

功能要求以图像质量为主,虽然对V类和VI类CMS的功能要求主要包括亮度对比度和高光溢出,但因考虑到CMS不同的使用情形,对一类至四类CMS制定了几项新要求。功能要求考核项如下:亮度调整、监视器各向同性、亮度和对比度复现、灰度等级复现、色彩还原、伪影、锐度和视野深度、几何变形、闪变、时间特性、放大倍数和分辨率。此方面要求重在考核CMS在不同环境光照条件下的图像表现能力。

亮度调整,是CMS监视器基础的亮暗调整功能校验;监视器各向同性,以亮度为基准考核了CMS监视器的人机功能能效:亮度和对比度复现,对日间、黄昏、夜间、阳光直射四种状态下的监视器图像辨识度实施亮度解像;灰度等级复现,属于判别CMS对不同光密度值灰度块的真实反映能力,也在一定程度上代表了动态范围的能力;色彩还原,即CMS真实重现被摄物体颜色的能力;伪影点光源重现了CMS在夜间对于后方250m远处的车辆近光灯的识别能力,伪影漏光、伪影光晕和镜头耀光辨别了CMS对于视野内存在高亮点光源的情况下的伪影处理能力和保留足够正常视界的能力:锐度,要求计算CMS成像中心区域和70%视场区域的MTF50值,表征了CMS图像的锐化清晰程度;视野深度(分辨率),要求CMS在4m、6m和10m的距离上有足够的清晰度:几何变形,表征了CMS作为汽车用摄像头系统的终端图像畸变程度;闪变,要求CMS监视器的闪烁对于人眼有足够的”亲和”程度;时间特性,保证了CMS在开机和正常运行下的及时反应:放大倍数,使CMS确认具备与传统间接视野装置同样的实景缩放能力[4]。

3.2 整车安装要求

除了针对CMS部件级的要求,还需要满足整车安装的要求,以便能符合车辆人机工程设计及给用户提供稳定可靠的视野。

系统的开启及关闭:规定了何时系统必须运行以及何时可以停用系统。大多数车辆乘员将在发动机点火钥匙关闭后很快离开车辆。考虑到动力管理并结合安全性,在关闭图像前(T1=)120秒以上的延时将允许大部分车辆乘员离开车辆。并且通过附加(T2=)300秒时间,直到乘员决定是否希望继续或恢复CMS运行,图像恢复时间低于(RT=)1秒,将在关闭点火钥匙后乘员延迟离开车辆时,能够使用CMS。未经继续使用需求重新确认的延迟将被关闭,恢复时间不长于7秒,恢复时间也被定义为CMS冷启动最大时间限值。

覆盖图:各覆盖图(例如图标、标签、彩色线条等)的最大尺寸限值为所需最小视野显示区域的2.5%。此外,对于I类装置,所需视野范围内所有障碍物的最大总面积限值为15%,而对于所有其他类别的装置,该限值为10%。

放大比例高宽比:本条款的目的是避免与实际景物差异巨大的水平及垂直高宽比视野的CMS设计,这种设计可能导致对车外视野的误判。

监视器车内的集成:ISO 16505中视野显示位置与监控装置有关(在监控装置左侧显示左侧视野,在其右侧显示右侧视野),而R46法规则规定根据相对于驾驶员基准眼点的位置布置监视器(在基准眼点左侧显示左侧视野,在其右侧显示右侧视野)。根据R46法规,可以安装类似于目前车外后视镜的监视器,而安装在中控位置的替代传统视镜的监视器不被允许。

功能安全:由于摄像头监控系统是一种与安全相关的电子系统,ISO 16505要求在开发过程中考虑其功能安全要求,因此ISO 16505参考了其他现行功能安全标准。R46法规未引用其他标准,该法规有自己的框架,该框架支持采用可以避免或控制软件和硬件系统和随机故障的方法。因此,该法规提供了经技术机构验证的几项标准,用于制定适当的安全方案,包括文件和验证。安全方案的关键要求是确保在CMS出现任何电气/电子故障时通知驾驶员(例如通过发出报警信号等方式)。

4 有关CMS的其他相关联合国法规

除了R46法规之外,还有一些其他联合国法规也会影响CMS在车辆中的一体化安装。本节概述了开发过程中必须考虑的其他要求,以确保产品符合相关法规。

4.1 UN-R10(电磁兼容性)

UN-ECE R10描述了有关电磁兼容性(EMC)(即电磁辐射的发射和抗扰度)的要求。由于摄像头监控系统是与一种与安全相关的电子系统,其必须具备抗磁场或电场特性。因此,R46法规要求摄像头监控系统符合R10的技术要求。

4.2 UN-R21(内饰)

R46中要求涉及乘员对车内间接视野装置(例如I类车内后视镜等)的影响以及其他道路使用者(例如行人等)对车外间接视野装置(例如III类车外后视镜等)的影响。通过动态摆锤冲击测试验证冲击要求。R46法规明确规定,只要车辆根据R21法规的要求获得批准,CMS的监控器就无需做摆锤冲击测试。

R21法规规定了避免乘员因身体碰撞内饰而受到伤害的要求。该法规仅限于M1类车辆(乘用车)。虽然车内后视镜不受R21法规的约束,但由于CMS的监控器在该法规的范围内,因此需要考虑该法规。R21法规中有几项要求(例如凸起部分的曲率半径、材料硬度和材料的能量耗散等)与不同头部碰撞区有关。因此,不能笼统地回答要求和测试是否适用于CMS监控器以及哪些要求和测试适用于CMS监控器。具体取决于监控器在车辆内的位置。因此,监控器的一体化安装需要仔细评估,以确保符合R21法规中有关头部碰撞的要求。

4.3 UN-R48(照明和灯光信号装置的安装)

R48规定了M类和N类车辆(包括挂车(O类))照明和灯光信号装置的安装要求。该法规的目的是首先确保最低道路照明,其次是确保其他道路使用者可以充分识别车辆。法规要求乘用车(M1)配备两个侧转向指示灯。在车辆上安装时,这些灯具必须符合有关几何可见度(角度)和光度(照度)的特定要求。在某些乘用车中,侧转向指示灯一体化安装在车外后视镜(III类)外壳中。如果用CMS替代后视镜,则需要重新布置转向指示灯。因此,转向指示灯的重新布置需要仔细评估,以确保符合R48法规的相关要求。

4.4 UN-R95(侧面碰撞保护)

根据R95法规对CMS的要求,在冲击测试后,任何内部装置或部件不得有明显增加乘员伤害风险的尖锐突出物或锯齿状边缘,该要求与监控器在车内的一体化安装有关。

4.5 UN-R125(前方视野)

间接视野装置的安装而引起的对驾驶员直接视野的遮挡应该被减小至最低。对监控器一体化安装的影响,由于较低的座椅位置和相对较高的前车门上边缘,仪表板和这些平面之间有限的可用空间显然不适用于一体化安装CMS的监视器,R125最新的修改单提出监视器在以下情况下可以获得豁免:车辆配有经认证的传统后视镜作为标准配置,可以选择用CMS替代经认证的后视镜。CMS的遮挡程度不超过后视镜的遮挡程度,监视器的位置尽可能接近被替换的后视镜位置。

5 结语

随着汽车电子化智能化的发展及相关标准体系的完善,越来越多的车企开始配备CMS来替代传统视镜,而国内随着国标修订工作的推进及相关检测认证能力的完善,在不久的将来国内将会出现配备CMS的量产车型。

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