紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)可行性研究

汪同浩 劉秉琦

摘要： 為解決當(dāng)前夜間輔助駕駛儀平面顯示的弊端，提出利用平行式紅外雙目立體系統(tǒng)用于夜間輔助駕駛的方案。分別從波段選擇、體視半徑和體視區(qū)域三個方面分析了系統(tǒng)的可行性，最后通過搭建的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)可以有效解決當(dāng)前夜間輔助駕駛儀平面顯示的弊端，有利于駕駛員對路況作出正確的判斷。

關(guān)鍵詞：輔助駕駛； 平面顯示； 紅外雙目立體； 可行性

中圖分類號： TN 949.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.011

Abstract： In order to overcome the shortcomings of the current nighttime auxiliary driving machine，this paper proposes a scheme of using the parallel infrared binocular stereo system for night assisted driving.In this paper，the feasibility of the system is analyzed from the aspects of band selection，body radius and body view.Finally，the feasibility of the system is verified by the infrared stereo assisted driving system.The results show that the infrared stereo assisted driving system can effectively solve the drawbacks of the current nighttime assistant driving program，which is helpful for the driver to make the correct judgment.

Keywords：auxiliary driving； plane display； infrared binocular stereo； feasibility

引 言

視覺是人類感知外界環(huán)境的重要通道，車輛行駛過程中，駕駛員對路況信息的感知絕大多數(shù)來自雙目立體視覺。為拓展人眼視覺，提高駕駛安全性，人們越來越重視輔助駕駛系統(tǒng)在車輛安全行駛中的應(yīng)用。其中，車載紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)因其具有全天候、隱蔽性好、穿透性強(qiáng)等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于軍事車輛夜間輔助駕駛[1 2]。

當(dāng)前的夜間輔助駕駛系統(tǒng)大都通過置于車體外的紅外相機(jī)捕捉車體外的景物信息，然后將捕獲的信息實(shí)時顯示在駕駛艙的顯示器上，以達(dá)到輔助駕駛的目的。然而，目前的夜間駕駛系統(tǒng)多是采用單相機(jī)進(jìn)行圖像采集，因此顯示器中顯示的圖像只是單一的二維圖像，缺乏縱深感，導(dǎo)致駕駛員很難判斷

景物的前后關(guān)系以及相對位置，不利于戰(zhàn)車行進(jìn)。因此，發(fā)展適合人眼觀察的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)顯得尤為重要。

針對夜間輔助駕駛系統(tǒng)平面顯示的弊端，本文提出一種紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)的解決方案。本文分別從波段選擇，體視半徑以及體視區(qū)域三個方面對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析，最后通過搭建的紅外雙目系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 技術(shù)需求分析

1.1 波段選擇

行人及車輛的溫度一般在290～340 K范圍內(nèi)，因此根據(jù)維恩定律可知，波段8～14 μm的長波紅外更適合夜間輔助駕駛。為此，選用中波與長波熱像儀進(jìn)行實(shí)景拍攝對比，兩組實(shí)驗(yàn)均在夜晚同一場景下進(jìn)行，拍攝結(jié)果如圖2所示。由圖可以很直觀地看到，長波紅外對于場景溫度具有更高的分辨率，更有利于觀察者看清目標(biāo)。

1.2 體視半徑

三維世界中的實(shí)際物體都是由連續(xù)物點(diǎn)組成，攝像機(jī)將空間連續(xù)影像成像在離散的像素坐標(biāo)上必然會帶來一定的量化誤差[4]，通常情況下，量化誤差一般不會超過1/2個像素。圖3為雙目成像原理圖，O1、O2分別為兩相機(jī)中心，空間任一物點(diǎn)P（x，z）在兩相機(jī)成像面的坐標(biāo)分別為P1（ x1， f）、P2（b+x2， f），其中：b為基線長度；f為相機(jī)焦距。

根據(jù)幾何成像關(guān)系可得此時的視差值等于最大誤差值Δδ，系統(tǒng)將無法分辨視差值大小，對應(yīng)的Δz也趨于無窮大；若z>bf/Δδ，此時p<Δδ，系統(tǒng)也無法獲取視差值。所以紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)感知的有效距離不會超過bf/Δδ，即當(dāng)存在一個像素值時恰能被分辨，此時對應(yīng)的距離就是系統(tǒng)的探測體視半徑。取f=8 cm，代入式（5），得到的立體半徑隨像元大小以及基線長度的關(guān)系圖，如圖4所示。

根據(jù)式（7），基線長度取50 cm，分析雙目系統(tǒng)的立體區(qū)域的寬度隨著探測距離與水平視場的變化，結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)θ=12°，H=31 m時，立體區(qū)域?qū)挾冗_(dá)到6 m，這已經(jīng)滿足夜間駕駛的需求。而在實(shí)際應(yīng)用中，相機(jī)的水平視場角θ>30°，此時在100 m處的立體區(qū)域?qū)挾萴>26.3 m，這足以滿足夜間駕駛的需求。

假設(shè)制動距離為30 m，水平視場角為30°，車體寬度為3 m，代入式（9）可得基線長度為b≤13 m，實(shí)際條件很容易滿足。因此可以得出系統(tǒng)在體視空域上也能滿足駕駛要求。

2 實(shí)驗(yàn)分析

由于紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是輔助駕駛員夜間駕駛，因此搭建的平臺應(yīng)盡量模擬實(shí)際行

車過程中的車體的移動、轉(zhuǎn)向等車載條件，實(shí)驗(yàn)平臺應(yīng)具有自由轉(zhuǎn)向、靈活移動等特點(diǎn)。為此搭建如圖7的實(shí)驗(yàn)平臺。

實(shí)驗(yàn)選擇在夜間道路上進(jìn)行，大氣溫度18 ℃，有薄霧，無月光，無雨。實(shí)驗(yàn)主要的拍攝對象為路邊的樹木、建筑物和行人。拍攝行人距離在100 m以內(nèi)，雙目系統(tǒng)的基線長度為28 cm，人行走的速度約為5 km/h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

將獲得的雙目紅外影像合成為左右分屏的立體影像，在VR顯示器上觀察可以很清楚獲得立體感受。此時可以感受到行人位于屏幕前，且越來越遠(yuǎn)離觀察者。實(shí)驗(yàn)獲取的多組影像中，部分影像完全感受不到立體感，分析原因主要有以下兩個方面造成：一是由于小推車行進(jìn)過程中抖動導(dǎo)致成像效果差；二是在行進(jìn)過程中由于抖動導(dǎo)致熱像儀的固定裝置發(fā)生松懈，熱像儀間距以及平行性發(fā)生改變。因此在實(shí)際應(yīng)用中還需加入穩(wěn)像系統(tǒng)，以減小震動對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。

3 結(jié) 論

結(jié)合當(dāng)前夜間輔助駕駛儀的不足，提出一種紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)的解決方案，并分別從波段選擇、體視半徑以及體視區(qū)域三個方面對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析，最后通過搭建的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)驗(yàn)證了其可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡毅.非制冷熱成像在夜視技術(shù)中的作用和地位[J].紅外與激光工程，2001，30（3）：214 217.

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[4] 胡漢平.雙目立體測距關(guān)鍵技術(shù)研究[D].長春：中國科學(xué)院大學(xué)（長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所），2014.

[5] 劉秋錦.車用紅外夜視系統(tǒng)研究[D].河北：燕山大學(xué)，2014.

[6] OPTIC C.A basic guide to night vision[J].Yukon Advanced Optics，2010，14（7）：12 14.

（編輯：劉鐵英）