電子視鏡的發展與應用

張永剛 楊元雷 張方 景壯壯

（中國重型汽車集團有限公司，濟南 250002）

主題詞：后視鏡 電子視鏡 法規

1 引言

近年來，隨著汽車和電子攝像、視頻顯示、數據交互技術的發展，通過攝像頭取代后視鏡的電子視鏡成為新趨勢。電子視鏡視野寬闊，不受外界環境影響，風阻小、人機交互性好，同時可擴展到自動駕駛領域。目前世界領先的商用車企業已經實現了電子視鏡的商業化應用，產品持續更新迭代。然而，國內電子視鏡的發展，面臨法規未出臺、技術門檻高、開發成本高、外企專利壁壘的困難。但用戶不再滿足后視鏡的基本功能，期望應用更高端的電子視鏡并拓展到自動駕駛。本文從電子視鏡的優勢、系統構成、市場需求、發展現狀、法規環境5個維度展開分析，對電子視鏡國內的產業發展提出建議。

2 后視鏡劣勢分析

后視鏡主要存在以下4點劣勢：視野盲區、易受環境影響、對整車風阻貢獻大、缺少人機交互。

2.1 后視鏡存在視野盲區

后視鏡成像原理是光的反射，即地面或周圍環境中的物體通過視鏡鏡面反射到人眼，因鏡片大小及視線角度限制存在一定的盲區。當駕駛員過度信賴后視鏡，潛在的風險就高，影響行車安全。根據GB 15084—2013《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》，對于駕駛室II類主外后視鏡、Ⅳ類廣角鏡的視野技術要求（圖1、圖2），實際視鏡視野較法規視野有一定的余量，但仍存在盲區[1]。

圖1 II類主外后視鏡視野法規要求[1]

圖2 Ⅳ類廣角鏡視野法規要求[1]

由于后視鏡盲區造成的交通事故在中國約占30%，美國約占20%。在高速公路上70%因變換車道所發生的交通事故是由后視鏡盲區造成的[2]。

特別是在掛車轉彎時，掛車與牽引車駕駛室成較大的角度，導致駕駛員通過視鏡只能觀測到掛車的局部區域，整體的盲區很大，易將車邊的行人等卷入車底，存在很大的安全隱患[3-4]。圖3為牽引車轉彎的現場場景。駕駛員通過車窗觀察，由于視鏡遮擋，損失了一部分直接視野，也存在安全隱患。

圖3 半掛車轉彎視野盲區

2.2 后視鏡應對惡劣環境存在不足

雨霧、強光、弱光等惡劣環境直接影響駕駛員視線、鏡面反射效果，使駕駛員無法正確、及時地做出駕駛判斷，影響駕駛安全。雨霧天氣、強光環境下的視鏡，視野清晰程度明顯下降。

2.3 后視鏡對整車風阻、風噪貢獻大

根據GB 15084—2013《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》[1]對后視鏡有關鏡片尺寸及位置的規定，后視鏡外觀、尺寸、造型難以有大的突破。但是，用戶希望獲得超過法規視野之外更大的視野，導致后視鏡尺寸、總體質量增加，對整車風阻的貢獻增大[5]，后視鏡引起的風阻約為整車風阻的2%～5%[6]，圖4 是某車型的風阻分析。除此之外，后視鏡對整車氣動噪聲的貢獻大，且離駕駛員較近，影響駕駛員駕駛舒適性[7]。

圖4 某車型的風阻分析

2.4 后視鏡缺少人機交互

后視鏡是人眼通過在視鏡鏡面光的反射獲取車輛周邊視野，如果駕駛員未主動觀測、或車輛周邊有突發情況，駕駛員就可能無法獲知車輛周邊的真實情況，容易造成交通事故。

3 電子視鏡優勢分析

電子視鏡，即用電子方式取代后視鏡，國際標準組織（ISO）稱其為攝像頭監控系統（Camera Monitor System,CMS）。圖5 是奔馳Actros 電子視鏡系統的駕駛室室外部分和駕駛室內部分。

圖5 奔馳Actros電子視鏡

3.1 CMS系統構成

CMS 系統由圖像采集、電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）控制器、圖像顯示3部分構成，如圖6。

圖6 CMS系統構成

圖像采集由攝像頭、物理防護2 部分構成。物理防護包含：防抖動、加熱、防掛水功能，主要為攝像頭提供穩定、可靠的工作環境。

ECU 控制器包含：雙數據率隨機存取存儲器（Double Data- Rate Random- Access Memory, DDR RAM）、顏色管理、直播監視器、圖像處理器、微控制器。圖像處理器包含硬件部分和軟件2部分，圖像處理器通過低電壓差分信號（Low-Voltage Differential Signaling,LVDS）驅動將圖像信息傳遞到圖像顯示部分的圖像信號處理（Image Signal Processing,ISP）視頻流；微控制器通過CAN線與圖像顯示部門的網關交互信息。

圖像顯示中ISP 視頻流將前端圖像信號處理，在面板上顯示攝像頭采集的畫面。通過網關與整車電器進行協議轉換、信息交互。CMS實現了通過電子化元件代替后視鏡。

3.2 CMS改善盲區

CMS 攝像頭視角靈活，攝像頭的視域廣，視覺覆蓋面積更廣闊。目前，商用車CMS外置攝像頭裝置基本布置在駕駛室頂蓋，從車內觀察車外狀況時減少了后視鏡的視線遮擋，直接視野更好。由于顯示屏布置在駕駛室內A柱區域，駕駛員觀察顯示屏時頭部擺動角度小，觀察更方便。CMS可在車輛轉向、倒車時，根據實際情況通過軟件算法切換臨時視野顯示區域，提供比后視鏡更加寬廣的視角。在半掛牽引車轉彎時，CMS可根據掛車提供的轉向盤轉動角度，使CAN信號通過軟件相關算法切換顯示圖像區域，隨動顯示車輛的動態視野圖像，場景隨動是CMS的獨特優勢[8]，解決了傳統視鏡掛車轉彎時駕駛員看不到掛車兩側視野的問題。王豐元[9]設計的基于單片機的載貨汽車后視鏡轉向隨動系統，采集轉向盤轉角傳感器數據，驅動后視鏡電機工作，調整鏡面角度、改變視野區域，而CMS 是根據轉向盤角度通過軟件計算切換圖像顯示區域。CMS可通過攝像頭的像素升級、顯示器面板的像素升級提供更清晰的畫面。

3.3 CMS環境適應性強

CMS的攝像頭小巧，且攝像頭周邊環境殼體對其進行保護可不受雨雪天氣影響。攝像頭表面有一層疏水膜，可實現攝像頭無掛水現象，如攝像頭出現起霧、掛霜、結冰的情況，可通過攝像頭區域的加熱功能去除表面的霧、霜、冰層，保證攝像頭輸出的圖像清晰。在外界光線不良時，如強光、光線過暗或光線閃爍等，均會導致成像質量變差，CMS通過2種方式提升成像質量：

（1）改變攝像頭參數，如調節光圈、調整曝光時間；

（2）依靠圖像控制器對圖像進行處理，主動進行亮度調節，獲得清晰的視野圖像[10-11]。

通過顏色管理、色調映射算法、白平衡、色彩控制、銳度控制方法還原真實圖像和顏色。

3.4 CMS風阻貢獻小

與后視鏡比，CMS外部硬件有效減小了車輛的迎風截面積，可降低風阻、減少能源消耗[12]。李少峰[13]通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）建模理論分析，電子視鏡較后視鏡在降低整車氣動噪聲和氣動阻力方面優勢明顯。奔馳測試Actros 車型采用了CMS 后，減少油耗約1.5%[14]，相對裝配后視鏡的車型，在車輛生命周期內，運營成本降低明顯。

3.5 CMS交互更人性化

基于CMS的傳感器和處理器，如果駕駛員觀察不到位，系統會通過顯示屏上方的警示燈以及語音提示進行提醒，遇到緊急情況時還會通過必要的緊急制動實現更理想的安全保證。CMS 可擴展作為自動駕駛的“眼睛”，實時監控路況并結合人工智能實時處理數據并進行反饋，優化駕駛員的駕駛習慣，保證駕駛安全。CMS同時具備車輛周邊環境的監視功能，夜晚停車如遇到駕駛室外有異響，在不拉開駕駛室窗簾的情況下，可直接啟動CMS 觀察車外情況，省去開窗或下車等繁瑣動作。

3.6 CMS成本逐步降低

CMS 需要滿足車輛使用環境，同時拍攝效果、成像效果、顯示效果的要求很高，這勢必增加整車成本。但隨著CMS 在商用車市場逐漸推廣、普及，以及電子攝像頭、處理器芯片、顯示屏技術的快速發展，CMS成本會有一定程度的下降。

4 CMS市場需求

CMS的市場需求主要來源于2個方面：

（1）商用車駕駛員對視野盲區改善、特殊天氣視野的需求；

（2）對商用車整個生命周期降低風阻、降低油耗的需求。

4.1 駕駛員視野需求

駕駛員常常會遇到以下情景：由于視鏡盲區導致的車輛事故，嚴重危及人員的生命安全，事故較輕的也會涉及車輛維修，同時降低車輛的出勤率，造成一定的經濟損失；下雨天氣特別是大到暴雨時，車窗玻璃、后視鏡鏡面一直處于雨水擊打、存在雨幕的情況，駕駛安全無法得到保證，變道、轉彎存在未知性，極易造成安全事故。CMS 可以在惡劣天氣通過駕駛室內顯示屏提供間接視野，提高了環境適應性。

4.2 整車降油耗需求

整車燃油消耗是車輛生命周期內除車輛購置費外最大的費用支出，任何降低油耗的技術均會是車輛生產企業和用戶的選擇，同時符合國家對油耗限值節能減排的趨勢。

5 CMS發展現狀

商用車行業正在大力推進CMS的技術研發、市場應用，本節主要分析CMS的發展現狀。

2016年漢諾威車展上，奔馳在Urban e Truck純電動概念卡車上首次展示了CMS；依維柯在其概念車上裝配了CMS；德國曼公司在TGX 牽引車上裝配了CMS。

2018 年漢諾威車展上，奔馳在新Actros、新Arocs多個車型上裝配了CMS，同年奔馳CMS 在Actros、Arocs系列重卡上開始批量生產交付。

2021年7月，德國曼公司CMS在TGX、TGS、TGM、TGL 系列重卡批量生產交付。2021 年6 月達夫公司CMS 在XF、XG 車型批量生產交付。沃爾沃、斯堪尼亞均有裝配CMS 車型的量產交付。CMS 技術的可靠性已經通過了驗證，進入了商業化的應用。

2022 年，奔馳發布新一代電子視鏡系統-Mirror-Cam2.0。德國曼公司發布新的電子視鏡系統-OptiView。

目前，國內商用車企業也在進行CMS 的相關研發，但大部分處于技術開發、迭代優化、產品試制試驗階段，并無小批量生產。

6 CMS法規環境

歐洲法規ECE R46-2016《關于批準后視鏡和就后視鏡的安裝方面批準機動車輛的統一規定》頒布確認允許CMS替代后視鏡合法上路。2017年6月，日本作為UN-ECE 成員國采用了ECE R46，CMS 在日本可以合法上路。美國后視鏡法規FMVSS 111 規定車輛必須配備物理后視鏡，尚不允許用CMS替代后視鏡。

2019 年7 月，中國汽標委車身附件分委會對GB 15084《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》CMS擴標啟動了工作組會議。2020年3月，GB 15084標準起草工作組發布了《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》征求意見稿，包含了CMS 的相關術語定義、技術要求、試驗、安裝要求。2022年12月29日，GB 15084—2022《機動車輛間接視野裝置性能和安裝要求》增加了CMS的法規標準。

7 CMS產業發展建議

7.1 法規完善

世界領先的商用車企業已經實現CMS量產，并得到了市場的驗證與認可，技術層面已完全成熟，成本方面隨著量產、零部件企業相繼投入研發，CMS 生產成本會逐漸下降。法規層面應盡快將CMS納入標準，完善認證流程，可以極大地激活、推動CMS 的商業化應用，充分挖掘整車企業和零部件的研發潛力、技術升級。CMS合規同時可推動國內企業研發產品，參與國際市場競爭。

7.2 專利布局

賴立強等[15]分析了CMS 專利國外主要的競爭對手有奧迪公司、康諾特電子、梅克朗等，且涉及CMS的諸多核心技術，目前國內企業的專利主要集中在圖形用戶界面、調節結構等非完全核心技術。中國的商用車企業和零部件企業，應加大對CMS 的研發，同時開展對標研究，打破國外企業設置的專利壁壘、技術壁壘、商業壁壘。

7.3 商業推廣

CMS 在駕駛安全、智能駕駛方面有重要作用，同時在降低風阻、噪聲、能耗方面有較大的貢獻[16]，與目前中國提出并推動的“碳達峰”與“碳中和”戰略相匹配，政府機構、行業協會、整車企業應加以引導和應用。因CMS 研發、生產投入高，相關部門應給與一定的經濟政策支持，促進CMS的商業推廣。

8 結束語

（1）CMS具有巨大的市場需求，其視野寬闊、可應對惡劣環境、低風阻、低油耗、交互人性化的優點推動了CMS在商用車上率先應用的發展方向。

（2）歐洲商用車CMS商業化表明CMS的技術已成熟，國內CMS法規和認證流程仍需完善。

（3）國內企業在CMS研發、生產的同時，需規避國外企業專利壁壘，同時加強核心技術專利的申請。

（4）CMS 在商用車上的應用具有極大的環保效益。

（5）要促進CMS 在商用車上的大規模應用，還需在技術、法規、推廣多方面開展工作。