汽车电子电子视镜系统的发展与应用

电子视镜的应用使驾驶更安全、更智能、更经济、更环保。通过跟踪世界领先商用车企业电子视镜的发展，综述相关文献，从后视镜的劣势，电子视镜的优势及其市场需求、技术发展、法规环境展开分析，并对我国商用车电子视镜的发展趋势做出预测，对电子视镜产业发展提出建议。结果表明当前电子视镜项目、电子视镜系统的发展，呈现出技术复杂程度高、产品价值高、专利壁垒高的特点。我国需加快法规出台，激发整车、零部件企业加快研发、验证、产品应用的步伐，促进行业发展，参与国际竞争。

1 引言

近年来，随着汽车和电子摄像、视频显示、数据交互技术的发展，通过摄像头取代后视镜的电子视镜成为新趋势。电子视镜视野宽阔，不受外界环境影响，风阻小、人机交互性好，同时可扩展到自动驾驶领域。目前世界领先的商用车企业已经实现了电子视镜的商业化应用，产品持续更新迭代。然而，国内电子视镜的发展，面临法规未出台、技术门槛高、开发成本高、外企专利壁垒的困难。但用户不再满足后视镜的基本功能，期望应用更高端的电子视镜并拓展到自动驾驶。本文从电子视镜的优势、系统构成、市场需求、发展现状、法规环境5个维度展开分析，对电子视镜国内的产业发展提出建议。

2 后视镜劣势分析

后视镜主要存在以下4点劣势：视野盲区、易受环境影响、对整车风阻贡献大、缺少人机交互。

2.1 后视镜存在视野盲区

后视镜成像原理是光的反射，即地面或周围环境中的物体通过视镜镜面反射到人眼，因镜片大小及视线角度限制存在一定的盲区。当驾驶员过度信赖后视镜，潜在的风险就高，影响行车安全。根据GB 15084—2013《机动车辆间接视野装置性能和安装要求》，对于驾驶室II类主外后视镜、Ⅳ类广角镜的视野技术要求（图1、图2），实际视镜视野较法规视野有一定的余量，但仍存在盲区[1]。

图1 II类主外后视镜视野法规要求[1]

图2 Ⅳ类广角镜视野法规要求[1]

由于后视镜盲区造成的交通事故在中国约占30%，美国约占20%。在高速公路上70%因变换车道所发生的交通事故是由后视镜盲区造成的[2]。

特别是在挂车转弯时，挂车与牵引车驾驶室成较大的角度，导致驾驶员通过视镜只能观测到挂车的局部区域，整体的盲区很大，易将车边的行人等卷入车底，存在很大的安全隐患[3-4]。图3为牵引车转弯的现场场景。驾驶员通过车窗观察，由于视镜遮挡，损失了一部分直接视野，也存在安全隐患。

图3 半挂车转弯视野盲区

2.2 后视镜应对恶劣环境存在不足

雨雾、强光、弱光等恶劣环境直接影响驾驶员视线、镜面反射效果，使驾驶员无法正确、及时地做出驾驶判断，影响驾驶安全。雨雾天气、强光环境下的视镜，视野清晰程度明显下降。

2.3 后视镜对整车风阻、风噪贡献大

根据GB 15084—2013《机动车辆间接视野装置性能和安装要求》[1]对后视镜有关镜片尺寸及位置的规定，后视镜外观、尺寸、造型难以有大的突破。但是，用户希望获得超过法规视野之外更大的视野，导致后视镜尺寸、总体质量增加，对整车风阻的贡献增大[5]，后视镜引起的风阻约为整车风阻的2%～5%[6]，图4 是某车型的风阻分析。除此之外，后视镜对整车气动噪声的贡献大，且离驾驶员较近，影响驾驶员驾驶舒适性[7]。

2.4 后视镜缺少人机交互

后视镜是人眼通过在视镜镜面光的反射获取车辆周边视野，如果驾驶员未主动观测、或车辆周边有突发情况，驾驶员就可能无法获知车辆周边的真实情况，容易造成交通事故。

3 电子视镜优势分析

电子视镜，即用电子方式取代后视镜，国际标准组织（ISO）称其为摄像头监控系统（Camera Monitor System,CMS）。图5 是奔驰Actros 电子视镜系统的驾驶室室外部分和驾驶室内部分。

3.1 CMS系统构成

CMS 系统由图像采集、电子控制单元（Electronic Control Unit,ECU）控制器、图像显示3部分构成，如图6。

图6 CMS系统构成

图像采集由摄像头、物理防护2 部分构成。物理防护包含：防抖动、加热、防挂水功能，主要为摄像头提供稳定、可靠的工作环境。

ECU 控制器包含：双数据率随机存取存储器（Double Data- Rate Random- Access Memory, DDR RAM）、颜色管理、直播监视器、图像处理器、微控制器。图像处理器包含硬件部分和软件2部分，图像处理器通过低电压差分信号（Low-Voltage Differential Signaling,LVDS）驱动将图像信息传递到图像显示部分的图像信号处理（Image Signal Processing,ISP）视频流；微控制器通过CAN线与图像显示部门的网关交互信息。

图像显示中ISP 视频流将前端图像信号处理，在面板上显示摄像头采集的画面。通过网关与整车电器进行协议转换、信息交互。CMS实现了通过电子化元件代替后视镜。

3.2 CMS改善盲区

CMS 摄像头视角灵活，摄像头的视域广，视觉覆盖面积更广阔。目前，商用车CMS外置摄像头装置基本布置在驾驶室顶盖，从车内观察车外状况时减少了后视镜的视线遮挡，直接视野更好。由于显示屏布置在驾驶室内A柱区域，驾驶员观察显示屏时头部摆动角度小，观察更方便。CMS可在车辆转向、倒车时，根据实际情况通过软件算法切换临时视野显示区域，提供比后视镜更加宽广的视角。在半挂牵引车转弯时，CMS可根据挂车提供的转向盘转动角度，使CAN信号通过软件相关算法切换显示图像区域，随动显示车辆的动态视野图像，场景随动是CMS的独特优势[8]，解决了传统视镜挂车转弯时驾驶员看不到挂车两侧视野的问题。王丰元[9]设计的基于单片机的载货汽车后视镜转向随动系统，采集转向盘转角传感器数据，驱动后视镜电机工作，调整镜面角度、改变视野区域，而CMS 是根据转向盘角度通过软件计算切换图像显示区域。CMS可通过摄像头的像素升级、显示器面板的像素升级提供更清晰的画面。

3.3 CMS环境适应性强

CMS的摄像头小巧，且摄像头周边环境壳体对其进行保护可不受雨雪天气影响。摄像头表面有一层疏水膜，可实现摄像头无挂水现象，如摄像头出现起雾、挂霜、结冰的情况，可通过摄像头区域的加热功能去除表面的雾、霜、冰层，保证摄像头输出的图像清晰。在外界光线不良时，如强光、光线过暗或光线闪烁等，均会导致成像质量变差，CMS通过2种方式提升成像质量：

（1）改变摄像头参数，如调节光圈、调整曝光时间；

（2）依靠图像控制器对图像进行处理，主动进行亮度调节，获得清晰的视野图像[10-11]。

通过颜色管理、色调映射算法、白平衡、色彩控制、锐度控制方法还原真实图像和颜色。

3.4 CMS风阻贡献小

与后视镜比，CMS外部硬件有效减小了车辆的迎风截面积，可降低风阻、减少能源消耗[12]。李少峰[13]通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）建模理论分析，电子视镜较后视镜在降低整车气动噪声和气动阻力方面优势明显。奔驰测试Actros 车型采用了CMS 后，减少油耗约1.5%[14]，相对装配后视镜的车型，在车辆生命周期内，运营成本降低明显。

3.5 CMS交互更人性化

基于CMS的传感器和处理器，如果驾驶员观察不到位，系统会通过显示屏上方的警示灯以及语音提示进行提醒，遇到紧急情况时还会通过必要的紧急制动实现更理想的安全保证。CMS 可扩展作为自动驾驶的“眼睛”，实时监控路况并结合人工智能实时处理数据并进行反馈，优化驾驶员的驾驶习惯，保证驾驶安全。CMS同时具备车辆周边环境的监视功能，夜晚停车如遇到驾驶室外有异响，在不拉开驾驶室窗帘的情况下，可直接启动CMS 观察车外情况，省去开窗或下车等繁琐动作。

3.6 CMS成本逐步降低

CMS 需要满足车辆使用环境，同时拍摄效果、成像效果、显示效果的要求很高，这势必增加整车成本。但随着CMS 在商用车市场逐渐推广、普及，以及电子摄像头、处理器芯片、显示屏技术的快速发展，CMS成本会有一定程度的下降。

4 CMS市场需求

CMS的市场需求主要来源于2个方面：

（1）商用车驾驶员对视野盲区改善、特殊天气视野的需求；

（2）对商用车整个生命周期降低风阻、降低油耗的需求。

4.1 驾驶员视野需求

驾驶员常常会遇到以下情景：由于视镜盲区导致的车辆事故，严重危及人员的生命安全，事故较轻的也会涉及车辆维修，同时降低车辆的出勤率，造成一定的经济损失；下雨天气特别是大到暴雨时，车窗玻璃、后视镜镜面一直处于雨水击打、存在雨幕的情况，驾驶安全无法得到保证，变道、转弯存在未知性，极易造成安全事故。CMS 可以在恶劣天气通过驾驶室内显示屏提供间接视野，提高了环境适应性。

4.2 整车降油耗需求

整车燃油消耗是车辆生命周期内除车辆购置费外最大的费用支出，任何降低油耗的技术均会是车辆生产企业和用户的选择，同时符合国家对油耗限值节能减排的趋势。

5 CMS发展现状

商用车行业正在大力推进CMS的技术研发、市场应用，本节主要分析CMS的发展现状。

2016年汉诺威车展上，奔驰在Urban e Truck纯电动概念卡车上首次展示了CMS；依维柯在其概念车上装配了CMS；德国曼公司在TGX 牵引车上装配了CMS。

2018 年汉诺威车展上，奔驰在新Actros、新Arocs多个车型上装配了CMS，同年奔驰CMS 在Actros、Arocs系列重卡上开始批量生产交付。

2021年7月，德国曼公司CMS在TGX、TGS、TGM、TGL 系列重卡批量生产交付。2021 年6 月达夫公司CMS 在XF、XG 车型批量生产交付。沃尔沃、斯堪尼亚均有装配CMS 车型的量产交付。CMS 技术的可靠性已经通过了验证，进入了商业化的应用。

2022 年，奔驰发布新一代电子视镜系统-Mirror-Cam2.0。德国曼公司发布新的电子视镜系统-OptiView。

目前，国内商用车企业也在进行CMS 的相关研发，但大部分处于技术开发、迭代优化、产品试制试验阶段，并无小批量生产。

6 CMS法规环境

欧洲法规ECE R46-2016《关于批准后视镜和就后视镜的安装方面批准机动车辆的统一规定》颁布确认允许CMS替代后视镜合法上路。2017年6月，日本作为UN-ECE 成员国采用了ECE R46，CMS 在日本可以合法上路。美国后视镜法规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。

2019 年7 月，中国汽标委车身附件分委会对GB 15084《机动车辆间接视野装置性能和安装要求》CMS扩标启动了工作组会议。2020年3月，GB 15084标准起草工作组发布了《机动车辆间接视野装置性能和安装要求》征求意见稿，包含了CMS 的相关术语定义、技术要求、试验、安装要求。2022年12月29日，GB 15084—2022《机动车辆间接视野装置性能和安装要求》增加了CMS的法规标准。

7 CMS产业发展建议

7.1 法规完善

世界领先的商用车企业已经实现CMS量产，并得到了市场的验证与认可，技术层面已完全成熟，成本方面随着量产、零部件企业相继投入研发，CMS 生产成本会逐渐下降。法规层面应尽快将CMS纳入标准，完善认证流程，可以极大地激活、推动CMS 的商业化应用，充分挖掘整车企业和零部件的研发潜力、技术升级。CMS合规同时可推动国内企业研发产品，参与国际市场竞争。

7.2 专利布局

赖立强等[15]分析了CMS 专利国外主要的竞争对手有奥迪公司、康诺特电子、梅克朗等，且涉及CMS的诸多核心技术，目前国内企业的专利主要集中在图形用户界面、调节结构等非完全核心技术。中国的商用车企业和零部件企业，应加大对CMS 的研发，同时开展对标研究，打破国外企业设置的专利壁垒、技术壁垒、商业壁垒。

7.3 商业推广

CMS 在驾驶安全、智能驾驶方面有重要作用，同时在降低风阻、噪声、能耗方面有较大的贡献[16]，与目前中国提出并推动的“碳达峰”与“碳中和”战略相匹配，政府机构、行业协会、整车企业应加以引导和应用。因CMS 研发、生产投入高，相关部门应给与一定的经济政策支持，促进CMS的商业推广。

8 结束语

（1）CMS具有巨大的市场需求，其视野宽阔、可应对恶劣环境、低风阻、低油耗、交互人性化的优点推动了CMS在商用车上率先应用的发展方向。

（2）欧洲商用车CMS商业化表明CMS的技术已成熟，国内CMS法规和认证流程仍需完善。

（3）国内企业在CMS研发、生产的同时，需规避国外企业专利壁垒，同时加强核心技术专利的申请。

（4）CMS 在商用车上的应用具有极大的环保效益。

（5）要促进CMS 在商用车上的大规模应用，还需在技术、法规、推广多方面开展工作。

编辑：黄飞