超过1/4个世纪的磨砺斯巴鲁EyeSight技术诞生始末

s的烦得很 · 发表于 2016-10-30 14:58:39

※本文内容转自微信公众号富士范儿
2016年10月21日，斯巴鲁于我国发布了EyeSight驾驶辅助系统。这也是此前于日本、北美等市场广受好评的、以双眼式立体摄像头为核心的预防安全系统，首次出现在我国内地汽车市场。
EyeSight驾驶辅助系统是由富士重工业开发的预防安全系统。其核心为布置于车内前部（前挡风玻璃上部）的双眼式立体摄像头，通过摄像头获得的图像，在三维空间内对障碍物进行判断，从而实现主动减速以及刹车避免碰撞事故、车道保持、前车跟随、起步油门误操作预防等功能。这一系统也是全球首个实用化的此类系统。迄今为止，共发展了三个版本，最新锐版本即为此次发表的Ver.3。
相关技术的早期研究
这一系统的开发，始自27年前，斯巴鲁技术研究所（スバル技術研究所）的诞生之初。斯巴鲁技术研究所不同于本田的有着类似名称的研究机构，而有些类似于丰田中央研究所，这一机构的成立目的在于各类开发先端技术、向自社以及他社提供相关成果，并不担当具体的新车种的R&D【注1】。
在斯巴鲁技术研究所（下文中简称为“研究所”）成立后，富士重工业既开始通过这一新设机构推进汽车智能化方面的技术开发。相关开发工作的推进过程中，研究所的技术者们注意到了使用双眼式立体摄像头的相关潜力。
1991年，相关研究成果首次对外界公开。此年年末举行的第29回东京国际车展之上，富士重方面发表了相关的概念。次年，研究所以斯巴鲁初代力狮的旅行版车型为基础，制成了利用立体摄像头实现驾驶辅助的试作车，并在社内进行了演示。

图注：ADA系统（EyeSight驾驶辅助系统前身）的早期试作版本，最初搭载于由力狮初代车型旅行版改造而成的试作车。当时图像识别系统的体积巨大，甚至塞满了这款车堪称宽广的后备箱
通过利用双眼式立体摄像头的识别能力，这一试作车可以在前方路口突然出现车辆时，实现自动的紧急制动，避免碰撞事故，亦可较为准确的测量与道路上的前车距离，进行车距的保持，并可通过对道路上的白线进行识别，进行车道保持。
以上功能已经很接近现今的EyeSight驾驶辅助系统的主要功效。
但首先，由于当时电子技术的限制，图像识别系统如果要实现足够快的识别并判断，需要的相关元器件数量庞杂，总体积、重量均极其巨大，几乎塞满了本身拥有巨大的储物能力的力狮旅行版车型的后备箱。其次，其成本也相当高昂，远非绝大多数顾客可以接受的境地。也是受限于技术条件，当时这一系统的识别精度相对较低、工作条件限制苛刻（难以在能见度低的恶劣天候下、光照条件特殊的情况下有正确的反应）。也就是说，不论从尺寸、重量、性能还是成本角度讲，当时的技术条件下，都不存在产品化的可能。
这次对社内的展示，当时似乎并没有引起太大波澜。当然，研究所依旧致力于对相关技术的继续完善，并未因眼前的巨大困难而放弃这一技术的开发。
【注1】富士重工业社内，具体的新车种的R&D由斯巴鲁技术本部（スバル技術本部）担当。2016年4月1日起，为应对近年来开发业务量增加，原斯巴鲁技术本部分割为斯巴鲁第一技术本部和斯巴鲁第二技术本部，前者担当车体技术方面、后者担当动力总成技术方面。
柳暗花明
至1995年前后，研究所的苦心开发终于有了一定的成果，开始寻找部品供应商进行合作。当时选定的供应商是Kansei（2000年与Calsonic合并为Calsonic Kansei）。在Kensei方面的协力下，1996年前后，研究所制成了新的试作品。此前的1992年的社内展示时，无论体积、重量还是成本都过分巨大的系统，已经均被大大缩小，在整个系统中占据了最大比例的体积的关键部品，图像处理装置，已经从要塞满旅行车的庞大后备箱的体积，降低到了大致相当于同时代的家用录像机的水平，成本也大大削减，只需要30余万円（当时币值）。
可因为体积还不够让人满意，成本也稍嫌太高，生产性更是太过恶劣——比如说两颗摄像头的安装误差，只允许数微米（μm）的范围，起码需要有经验的人进行数十分钟的调整才可以实现可以接受的误差，在快速的流水线生产中，除非彻底打破正常的生产节拍，根本无法实现；初始的图像匹配，也极为复杂，更需要十几分钟左右的时间，也无法满足正常生产的需要——因此，这一试制品，被负责开发各型斯巴鲁新车种的斯巴鲁技术本部毫不客气的拒绝了。
但，天无绝人之路，对于这一开发中的未成形的、耗费了研究所的技术者们的心力的技术来讲，转机很快就到来了。
让我们把时间拉回1990年代初，日本运输省自动车交通局（现：日本国土交通省自动车交通局）主导实施了“首期ASV推进计划”，此计划旨在实现当时尚在萌芽期的驾驶辅助系统，在21世纪初前后投入实用化。此计划吸引了全日本汽车制造商的瞩目，纷纷开始相关技术的开发。
富士重工业也在当时开始推进相关开发的汽车制造商之列。斯巴鲁技术本部（スバル技術本部）当时试制了类似其他汽车制造商所提出的以激光雷达为核心的驾驶辅助系统。但显然，使用类似的供应商、以类似的逻辑开发出来的技术，不会相较之其他竞争对手有优势。

图注：首个配备ADA的量产车型，斯巴鲁力狮Lancaster ADA
而与此同时，由于富士重工业当时和日产自动车存在合作关系——两社早年间的MAIN BANK均为日本兴业银行（现：瑞穗银行），1968年日产自动车和日本兴业银行曾对富士重工业出资，1968年当时日产自动车持株4.2%、日本兴业银行出资4.0%。由此开始了富士重在汽车事业方面与日产的合作，直到1999年，日产因自社经营困难，售出其持有株式——正在开发驾驶辅助系统的日产也注意到了富士重的通过立体摄像头进行图像识别的技术，并自行开始了相关的开发。
为此，富士重的经营阵做出决定，作为最先开发此类技术的企业，无论如何要先于日产方面，在一年内将其产品化。

图注：斯巴鲁力狮Lancaster ADA配备的双眼式立体摄像头
为尽快推进开发，斯巴鲁技术本部和斯巴鲁技术研究所，各自抽调了解相关技术的人员，组成了新的团队专门解决相关课题。在将系统进一步小型化（缩小至可以安装于副驾驶座位下方，亦即通常安装汽车音响的CD换碟机的位置）；通过单片机处理实现左右两个摄像头的图像匹配（取代需要人工调整安装误差，以让左右两个摄像头图像匹配的做法）；设计多种专门的新安装夹具；修改前挡风玻璃上部的蓝色滤光带宽度、缩短雨刮器长度（以上两项措施均是为了防止干扰摄像头的视野）；将摄像头的初始设定融入量产时的调整灯光工序之后，使用双眼式立体摄像头实现驾驶辅助的系统，终于实现了量产，配备于1999年9月24日发表的斯巴鲁力狮Lancaster ADA【注2】之上。
【注2】斯巴鲁傲虎车系于1997年至2003年期间，其日本仕样车称作力狮Lancaster，更早的1995-1997年期间，其日本仕样车称作力狮Grand Wagon。
做史无前例的事情
虽然1999年问世的ADA，震撼了业界，但给驾驶者带来的功能还不够多，远远没有达到富士重自社的目标。很快，这一系统得到了进一步的改良。2001年5月22日，第二代力狮Lancaster迎来小改款，此次改款后，ADA系统不再配备于四缸引擎版本之上，而只配备于顶级的六缸车型之上，称作力狮Lancaster 6 ADA。

图注：力狮Lancaster 6 ADA（虽然图中车辆悬挂欧洲牌照，但此车从未于欧洲市场贩卖）
力狮Lancaster 6 ADA搭载的改良版ADA系统（第二代ADA）实现了VDC（Vehicle Dynamics Control，斯巴鲁的横滑防止机构）的预先控制，可根据立体摄像头探测到的与前车或者前方障碍物的信息，改变VDC的控制方式，强化安全机能。同时，主动巡航控制可以实现3段式的与前车间距的控制、ADA系统警报音也改为两段式调整，强化了实用性。
接着，又过了两年，2003年9月9日，ADA系统的第三代版本随着第四代力狮的顶级版本，力狮Touring Wagon 3.0R ADA发表。第三代ADA系统，通过结合使用了毫米波雷达和双眼式立体摄像头，实现了更精密的控制和更多的功能。
此时的车载双眼式立体摄像头以及其图像处理系统，限于当时的技术条件，在逆光等复杂光学条件、雨雪天气等复杂气候条件下，难以精确把握和前方车辆或者前方障碍物之间的距离，存在响应不够及时的问题，当时的车载毫米波雷达，虽然已经可以进行较为精确的测距，则存在无法像车载摄像头那样准确感知道路情况，容易出现误判的问题，因此，富士重的技术人员们，将两者结合使用，取长补短，在第三代ADA上实现了性能和功能性的跃进。

图注：斯巴鲁力狮Touring Wagon 3.0R ADA
另外，此时开始，ADA可以使用制动的方式更有效的控制与前车的相对速度、车距，此前，ADA实现这一控制的方式是通过调整节气门开度和强行降挡，对于驾驶者的干涉感较重，对舒适性的影响也较大，通过引入通过制动的方式控制与前车的相对距离和速度，实现了更平滑的主动巡航控制。

图注：斯巴鲁力狮Touring Wagon 3.0R ADA搭载的第三代ADA系统的双眼式摄像头
但第三代ADA依旧没有达到想象的程度，最显著的缺点就是成本过高。当时，力狮Touring Wagon 3.0R与力狮Touring Wagon 3.0R ADA两款车型的配置差别基本只在于是否配备了第三代ADA系统，但在富士重尽可能此方面不赚取利润的情况下，售价差也高达惊人的70万円，而且后者的重量比前者也大了足足大约一个人的重量——60kg（当然，重量差距巨大并非完全是ADA系统导致的）。
就算是主要汽车市场中，最对价格不敏感，而对新锐技术感兴趣的日本汽车市场，顾客们恐怕也难以接受在几乎一样的车型上存在如此之大的价格差。价格成了这款驾驶辅助系统普及的大敌。

图注：Calsonic Kansei的退出，给后续系统的开发带来了很大困难
祸不单行，第三代ADA发表后不久，还传来了立体摄像头总成的供应商Calsonic Kansei退出ADA后续开发，并且即将不再提供相关部品的消息。虽然本身这一总成为富士重方面与Calsonic Kansei协力开发，但失去了后者在制造方面的支持，无疑会寸步难行。
幸好此时，之前为第三代ADA提供过毫米波雷达的日立制作所和日立制作所的子会社HAS（日立オートモティブシステムズ）伸出了援助之手，表示愿意接替Calsonic Kansei，为富士重提供相关部品，并且应允帮助开发团队实现立体摄像头总成和图像识别总成的小型化与一体化（此前的系统，立体摄像头总成为Calsonic Kansei提供、图像识别总成为京瓷提供，不仅并非一体化的设计，占用空间较大，而且分别来自两家供应商）。
即便如此，富士重与日立制作所、HAS两社协力开发的新的相关总成也不可能迅速投入使用（相关总成的早期试作品，在2005年末举行的第39回东京车展上，由富士重和日立方面共同进行了展示），要继续发展相关系统，维持其在市场上的持续存在，就必须想出过渡性方案。而且，之前实在是高的有些离谱的成本必须进行削减。
开发团队想出了以红外线激光雷达取代毫米波雷达的方案，这一技术被称为“SI CRUISE”，在性能与功能性方面，较之第三代ADA基本无异，但价格大大下降。2006年11月发表了搭载这一技术的新车型，力狮2.0GT SI CRUISE LIMITED和力狮3.0R SI CRUISE LIMITED。相比未配备此技术的类似版本车型，价格上升仅30万円前后。

图注：搭载了“SI CRUISE”的斯巴鲁力狮3.0R SI CRUISE LIMITED
搭载“SI CRUISE”的新车，获得了预想之外的顾客好评，但就算这样，由于此时富士重的自动车事业方面经营并非今天这般顺遂——近几年，富士重伞下的几家完成车工场为了满足全球市场，尤其是北美市场，蜂拥而至的订单近乎处于疲于奔命的状态，斯巴鲁车经常供不应求——社内对于这类实际上开发成本颇高、制造成本也尚不合理，对贩卖并没有太过明显的帮助的辅助驾驶系统态度暧昧，开发团队一度到了需要申请日本经济产业省的助成金方才可以继续的地步。

图注：斯巴鲁力狮3.0R SI CRUISE LIMITED
能不能把雷达干脆拿掉，回到只用立体摄像头的思路？
这是业界没有任何先例的做法。抱着不成功便成仁的觉悟，开发团队和日立方面协力，开始了对相关总成的完善。2007年前后，开发团队制成了相对于此前的第三代ADA，只需要大约1/4前后的成本，却可以达成更好的性能和功能性的系统，并对社内展示了初步的成果。

图注：斯巴鲁力狮3.0R SI CRUISE LIMITED的红外线激光雷达（进气格删后，方形黑色物体）
2008年5月8日，第四代力狮年次改良，新驾驶辅助系统随之发表。因应系统的大幅变更——从此前结合了毫米波雷达或者红外线激光雷达的双眼式立体式摄像头系统，改为单独使用集成了图像处理系统的双眼式立体摄像头——这一系统更名为“EyeSight”，并配备于力狮3.0R EyeSight和力狮2.0GT EyeSight之上。世界首个实用化的此类系统，就此诞生。

图注：2008年年中，事前体验试乘会上展示的应用了EyeSight的斯巴鲁傲虎
此后不久，EyeSight进化为第二代的EyeSight Ver.2。富士重方面在与日本国土交通省进行了艰苦的交涉后，使其同意汽车制造商于量产车上配备让车辆在碰撞近乎不可避免的情况下完全停车的驾驶辅助系统。因此，EyeSight Ver.2具备了可在30km/h时速内时，将车辆自动刹停的冲突回避机能。

图注：EyeSight Ver.1开始，双眼式立体摄像头，与图像处理装置已经整合为一个总成，相较之过去，小型化程度大大提升
2014年6月20日，最新的EyeSight Ver.3发表，相较之前代产品整个总成继续小型化、薄型化，降低了对车内空间的占用。与此同时，摄像头由单色CCD变更为彩色CMOS，视认性能提高，并追加了识别前车制动灯的能力；视野角、视程相较之过去提高40%，扩大了系统的监测范围，可更早发现道路险情，辅助驾驶者进行避让；系统采用的CPU性能大幅提升，判断更为迅速，对车辆控制精致化；冲突回避机能的最大对应速度从此前的30km/h提升至50km/h；车道保持功能从此前的通过VDC系统控制，改为结合电动助力系统和VDC系统共同控制。而配备了EyeSight驾驶辅助系统的斯巴鲁车们，也已经于NASVA（自動車事故対策機構，J-NCAP等车辆安全性测试由其进行）的预防安全性能评价中，相较之其他曾参与这一评价的日本或者欧洲汽车制造商，这种全部参评车种全部取得满分或者几乎满分的成绩的情况，是绝无仅有的。