通過多傳感器融合追求更高安全性，已成為自動駕駛公司的行業(yè)共識。
紅外熱像儀的加入，或許會為感知冗余解決方案增加一項新選擇。
近日，蘋果汽車公布了一項汽車夜視系統(tǒng)專利。
專利描述顯示，該系統(tǒng)結(jié)合可見光、近紅外波傳感器和長紅外波傳感器，可以解決夜間或低光環(huán)境物體檢測和分類的挑戰(zhàn)。
而此處的長紅外波傳感器，即紅外熱像儀。能入以重視安全及穩(wěn)定性為基線的蘋果法眼，可見其自有高明之處。
那么，在同樣重視行駛安全的自動駕駛汽車中，紅外熱像儀可如何應(yīng)用?是否能成為自動駕駛的標(biāo)配傳感器呢?
何為紅外熱像儀?
任何表面溫度高于 - 273℃的物體都會向外輻射紅外波，通過紅外熱像儀，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。
紅外線的波長區(qū)間為 0.75 微米至 1000 微米之間，通過波長的不同可分為五種類別，分別是：
近紅外，波長范圍 0.75 微米-1.4 微米
短紅外，波長范圍 1.4 微米 - 3 微米
中紅外，波長范圍 3 微米 - 6 微米
長紅外，波長范圍 6 微米 - 15 微米
遠(yuǎn)紅外，波長范圍 15 微米 - 1000 微米
其中，由于大氣中二氧化碳、水蒸氣、臭氧、一氧化碳等各種微粒可吸收和反射光線，紅外線中僅有近紅外、中紅外及長紅外可穿透大氣。
三種紅外波長不同，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)境溫度對比，如黑白相片般呈現(xiàn)物體細(xì)節(jié)。
尤其在可見度低的夜間環(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，可通過近紅外夜視增強(qiáng)視覺感知能力。
不過，近紅外波無法測量物體溫度，不屬于紅外熱像儀的波長。
中、長紅外根據(jù)物體溫度顯示圖像，不受光線影響并可穿透大氣，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面車燈眩光等人眼能見度較低的情況下看清路況。
因此，這兩種波長為紅外熱像儀的主要波段，廣泛應(yīng)用于包括汽車在內(nèi)的多個領(lǐng)域。
蘋果汽車專利中顯示，通過可見光提供最高的分辨率，輔之以探測距離較遠(yuǎn)的近紅外傳感器，以及探測范圍較寬的長紅外傳感器，可清晰顯示前燈范圍之外的行人與危險物體。
多種紅外技術(shù)的融合使用，自動駕駛汽車可在多種環(huán)境下感知目前無法準(zhǔn)確識別的目標(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駕駛安全性，主機(jī)廠和自動駕駛方案提供商不斷為汽車增加多種傳感器，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 自動駕駛汽車，在美國利桑那州坦佩州撞死一名橫穿馬路的婦女。
事故汽車拍攝視頻中顯示，當(dāng)時 Uber 自動駕駛汽車正高速行駛在光線環(huán)境極差的路段，僅有汽車前燈照明。一名女子突然從黑暗中闖至車前，車輛沒有作出制動措施導(dǎo)致悲劇發(fā)生。
美國國家安全委員會對這起事故展開深入調(diào)查，報告顯示在事故發(fā)生前 5.6 秒，該車的激光雷達(dá)就已檢測到受害者，但將其歸類為汽車。
此后的幾秒內(nèi)，系統(tǒng)將其判斷為汽車、自行車、未知物體，始終未將受害者歸類為行人。
根據(jù)美國國家公路運(yùn)輸安全管理局的數(shù)據(jù)，2016 年美國因光線問題或不良照明習(xí)慣引起撞車事故超過 700 萬起，其中近 200 萬起發(fā)生在黑暗中。而在所有夜間撞車事故中，致命車禍有 18000 起。
假若 Uber 的自動駕駛車輛搭載紅外熱像儀，即可在檢測到人類的瞬間將其歸類為行人，并第一時間采取相應(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 倍探測到行人。
事實上，紅外熱像儀作為輔助傳感器出現(xiàn)在汽車上不是新鮮事。
據(jù)佐思汽研數(shù)據(jù)顯示，2019 年在中國裝配夜視系統(tǒng)的乘用車新車銷量為 4,609 套，凱迪拉克、奔馳、寶馬、奧迪等豪華車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)了無人駕駛公司的視線中。
去年，Cruise 發(fā)布了旗下首款無人汽車 Origin，可提供無安全員的出租車服務(wù)。該車搭載了 Cruise 內(nèi)部命名為“Superhuman Lidar”的紅外熱像儀。
12 月，Zoox 發(fā)布的首款純電動無人駕駛汽車中也搭載這一傳感器，可全天候在城市街道中對物體準(zhǔn)確識別和分類。
目前，紅外熱像儀在自動駕駛汽車的應(yīng)用上分為兩種：整車應(yīng)用及整車部件應(yīng)用。
整車應(yīng)用即自動駕駛汽車搭載多個紅外熱像儀，以此實現(xiàn) 360 度環(huán)境掃描。
整車部件應(yīng)用即紅外熱像儀與汽車內(nèi)外多種部件融合，通過汽車部件感知行駛環(huán)境。
在汽車外部應(yīng)用上，紅外熱像儀可與汽車前燈融合，自動駕駛汽車的探測范圍更廣。
通過深度學(xué)習(xí)，系統(tǒng)檢測到前方物體后，車燈還可自動切換遠(yuǎn)近光燈，并轉(zhuǎn)向物體所在方向。目前，汽車夜視廠商 Veoneer 的第三代夜視系統(tǒng)已具備此項功能。
汽車內(nèi)部應(yīng)用上，紅外熱像儀與 AEB 自動緊急制動系統(tǒng)結(jié)合，汽車在遇到危險時可主動剎車或減速。
除此之外，近紅外技術(shù)還應(yīng)用于方向盤、前置攝像頭用以檢測駕駛員是否疲勞駕駛以及身份識別等。
紅外熱像儀與汽車深度融合，或?qū)⑦M(jìn)一步提升汽車整體智能化。
將會成為自動駕駛標(biāo)配?
關(guān)于紅外熱像儀是否能廣泛應(yīng)用于自動駕駛汽車，成為行業(yè)標(biāo)配傳感器的爭議長期存在。
Mobileye 的高級副總裁丹?高維斯曾表示：“它并不是一個你真正需要的東西，因為光學(xué)相機(jī)在夜間可以很好地工作，并且你還有一個不會受到光影響的雷達(dá)系統(tǒng)作為備用。”
而 Seek Thermal 的副總裁提姆?勒博反駁，現(xiàn)在自動駕駛汽車普遍使用的光學(xué)雷達(dá)無法探測物體熱量以判別是否為活物。
他還舉例美國國家運(yùn)輸安全委員會在 Uber 事故中的報告中認(rèn)為，也支持汽車使用能夠更好區(qū)分物體和人類的傳感器。
從雙方的爭論中不難看出，紅外熱像儀是否能在自動駕駛汽車中廣泛應(yīng)用，關(guān)鍵在于其它傳感器是否能在夜間清楚識別物體。
隨著傳感器近年的不斷升級，夜間感知能力也與之提升。目前已有無人駕駛公司采用高動態(tài)范圍相機(jī)提高無人駕駛汽車的夜間可視能力。
具體來說，高動態(tài)范圍相機(jī)即 HDR 相機(jī)，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中。盡管高動態(tài)范圍相機(jī)可以提供更多細(xì)節(jié)，但是高動態(tài)范圍相機(jī)也存在其缺點(diǎn)，即在拍攝過程中出現(xiàn)運(yùn)動物體與閃光時，其成像有幾率模糊。在生物識別上，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影響，通過精準(zhǔn)測溫可更準(zhǔn)確的判斷生物。
例如，F(xiàn)LIR 紅外熱像儀可測量 - 80°C 至 + 3000° 的目標(biāo)溫度，并識別 0.01°C 的溫度變化。
同時，紅外熱像儀與雷達(dá)不同，熱成像不會發(fā)送信號探測附近的障礙物，而是吸收周圍生物和物體產(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，使其遲遲無法被市場普遍接受。
奧迪發(fā)言人埃倫?凱里表示，“夜視相機(jī)和自動駕駛領(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)，來滿足自動化級傳感器的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。”
首先在成本方面，以美國、以色列為主的紅外熱像儀廠商經(jīng)過多年研發(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 級及以上級別的紅外熱像儀，未來每臺價格僅需幾百美元。
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，及其為自動駕駛帶來冗余價值，紅外熱像儀的性價比仍然較低。
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商 FLIR，其產(chǎn)品最大水平視場為 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。
另外，紅外熱像儀的耐用性也是一大問題。
紅外熱像儀在使用過程中會因內(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)到與其他車規(guī)級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)用于無人駕駛汽車，但是否能成為行業(yè)主流仍存在疑問。即使其可穿透大氣，但也會因大霧、濃煙等空氣中顆粒增多導(dǎo)致可探測范圍縮小。
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。對于熱成像傳感器是否采用，還需要根據(jù)使用場景來評估，由于熱成像傳感器受環(huán)境影響較大，因此需要綜合評估。”
總 結(jié)
美國自動駕駛汽車廠商 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)廠和造車新勢力紛紛宣布旗下新款車型將采用激光雷達(dá)，以多傳感器融合帶來更高的安全性和高級自動駕駛作為宣傳賣點(diǎn)，正印證著如何為用戶帶來更好的駕駛體驗是未來汽車的發(fā)展趨勢，而紅外熱像儀的應(yīng)用一定程度能夠滿足這一點(diǎn)。
業(yè)界普遍認(rèn)為，2022 年 - 2023 年將是 L2 級及以上自動駕駛汽車大規(guī)模采用紅外熱像儀的時間節(jié)點(diǎn)。
隨著紅外熱像儀改良計劃的實施和汽車規(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)和自動駕駛汽車傳感器中的經(jīng)濟(jì)型組件，可大規(guī)模生產(chǎn)使用。
盡管目前自動駕駛公司對紅外熱像儀的實用性看法不一，但能肯定的是，通過各種技術(shù)方案保證汽車行駛安全，將是無人駕駛公司和汽車廠商不變的主旋律。
