基于视觉优化的车用摄像机监视器系统CMS

华进勇 冯会健

摘 要：在商用车上，因为驾驶室高度及车身尺寸原因，视野盲区较多，因此必须安装不同类别的视镜来提供车外的视野，而较多数量的视镜对驾驶员对车外物体识别是一个很大的挑战。在驾驶员将注意力转向一个物体之前，由于光流的变化，这个物体通常会先在他们的边缘视野中被发现。目前商用车的后视镜系统违反了这一原则，驾驶员必须专门观察某一类视镜，以便能够发现视镜中的物体。车用摄像机监视器系统（CMS）的应用能够有效改善这种情况，从而显著提高安全性。本文将基于人眼视觉感知研究一种车用摄像机监视器系统（CMS）替代传统后视镜的方案。

关键词：中央视觉;边缘视觉;组合视野;安全性;商用车;CMS：车辆视镜替代

1 商用车的视野

由于驾驶员座位位置较高，商用车的远处视野被认为是非常理想的，但从驾驶员观察车辆周围仍存在较多的盲区。车辆周围和后方不可见的区域只能通过视镜看到。根据我国现行的GB 15084-2013《機动车辆间接视野装置 性能和安装要求》规定，N2类大于7.5吨和N3类车至少需要安装六面视镜。这些镜子包括两个主后视镜（Class Ⅱ）、两个广角后视镜（Class Ⅳ）以及乘客侧的一个补盲镜（Class Ⅴ）和一个前视镜（Class Ⅵ）。图1显示了商用车强制安装的视镜（乘员侧）。视镜的多样性和视野的不同增加了驾驶员观察车辆周围环境的困难，驾驶员必须同时监控前方道路和目前强制安装的6个视镜。为了正确获取车外视野，驾驶员应该在什么时候观察哪面视镜将对行车安全及车外人员的保护起到非常重要的作用。

2 中央视觉和边缘视觉

人类的视觉感知可以分为两种不同的视觉方式：中央视觉和边缘视觉。这两种类型结合起来形成了一个强大的整体结构，构成了人类眼睛对周围的感知，即人类的视觉，而摄像机监视器系统替代传统视镜的基本要求是根据这些特征和相关的认知能力规定的。

眼睛是将光信号转换成电信号的器官。这些电信号然后被传输到大脑，大脑进行图像处理。从某种意义上说，人眼可以比作摄像机，大脑可以比作图形处理单元。摄像机通过所谓的像素接收光信号，而在人类视觉中，这一过程是通过位于视网膜上的视锥细胞（明视觉）和视杆细胞（暗视觉）进行的。与摄像机相比，这些受体在视网膜上的分布并不均匀。虽然在主视觉方向（中央视觉）上有非常高浓度的视锥细胞，但视杆细胞主要聚集在边缘，在中央窝中没有发现。来自中心视线的光落在中央窝上，这是视网膜上一个非常小的点，上面布满了视锥细胞。每个视锥细胞都与其自己的神经通路相连。与视杆细胞相比，对颜色敏感的视锥细胞对光不敏感，因此需要更多的时间来传递信号。中央窝视觉指的是视觉中敏锐的区域，尤其对图像的主动感知。边缘视觉与此不同，边缘的感知通常是潜意识的。有效识别边缘物体的一个重要因素是“光流”。如果物体的运动方向与实际的光流方向不同，就会产生一种刺激，这通常会激起人的反应，在这种反应中，眼睛向这个刺激物重新定位。连续的光流对于有效的物体识别非常重要。光流的每个局部旋转或改变，例如在视镜中发生的变化，都意味着视觉认知功能的额外工作。

3 商用车辆中人类感知的中央和边缘视觉

通过中央凹视觉和边缘视觉有关的理解，来描述商用车辆中的直接和间接视觉。图2显示了驾驶员从车辆上观察前方5次（大约1.5-5秒的驾驶时间）的模拟感知。很明显，驾驶员只能获得他们所处环境中极小部分的清晰图像。因此，驾驶员从少数几个凝视点对其周围环境的整体感知以及基于过去经验中获得的信息，创建了一个所处环境模型。

当然，这种环境模型不仅考虑了直接视觉，也考虑了间接视觉。在这方面，由于主视镜方向和各种视镜的不同光流，对视镜中物体的边缘探测是非常困难的。驾驶员现在不得不同时跟踪7个不同的光流，而不是跟踪一个全局光流。

因此，目前使用的视镜系统需要通过中央窝视觉来监控周围环境。这反过来意味着，使用现有视镜系统的驾驶员必须有意地将视线转向相应的视镜，以便看到车辆侧面和后方的区域。这对于商用车的主后视镜来说不是问题，因为它能观察后方远处视野，因此完全符合中央窝视觉的观察感知，即对远处物体的目标定位和感知。然而，对广角镜和补盲镜物体的进行边缘探测是不太可能的。在广角镜和补盲镜中，驾驶员的任务是对附近物体进行可靠、随机的探测，理想情况下这项任务是通过边缘视觉来完成的，但现在必须用中央窝视觉来完成，即驾驶员必须有意识且要消耗一定时间观察相应的视镜。

因为视线只能聚焦在一个观察方向上，而中央视觉不能以平行方式工作，所以连续检查所有的镜子需要一定的时间。例如，驾驶员需要至少2秒来检查乘客侧的三面镜子。以30km/h的速度，此时卡车已经向前移动了大约17m（作为比较：五类视野的规定长度目前为4.75m，在此时间范围内可能会超过3.5倍）。特别是在复杂的交通情况下，驾驶员被迫将自己限制在驾驶车辆所需的视野范围内。由驾驶员决定他们需要看哪些视镜，不需要看哪些视镜。图3仅在直视广角镜时才能看到骑车人（右图）。看向主后视镜时并未看到骑车人（左图）。

4 商用车CMS的设计

上述研究表明仅仅用CMS替换每个相应的视镜是无效的。用6个单独的画面替换6个视镜会给驾驶员带来与当前视镜系统相同的挑战。驾驶员将再次被迫选择他们需要看到的图像。相反，CMS目标应该是减少显示的图像数量，同时向驾驶员提供相同数量的信息。基于驾驶测试的结果和关于人类感知的定义，我们可以制定视镜替换系统设计的两个主要目标：

（1）远景（主后视镜区域）的显示应按照当前的视镜系统进行设计;

（2）近景（广角镜和补盲镜区域）的显示方式应确保对物体的可靠探测。

只有减少监控器的数量，这两个主要目标才能实现。这两个主要目标是通过合并视野来实现的。这种视野的优势显而易见：驾驶员看到的是一个单一的综合图像，其中包含所有的信息，否则将是来自三面镜子的信息放在一起。这改善了驾驶员的视野方向和对物体的空间定位。结果就是用更少的时间获取更多的信息。驾驶员无需再判断他们必须看三面镜子中的哪一面，而是可以一目了然地获得所有必要的信息。图4显示了将乘员侧的主视镜，广角视镜和补盲视镜视野组合集成到一个监视器上。

驾驶员更有可能通过使用CMS来注意周围物体。不像以前的视镜系统中需要监控三个不同的光流，整个场景现在可以在显示器上显示，可监控一个连续的光流。因此，驾驶员可以通过中央视觉将注意力集中在他们的目标上，同时通过边缘视觉保持对周围近的注意。可以更快、更有效地探测物体，甚至可以随机探测。理想情况下用中央视觉完成的任務，即对四类和五类区域的观察，现在可以用CMS通过边缘视觉完成。图5中骑车人第一眼就被发现，并且位置可以被正确确定。

5 结语

上述研究表明，视镜替换解决方案有巨大的潜力，只要这些解决方案符合人体工程学设计。该系统针对人的感知和视力进行了优化，它不仅能提高驾驶员的驾驶体验，还能提高车辆驾驶的安全性。文中显示的二类、四类和五类视野的组合显示是针对人类中央窝和边缘感知进行优化的，CMS中图像的直观布局使驾驶员能够轻松分析与车辆附近的物体，并跟踪这些物体直到超出各观察区域的边界。这为驾驶员提供了一个单一全面的图像分析所有的信息，否则他们将不得不从每侧的三个单独的视镜中获取这些信息。这有助于驾驶员感知车辆侧面和后面的区域，不需要额外耗费精力来整合感知的信息。该系统的另一个优点是，驾驶员无需在看视镜之前决定需要检查哪些视野以及以何种顺序进行检查。从一侧可以同时看到所有视野，这明显提高了通过驾驶员的边缘视觉发现物体的几率。

参考文献：

[1]Zaindl，A.，Zimmermann，A.，D?rner K.，Kohrs，C.：Camera-Monitor System as Mirror Replacement in Commercial Vehicles，ATZ，pp.12-

17，05 2015.

[2]UNECE.Uniform provisions concerning the approval of devices for indirect vision and of motor vehicles with regard to the installation of these devices：ECE R46 Revision 6[S].UNECE.2016.

[3]GB 15084-2013 机动车辆 间接视野装置 性能和安装要求[S].