通過(guò)多傳感器融合追求更高安全性，已成為自動(dòng)駕駛公司的行業(yè)共識(shí)。
紅外熱像儀的加入，或許會(huì)為感知冗余解決方案增加一項(xiàng)新選擇。
近日，蘋(píng)果汽車(chē)公布了一項(xiàng)汽車(chē)夜視系統(tǒng)專(zhuān)利。
專(zhuān)利描述顯示，該系統(tǒng)結(jié)合可見(jiàn)光、近紅外波傳感器和長(zhǎng)紅外波傳感器，可以解決夜間或低光環(huán)境物體檢測(cè)和分類(lèi)的挑戰(zhàn)。
而此處的長(zhǎng)紅外波傳感器，即紅外熱像儀。能入以重視安全及穩(wěn)定性為基線(xiàn)的蘋(píng)果法眼，可見(jiàn)其自有高明之處。
那么，在同樣重視行駛安全的自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，紅外熱像儀可如何應(yīng)用?是否能成為自動(dòng)駕駛的標(biāo)配傳感器呢?
何為紅外熱像儀?
任何表面溫度高于 - 273℃的物體都會(huì)向外輻射紅外波，通過(guò)紅外熱像儀，可以將物體溫度差異以不同顏色的圖像顯示。
溫度越高，輻射的能量越大。
紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)區(qū)間為 0.75 微米至 1000 微米之間，通過(guò)波長(zhǎng)的不同可分為五種類(lèi)別，分別是：
近紅外，波長(zhǎng)范圍 0.75 微米-1.4 微米
短紅外，波長(zhǎng)范圍 1.4 微米 - 3 微米
中紅外，波長(zhǎng)范圍 3 微米 - 6 微米
長(zhǎng)紅外，波長(zhǎng)范圍 6 微米 - 15 微米
遠(yuǎn)紅外，波長(zhǎng)范圍 15 微米 - 1000 微米
其中，由于大氣中二氧化碳、水蒸氣、臭氧、一氧化碳等各種微?？晌蘸头瓷涔饩€(xiàn)，紅外線(xiàn)中僅有近紅外、中紅外及長(zhǎng)紅外可穿透大氣。
三種紅外波長(zhǎng)不同，應(yīng)用方式也不同。
近紅外成像方式主要根據(jù)室溫目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度對(duì)比，如黑白相片般呈現(xiàn)物體細(xì)節(jié)。
尤其在可見(jiàn)度低的夜間環(huán)境，星月散發(fā)的微光和大氣輝光中輻射的紅外主要集中在近紅外波段，可通過(guò)近紅外夜視增強(qiáng)視覺(jué)感知能力。
不過(guò)，近紅外波無(wú)法測(cè)量物體溫度，不屬于紅外熱像儀的波長(zhǎng)。
中、長(zhǎng)紅外根據(jù)物體溫度顯示圖像，不受光線(xiàn)影響并可穿透大氣，其感知范圍在幾十米至數(shù)千米之間，可幫助駕駛員在白晝夜間、霧霾雨雪天氣以及對(duì)面車(chē)燈眩光等人眼能見(jiàn)度較低的情況下看清路況。
因此，這兩種波長(zhǎng)為紅外熱像儀的主要波段，廣泛應(yīng)用于包括汽車(chē)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域。
蘋(píng)果汽車(chē)專(zhuān)利中顯示，通過(guò)可見(jiàn)光提供最高的分辨率，輔之以探測(cè)距離較遠(yuǎn)的近紅外傳感器，以及探測(cè)范圍較寬的長(zhǎng)紅外傳感器，可清晰顯示前燈范圍之外的行人與危險(xiǎn)物體。
多種紅外技術(shù)的融合使用，自動(dòng)駕駛汽車(chē)可在多種環(huán)境下感知目前無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別的目標(biāo)，獲得更清晰視野。
紅外熱像儀的使命
為了盡可能提高自動(dòng)駕駛安全性，主機(jī)廠(chǎng)和自動(dòng)駕駛方案提供商不斷為汽車(chē)增加多種傳感器，以減少安全事故發(fā)生。
激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)等傳感器悉數(shù)上陣，然而技術(shù)事故仍然層出不窮。
2018 年 3 月夜間，搭載以上傳感器的一輛 Uber 自動(dòng)駕駛汽車(chē)，在美國(guó)利桑那州坦佩州撞死一名橫穿馬路的婦女。
事故汽車(chē)拍攝視頻中顯示，當(dāng)時(shí) Uber 自動(dòng)駕駛汽車(chē)正高速行駛在光線(xiàn)環(huán)境極差的路段，僅有汽車(chē)前燈照明。一名女子突然從黑暗中闖至車(chē)前，車(chē)輛沒(méi)有作出制動(dòng)措施導(dǎo)致悲劇發(fā)生。
美國(guó)國(guó)家安全委員會(huì)對(duì)這起事故展開(kāi)深入調(diào)查，報(bào)告顯示在事故發(fā)生前 5.6 秒，該車(chē)的激光雷達(dá)就已檢測(cè)到受害者，但將其歸類(lèi)為汽車(chē)。
此后的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)將其判斷為汽車(chē)、自行車(chē)、未知物體，始終未將受害者歸類(lèi)為行人。
根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路運(yùn)輸安全管理局的數(shù)據(jù)，2016 年美國(guó)因光線(xiàn)問(wèn)題或不良照明習(xí)慣引起撞車(chē)事故超過(guò) 700 萬(wàn)起，其中近 200 萬(wàn)起發(fā)生在黑暗中。而在所有夜間撞車(chē)事故中，致命車(chē)禍有 18000 起。
假若 Uber 的自動(dòng)駕駛車(chē)輛搭載紅外熱像儀，即可在檢測(cè)到人類(lèi)的瞬間將其歸類(lèi)為行人，并第一時(shí)間采取相應(yīng)措施。
紅外熱像儀公司 FLIR 曾經(jīng)重現(xiàn)該事故，發(fā)現(xiàn)紅外熱像儀比激光雷達(dá)早 4 倍探測(cè)到行人。
事實(shí)上，紅外熱像儀作為輔助傳感器出現(xiàn)在汽車(chē)上不是新鮮事。
據(jù)佐思汽研數(shù)據(jù)顯示，2019 年在中國(guó)裝配夜視系統(tǒng)的乘用車(chē)新車(chē)銷(xiāo)量為 4,609 套，凱迪拉克、奔馳、寶馬、奧迪等豪華車(chē)型都曾搭載紅外熱像儀。
因其特性，紅外熱像儀近期也走進(jìn)了無(wú)人駕駛公司的視線(xiàn)中。
去年，Cruise 發(fā)布了旗下首款無(wú)人汽車(chē) Origin，可提供無(wú)安全員的出租車(chē)服務(wù)。該車(chē)搭載了 Cruise 內(nèi)部命名為“Superhuman Lidar”的紅外熱像儀。
12 月，Zoox 發(fā)布的首款純電動(dòng)無(wú)人駕駛汽車(chē)中也搭載這一傳感器，可全天候在城市街道中對(duì)物體準(zhǔn)確識(shí)別和分類(lèi)。
目前，紅外熱像儀在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的應(yīng)用上分為兩種：整車(chē)應(yīng)用及整車(chē)部件應(yīng)用。
整車(chē)應(yīng)用即自動(dòng)駕駛汽車(chē)搭載多個(gè)紅外熱像儀，以此實(shí)現(xiàn) 360 度環(huán)境掃描。
整車(chē)部件應(yīng)用即紅外熱像儀與汽車(chē)內(nèi)外多種部件融合，通過(guò)汽車(chē)部件感知行駛環(huán)境。
在汽車(chē)外部應(yīng)用上，紅外熱像儀可與汽車(chē)前燈融合，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的探測(cè)范圍更廣。
通過(guò)深度學(xué)習(xí)，系統(tǒng)檢測(cè)到前方物體后，車(chē)燈還可自動(dòng)切換遠(yuǎn)近光燈，并轉(zhuǎn)向物體所在方向。目前，汽車(chē)夜視廠(chǎng)商 Veoneer 的第三代夜視系統(tǒng)已具備此項(xiàng)功能。
汽車(chē)內(nèi)部應(yīng)用上，紅外熱像儀與 AEB 自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合，汽車(chē)在遇到危險(xiǎn)時(shí)可主動(dòng)剎車(chē)或減速。
除此之外，近紅外技術(shù)還應(yīng)用于方向盤(pán)、前置攝像頭用以檢測(cè)駕駛員是否疲勞駕駛以及身份識(shí)別等。
紅外熱像儀與汽車(chē)深度融合，或?qū)⑦M(jìn)一步提升汽車(chē)整體智能化。
將會(huì)成為自動(dòng)駕駛標(biāo)配?
關(guān)于紅外熱像儀是否能廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)，成為行業(yè)標(biāo)配傳感器的爭(zhēng)議長(zhǎng)期存在。
Mobileye 的高級(jí)副總裁丹?高維斯曾表示：“它并不是一個(gè)你真正需要的東西，因?yàn)楣鈱W(xué)相機(jī)在夜間可以很好地工作，并且你還有一個(gè)不會(huì)受到光影響的雷達(dá)系統(tǒng)作為備用。”
而 Seek Thermal 的副總裁提姆?勒博反駁，現(xiàn)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)普遍使用的光學(xué)雷達(dá)無(wú)法探測(cè)物體熱量以判別是否為活物。
他還舉例美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)在 Uber 事故中的報(bào)告中認(rèn)為，也支持汽車(chē)使用能夠更好區(qū)分物體和人類(lèi)的傳感器。
從雙方的爭(zhēng)論中不難看出，紅外熱像儀是否能在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于其它傳感器是否能在夜間清楚識(shí)別物體。
隨著傳感器近年的不斷升級(jí)，夜間感知能力也與之提升。目前已有無(wú)人駕駛公司采用高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)提高無(wú)人駕駛汽車(chē)的夜間可視能力。
具體來(lái)說(shuō)，高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)即 HDR 相機(jī)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中。盡管高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)可以提供更多細(xì)節(jié)，但是高動(dòng)態(tài)范圍相機(jī)也存在其缺點(diǎn)，即在拍攝過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體與閃光時(shí)，其成像有幾率模糊。在生物識(shí)別上，其表現(xiàn)能力或許不能與紅外熱像儀媲美。
其根源在于，紅外熱像儀不受光線(xiàn)影響，通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)溫可更準(zhǔn)確的判斷生物。
例如，F(xiàn)LIR 紅外熱像儀可測(cè)量 - 80°C 至 + 3000° 的目標(biāo)溫度，并識(shí)別 0.01°C 的溫度變化。
同時(shí)，紅外熱像儀與雷達(dá)不同，熱成像不會(huì)發(fā)送信號(hào)探測(cè)附近的障礙物，而是吸收周?chē)锖臀矬w產(chǎn)生的熱量，比其他傳感器耗電更少。
即便紅外熱像儀作為冗余方案表現(xiàn)優(yōu)秀，但目前也存在諸多缺陷，使其遲遲無(wú)法被市場(chǎng)普遍接受。
奧迪發(fā)言人埃倫?凱里表示，“夜視相機(jī)和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域里的其他硬件一樣，既有好處也有它的弊端。熱成像傳感技術(shù)還需要克服成本、視野和耐用性方面的挑戰(zhàn)，來(lái)滿(mǎn)足自動(dòng)化級(jí)傳感器的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。”
首先在成本方面，以美國(guó)、以色列為主的紅外熱像儀廠(chǎng)商經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，其成本已由 5 千美元降低至 1000 美元，甚至更低。
麥姆斯咨詢(xún)的數(shù)據(jù)顯示，由于制造工藝改進(jìn)、制造規(guī)模顯著增加，目前可以大規(guī)模生產(chǎn)用于 L2 級(jí)及以上級(jí)別的紅外熱像儀，未來(lái)每臺(tái)價(jià)格僅需幾百美元。
盡管如此，相較于毫米波雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)等傳感器成本，及其為自動(dòng)駕駛帶來(lái)冗余價(jià)值，紅外熱像儀的性?xún)r(jià)比仍然較低。
在視野方面，紅外熱像儀普遍較小。即使是紅外熱像儀知名廠(chǎng)商 FLIR，其產(chǎn)品最大水平視場(chǎng)為 75 度，遠(yuǎn)低于上百 度、甚至 360 度的激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的水平視場(chǎng)。
另外，紅外熱像儀的耐用性也是一大問(wèn)題。
紅外熱像儀在使用過(guò)程中會(huì)因內(nèi)部零件磨損老化導(dǎo)致精確度降低，使用數(shù)年后需要更換零部件，目前難以達(dá)到與其他車(chē)規(guī)級(jí)傳感器同樣使用壽命。
盡管最近多家公司正將紅外熱像儀應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車(chē)，但是否能成為行業(yè)主流仍存在疑問(wèn)。即使其可穿透大氣，但也會(huì)因大霧、濃煙等空氣中顆粒增多導(dǎo)致可探測(cè)范圍縮小。
元戎啟行副總裁劉念邱告訴新智駕：“單從冗余角度來(lái)看，熱傳感器也可以作為多傳感器融合的一種輸入特征，增強(qiáng)效果的準(zhǔn)確性。對(duì)于熱成像傳感器是否采用，還需要根據(jù)使用場(chǎng)景來(lái)評(píng)估，由于熱成像傳感器受環(huán)境影響較大，因此需要綜合評(píng)估。”
總 結(jié)
美國(guó)自動(dòng)駕駛汽車(chē)廠(chǎng)商 Nutonomy 首席執(zhí)行官 Karl Iagnemma 認(rèn)為，紅外成像能夠在黑暗環(huán)境和惡劣天氣條件下穩(wěn)定工作，是其他傳感器的天然互補(bǔ)。
當(dāng)前，各主機(jī)廠(chǎng)和造車(chē)新勢(shì)力紛紛宣布旗下新款車(chē)型將采用激光雷達(dá)，以多傳感器融合帶來(lái)更高的安全性和高級(jí)自動(dòng)駕駛作為宣傳賣(mài)點(diǎn)，正印證著如何為用戶(hù)帶來(lái)更好的駕駛體驗(yàn)是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)，而紅外熱像儀的應(yīng)用一定程度能夠滿(mǎn)足這一點(diǎn)。
業(yè)界普遍認(rèn)為，2022 年 - 2023 年將是 L2 級(jí)及以上自動(dòng)駕駛汽車(chē)大規(guī)模采用紅外熱像儀的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
隨著紅外熱像儀改良計(jì)劃的實(shí)施和汽車(chē)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，紅外熱像儀或?qū)⒊蔀檩o助駕駛系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器中的經(jīng)濟(jì)型組件，可大規(guī)模生產(chǎn)使用。
盡管目前自動(dòng)駕駛公司對(duì)紅外熱像儀的實(shí)用性看法不一，但能肯定的是，通過(guò)各種技術(shù)方案保證汽車(chē)行駛安全，將是無(wú)人駕駛公司和汽車(chē)廠(chǎng)商不變的主旋律。
