一款超清夜視行車記錄儀的設計

潘朝猛 劉毅 劉施文 江蘇大學機械學院

1.概述

隨著我國的發展，人們的出行基本離不開汽車，但是汽車數量的迅速 增長，亦帶來了許多問題，目前車載行車記錄儀市場上有遠程監控、導 航儀、實時路況等工具來緩解路況，但是收效甚微。首先是因為導航也 具有延時性，信息不夠及時接收，尤其是對駕駛員眼前的實時路況，行車記錄儀不能較好應對反應突發事故。

其次，這些設備反映的是小范 圍的路況，對于一些支路或是近距離的事故不能詳細得到路況信息。無法實時地向駕駛員傳送路面的情況，沒有針對個人路線進行的實時路況分析。目前大部分設備都無法給駕駛員帶來滿意的幫助，很多原有的功能都亟待改善來滿足現在情況的出行需要。特別是人們對監控時的清晰度和夜間效果要求提高，為了提高清晰度需要提升技術，推出新產品，我們設計了一款夜視效果比較理想的超清夜視行車記錄儀。項目研究采用廣角端全動態變焦系統和無紅暴LED燈結合，得到范圍較大的實景圖像。利用主動的紅外照明光源來實現對監控目標的補光，以便達到攝像機的夜間監控要求。

2.其組件基本內容

（一）廣角端連續變焦鏡頭：廣角鏡因為鏡頭非常短,所以投射的底片上的景物就變小,除可拍攝更多景物，更能在狹窄的環境下拍攝出寬闊角度的影像; 所謂的廣角鏡就是焦距較短、視角較大的鏡頭。 使用廣角鏡頭的目的是為了可以達到更加開闊的視野，以及宏偉壯觀的藝術效果。廣角鏡頭可以產生前景大遠景小的效果，用廣角鏡頭產生的畫面變形，令到前景的物體得到夸張地放大，且不影響行車記錄儀成像效果，更加突出前景物體。變焦鏡頭至少有一組變倍組元是可以移動的，通常有兩組可以移動--變倍組、補償組，變倍組的移動視線焦距的縮放，而補償組是用來補償像差，通過移動這連個組元可以實現焦距的變化和視野的變化，從而實現圖像的放大和縮小。

（二）無紅暴LED燈：是為各種抓拍或檢測車牌系統而開發的輔助光源，LED紅外補光燈可確保攝像機在夜間準確識別車牌并進行拍照與錄像。

紅外光源補光燈優點：

a、在完全無環境光照明的情況下，可令攝像系統拍攝到清晰的車牌圖像在完全無環境光照明的情況下，可令攝像系統拍攝到清晰的車牌圖像；

b、功耗低，效率高，壽命長，可晝夜常亮；

c、帶可調光感開關，可以設置不同暗度下開啟補光；

d、固定使用，可方便與攝像機、防護罩構成一體化裝置；

e、安裝調試方便，可與多種CCD相機匹配。

3.行車記錄儀設計原理及試驗方法

3.1 設計組件優化及結構

廣角端連續變焦鏡頭：得到較大范圍的實景圖像。優化：在采用機械全動態補償變焦系統來實現像面穩定、高畫質的成像的基礎上，在鏡頭兩側各安裝一個無紅暴LED燈。連續變焦鏡頭是可以改變某些鏡頭組之間的間隔，以實現鏡頭的所有焦距變化，并且在某個鏡頭組移動過程中，必然會造成圖像平面不穩定，需要通過機械全動態補償方法補償圖像平面的漂移。并且在能見度低的條件下，變焦鏡頭兩側安裝的紅外燈自動打開，對監控實況進行補光，在黑暗條件下真正實現監控的效果。連續變焦鏡頭是通過推拉可移動鏡片使其沿變焦軌道運動，或通過旋轉鏡頭使其沿凸輪螺旋前進的方式來實現鏡頭焦距連續變換的，并且變焦鏡頭任何一個狀態焦距與其相同焦距的定焦鏡頭的功能和用途是一樣的，但變焦鏡頭不會限制用戶具體使用哪一級焦距，任何焦距狀態都能用來觀察和拍攝，以滿足不同的用戶需求，因而在使用上比定焦鏡頭要更加的方便和靈活。

采用連續變焦鏡頭是在一定范圍內可以變換焦距、從而得到不同寬窄的視場角，不同大小的影像和不同景物范圍的照相機鏡頭。變焦鏡頭在不改變拍攝距離的情況下，可以通過變動焦距來改變拍攝范圍，因此非常有利于畫面構圖。在鏡頭兩側各加一個無紅暴LED燈，夜間或光線不佳的情況下，紅外燈自動打開可以錄制下發生在夜間的情況。

3.2 實驗研究思路及方法

項目研究采用廣角端全動態變焦系統和無紅暴LED燈結合，得到范圍較大的實景圖像。利用主動的紅外照明光源來實現對監控目標的補光，以便達到攝像機的夜間監控要求。

3.3 試驗方法

本項目創新性突出體現在使用了廣角全動態系統與無紅暴LED等結合，提高了監控系統的視場性和清晰度，降低了不良道路環境對駕駛員的危害，同時結合紅外光源，提升夜間監控數據的接收效果，可以達到較好的經濟效益。

采用900nm以上的紅外LED燈光照明，提升鏡頭夜間看清物體的能力，提高采集圖片的質量。將外接光源與鏡頭組合，檢測檢測效果，并進行適度的參數調整，搭建起硬件平臺。

隨著變焦系統的結構類型的新型化，要求不斷提高，變焦鏡頭向著多元組和全組元結構方向發展，這樣可以發揮每個組元變焦和分散的功能，使結構簡單化，小型化使得廣泛使用，現在全動態變焦系統廣泛應用于變焦手機鏡頭，便攜式攝像機。根據計算機輔助設計過程的分析，找到相關專利結合光學軟件就可以設計全動型變焦系統的攝影方面。

a.機械變焦系統一般原理

b.機械補償方式的變焦系統

根據不同的運動曲線，形式變焦系統的運動分量以更復雜的方式移動，以便在圖像平面的尺寸和位置保持恒定的同時實現焦距的連續變化。變焦系統的機械補償模式是連續變焦過程，經常需要精確調整凸輪，以準確地改變運動部件的位置，因此應用更廣泛。機械補償變焦系統分為傳統機械補償，雙作用補償和全動態補償類型。我們采用的是全動型變焦系統，下圖分別是雙作用補償系統和全動型變焦系統的原理圖

（a）雙作用補償原理

（b）全動型補償原理

c.變焦結構形式的選取

考慮成本等因素的基礎上，選擇比較最恰當的光學變焦系統結構。下表給出了各種變焦系統在像質、機械式構造方面的優缺點。

?

由圖可以看出，我們選擇的全動型結構不僅像面穩定，而且系統長度短。在設計補償系統時還可以根據對照表做相應調試，具有較高靈活性。

用光學設計軟件透鏡圖形的模擬可以由 CODEV 軟件來實現，最后得到變焦鏡頭系統在廣角位置變焦位置平面結構圖如下所示：

d.成像分析

繼而在變焦鏡頭的兩側各加一個900nm無紅暴LED燈，讓其在照明條件變化時組合實現成像。在一般情況下,廣角端變焦鏡頭在白天使用可見光成像,在晚上使用近紅外光像。近紅外光的使用提供了一個優勢,比如成像時散射的影響小于可見光和低能見度的濃霧。因此，實現從可見范圍到近紅外范圍的寬波長像差在行車記錄儀中的變焦透鏡，讓行車記錄儀的顯示屏上成像實現超清化，具有大視場，有很好的夜視功能。

4.結語

隨著時代的發展，車輛擁堵現象難免造成一些車輛碰擦，一些碰瓷現象，在夜間行駛不便，雨霧天氣能見度很低等種種常見現象下，有一款超清夜視行車記錄儀能記錄下你的行車行程，必要時候的取證手段，幫助司機駕駛及時提醒各種駕駛路況是多么重要。大幅度提高行車記錄儀在夜間、雨霧天氣、照明條件不佳和能見度低的條件下的可見距離和圖像清晰度，無紅暴LED燈捕捉夜晚光線，滿足相差條件，能夠提高夜間監控接收效果擴大司機行車視野，降低視野盲區，提升駕駛安全系數，有效的降低了駕駛事故發生率。