基于ToF攝像頭組的汽車倒車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉子蔚 常禹凡 古東 楊樂(lè)歡 姚亮

摘 要：基于ToF攝像頭技術(shù)，本文研究設(shè)計(jì)了一種新的倒車系統(tǒng)，采用ToF攝像頭組和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度、高清晰度和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，提高汽車倒車的安全性。

關(guān)鍵詞：攝像頭;車聯(lián)網(wǎng);汽車倒車;安全性

中圖分類號(hào)：U467.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）34-0113-03

Design of Car Reversing System Based on ToF Camera

LIU Ziwei CHANG Yufan GU Dong YANG Lehuan YAO Liang

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Nanhang Jincheng College，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： Based on the ToF camera technology， this study designed a new reversing system， using ToF camera and Internet of vehicles technology， to achieve high precision， high definition and real-time data acquisition， improve the safety of car reversing.

Keywords： camera;internet of vehicles;car reversing;safety

近年來(lái)，汽車技術(shù)不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視汽車安全問(wèn)題。但是，市面上出現(xiàn)的倒車?yán)走_(dá)和倒車影像由于清晰度不夠，精度不高，受外界環(huán)境影響大，容易造成安全事故。因此，本研究將基于ToF（Time of Flight，飛行時(shí)間）攝像頭組和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為司機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠的倒車系統(tǒng)。

1 倒車影像攝像頭對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)倒車影像攝像頭

傳統(tǒng)的倒車攝像頭原理如圖1所示。傳統(tǒng)的倒車攝像頭由鏡頭、C感光傳感器以及外圍處理電路組成。攝像頭的主要功能是將景物通過(guò)鏡頭所生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換后，變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再傳送到數(shù)字信號(hào)處理芯片中進(jìn)行加工處理，之后通過(guò)USB接口傳送給圖像處理單元，最后在顯示屏上顯示出圖像。

1.2 ToF倒車影像攝像

ToF攝像頭工作原理如圖2所示。ToF攝像頭組由發(fā)射二極管、接收二極管、調(diào)制模塊、解調(diào)模塊、處理器組成。調(diào)制模塊負(fù)責(zé)調(diào)制發(fā)射的紅外調(diào)制波，通過(guò)發(fā)射二極管將信號(hào)發(fā)射出去。解調(diào)模塊負(fù)責(zé)對(duì)二極管接收到的反射紅外波解調(diào)。處理器中包含ADC和數(shù)據(jù)處理：ADC是為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，具體是什么模擬信號(hào)下文將會(huì)詳細(xì)講述;數(shù)據(jù)處理是為了將測(cè)得的相位差換算成深度信息[1]。 ToF攝像頭組測(cè)量范圍不是一個(gè)點(diǎn)，是一個(gè)面，所以，接收模塊變成了點(diǎn)陣的光敏傳感器，通常使用的是CMOS傳感器。在傳感器前面和發(fā)射二極管前面多了光學(xué)鏡片，一個(gè)是為了紅外波的輻射范圍，一個(gè)是為了濾除850 nm以外的光線，這樣才能保證測(cè)量的精度，最后在顯示屏上顯示深度圖像[2]。

2 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)期間，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)了多種ToF攝像頭組，通過(guò)對(duì)比感光亮、清晰度和抗干擾等多個(gè)因素，最終采用了一個(gè)ToF深度攝像頭（型號(hào)為MLX750232），達(dá)到了120 klx的光照度，相當(dāng)于撒哈拉沙漠正中午的光照強(qiáng)度，保證了在夜晚暗光甚至無(wú)光的環(huán)境下的成像。另外，研究者還采用了一顆支持EuroNCAP（AEB城市/城際/行人）及CLEPA、AEBS（ECE階段2）的攝像頭。該攝像頭擁有高于6.5°的目標(biāo)分辨率以及0.2°探測(cè)精度，用于測(cè)量景物的深度信息、輪廓信息及物理表面紋理信息。研究者還采用了新的雷達(dá)紅外系統(tǒng)，使得測(cè)距更加精準(zhǔn)，并且在顯示屏上的距離遠(yuǎn)近會(huì)通過(guò)不同的顏色來(lái)表現(xiàn)，便于司機(jī)更好地判斷[3]。具體效果如圖3所示（該圖為從PMD官網(wǎng)下載的一只手的偽彩色3D圖像，根據(jù)ToF傳感去到手的距離將顏色映射到每個(gè)像素。）

2.2 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在汽車倒車過(guò)程中，主要利用ToF攝像頭組收集到的圖像數(shù)據(jù)和紅外雷達(dá)裝置采集到的距離信息。在應(yīng)用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時(shí)，首先需要在采集端配置物體的深度與置信度信息，這樣車聯(lián)網(wǎng)便可以自動(dòng)識(shí)別出紅外與雷達(dá)裝置的距離信息并進(jìn)行預(yù)處理，接著通過(guò)ToF攝像頭組采集到的圖像信息刪除一些錯(cuò)誤的信息和圖像信息，由此完成對(duì)圖像在車聯(lián)網(wǎng)中的添加（具體如圖4所示）[4]。

2.3 距離信息預(yù)處理

在確定采集端的基礎(chǔ)上對(duì)紅外雷達(dá)裝置所采集到的距離信息進(jìn)行預(yù)處理。在基于ToF攝像頭的汽車倒車影像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，距離信息的預(yù)處理是指將采集到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后變成可用于系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)采集的數(shù)字信號(hào)。其間，運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)圖像上的距離信息進(jìn)行預(yù)處理。倒車時(shí)汽車與障礙物的距離為：

[L=Ct2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[L]表示待測(cè)距離：[C]表示光速;[t]表示光脈沖在待測(cè)距離上往返傳輸所需要的時(shí)間。將預(yù)處理過(guò)后的數(shù)據(jù)通過(guò)池化層進(jìn)行處理，從而得到精確的倒車距離。