车载CMS系统中汽车信号灯的显示问题

杨 通,王早早,卜伟理

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

引言

近年来随着电子技术和智能驾驶技术的发展，车载摄像监控系统(CMS)开始应用到汽车上，部分替代或者补充光学后视镜的功能，为驾驶员提供额外的视野，反馈保障安全驾驶所必须的道路信息。日本和欧盟地区已经修改法规，允许在车辆上使用CMS系统完全替代光学后视镜，国内相关法规也在修订当中。

需要引起注意的是，CMS系统作为一种新的汽车零部件，对于汽车的主动安全性能有重要影响，其图像质量问题更是引起重点关注[1]。2018年，IEEE P2020工作组发布了白皮书，提出了有关汽车摄像系统的图像质量问题，涉及到人眼视觉和机器视觉的应用领域[2]。P2020白皮书中提到LED闪烁可能导致图像信息丢失，以及动态范围不足导致的图像模糊等问题，这些问题对于驾驶员和辅助驾驶系统可能造成严重影响。

为了保证行车安全，CMS系统提供的图像信息应最大程度的还原周围道路信息，其中道路车辆的信号灯具是关键信息之一，汽车信号灯展示了车辆的行驶状态，在保障行车安全方面发挥重要作用。有关汽车信号灯在CMS系统中的表现还未见有相关研究报道。

本文结合汽车灯具的国内法规要求，设计试验对于汽车信号灯在车载CMS系统中的显示问题进行验证，并分析可能带来的安全性问题。

1 汽车信号灯具国内法规分析

国内对于汽车信号灯的法规技术要求与欧盟ECE标准基本一致，相关要求根据技术指标可以概括为两个方面：

1)色度要求。国标中对于信号灯的光色有明确要求，比如制动灯、后位灯为红色，前位灯、昼间行驶灯为白色、转向灯为琥珀色，同时对于各种光色的色坐标规定了严格的边界范围。各功能规定不同光色是为了方便辨识，并且为了使各灯具工作时不至于造成误解和干扰，法规还规定了车辆前方不可见红光，车后不可见白光(倒车灯除外)。

2)亮度要求。国标中对于各功能信号灯的发光强度都有限值要求，设定了最大和最小发光强度。设定发光限值是为了信号指示足够醒目，同时又不至于过亮对其他道路使用者造成干扰。同时对于一些特定类型的灯具有补充要求，如制动、后位灯功能混合的灯具，两功能同时点亮和后位灯单独点亮的发光强度比值应不小于5，即制动灯的发光强度应至少4倍于后位灯，这一条款的设计是为了保证两个功能亮度有明显的区别，便于识别。

2 实验设计与测试

通过以上分析，结合已知的汽车摄像系统的图像质量问题，本文设计试验重点关注汽车信号灯在CMS系统中的功能可辨识度。试验方案如下：

选用的测试设备为成像式色度亮度计，可快速测试目标物色度与亮度。测试灯具样品为LED汽车后组合灯，包含制动灯与后位灯功能，同时选取具有内后视镜功能的CMS产品作为实验样品。使用色度亮度计设备分别测试灯具样品和CMS产品屏幕中的灯具样品图像，从光色、亮度、闪烁特性等几个方面进行测定。

2.1 光色

选取LED汽车后组合灯中的后位灯功能为测试目标。根据《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》(GB 4785—2019)，汽车后位灯的光色应为红色，色品坐标边界为y≤0.335，y≥0.980-x。

点亮后位灯功能进行测试，色度亮度计直接测试灯具样品，测试图片如图1所示，图2为对应CMS屏幕测试图片，目视观察可发现，灯具后位灯光色为正常红色，而CMS屏幕输出的后位灯图像颜色整体偏白，部分区域呈现明显白色，与样品实际输出光色差距明显。

图1 后位灯测试图像Fig.1 Test image of rear position lamp

图2 CMS屏幕显示的后位灯图像Fig.2 Test image of rear position lamp displayed on the screen

在上述后位灯图像区域分别选取两个点，记录色度亮度计输出测试结果，图1中P1、P2点色坐标结果为(x=0.7346，y=0.2653)、(x=0.7325，y=0.2674)，位于法规要求的色品坐标范围内。图2中P1、P2点色坐标为(x=0.3651，y=0.3354)、(x=0.3891，y=0.2581)，远远偏离规定的色品坐标范围。

根据色度测试结果可知，该CMS系统对被测后位灯进行采集成像后，输出的灯具图像光色失真严重，光色表现不符合相关法规限值要求，并且也不符合车后不可见白光的规定，判断CMS系统输出颜色失真是因为相机曝光过度导致，相机动态范围不足，不能准确采集光信号。在实际使用中，失真的发光色度信息会对驾驶员的判断造成干扰，甚至导致驾驶员对周围车辆状态的误判。

2.2 亮度

同时点亮被测灯具的后位灯与制动灯功能，以评判被测CMS系统对不同亮度区域的表现能力。使用色度亮度计直接测试被测灯具，测试图片如图3所示。目视观察，后位灯发光区域和制动灯发光区域亮度差别明显。在图中后位灯和制动灯发光区域中心位置分别选取两个点，在亮度色度计中读取亮度数据，后位灯发光区域中P1为212 cd/cm2，P2为189 cd/cm2；制动灯发光区域中P3为2 170 cd/cm2，P4为2 146 cd/cm2。

图3 后位灯和制动灯测试图像Fig.3 Test image of rear position lamp and stop lamp

使用色度亮度计测试CMS屏幕输出的灯具图像，如图4所示。目视观察，后位灯发光区域和制动灯发光区域亮度无明显差别。选取图中亮度数据，后位灯发光区域P1点194 cd/cm2，P2点为191 cd/cm2；制动灯发光区域中P3为206 cd/cm2，P4为214 cd/cm2。

图4 CMS屏幕显示的后位灯与制动灯图像Fig.4 Test image of rear position lamp and stop lamp displayed on the screen

可以看出，对于具有明显亮度差异的发光面，该CMS系统呈现的图像中并没有真实反映出这一差异，在图像中无法通过亮度来区分后位灯和制动灯功能。国标GB 5920—2019中要求对于混合制动后位灯，两功能的发光强度需满足比例要求，已达到便于识别功能的效果，而劣化的CMS图像质量使这一设计效果无法实现。

2.3 闪烁特性

P2020白皮书中指出对于类似红绿灯的闪烁LED，摄像系统采集的图像信息可能会有丢失，甚至可能引起观察者的严重不适。在汽车灯具领域，常使用电压的脉宽调制技术(PWM)来实现对于信号灯发光强度的控制，使用PWM的汽车信号灯工作中也处于快速闪烁状态。为了验证汽车信号灯的闪烁在CMS中的显示效果，使用PWM控制器对于被测灯具信号灯功能的闪烁频率进行控制。设定不同的频率，观察CMS中后位灯图像的表现。

设定闪烁频率为45 Hz，CMS屏幕中后位灯图像已经有明显的闪烁现象。继续降低闪烁频率至25 Hz，图像闪烁已经非常严重。使用1/4 000相机快门速度，拍摄屏幕图像，记录到后位灯发光和不发光状态的图片，如图5和图6所示，这是由于较短的曝光时间导致相机拍摄时有一定几率刚好错过灯具发光状态。

图5 闪烁灯具的发光图像Fig.5 Luminous condition image of a flashing lamp

图6 闪烁灯具的不发光图像Fig.6 Non-luminous condition image of a flashing lamp

汽车LED信号灯闪烁在不同应用领域都可能造成影响。对于CMS系统，LED闪烁可能使图像显示质量下降，闪烁的图像也会影响驾驶员的注意力和舒适度，更严重可能会造成误判，比如将位置灯误判为转向灯。在机器视觉应用中，LED闪烁造成的图像信息丢失，可能影响基于图像传感技术的辅助驾驶系统的正常功能。

3 总结分析

通过上述的试验结果及分析，可以得出结论，车载CMS系统中汽车信号灯的显示可能出现一系列的图像质量问题，影响信号灯的正常信号指示功能。结合汽车灯具国标要求分析，相关问题和影响主要体现在以下几点：

从光色表现看，由于摄像头动态范围不足，CMS系统对于汽车信号灯的光色还原可能出现偏差，偏离法规要求的色坐标范围。对于红色信号灯，如制动灯、后位灯，以及琥珀色信号灯，如转向灯，屏幕中可能显示为白色，与原有的白色信号灯，如倒车灯容易混淆，会对驾驶员造成误导，驾驶员如果依据错误的光色信息进行操作可能导致严重的安全事故。

从亮度表现来看，CMS可能出现的问题是对于不同亮度的信号灯功能不能进行区分显示。这个同样是由于摄像头的动态范围不足，图像过曝导致亮度细节无法还原。汽车灯具国标中已经明确规定了各信号灯功能的亮度范围，便于驾驶员进行识别判断，如果CMS系统无法有效显示不同功能的亮度光度区别，同样会对驾驶员的判断造成干扰。

使用PWM技术的LED汽车信号灯可能在CMS显示中表现为闪烁图像，而这种闪烁现象会对信号功能的识别带来严重影响。首先这将影响驾驶员的主观视觉感受和注意力，同时可能造成驾驶员将闪烁图像误判为转向灯图像。另外，对于依赖图像感知技术的辅助驾驶功能，LED闪烁可能导致图像信息的丢失，影响信号识别的效率和准确率。

以上问题中，光色与亮度问题与CMS产品本身的技术水平相关，目前国外CMS产品法规中已经对色彩还原、对比度等相关指标做了要求，国内标准也在修订中，提升CMS产品硬件指标可以有效减少甚至消除相关问题。对于LED闪烁问题，法规中还没有明确的指标进行规范，还需要进一步深入研究。