基于裸眼3D技術的汽車室內觀后鏡

賈大海

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

汽車室內觀后鏡對行車安全的重要性毋庸置疑，傳統鏡面式后視鏡在后排裝貨、惡劣環境下無法發揮作用，是交通安全中不可忽視的隱患。將裸眼3D技術和攝像頭技術結合起來代替傳統的鏡面式后視鏡則可大大消除這種隱患。

1 裸眼3D技術的發展

1.1 裸眼3D顯示裝置結構

最常見的裸眼3D顯示器由光柵和2D顯示面板精密耦合而成，其結構如圖1所示，包括2D顯示面板10’、隔墊玻20’和光柵30’，通過隔墊玻璃將光柵和2D顯示面板隔開一定距離，從而實現裸眼3D效果。

圖1 裸眼3D顯示裝置

1.2 裸眼3D顯示裝置結構

目前主流的裸眼3D技術有：狹縫是液晶光柵、柱狀透鏡、指向光源、主動式背光。狹縫式液晶光柵的技術原理是在屏幕前加了一個狹縫式光柵后，應該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏幕上，不透明的條紋會遮擋右眼；同理，應該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏幕上時，不透明的條紋會遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀看者看到3D影像。

2 設計方案的整體概述

在汽車室內觀后鏡上用電子顯示屏幕代替傳統的鏡面式反光鏡，在車輛行駛過程中，獲取汽車后置攝像頭通過車載中央控制器所發送的所述車輛的實時后側影像。實時后側影像通過顯示裝置上的狹縫式液晶光柵來顯示3D效果。

車載中央控制器分別與后側攝像頭和室內電子顯示裝置連接，還有將顯示裝置轉換成3D效果的狹縫式液晶光柵，車載中央控制器檢測到汽車處于點火狀態下，然后開始將后側攝像頭采集到的影像發送給車內顯示裝置，車輛顯示裝置上的狹縫式液晶光柵將顯示畫面中的2D效果轉換成3D效果，使得駕駛員能夠以水平視線觀察所述車輛后側影像。車輛后側攝像頭和顯示裝置通過 CAN總線與所述車載中央控制器連接通信。在光柵和電子顯示面板之間設置距離調節結構，根據放置在顯示面板之上的經過標定的雙目攝像頭所獲取的人眼范圍調節所述光柵與顯示面板之間的距離，從而達到理想的3D效果。整體設計流程如圖2所示。

圖2 整體設計流程

3 裸眼3D顯示

3.1 3D顯示裝置的結構

圖3是裸眼3D顯示裝置示意圖，該裸眼3D顯示裝置由相對設置的光柵30和顯示面板10組成，中間形成密封腔體22，在彈性密封層21上設置氣孔，通過氣孔改變密封腔體中的氣體量從而達到調節所述光柵與所述顯示面板之間的距離的目的。

圖3 顯示裝置示意圖

3.2 裸眼3D顯示屏幕的角度調整

在電子顯示屏前端安裝雙目攝像頭，并且標定好雙目攝像頭的位置，得到雙目攝像頭采集到的同一時間的左、右兩幀圖像，再分別矯正左、右兩幀圖像，得到矯正后圖像。

圖4 雙目攝像頭的定位原理

圖4所示為雙目攝像頭的定位原理。測量兩個攝像頭之間的距離，也就是右邊的攝像頭相對于左邊的攝像頭的三維平移t和旋轉參數R，雙目攝像頭C1和C2與世界坐標系相對位置的外部參數為旋轉矩陣R1和R2以及平移向量t1和t2，雙目攝像頭與世界坐標系的相對位置為：

由此得到雙目攝像頭之間的位置關系：

兩個攝像頭之間的幾何關系：

然后計算目標點在左右視圖形成的視差，引進極限約束降維，如圖5所示。

圖5 左右視圖視差

3.3 從矯正后的圖像中提取人臉范圍區域

在人臉范圍區域中提取人眼區域，對優化后的人眼區域中檢測虹膜并計算相對空間位置，利用攝像頭和電子顯示屏的位置關系計算得到人眼相對電子顯示屏的空間位置。對矯正后的圖像進行二值化處理，以二值化圖像的水平方向為X軸，豎直方向為Y軸，然后確定人臉區域在X軸和Y軸方向的起始點和結束點，得到人臉范圍。

首先，確定人臉區域在X軸方向的起始點和結束點：

設定X=b，b=0：

獲取X=b時，二值化圖像中白點的個數記為SumTempx和所有點的個數 Sum_p_c：設定閾值 argmax(g(t))，若 Sum Tempx和Sum_p_c的比值大于或者等于argmax(g(t))，則X=b作為人臉區域在X軸方向的起始點，即為人臉的左邊界X坐標，記為 x_L。若 SumTempx和 Sum_p_c的比值小于argmax(g(t))，則對b加上步長x_p，重復以上步驟直到找到人臉的左邊界X坐標。

同理可找到人臉的右邊界X坐標x_R與人臉的上邊界y_U和下邊界y_D：

從人臉范圍區域中提取人眼區域的方法為：

其中，G（x，y）表示二值化圖像中坐標（x，y）處的灰度值，Mh(x)表示二值化圖像中坐標(x，y）處的灰度值在[x_L，x_R]區域的水平積分投影曲線：

3.4 人眼區域的處理

找到所述水平積分投影曲線中與人眼相對應的波谷，利用與該波谷相鄰的兩個波峰點找到這兩個波峰點對應的Y軸坐標k_1和k_2，令

得到y_1和y_2組成的人眼區域。

對得到的人眼區域進行如下優化：

①利用高斯濾波對人眼區域進行特殊處理，得到平滑圖像；

②進行梯度幅值和方向計算；

③進行極大值抑制，得到非極大值抑制圖像。

④若高閾值邊緣圖像的邊緣出現斷點，則查找該斷點坐標對應于低閾值邊緣圖像中的像素點，尋找該像素點的八鄰域點中能夠連接高閾值邊緣圖像斷點的像素點，將該像素點連接至高閾值邊緣圖像的斷點處。

⑤重復上述步驟直至高閾值邊緣圖像的邊緣閉合，再采用最小外接矩形法估算出人眼區域的圓心和半徑，從而得到該人眼區域的參數方程。

對所述的參數方程在半徑范圍內進行Hough變換得到一個變換空間，任選所述變化空間中的一個圓作為當前圓，遍歷變換空間中的所有圓，統計與該當前圓圓心坐標相同的圓的個數記為相同圓心數，并標記該當前圓，直至所述變換空間中所有圓都被標記為當前圓。

找到相同圓心數最多的當前圓，該當前圓的圓心坐標即為虹膜坐標，從而根據人眼的空間位置對裸眼3D汽車室內觀后鏡顯示裝置進行調整，使得當前人眼位置處在最佳觀看區域。

4 結論

本課題將裸眼3D技術應用于傳統汽車室內后視鏡，設計出一種基于狹縫式液晶光柵的裸眼3D室內觀后鏡，在汽車啟動時，車載中央控制器將汽車后側攝像頭采集的實時影像傳遞至中央顯示面板，通過光柵形成3D效果，此外通過雙目攝像頭識別人眼區域，再調整顯示面板形成最佳觀看效果。