一文熟悉汽车电子后视镜CMS
电子后视镜Camera Monitor System，缩写为CMS，是一种基于摄像头和显示器的产品组合，可以增强驾驶员对车辆周围及侧后方的视觉感知，进一步增强驾驶安全性和舒适性。其中，外部摄像头采集的图像，通过数据处理后显示在舱内的显示屏，同时可以集成类似盲区预警、障碍物提示等功能。
CMS认知
电子后视镜实质是一个符合GB15084标准的、满足汽车D安全等级、专业单反相机与车载监视器组成的系统。电子后视镜的认知一般分为四个层级：
图：来源上海豫兴电子
第一层级为传统影像，也就是大家熟悉的传统影像产品，如倒车后视、中控屏、记录仪、流媒体后视镜等。
第二层级为替代关系，CMS是替代传统光学后视镜，必须满足GB15084。电子后视镜是传统光学与电子结合的跨行业产品，需要跨学科的人才，尤其光学成像、影像色彩、图像处理方面的人才，这也就是国际上传统光学后视镜企业与电子企业联合开发CMS的原因所在。
第三层级为临时调整视野（场景随动），CMS的图像显示主要是与车辆姿态、行驶环境结合，满足法规规定的物理镜视野，还要满足临时拓展视野需求。场景随动是CMS的灵魂，电子后视镜十倍价格替代传统视镜，必须为用户提供超出传统后视镜的增值功能，能够提供起步、行驶、转弯、停车场景下的临时调整视野。
第四层级为安全可靠，传统光学视镜是汽车安全件，安全可靠也是CMS产品的基础。安全是建立在底下三层之上去谈的，不会孤立存在，也只有夯实底下三层才会理解敬畏安全。
CMS优点与应用
电子后视镜被业内成为“真正具备思考能力的后视镜”，体积小、可伸缩、风阻小，更具有科技感，同时可以让驾驶员避免行驶过程中大幅度改变视角，就能获知周边路况。与传统光学后视镜对比，CMS具体显著的优势：
1. 整车减重、降阻降噪：
传统后视镜中，乘用车单侧1-2公斤左右，商用车单侧5-10公斤左右，支撑如此大的重量必定会增加门的钢板厚度、整车重量。据德国某企业测试数据，采用CMS后重卡整车减重60-80公斤，取消外后视镜可以节油2%-3%。以奔驰Actros为例，Actros通过CMS将整车油耗降低3%。
此外，CMS外置设备仅有摄像头，其体积最多只有传统后视镜的1/3，整体设计更符合空气动力学原理，可以减少90%的风阻，进一步降低风噪。以奥迪e-tron为例，电子外后视镜的设计使车辆的风阻系数降低到0.27，比传统设计的车辆降低0.1个百分点,提升续航里程。
2. 视觉盲区痛点：
传统后视镜的有效可视面积是固定的，由于驾驶者身高、坐姿、眼点观察不同，观察的可视范围也不同，更不可能在复杂的路段调整可视范围。CMS通过不同的传感器不同角度的摄像头，对车身四周进行多角度实时拍摄，显示车辆情况、视线盲区及车尾行人，视角更灵活，可视范围是传统后视镜的3倍左右，可以减少盲点约10%（宽视场约50%）。
图：曼恩MAN OptiView电子后视镜安装了数枚焦段不同的摄像头，方框中最大的摄像头为长焦摄像头，用于捕捉车辆侧面贴身以及挂车车尾的后视图像。下方斜置布置的摄像头为广角摄像头，弥补长焦摄像头的不足，将车辆远景的广角图像收集，便于司机提前做出决策。而在摆臂下方，还安装有一个摄像头，它的作用是收集车门旁边的图像，将最危险的盲区安全保证起来。
3. 特殊环境：
一般来讲，CMS车外摄像头会采用物理遮挡和电动加热的方式结合，做好镜头防水防雪功能，剩下的都是由后期算法和车内显示屏完成，这样就极大提高了在雨雪天气、眩光、光线不足或夜间行驶等环境下的能见度。此外，随着技术的革新，主动防炫目、夜视功能等更高级的功能都会被集成，车主在夜间的行车安全将更有保障。
4. 智能体验：
L3+级别的智能驾驶系统，需要采集周边影像进行分析，甚至接入网络平台应用于交通调度与车辆安全管理，车外影像成为不可或缺的信息来源，车辆周边道路信息的重视程度必然提升到一定高度，CMS可以为其提供底层的硬件支撑。虽然CMS未必是智能驾驶的最终信息采集方案，但CMS对摄像机高安全、高品质的要求会提升相关配套产业整体研发、应用技术提升。同时，CMS也会在人机交互、行车过程上有更舒适的体验。
随着智能电动汽车时代的加速到来，CMS越来越被产业重视。欧盟和日本先后于2016、2017年放开对电子外后视镜的法规限制，奥迪、雷克萨斯、本田、柯尼赛格等OEM先后推出成熟应用。
表1：已量产/规划CMS的车型（焉知汽车制作）
CMS关键部件：摄像头
CMS是通过摄像头与显示器组成的系统，在规定视野内看清车辆后方、侧方或前方视野的间接视野装置。这就要求CMS系统供应商具备摄像头、显示器系统完整的设计能力，尤其是CMS摄像头的镜头设计、芯片选型、ISP/DSP系统设计测试能力，如芯片选型满足AEC-Q100，安全设计标准参照ISO26262，生产体系满足IATF16949等等，要求团队有CMS系统高可靠、长寿命的经验积累与开发设计、工程化、安装测试能力。
图：CMS系统组成, 来源上海豫兴电子
一. 镜头选型
国内车载摄像机镜头生产厂家，起步于安防镜头生产，基本是在2016年前后进入车载领域。因为现有车载摄像机对镜头性能要求不高，这些厂家虽积累了光学经验、但与CMS对镜头的需求还是有很大差异。
图：车载摄像机模组组成, 来源上海豫兴电子
1. 镜头材质
镜头由多组镜片进行凹凸面角度加工、组合达到光学设计性能要求，其光学成像质量与寿命，由材质决定。材料可以是能够保护多年的全玻璃，也可以是树脂镜片，但是树脂镜片随着外部环境光照射、内外温度交替变化影响大多在2-3年内黄变模糊。
CMS镜头对解晰力、畸变量、杂光和鬼影、疏水性以及低光成像能力要求要高，同时需要保证优秀的温度特性，一般会采取全玻璃+金属结构。
2. 镀膜工艺
镜片有一道关键工艺是镀膜，镀膜材料成分不同、功能不同、寿命不同价格会有很大差异。好的镀膜材料能降低玻璃反射率，提升玻璃通透度，对提升图像质量非一般镀膜材料能比。镀膜工艺还分为冷镀、热镀，树脂镜片是冷镀膜了，两种镀膜最大区别是耐摩擦和寿命。
3. 镜筒发黑
镜筒发黑工艺决定了图像的炫光、鬼影面积。氧化发黑成本最低，单反相机镜头采用特殊生产工艺发黑。
4. 组装工艺
镜片组装最体现镜头厂家的生产工艺水平，如镜片与镜筒的公差、镜片的固定、成像调配等。
5. CMS摄像机镜头
玻璃成分、球面、非球面、镀膜、镜桶发黑、玻璃固定、防水性能都决定摄像机的成本，摄像机材料、工艺，都会决定摄像机的性能与寿命。CMS摄像机镜头相当于批量制造的专业单反镜头，这也是CMS摄像机镜头价格不菲的原因。
二. CMOS选型
作为智能网联汽车安全件，CMS场景的复杂性将对ISP信号处理器的硬件统计、算法处理提出了更高的要求，例如多彩的车身、后车灯的照射等。
当前，市场上很多零部件供应商在评估传统的 SoC 芯片，例如IVI 中控显示芯片、 DVR 记录仪领域的器件甚至是消费类安防监控芯片来实现 CMS 的设计。不过，根据目前搭载 CMS 并已经量产的几款车型的效果来看，传统的 SoC 芯片类方案在 CMS 系统的表现似乎有些 “水土不服”，比如在复杂光环境影响下的画面偏色、暗态噪点、弥散和鬼影，时延大等问题。那么究竟一款真正能适应实际用车情况的 CMS 方案应该考虑哪些因素？目前 CMS 系统理想的芯片方案又是什么？
据多位业内人士和主机厂相关专家表示，在法规标准还在陆续更新的特定环境下，具备极低时延、硬件可升级、可灵活适配等优势的FPGA方案，应该是当前CMS系统的最佳选择。快速上车Demo和法规实施后快速合规审查，不需要改变原来的设计，可以最大限度地满足不同客户的差异化需求，即便是屏幕或者摄像机等核心物料的更换，只需要针对硬件特性直接更新逻辑单元和核心功能即可，这样就大幅降低了CMS厂商、整车厂的开发周期和成本，加速了CMS产品的量产上车。
图：AMD Xilinx 车规级芯片产品系列
据了解，AMD-Xilinx 联合其合作伙伴iWaySense共同打造了针对CMS产品专用的核心图像处理器IP，针对CMS应用的场景进行了专门的设计，具有优秀的图像质量的同时，还可以实现极低的时延。此外再结合图像调试伙伴iWayLab的先进图像实验室和调试服务保障能力，以及国内本土化团队，可以进一步加速主机厂CMS项目的上车和量产。
此外，在摄像头的结构上也需要一些特殊处理。比如，外置摄像头的组件外壳设计要防止水珠落在镜头上，镜头上还需要额外覆盖了一层防水涂层；为了减少暴露在灰尘和雨水中摄像头的性能失效，配备了内置的加热器，以防止结冰或起雾，一些方案还配备了光线传感器，可以自动减少其他汽车前大灯的眩光等。
目前，国外电子外后视镜供应商主要有法雷奥、麦格纳、东海理化、博世等，均将其作为ADAS或智能驾驶系统的重要组成部分。 国内电子外后视镜供应商主要有上海豫兴电子、森鹏、远峰科技、华阳电子、航盛、德赛西威等。其中上海豫兴已为宇通，森鹏已为比亚迪K9提供电子外后视镜+传统后视镜一体化解决方案；今年1月远峰科技也正式获得小鹏汽车CMS项目定点；2月豫兴电子获得了Deepway智慧卡车CMS项目定点。
中国CMS法规进展
GB15084-2013标准实施5年来，暴露了一些问题，如测试方法不完善、引用标准版本更新、不能适应当前汽车技术的发展等问题。为了规范行业健康发展和技术提升，达到同国际标准接轨的目的，规范和提高国内汽车间接视野装置产业的发展，2018年12月，全国汽车标准化技术委员会在工业和信息化部的指导下，启动了该标准的研究与修订工作。
2020年6月3日，工信部发布了国家强制性安全标准GB15084（机动车辆间接视野装置性能和安装要求）征求意见稿，新标准在CMS板块增加了CMS凸出高度要求及突出高度的测量方法；增加了Ⅰ至Ⅳ类CMS的功能性要求，修改了Ⅴ类和Ⅵ类CMS的功能性要求；增加了对于CMS的撞击要求及试验方法。
从目前公开信息显示，标准有望在今年年中公布，在2023年1月1日起开始实施。2022年下半年，汽车制造商可以开始申报搭载CMS的新车型并开展定点实验，CMS市场将进入快速量产阶段。
表2：各区域法规进展
面临的挑战和痛点
CMS系统需要满足GB15084标准、满足汽车D安全等级，其技术门槛、安全等级、性能指标等苛刻要求，绝非是倒监屏、行车记录仪、流媒体等汽车辅助件可同日而语。另，按照全部取代传统后视镜测算，国内电子后视镜商用车和乘用车前装市场接近千亿元规模。前景虽然很广阔，但是现实也存在一些亟待攻克的难关：
1. 解决低光复杂环境条件下的成像
所有汽车成像系统面临的主要挑战是改进低光条件下成像，同时提高分辨率和成像的动态范围。为避免后方车辆靠近时其大灯导致图像过饱和，CMS必须具有良好的成像品质,低照度必须在1Lux以下，动态范围需超过110db。同时，成像系统必须具有充足的像素来填充具有高水平分辨率的监视器，这些条件都超越了传统像素技术的限制。
车载摄像头不同于安防监控与其他视频类相机，应对炫光可以选择安装遮光罩或改变摄像机安装位置避开强光源的照射。如何保证清晰的成像画质对系统技术提出了更高的挑战。
2. 车灯闪烁对摄像机的影响
另一重大挑战是LED车灯或路灯闪烁时对当前图像传感器的影响。在显示屏后视镜中，日间行车灯会因脉宽调制(PWM)而呈现闪烁状态，可能会导致驾驶员误以为发生紧急状况或警车正在靠近而影响安全。许多日间行车灯的PWM频率在90-300Hz，在日间条件下传感器曝光量较小时，在该范围成像十分困难。
3. 长时间使用的可靠成像
摄像机替换了后视镜，既要解决“有无”的问题，看见的范围要覆盖传统的后视镜盲区；更加要解决“看得清”的问题，在视野里有其它汽车大灯，但仍要看清其它障碍物。替代后视镜的摄像机，只要汽车一上电，就在工作，工作时间长，而且高速行驶时仍需要进行使用。对摄像机的各方面要求更高，在高像素、无畸变、宽动态、低照度、高帧率、高可靠性都带来更高的挑战。
4. 线缆和连接器选择匹配问题
随着摄像机传感器分辨率的增加，将摄像机数据传输到显示器的成本也会增加。在使用标清摄像头系统情况下，视频数据以模拟复合视频一起传输，这是目前市场上常见的摄像机系统。因为数据带宽也非常低，这种情况下的线缆和连接器成本比较低。在引入高清摄像机后，根据所使用的数据传输技术的类型，线缆和连接器成本也会增加。
目前，最常见的车载高清视频传输技术是数字串行器/解串器称为“SerDes”。现有SerDes的问题是与模拟复合视频系统相比，它所需线缆和连接器类型相对昂贵。SerDes的另一个挑战是目前市场上有多种SerDes标准（功能类似），而且它们并不相互兼容，所以OEM和一级系统制造商通常需要选择一种特定SerDes标准并坚持使用，无论竞争标准是否具有更出色的特性。由于基于IP的系统产生的延迟，IP摄像头系统在此类应用中表现不佳。人们要求后视镜取代系统具有最低延迟，模拟视频和SerDes可以做到。
5. 更高的运算能力及存储器需求
图像传感器和成像处理器首先要能通过车用规范(AEC-Q100),以符合车用零件规定,其所需的测试颇为复杂。另外消耗功率及散热的问题在高清晰度的图像传感器设计上也需要注意。搭配越来越多的高清车用摄影机会带来许多的新的应用和丰富的影像资料，这也代表处理器需要更高的运算能力及存储器。目前高清图像传感器需求越来越多，传统CVBS界面无法支持高清图像，新的LVDS和Ethe.NETAVB界面可能会是下一代车用智能摄像机的主流。
6. 专业分工
国内摄像机模组专业分工非常专业，包括结构设计、ISP调校、模组生产。目前传统后视镜供应商主要是在物理结构、光学领域擅长，但是不具备电子电路、影像处理技术，因此很难提供高安全标准的CMS系统。而提供汽车中控的IVI供应商缺乏传统光学视镜知识技术积累、影像光学处理基础、提供高安全要求系统的设计经验，也很难进入CMS系统市场。
目前能够自己掌握终端客户需求，且能根据需求匹配COMS、镜头、外结构，且有专职ISP工程师负责图像调配的企业寥寥可数。
此外，CMS的量产普及，除了CMS供应商在技术的突破、提供更安全可靠的产品外，更需要主机厂车型前期设计的匹配支持。
总结
电动化、智能化、网联化、共享化，汽车行业正在进行着百年不遇的大变革， 影像光学基础技术及汽车智能化的发展让电子后视镜取代传统光学后视镜成为可能，类似当年触屏手机取代按键手机重构手机生态一样，对玻璃后视镜产业进行变革，建立以摄像机高品质影像+5G+AI为核心的生态环境赋能驾驶安全。CMS拐点已至，大幕正在徐徐拉开，谁将拔得头筹，让我们将拭目以待。
