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一、CMS背景简介
CMS（camera monitor system摄像机监视器系统）即电子后视镜，对于道路安全的价值愈发凸显。随着汽车电子及感知技术发展，相关车载摄像头、车载显示屏、控制器的软硬件的产业链更加成熟，CMS市场需求规模化蓄势待发。国家汽车标准委车附分委经过7年的调研编制，更新版GB15084-2022于2023年7月1日正式实施，其中针对CMS正式增加图像、结构撞击、功能安全、ECM、安装布置等要求。
二、GB15084-2022法规要求
国家标准对CMS系统在多个层次上做出详细规定，如下图所示：
图像要求是本次法规新增的重点考察项，图像要求中的方向均匀性、亮度对比度复现、色彩还原、弥散、点光源、锐度、景深、几何畸变、闪烁、放大倍数、分辨率等测试项需多次测试或不易通过。
三、Ansys光学成像解决方案
新标准、新产品、新技术给研发带来了全新的挑战，CMS法规核心的图像相关指标具有典型的系统相关性，难以从单一的零部件端解决遇到的问题。譬如摄像头端满足指标可能带来CMS系统的指标冲突，显示屏端满足指标可能与CMS系统的安装布置不匹配，CMS系统级的指标满足后可能带来人眼视觉的可读可视性问题。成像质量、图像算法、系统匹配需要大量试验及整合，测试周期长，沟通成本高。
结合CMS产品特点及现有工程经验，满足法规核心的图像要求，需对CMOS、IPS、Lens、控制器、Monitor、CMS系统布置全面考虑。建议设计前期即基于CMS软硬件参数及座舱布置进行分析评估，可有效降低后期整改风险。
本文基于Ansys软件，以一个3D成像场景介绍光学成像解决方案的虚拟评估流程，以分析光学系统和CMOS成像器组合在不同照明条件下的特定环境中摄像头系统的图像质量。该光学系统采用Ansys Zemax OpticStudio设计，并导出到Ansys Speos进行系统级分析。CMOS成像采用Ansys Lumerical设计，并导出到Ansys Speos。
在摄像头系统中，CMOS是一种电子元件，其中入射吸收的光子产生可以数字处理的光电流。在本例中，我们使用了Ansys完整的光学解决方案，并将Zemax OpticStudio的光学系统信息以及Lumerical的CMOS成像仪导入到Speos中，在3D场景中进行完整的系统分析，并仿真电子图和成像仪生成的最终图像。在仿真整个光学系统时，这种交互式工作流考虑了宏观光学镜头与CMOS图像传感器微观结构之间的相互作用。需要指出的是，与渲染软件不同，Speos基于物理的光度/辐射度的光学仿真能力来处理真实照明场景，用户可以轻松优化组件，并构建图像传感器记录的最终电子图和最终图像的准确成像，以帮助研发基于工程的摄像头系统。
此虚拟解决方案需要四个主要步骤：
第1步：使用Zemax OpticStudio进行光学镜头系统设计并导出模型供Speos使用
在这里，我们使用紧凑高效的光学镜头系统，采用Zemax OpticStudio设计。在距传感器中心约35 mm的距离处，传感器表面的入射角增加到2度，然后在传感器的拐角处减小到25度。设计后的光学镜头模型可自动生成Speos所需文件，也可以根据数据表信息中的主射线角度曲线信息创建。（如果光学镜头设计信息无法获取）。
第2步：使用Speos在CMOS成像器前生成光谱曝光图
光学镜头模型被导入到Speos摄像机传感器中，以定义摄像机系统的镜头性能，并在具有真实照明条件的3D场景中评估传感器感知。同时支持基于降阶模型ROM运行光线追踪光度学摄像头仿真，比Speos中的全镜头详细系统仿真快约100倍，计算结束后提取光谱辐照度和曝光图等关键成像指标。
光谱辐照度图提供了到达传感器上每个点的光量的详细可视化，单位为W/m²/nm，这对于确定摄像机捕获的图像质量至关重要。它可以帮助识别可能影响整体图像质量的热点、阴影和其他异常照明。除此之外，光谱曝光图还提供有关到达摄像机传感器的光量信息，单位Joules/m²/nm。它有助于确定摄像机的最佳曝光时间设置，以捕获高质量图像。
传感器的感兴趣测量区域可以使用不同的形状来定义，例如矩形形状，以捕获从场景到传感器的光线。在本例中，感兴趣的测量区域覆盖了传感器的整个区域。在测量信息表中，显示了传感器整个区域捕获的平均曝光值，白天积分时间为0.05s，约为8 mJ/m²。使我们能够方便的评估摄像机光学特性，例如传感器不同位置时的畸变distortion、渐晕vignetting和分辨率Resolution。
第3步：使用Lumerical用于计算传感器的量子效率与入射角和波长的函数关系
CMOS图像传感器由具有光学和电子元件的微结构组成。主要的光学元件是微透镜和彩色滤光片，用于将所需波长的光聚焦在成像器底部的正确点上。主要的电子元件是光电二极管和金属排线。CMOS成像仪的耦合光电仿真在Lumerical中完成，用于量化所设计的CMOS传感器的量子效率。生成的传感器的量子效率EQE信息被导出用于后处理。
第4步：使用Speos用于结合光谱曝光图和量子效率后生成电子图以及最终图像
Speos结合光谱曝光图和量子效率EQE信息，将光谱将曝光图转换为Raw图、电子图和最终图像。通过分析不同照明条件下的电子图、Raw图和最终图像，为用户提供了评估摄像机在光学和传感器设计以及后处理适用性方面的图像性能指标的方法。
结果表明，当前设计的摄像机在夜间条件下检测到的电子数量少会导致明显的曝光不足和低亮度的最终图像。这可能是由于夜间光线水平低/传感器的量子效率差，导致光子转换为电子的效率低。潜在的解决方案可能是增加曝光时间，使用具有更大光圈的光学镜头或在夜间增加光线水平（这可能受环境限制）。此外，通过调整后处理传感器定义并微调工作条件增益因子和系统增益因子，以及确保足够的位深度和动态范围，也可以提高图像性能。
四、小结
可以看到，得益于Ansys全链路3D光学成像解决方案，强大的3D场景整合及人眼视觉功能，不仅可用于根据不同的环境条件探索所设计或选择的设备性能是否符合工程应用要求，也支持选择其中的部分工作流应用于CMS上下游企业相关虚拟评估，譬如进行FOV的虚拟检测，车载显示屏的眩光分析等。
电子后视镜CMS领域的新标准、新产品、新技术带来了成像系统前所未有的挑战，法规中的图像评估多数是系统级的呈现结果，本文基于某3D环境场景，着重介绍了摄像头端的光学成像解决方案，欢迎继续关注我们的电子后视镜CMS、车载摄像头、车载显示屏系列后续技术文章。
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