Automobiliuose įrengtos kameros vaidina svarbų vaidmenį įgyvendinant ADAS (pažangias vairuotojo pagalbos sistemas) ir automatizuotą vairavimą. Jų pritaikymas gali žymiai pagerinti vairavimo saugumą ir patogumą. Panoraminės vaizdo sistemos, dažnai vadinamos 360 laipsnių panoraminio vaizdo sistemomis arba MVCS (Multi-View Camera System), suteikia intuityvią pagalbą vairuotojams.
Panoraminės vaizdo sistemos: principas ir pritaikymas
Panoraminės vaizdo sistemos nustato 4-8 plačiakampio didelio jautrumo kameras aplink transporto priemonę, kad apimtų visą jos apylinkės vaizdą. Surinktos nuotraukos iš priekio, galo, kairės ir dešinės pusės paverčiamos skaitmenine informacija ir siunčiamos vaizdo sintezei bei apdorojimui. Po vaizdo apdorojimo, kuris apima iškraipymo mažinimą, vaizdo kampo konvertavimą, vaizdo susiejimą ir vaizdo patobulinimą, generuojamas 360 laipsnių kūno plano rodinys. Šis vaizdas rodomas centriniame konsolės ekrane, leidžiantis vairuotojui aiškiai matyti kliūtis aplink transporto priemonę, suprasti jų santykinę vietą ir atstumą, ir lengviau parkuoti automobilį. Taip pat galima parodyti vieną vaizdą iš bet kurios pusės, naudojant linijinę liniją, kad būtų galima tiksliai nustatyti kliūties padėtį ir atstumą.
Panoraminės sistemos perspektyva dinamiškai juda atsižvelgiant į vairavimo trajektoriją, suteikdama 360 laipsnių vaizdą aplink transporto priemonę. Paprastai montuojamos keturios-penkios didelės raiškos (HDR) 1 megapikselių kameros, naudojant ekonomiškai efektyvius ryšius, tokius kaip LVDS arba Fast Ethernet. Vaizdo suspaudimas dažnai naudojamas siekiant sumažinti reikalingą ryšio pralaidumą ir laidų reikalavimus.
Kiti sistemos reikalavimai apima daugelio prievadų LVDS arba Ethernet jungiklį, maitinimo šaltinį, integruotą DRAM greitai prieigai prie išorinės atminties ir įterptą „flash“ atmintinę, siekiant sumažinti sistemos išlaidas. Nors panoraminės vaizdo sistemos gerina vairavimo saugumą, jos vis dar susiduria su iššūkiais vaizdo susiejimo ir apdorojimo srityse.
Nakties matymo technologijos automobiliuose
Naktinio matymo funkcija yra viena iš pagrindinių automobilių kamerų tobulinimo sričių. Remiantis Nacionalinės greitkelių eismo saugumo administracijos (NHTSA) statistika, naktinis važiavimas, nors ir sudaro tik ketvirtadalį viso kelių eismo, lemia pusę visų nelaimingų atsitikimų, o 70% jų įvyksta dėl prasto matomumo naktį. Todėl automobilio kamerai reikia stipraus jautrumo šviesai, kad ji galėtų tinkamai veikti visą dieną, t. y. plačiame artimųjų infraraudonųjų spindulių diapazone (nuo 400 nm iki 1100 nm).
Šiuo metu automobilių naktinio matymo sistemose pirmiausia naudojama terminio vaizdo technologija, dar žinoma kaip infraraudonųjų spindulių vaizdavimas. Yra trys pagrindinės naktinio matymo technologijos:
- Mažo apšvietimo naktinio matymo technologija: naudoja mažą ryškumą natūralią šviesą, atspindėtą nuo nakties tikslo, ir ją išplečia iki kelių šimtų tūkstančių kartų, kad būtų pasiektas vaizdas.
- Pasyvioji infraraudonųjų spindulių naktinio matymo technologija (terminis vaizdavimas): naudoja infraraudonųjų spindulių šaltinio ir fono infraraudonąją spinduliuotę vaizdavimui. Jai nereikia papildomo šviesos šaltinio. Šilumą skleidžiantys objektai, pvz., pėstieji ir gyvūnai, yra ypač ryškūs didelio kontrasto vaizde. Tačiau išsami informacija apie kelią, pvz., eismo juostų ženklinimas, aptikti nepavyksta, nes tai yra „negyvi“ šalti taikiniai. Aptikimo atstumas yra pats ilgiausias, tačiau vaizdavimas yra neryškesnis, o ekrano atpažinimas - mažas.
- Aktyvioji infraraudonųjų spindulių naktinio matymo technologija: naudoja infraraudonųjų spindulių prožektorius, kurie skleidžia nematomą šviesą, apšviečiant taikinį ir naudojant atspindėtą šviesą vaizdavimui. Vaizdinis atstumas yra vidutinis, o vaizdavimas aiškus. Ji leidžia aptikti nakties kelio ženklus ir pėsčiuosius, todėl labiau atitinka automobilių naudojimo scenarijus. Be to, ji yra pigesnė nei pasyvioji technologija.
Palyginti su pasyvia infraraudonųjų spindulių naktinio matymo technologija, aktyvi naktinio matymo technologija vaizduoja daug aiškiau, o tai leidžia tiesiogiai atpažinti kelio ženklus ir pėsčiuosius nakties metu. Būtent todėl ji labiau tinka automobiliams. Tuo tarpu pasyviosios infraraudonųjų spindulių naktinio matymo technologijos yra brangesnės.
Lazerinė naktinio matymo technologija reikalauja išsamių infraraudonųjų spindulių ir vidutinio nuotolio lazerio naktinio matymo vaizdo apdorojimo technologijų, kad būtų išspręstos techninės problemos, tokios kaip visų laikų vaizdavimas, dvipusio greito fokusavimo funkcija ir lazerio spindulių pašalinimas. Be to, ji reikalauja mastelio technologijos su automobilio greičio sinchronizavimu ir žibintuvėlio efekto, todėl techninis sudėtingumas yra didesnis.
Automobilio kameros reikšmė autopilotams ir ADAS sistemoms
ADAS sistemos apima kameros sprendimus, radaro/LiDAR sprendimus ir jutiklių sintezę. Nors ankstyvame rinkos kūrimo etape radarų ir LiDAR sprendimai buvo pagrindiniai dėl jų brandumo ir atsparumo oro sąlygoms, kameros technologija tampa vis svarbesnė. Radaro technologija, nors ir tiksliai atskiria metalines kliūtis, negali atskirti nemetalinių kliūčių, tokių kaip pėstieji, taip pat negali tiksliai atpažinti juostų, nuolaužų ar kelio duobių. Vaizdo apdorojimo technologija kameroje gali geriau atskirti informaciją, tokią kaip ženklai ir pėstieji kelyje, ir algoritmu apskaičiuoti pėsčiųjų bei transporto priemonių veiksmų trajektoriją. Palyginti su radaro technologija, kameros yra pigesnės, funkcijos yra išsamesnės, o tikslumas didesnis, todėl jas vis dažniau naudoja pagrindiniai gamintojai.
Atsižvelgiant į kameros pikselių apribojimus vaizdo atpažinimo technologijose ir funkcijų sumažėjimą ekstremaliose situacijose, pvz., rūko ir lietaus, kamerų pagrindu sukurta jutiklių sintezė taps pagrindine. Automobilių tinklų architektūra apima suvokimo sluoksnį (informacijos rinkimas), tinklo sluoksnį (perdavimas) ir taikymo sluoksnį (apdorojimas). Vaizdo kaupimas ir saugojimas (suvokimo sluoksnis) yra pagrindinė automobilių tinklo architektūros dalis. Pagrindinės technologijos yra automobilio DVR (skaitmeninis vaizdo registratorius) ir automobilio IP kameros. Automobilio DVR naudoja skaitmeninio vaizdo suspaudimo saugyklą, 3G bevielio perdavimo technologiją, vidinį GPS, automobilio juodąją dėžę, CANbus ir G-SENSOR. Transporto priemonėje montuojama IPCamera pagrįsta skaitmeniniu signalų apdorojimu (DSP) ir tinklo technologija, kuri konvertuoja optinius signalus į elektrinius, o vėliau į skaitmeninius signalus, juos suspaudžia ir koduoja.
Transporto priemonių kameros turi platų pritaikymo spektrą: nuo vairavimo pagalbos (vairuotojo registravimo prietaisai, ADAS ir aktyviosios saugos sistemos) iki parkavimo priemonių (visapusis vaizdas) ir transporto priemonių personalo stebėjimo (veido atpažinimo technologijos). Jos veikia viso vairavimo ir parkavimo proceso metu, todėl turi atitikti aukštus darbo laiko ir temperatūros reikalavimus. Pagal įrengimo vietą jos gali būti skirstomos į priekinio, galinio, šoninio vaizdo ir vidinio stebėjimo kameras.
LiDAR ir išmaniųjų telefonų kamerų sąveika
LiDAR (šviesos aptikimo ir diapazono nustatymo) jutiklis, naudojamas autonominiam vairavimui, skleidžia galingus infraraudonųjų spindulių lazerio spindulius, kad nuskaitytų aplinką ir sukurtų 3D žemėlapius. Tai padeda automobiliams aptikti pėsčiuosius, transporto priemones ir kelio ženklus. Nors LiDAR yra saugus žmogaus akiai, jis gali negrįžtamai pažeisti išmaniųjų telefonų kameras. Buvo pastebėti atvejai, kai, nufilmavus automobilį su LiDAR, išmaniųjų telefonų kamerose atsirado balti taškai, patvirtinantys jutiklio pažeidimą. Kadangi LiDAR tampa vis labiau paplitęs naujuose elektromobiliuose ir hibriduose, vairuotojai ir turinio kūrėjai turėtų būti atsargūs. Norint išvengti brangaus remonto, rekomenduojama laikytis saugaus atstumo ir filmavimui naudoti tinkamą įrangą.
Kodėl automobilių kamerose pasirenkama CMOS technologija?
Automobilių kameros, kaip ir mobiliųjų telefonų kameros, dažniausiai naudoja CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technologiją, o ne CCD (Charge-Coupled Device) kaip optinius jutiklius. Pagrindinės to priežastys yra šios:
- Greitis: aktyviosios vairavimo pagalbos sistemos reikalauja greito vaizdo fiksavimo, ypač greito vairavimo situacijose, kad būtų galima realiuoju laiku įvertinti sąlygas ir inicijuoti atitinkamas priemones. CMOS jutiklio ląstelės aktyviai kontroliuoja ir skaito trys tranzistoriai, o tai žymiai pagreitina vaizdo gavimo procesą. Aukštos kokybės CMOS kameros gali pasiekti apie 5000 kadrų per sekundę.
- Skaitmeninio vaizdo apdorojimo pranašumas: CMOS jutikliai gali tiesiogiai pateikti LVDS arba skaitmeninius išvesties signalus, o aktyvios važiavimo pagalbos sistemos komponentai gali tiesiogiai ir be uždelsimo apdoroti šiuos signalus. CCD jutikliai paprastai teikia analoginius signalus, kuriuos gali prireikti konvertuoti naudojant papildomą AD keitiklį, o tai padidina sistemos sudėtingumą.
- Kaina: CMOS jutikliai yra pigesni gamyboje.
- Triukšmo slopinimas: CMOS jutiklis nesukuria įbrėžimų triukšmo, kuris atsiranda naudojant CCD, esant stipriam šviesos poveikiui, taip sumažindamas koregavimo laiką dėl operacinių klaidų.
Be to, automobilių kamerų moduliai turi kitus proceso ir pakavimo reikalavimus, palyginti su mobiliųjų telefonų kameromis, daugiausia dėl aukštų patikimumo reikalavimų. Automobilių kameros dirba ilgiau ir dažnai maištingoje aplinkoje, o gedimai gali sukelti mirtiną grėsmę. Todėl modulių ir paketų reikalavimai yra griežti. Kameros turi būti atsparios vandeniui ir atlikti ilgalaikius temperatūros bandymus (nuo -40 iki +80 laipsnių Celsijaus).
Automobilio kameros modulio charakteristikos
Unikalios automobilių kameros modulio specifikacijos apima:
- Triukšmo slopinimas esant mažam apšvietimui: ypač galinėms ir šoninėms kameroms, kad vaizdas būtų lengvai užfiksuojamas net naktį.
- Platus matymo kampas: horizontalus matymo kampas išplečiamas nuo 25° iki 135°. Mobiliojo telefono kameros modulis turi daugiausiai apie 55° kampą. Siekiant didelės raiškos plataus kampo ir periferinėse srityse, naudojama ne mažiau kaip penki lęšiai.
- Korpuso medžiaga: kameros korpusas pagamintas iš lieto aliuminio lydinio, o ne dervos, siekiant užtikrinti patikimumą dėl geresnio šilumos išsklaidymo, elektromagnetinių trikdžių slopinimo ir geresnio terminio stabilumo.
- Atsparumas mechaniniam poveikiui ir aukštai temperatūrai: moduliai naudoja specialų paketą, kuris sujungia kamerą su reikiamu tvirtumu ir atsparumu įsiskverbimui. Jie turi patikimai veikti net laikinai išjungus maitinimo sistemą.
Dėl šių griežtų reikalavimų, automobilių kamerų, patenkančių į priekinę pakrovimo rinką, ciklas yra daug ilgesnis nei kitų tipų kamerų - mažiausiai vienerių metų pajamų augimo laikotarpiu.
Vaizdo registratoriai: apsauga ir pagalba kelyje
Vaizdo registratoriai yra nedideli prietaisai, kurie fiksuoja ir įrašo vaizdą priešais, o kai kuriais atvejais ir gale bei viduje, viso važiavimo metu. Jų kainos svyruoja tarp 60-120 eurų. Dažniausiai jie turi ne mažesnį nei 120 laipsnių matymo kampą, gerą naktinio matymo jutiklį, o vaizdas tamsoje yra pakankamai ryškus.
Savybės ir funkcijos
- G-sensorius: įmontuotas G-sensorius įjungia kamerą iš karto, jei greitis pakinta dėl staigaus stabdymo arba smūgio, fiksuodamas eismo įvykius.
- GPS ryšys: fiksuoja automobilio greitį ir realią vietą žemėlapyje.
- Atmintis: informacija įrašoma į talpią SD kortelę (dažnai nuo 16GB iki 512GB).
- Įrašymo kokybė: siūlomos įrašymo galimybės nuo 720p iki 4K skiriamoji geba. Modeliai, tokie kaip „Navitel R980 4K“ su „Sony 415“ matrica, įrašo 4K (3840 × 2160 pikselių) kokybės vaizdą.
- Parkavimo režimas: pažangi technologija, skirta aktyviai stebėti pastatytą automobilį 24 valandas per parą, net išjungus variklį. Vaizdo įrašai išsaugomi tik įvykus incidentui. G-Force jutikliai aptinka judėjimą prie automobilio arba kontaktą su transporto priemone.
- Kamerų skaičius: registratoriai gali turėti vieną, dvi ar tris kameras. Dviejų kamerų (2CH) registratoriai padvigubina matymo lauką, o trijų kanalų (3CH) papildomai fiksuoja automobilio vidų.
- Integravimas: kai kurie vaizdo registratoriai yra integruojami į veidrodėlį, kuris atstoja ekraną ir leidžia matyti galinio vaizdo kamerų vaizdus.
Vaizdo registratorių įrašyta vaizdo medžiaga gali būti panaudota kaip įrodymas įvykus eismo įvykiui, padeda aiškinantis su draudimo bendrove ar policijos pareigūnais. Be to, jie saugo automobilį nuo vandalų ir vagių, įjungdami kamerą ir filmuodami aplinką, jei stovintis automobilis gauna smūgį arba bandoma įsilaužti.
Infraraudonųjų spindulių kameros pritaikymas automobiliuose: istoriniai ir šiuolaikiniai pavyzdžiai
Naktinio matymo sistemos automobiliuose - ne mokslinė fantastika, o realybė, kuri vis labiau artėja prie masinio naudojimo. Naktinio matymo sistemų, kurias sudaro ir adaptyvieji priekiniai žibintai, naudojimas galėtų 30 proc. sumažinti avarijų su pėsčiaisiais ir 15 proc. su gyvūnais skaičių. Pasauliniais duomenimis, 60% eismo įvykių įvyksta naktį ir esant blogam orui, daugiausia dėl prasto matomumo. Naudojant infraraudonųjų spindulių šiluminio vaizdo kamerą, vairuotojas gali aiškiai matyti informaciją priešais transporto priemonę prasto matomumo ar tamsoje, taip pat kliūtis, kurių negali apšviesti priekiniai žibintai.
Automobilių naktinio matymo sistemos turi karinę kilmę. Termovizija ir infraraudonųjų spindulių technologijos buvo plėtojamos dešimtmečius kariniams tikslams. Pirmieji bandymai pritaikyti šias sistemas automobiliuose prasidėjo devintojo dešimtmečio pabaigoje. 2000 metais Cadillac tapo pirmuoju masinės gamybos automobiliu su naktinio matymo sistema - tai buvo aktyvioji sistema, naudojanti artimųjų infraraudonųjų spindulių technologiją. BMW ir Mercedes-Benz netrukus prisijungė prie šios technologinės lenktynių. Mercedes 2005 metais pristatė pasyvią termovizinę sistemą, kuri buvo žymiai efektyvesnė atpažįstant gyvus objektus.
Šiuo metu vis daugiau automobilių gamintojų pradeda kurti ir naudoti infraraudonųjų spindulių šiluminio vaizdo kameras kaip transporto priemonių naktinio matymo sistemos pagrindą. Dėl kainos, šios sistemos dažniausiai naudojamos prabangiuose automobilių modeliuose. Pavyzdžiui, BMW prieš kelerius metus paskelbė sieksianti tapti pirmąja Europos automobilių gamintoja, kuri savo automobiliuose montuos naktinio matymo infraraudonųjų spindulių technologiją, leidžiančią anksčiau pastebėti kritinę situaciją. Panašią sistemą įdiegė ir "Mercedes-Benz" savo S, CL ar E klasės modeliuose, tačiau ji tebėra siūloma kaip papildomas priedas, todėl yra palyginti brangi.
Lietuvoje, kauniškė bendrovė "Elintos matavimo sistemos" pasiūlė išeitį modernių technologijų gerbėjams, prekiaudama infraraudonųjų spindulių kameromis "PathFind IR", kurias galima nesunkiai įmontuoti į bet kurį automobilį. Šis įrenginys fiksuoja šiluminį spinduliavimą, būdingą visų gyvų organizmų kūnams ar įšilusiems daiktams. Net visiškoje tamsoje ir esant silpnam rūkui ar dulkėms, vaizdas lieka aiškus. Vairuotojas, pripratęs naudotis termovizoriumi, naktį gali matyti ne ką prasčiau nei dieną, su sąlyga, kad oras giedras ir neprisisotinęs drėgmės.
Pažangios automobilinės kamerų sistemos
Dabartiniuose automobiliuose gausybė įvairių vaizdo kamerų padeda vairuotojams įvairiose situacijose. Daugėja kompleksinių sistemų su keliomis vaizdo kameromis, kurios į kompiuterio ekraną siunčia vaizdą iš priekio, galo ir šonų, leidžiant vairuotojui matyti viską, kas vyksta aplinkui. Pavyzdžiui, „Range Rover“ turi net dvi kameras žiūrinčias į priekį, po vieną šonuose (sumontuotas galinio vaizdo veidrodėliuose) ir vieną gale. VW koncernas naujajame „Touareg“ taip pat siūlo keturias kameras su itin plačiakampiais objektyvais. Šios sistemos gali fiksuoti beveik viską ir suteikia 360 laipsnių vaizdą.
Kompaktinės klasės automobiliuose, tokiuose kaip „Kia Venga“, galima įsigyti vieną moderniausių rinkoje siūlomų atbulinės eigos vaizdo kamerų, kurios vaizdą perduoda ne į ekraną, o į galinio vaizdo veidrodėlį. Tai leidžia vairuotojui stebėti statymo trajektoriją ir per veidrodėlį, ir per kamerą, nereikia nukreipti žvilgsnio. „E klasės Mercedes“ turi priekinę infraraudonųjų spindulių kamerą „Night Vision“, skirtą pagerinti matomumą važiuojant naktį, aiškiai matant gyvas būtybes. Tačiau dieną ši kamera nefiksavo šaltų kliūčių prieš pat automobilį.
Ateityje tikėtina, kad nakties matymo sistemos bus integruojamos su papildytos realybės ekranais, kai informacija bus projektuojama tiesiai ant priekinio stiklo, vairuotojo matymo lauke. Autonominių automobilių kontekste nakties matymo sistemos tampa dar svarbesnės, nes savarankiškai važiuojantis automobilis turi „matyti“ aplinką visomis sąlygomis. Technologijų konvergencija reiškia, kad ateityje nakties matymo sistemos bus dar labiau integruotos su kitomis jutiklių sistemomis, tokiomis kaip įprastos kameros, radaras ir LiDAR, o visa informacija bus sujungiama į vieną bendrą situacijos suvokimą. Manoma, kad šių sistemų kaina ir toliau mažės, gamyba taps efektyvesnė.
tags: #infraraudonuju #spinduliu #kamera #automobilyje