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激光雷達(dá)與攝像頭：雨中駕駛

2020-02-27 00:01:09·  來(lái)源：智車科技  
　
原創(chuàng)小智 昨天很多人認(rèn)為下雨就是自動(dòng)駕駛路測(cè)中的災(zāi)難，雨水很容易對(duì)激光雷達(dá)等傳感器造成干擾。真實(shí)情況是這樣嗎？本文Ouster工程師 Raffi Mardirosian 分享了
很多人認(rèn)為下雨就是自動(dòng)駕駛路測(cè)中的災(zāi)難，雨水很容易對(duì)激光雷達(dá)等傳感器造成干擾。真實(shí)情況是這樣嗎？本文Ouster工程師 Raffi Mardirosian 分享了Ouster激光雷達(dá)在雨中測(cè)試時(shí)的真實(shí)表現(xiàn)，該傳感器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，能經(jīng)受工業(yè)應(yīng)用中苛刻的使用條件和不可預(yù)測(cè)的使用環(huán)境的考驗(yàn)——如在暴雨中駕駛、浸泡在水中、洗車機(jī)清洗以及車規(guī)級(jí)沖擊和振動(dòng)。


在過(guò)去的12個(gè)月里，我們看到了很多關(guān)于激光雷達(dá)在雨中失效的觀點(diǎn)，其中的大多數(shù)是毫無(wú)數(shù)據(jù)根據(jù)的猜測(cè)，比如下面的評(píng)論：


作為激光雷達(dá)的生產(chǎn)和研發(fā)方，當(dāng)我們讀到這些荒謬的推文時(shí)，我們的反應(yīng)如下圖：

與自動(dòng)駕駛行業(yè)密切的合作經(jīng)驗(yàn)告訴我們，激光雷達(dá)傳感器和攝像頭在自動(dòng)駕駛技術(shù)系統(tǒng)中都發(fā)揮著重要作用。攝像機(jī)為系統(tǒng)提供了高分辨率的紋理細(xì)節(jié)，而激光雷達(dá)傳感器則貢獻(xiàn)了高可靠性的深度信息。也就是說(shuō)，在其中一個(gè)傳感器可能會(huì)發(fā)生性能下降的情況下(比如在雨中)，另一個(gè)傳感器可以繼續(xù)正常工作，起到彌補(bǔ)對(duì)方不足與提升系統(tǒng)整體可靠性的作用。

所以讓我們回到推特上的這些評(píng)論。從中我們可以看到大家都在討論同一個(gè)問(wèn)題，即激光雷達(dá)在雨中的真實(shí)性能表現(xiàn)，但是否真正有人實(shí)測(cè)過(guò)呢？我們的谷歌搜索結(jié)果告訴我們，答案是幾乎沒(méi)有。所以我們認(rèn)為驗(yàn)證這些觀點(diǎn)的最好方式，就是進(jìn)行一場(chǎng)激光雷達(dá)雨中駕駛測(cè)試。

上個(gè)月，舊金山下了第一場(chǎng)雨時(shí)，我們進(jìn)行了一次雨中駕駛測(cè)試。我們?cè)谲図敳⑴虐惭b了一個(gè)GoPro攝像頭和Ouster的 OS1激光雷達(dá)，同時(shí)錄制4K高清視頻和激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在此次測(cè)試中，一直下著中雨，我們的車輛沿著舊金山的街道行駛。

從下面的視頻中可以發(fā)現(xiàn)，事實(shí)證明降雨對(duì)我們激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的影響微乎其微。潮濕的環(huán)境是許多場(chǎng)景中的一種，在這些復(fù)雜場(chǎng)景中，需要同時(shí)使用這兩種傳感器使感知系統(tǒng)更安全、更強(qiáng)大。

與激光雷達(dá)相比，降雨對(duì)相機(jī)的影響更大

在視頻中，右上角的三張2D圖像是激光雷達(dá)輸出的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)全景圖——沒(méi)有使用攝像頭，完全靠Ouster激光雷達(dá)本身生成：頂部圖像來(lái)自于激光雷達(dá)捕獲的環(huán)境光成像(自然光)；第二幅圖像是強(qiáng)度信號(hào)形成的灰度圖(反射回傳感器的激光強(qiáng)度)；第三幅圖像是深度圖(反應(yīng)傳感器的距離深度信息，或者依據(jù)反射回波計(jì)算得到的距離深度信息)。

下圖可以看到，即使激光雷達(dá)傳感器的外層玻璃上有水滴，也不會(huì)影響激光雷達(dá)強(qiáng)度和深度信號(hào)的圖像。最上面的環(huán)境圖像呈現(xiàn)顆粒狀，因?yàn)樵茖訙p少了日光量，但仍然沒(méi)有受到玻璃上雨水的影響，可以正常成像。

這是在雨中開過(guò)后雷達(dá)的樣子。你可以看到傳感器的玻璃上有水滴，但是這個(gè)對(duì)我們傳感器的數(shù)據(jù)沒(méi)有影響，原因是傳感器內(nèi)部擁有更大的光學(xué)光圈。

Ouster的OS1激光雷達(dá)之所以具有穿透窗口上遮蔽物（在這種情況下是水滴）的獨(dú)特能力，其中一個(gè)因素是傳感器的大光學(xué)孔徑鏡頭，這是由我們的數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。大光圈使得光線可以繞過(guò)傳感器窗口上的遮蔽物。帶來(lái)的結(jié)果是傳感器的測(cè)程因雨水而略有縮小，但圖像完全不會(huì)因雨水而失真。

大孔徑光圈還可以讓傳感器感知飄在空中的雨滴周圍的情況。盡管降雨量比較大，但傳感器不會(huì)捕獲飄在空中的雨水，實(shí)際提供的還是周圍真實(shí)環(huán)境的信息。從第二幅信號(hào)強(qiáng)度的灰度視頻可以明顯的看到這點(diǎn)。

作為對(duì)比，普通的攝像頭傳感器的光圈比雨滴小得多。因此，單個(gè)雨滴可能會(huì)遮蔽視野中可能包含關(guān)鍵信息的大片區(qū)域。為了克服這種失真，汽車制造商不得不開發(fā)清洗系統(tǒng)解決方案，以防止攝像頭鏡頭上產(chǎn)生積水和污垢。

曝光時(shí)間是影響激光雷達(dá)和攝像頭在雨中表現(xiàn)的另一個(gè)重要因素。人眼和攝像頭都有很長(zhǎng)的曝光時(shí)間(以千分之一秒為單位)，這使得下降的水滴在圖像中看起來(lái)如條紋狀，雨水看起來(lái)比實(shí)際密度更大。Ouster的激光雷達(dá)具有以百萬(wàn)分之一秒為單位的超快曝光快門，因此在測(cè)量過(guò)程中雨水被有效地凍結(jié)在原位，而不會(huì)被檢測(cè)為跨越多個(gè)像素的條紋狀圖像。

最后，激光雷達(dá)傳感器處理回波的特點(diǎn)，使它們?cè)谔囟ǚ秶鷥?nèi)穿透遮蔽物(如降雨)時(shí)候具有明顯的優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)提供的是“帶深度信息的圖像” 。激光雷達(dá)不是像相機(jī)一樣僅僅將沿像素方向返回的所有光子強(qiáng)度疊加在一起，而是將回波光子按照時(shí)間序列整合到一系列“距離門”。

從該時(shí)間序列中，我們只挑選出傳感器中每個(gè)像素返回的最強(qiáng)信號(hào)（單回波）。這使得我們可以忽略其他較弱的干擾信號(hào)，比如雨滴的反射和潮濕的傳感器窗口的反射。

相比之下，攝像頭沒(méi)有能力區(qū)分空氣中的雨和雨后堅(jiān)硬物體的回波信息。所有的光子都被收集到每個(gè)像素中，體現(xiàn)在強(qiáng)度疊加值里，沒(méi)有多信號(hào)返回的概念。Ouster的OS1激光雷達(dá)能夠忽略從雨滴返回的信號(hào)，并在所有回波信號(hào)當(dāng)中挑選出最強(qiáng)的，如雨滴后的建筑物回波。而攝像頭則并無(wú)法忽略來(lái)自雨滴的信號(hào)，而是簡(jiǎn)單將來(lái)自雨滴的信號(hào)與從雨滴后面的建筑物返回的信號(hào)疊加起來(lái)，這種綜合信號(hào)使其輸出的圖像失真。

由于光圈大小和快門速度的原因，激光雷達(dá)傳感器產(chǎn)生的圖像失真比相機(jī)少得多。當(dāng)然，激光雷達(dá)傳感器也并不是完全沒(méi)有受到影響——畢竟在潮濕的環(huán)境下，光線是從潮濕的光路上反射出來(lái)，這對(duì)相機(jī)和激光雷達(dá)傳感器都構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

水把道路變成了鏡面

在潮濕的道路上，水就像鏡面一樣，鏡面反射光的模式與在干燥條件下路面完全不同。這種反射給兩個(gè)傳感器都帶來(lái)了挑戰(zhàn)，給相機(jī)的成像感知造成了混亂，并縮小了激光雷達(dá)傳感器的探測(cè)范圍。在干燥的道路上，粗糙的瀝青路面會(huì)散射光線，使激光向四面八方漫反射。但在潮濕的道路上，水將道路變成不完美的鏡面，就像一面鏡子反射了一部分光線。


對(duì)于攝像頭來(lái)說(shuō)，挑戰(zhàn)來(lái)自于道路上出現(xiàn)的反射，這些反射可能會(huì)產(chǎn)生混亂的物體鏡像。在下圖中，您可以看到汽車的前照燈在潮濕的地面上產(chǎn)生了倒影鏡像。對(duì)于裝有物體識(shí)別軟件的攝像頭來(lái)說(shuō)，這可能會(huì)使系統(tǒng)發(fā)生認(rèn)知混淆，誤以為存在第二輛車，或者誤以為這輛車可能比實(shí)際距離更近。

雨中汽車大燈的倒影

對(duì)于激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，類似情境下不利的影響是，傳感器在路面上的測(cè)程縮小。激光雷達(dá)傳感器發(fā)出的一部分激光在道路上的水面上直接反射，逃離傳感器方向。這意味著傳感器將接收不到遠(yuǎn)距離的路面信息。我們的激光雷達(dá)對(duì)于其它物體（比如汽車、建筑物、樹木等）的探測(cè)范圍卻可以不受該影響。

下面的動(dòng)圖中看到，它展示了雨天和晴天的點(diǎn)云效果。建筑物在雨中能見(jiàn)度變化不大，但由于道路的鏡面反射，路面能見(jiàn)范圍在雨中縮小了。


并不是所有的激光雷達(dá)天生都是一樣的

Ouster傳感器在雨中的強(qiáng)勁性能并不一定代表所有的激光雷達(dá)都能有這樣的表現(xiàn)。我們的傳感器經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，能經(jīng)受工業(yè)應(yīng)用中苛刻的使用條件和不可預(yù)測(cè)的使用環(huán)境——如在暴雨中駕駛、浸泡在水中、洗車機(jī)清洗以及車規(guī)級(jí)沖擊和振動(dòng)。


Ouster 激光雷達(dá)在舊金山街道雨天實(shí)際錄制的數(shù)據(jù)，左側(cè)為攝像頭，右側(cè)上方為利用激光雷達(dá)產(chǎn)生的360°環(huán)視圖，右一位環(huán)境圖，右二為反射強(qiáng)度圖，右三為距離信息圖。右下為激光雷達(dá)點(diǎn)云輸出。

在其他商業(yè)化的激光雷達(dá)技術(shù)中，傳統(tǒng)的模擬信號(hào)旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)傳感器和MEMS微振鏡激光雷達(dá)傳感器由于孔徑較小，往往在雨中駕駛時(shí)表現(xiàn)欠佳。就像我們演示中的攝像機(jī)一樣，傳統(tǒng)激光雷達(dá)的成像會(huì)被小雨滴扭曲。此外，傳統(tǒng)的模擬信號(hào)激光雷達(dá)或MEMS微振鏡雷達(dá)的防水等級(jí)都沒(méi)有高于IP67的(Ouster激光雷達(dá)的防水等級(jí)均為IP68和IP69K)，也沒(méi)有通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的車輛沖擊和振動(dòng)測(cè)試，這使得它們?cè)谄閸绲牡缆坊虺睗竦沫h(huán)境下很容易發(fā)生故障。

多樣性是關(guān)鍵

這場(chǎng)雨中駕駛測(cè)試突出表現(xiàn)出不同的環(huán)境條件對(duì)不同傳感器的性能產(chǎn)生不同影響。這并不是要抨擊、或者宣稱攝像頭是不必要的。攝像頭提供了關(guān)鍵的高分辨率紋理信息，與激光雷達(dá)和雷達(dá)點(diǎn)云深度數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠使自動(dòng)駕駛汽車綜合感知系統(tǒng)更加強(qiáng)大，適應(yīng)更復(fù)雜與苛刻的環(huán)境。

當(dāng)然，這場(chǎng)雨中駕駛測(cè)試也證實(shí)了攝像頭在雨中的性能衰減會(huì)比激光雷達(dá)更顯著（至少跟Ouster的激光雷達(dá)相比是如此）。在這些復(fù)雜場(chǎng)景下，不同類型的傳感器數(shù)據(jù)融合可以降低感知系統(tǒng)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。感知架構(gòu)當(dāng)中，傳感器的多樣性與冗余度是自動(dòng)駕駛汽車安全商用推廣的關(guān)鍵。

在接下來(lái)的一年里，敬請(qǐng)期待Ouster激光雷達(dá)傳感器能夠適應(yīng)更加苛刻復(fù)雜的環(huán)境，并一如既往的表現(xiàn)出更加可靠與出色的性能！
 
 
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