汽车前照灯检测技术的最新发展
----- 3CCD影像对正式全自动前照灯仪成功开发----

夏先扬

2006.02.20    成都

[摘要]     新型汽车前照灯已由单灯双光轴逐渐向双灯单光轴发展，给传统的机动车前照灯检测技术带来新的挑战，要改变前照灯检测技术滞后于汽车前照灯的发展的现状，迫切需要突破传统，引入新的技术。单灯近光前照灯由于光斑图形形态各异，因此对单独近光非对称光斑图形直接进行对正或经过图形分析后对正，都难以确认其普遍正确性。国内外目前行之有效的对近光前照灯单独对正检测的方法应该是基于“影像对正”原理的前照灯检测方法。采用影像对正的前照灯仪其显示屏上应出现被检灯影像。

[关键词]     影像对正    前照灯    远光    近光    对称光斑    非对称光斑    光轴    明暗截止线    CCD    光电电池点阵

[正文]
         20世纪末，由于世界汽车工业及科技的发展，一系列具有高科技技术的新型汽车前照灯不断地被开发、生产并迅速应用于各类新型汽车中。这些新型的前照灯，和传统的前照灯相比较，具有以下特点：

    ·发光方式及发光强度：从传统的钨丝灯泡发光，发展成气体发光及高强度放电发光，如卤素灯Halogen head lamp及 HID head lamp发光强度从15000cd提高到现在的80000~120000cd。
    ·灯的外形：从传统的园形，矩形灯发展为各种异形灯，水晶灯，以适应新型汽车前脸造型的艺术需求。
    ·灯的结构：这是最大的变化，传统的前照灯远光及近光灯丝均安装在同一个灯泡内，在变光时，发光的灯泡不变，只是远近光灯丝上下位置略有差异，而且近光灯丝功率较小，并带有遮光罩，以形成明暗截止线并具有防眩目功能，如图一左，称为单灯双光轴前照灯。
新型的汽车前照灯，将远光灯及近光灯分别做成两个灯泡，如图一右，称为双灯单光轴前照灯，其远光及近光两个灯泡的中心，在纵横坐标上均可能有100~300mm的差距。
                                            
                                                            图1，汽车前照灯结构方式变化图
     由于这种新型汽车前照灯的特点及其迅猛的普及速度，至使传统的全自动前照灯检测仪已经无法对新型的前照灯进行对正和检测。前照灯检测技术，特别是全自动前照灯检测技术迫切需要进行重大的改进与突破。

    以下分别分析上述矛盾中的主要技术关键，并提出解决的办法。笔者希望，结合新型3CCD影像对正式全自动前照灯仪的研制开发成功，及国外先进技术和经验，阐明观点参与讨论。

    2005年4月，日本生产汽车前照灯检测仪的著名厂家SANEI（三荣工业株式会社）的石恒俊雄，吉冈隆、稻恒洋二，岛本英彦四位专家在北京和成都分别和我们进行了三天的技术交流和探讨，本论文中，增加了某些双方取得共识的内容。
   （一）全自动前照灯检测仪与被检前照灯的对准方式
    前照灯检测仪在进行前照灯检测时，首先而且必要的条件是“对准”，即检测仪的透镜中心与被检测前照灯的发光体中心，在水平及垂直座标系上重合。手动前照灯检测仪均通过仪器受光箱上的对准镜用被检前照灯的发光体影像直接手动调整对准。传统的全自动前照灯检测仪则是利用前照灯远光通过透镜成象后的椭园（对称）光斑，借上下左右对称均布的四个光电池按照光照电流平衡电路的原理来自动对准。对于过去广泛应用的单灯双光轴前照灯，以远光对准之后，即使变为近光，由于远近光灯丝只在垂直座标上存在不足10mm的差异，仍然可以认为前照灯处于对准状态，继续进行近光参数的测量。 要想单独对近光光斑自动对准，由于其光斑图形的非对称性及多样性，不同近光灯的明暗截止线与最亮点之间的相对位置分布各异，因此传统的基于光轴对正方式的全自动前照灯仪从原理上来说是不可能正确解决各种不同的近光灯的单独对正的。因此对于新型的双灯单光轴前照灯，传统的全自动前照灯仪只能对准远光灯并进行测量，一旦变为近光灯，仪器则无法对准，当然也就不可能进行准确的测量。同时，现行的前照灯检测仪产品制造标准（JT/T3166-2004）及计量检定技术条件（GB/T11798.1~9-2001）和检定规程（JJG745-2002）都没有明确对前照灯检测仪对准方法的要求及检定办法，其结果是尽管许多全自动前照灯检测仪完全符合上述两个标准，但一旦遇到现已日益普及的双灯单光轴承前照灯，可以说根本无法进行正常的近光检测，这也暴露出我国技术标准的缺陷，极待改进。 日本平成10年（1998年）6月颁布了新的“自动车检查业务等实施要领” ，其中明确规定，今后对新登录（入户）车不再检查远光灯只进行近光灯的检测。 由此可见，传统的以远光作为对准基准的全自动前照灯检测仪在目前双灯单光轴、远近光分开的汽车前照灯日益增多的情况下，已经面临巨大的挑战，迫使我们去研究新的前照灯检测技术，开发新的前照灯检测产品。
目前，国内外全自动前照灯检测仪的对准方法，可归纳为以下三种：

（1）以前照灯发光体影象的几何中心为基准（单灯双光轴灯或双灯单光轴灯均适用）。
（2）以前照灯远光椭圆光斑的几何中心为基准（传统方式）。
（3）以前照灯远近光光斑的最大亮点，即等照度曲线中心的最亮点，或近光光斑通过图形处理后的拐点为基准。
                             
                                                                                        图2 远近光直视影像及光斑图

如按上述三种方法与暗室中10m屏幕投影方式的等效性而言，第一种对准基准是最正确的，而且无论远近光为同一灯泡或分为两个灯泡，均能自动对准。因为前照灯远近光经过透镜聚焦后的光斑分别是一个对称图形和一个非对称图形，而远近光发光体的直视发光影像则都是同样的对称图形。（见图2） 此外这种对准方式还有一个优点，即在远光或近光对准之后，即使进行前照灯在线调整，由于其发光体影像是绕其中心摆动的，可以认为影像中心座标不变，因而前照灯检测仪的光接收箱勿需重新对准，机头不会移动，大大缩短了检测调整的时间。
采用影像对正的全自动前照灯仪如用一台单灯双光轴光源，分别开启远光或近光时，其光接收箱中心的变动，不会超过1cm，这是其它对正方式做不到的。 第二种对准基准即传统全自动前照灯仪采用的基准，其优劣如前所述。
第三种对准基准的确表徵了前照灯远近光光束的理论光轴中心（即远近光光斑等照度曲线的中心聚缩点）。但是，由于制造及使用因素（灯丝不在抛物线焦点,反光罩曲率半径不正确，反光玻壳折射率及透光率不正确，工作电压不稳等）的综合结果，该光轴的中心并不稳定难以精确定位。因此，许多国家都在法规中规定，在近光测量时直接使用近光光斑明暗截止线的“拐点”（英文为Hot Point,日文为ェルホ。点），作为近光光轴的中心点。而近光光斑真正的最亮点是在拐点之下，偏右（右行制ECE标准灯）或偏左（左行制ECE标准灯）如图3。

图3  近光光斑图
国际标准ISO10604，道路车辆一标准前照灯光束方向的测量设备、法国标准NFR63-801，公路车辆准修设备用于检验照明设备（前照灯）的仪器、以及日本1998年（平成10年）新修订的日本汽车检测业务法规中关于汽车远近光检测标准及方法等都明确阐明了上述原则。
而这一原则，在我国有关汽车的前照灯的制造标准及检定规准中，尚缺乏明确的界定，这也是迄今为止，在业界中对此一直存在争议的原因之一。

   （二）全自动前照灯检测仪光电原件的发展趋势
就国内外实用技术而言，使用光电池点（线）阵技术或使用CCD图像处理技术都已开发出多种可以对传统的远近光前照灯进行检测的全自动前照灯仪。对ECE制近光（非对称防眩光斑），均可通过各自的方法检测出明暗截止线，拐点位置，路面方向照射光强（即亮区，日本新标准规定，其测定点发光强度应在6400Cd以上），防眩目区光强（即暗区，日本新标准规定其测定点发光强度应在1000Cd以下）等主要参数。 CCD面阵成像像素高（是光电池方式的1000倍以上），而且能将二维平面的远近光影象图形及配光图形进行连续采集，通过对图形的软件处理，可迅速获取所需的远近光对正及检测数据。采用CCD的全自动前照灯仪其机械传动系统及光学系统均大大简化，降低了故障率及维护成本。目前存在的缺点是成本稍高,但是，随着低像素（30万像素以下）CCD原件价格的迅速下降，稳定性不断提高，以及存储数据的数字硬盘的快速发展，在容积、可靠性、价格方面都可与传统硬盘一争高下，因此，CCD光电原件在全自动前照灯仪中的应用一改其阳春白雪的高贵形象，日益普及,并将占有重要的地位。 日本全自动照灯检测仪在国际上处于一流水准，各著名汽车设备商家（如万岁、安全、弥荣、日产贩卖等）的前照灯仪，绝大部份是日本三荣电子（株）及中央电子计测（CEM）的贴牌产品。 2005年4月，三荣（株）的专家在北京和成都与我们进行了三天的技术交流和探讨，他们认为，目前我们开发的3CCD全自动前照灯检测仪在工作原理及测试精度方面都没有问题，在中国应处于领先地位。特别在图形处理技术的软件方面有许多值得日本同行学习的地方。
1998年（平成10年）新修订的日本汽车远近光检测标准及方法中准荐了在日本全自动前照灯仪中广乏采用的光电池点阵技术。见图4

图4  日本光电池点阵布置图
由于日本汽车行驶方向为左行制，故其前照灯近光参数和图形与我国相反，互为镜像。在菲湟尔（FRESNEL）透镜后的屏幕上按图4布置有14枚硅光电池，其测定原理为：
远光灯检测时：AB、CD四枚光电池用于照射方向的对准用，E光电池用于光度测量，与传统方式同。
近光灯（ECE制）检测时：FGH 3枚光电池检测明暗截止线水平线的斜线的位置，AJK及LMN 6枚光电池检测明暗截止线150斜线的位置,P光电池用来检测路面亮区光度。
通过各光电池输出电流的不同，计算：
水平线上下位置测定 （H—G）=（G—F）
15斜线位置测定 （K+N）—（J+M）=（J+M）—（A+L）
SAE制的近光灯由于其光斑图形仍然是对称的，因此其检测原理与远光灯相同。
显然，这种光电池点阵技术仍然存在对近光灯单独自动对准的困难。
由此可以得出结论，只有以前照灯发光体影像的几何中心作为对准基准，并采用远近光图像处理技术，才是解决目前已广泛应用的双灯单光轴前照灯检测的必由之路。据笔者所知，目前国外机动车前照灯检测仪普遍采用的均为影像对正式的前照灯检测仪。

   （三）全自动前照灯极测仪的检测距离
在行业中，采用1m或3m的检测距离亦有争议，从理论上讲，只要采取相应的技术措施，两者都是可行的，见下表。

    但是，在CCD摄像类前照灯仪中，只有CEM的HL-3000型由于采用投影屏幕而使用3m距离外，所有采用FRESNEL透镜聚焦的前照灯仪无一例外的均使用1m距离。而在光电池点阵类全自动前照类仪中，值得注意的是，国外产品特别是日本产品，几乎全部采用1m的检测距离，我认为除了节省场地一因素外，减少左右灯光束的互扰及外界背景光的干扰，提高聚焦图形的明暗区光强的对比度从而改善测量精度等都是重要的原因。

    笔者认为：正确的光学设计即使在1m处的测量也能得到10m处相同效果的测量图形。

   （四）新型QD5-3CCD型全自动前照灯仪的特点
本仪器以机动车前照灯”10m屏幕投影方式”为基础，利用CCD摄像头精确成像，采用先进的计算机数字图像处理技术的及电子控制技术，对前照灯远近光灯的影像分别单独对准，同时完成远近光光强及光轴偏移度的测定，整机外型见图5。
本仪器使用一个CCD摄像头对前照灯远近光的发光体影像几何中心完成对准，用两个CCD摄像头分别完成远近光的光强及光轴偏移度的测定，由于采用了数字图像的高效软件处理技术，可获得与所测前照灯在10米屏幕处极为接近的配光图形及特性，因此，检测精度及重复性很高。 由于本仪器在研制过程中，大量吸取了国内外的先进技术及传统全自动前照灯仪的经验，特别注重人性化及智能化的设计，从而具有以下的特点。

·采用嵌入式工控机（在机顶盒中）及大屏幕液晶屏（15″LCD屏）显示，机电一体化。
·通过3CCD图像处理方式，精确实现近光，远光的单独对准和测量.
·远近光光轴偏移度的合格范围，可按标准设定，并在LCD屏上以黄线方框显示，被测灯光的光轴以红色“+”表示，在线调整时“+”标移动而灯箱不动。“+”标进入黄线方框为合格，进入合格区域后光标自动变换颜色，十分方便。
·在测试光轴偏移及光强的过程中，包括在线调整的过程中，所有检测参数及图形，均可动态显示，特别适合前照灯远近光的动态调整。
·可单机手动，半自动、更适合联网全自动使用。
·独创的超声波测距功能，可测定左右前照灯与仪器的距离（精度0.1cm）从而可计算和修正被测车辆偏斜度及其对光轴测定的影响。

QD5-3CCD型全自动前照灯仪技术参数见下表：

    新型QD5-3CCD前照灯检测仪，已在成都驰达实业有限公司批量生产，并在四川丰田、长安汽车、重庆、山东、深圳、贵州、新疆等处正式投入使用。