汽車夜視系統(tǒng)技術路線分析及功能應用

張正軒， 劉 萍， 李 波

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院， 陜西 西安 710200）

近年來，隨著汽車保有量的增加，以及設計車速的提高，導致交通事故頻發(fā)，特別是在夜間以及雨雪霧等能見度較低的惡劣天氣情況下行車，更易引發(fā)嚴重的交通事故。據(jù)統(tǒng)計，夜間駕駛車輛時間約占總駕駛時間的20%，但55%的交通事故卻發(fā)生在夜間，而在夜間事故中，70%是由于視線不良造成的［1］。汽車夜視系統(tǒng) （NVS：Night View System）作為駕駛員輔助駕駛的一部分，可以通過視頻形式對道路前方的路況進行顯示及提醒，提高行車安全。

1 汽車夜視系統(tǒng)類型及特點

1.1 微光夜視系統(tǒng)

微光技術是低照度環(huán)境下通過感光器件將微弱的星光、月光等放大進行成像顯示。低照度（0.05Lux） 環(huán)境下行車，能夠顯示車輛前方障礙物信息；能清晰顯示在距離車輛50m、80m位置標志牌及人物信息；開近光燈情況下，能清晰分辨前方80m距離的淺色著裝成年人四肢、體態(tài)及路面障礙物。由于微光技術的放大原理，攝像頭在面對道路上車燈、路燈時，容易產(chǎn)生眩光。

通過寬動態(tài)與強光抑制處理，將對向車燈圖像過濾，達到亮度平衡，從而實現(xiàn)眩光屏蔽功能。強光抑制主要應用在低照度環(huán)境下，遇到極其強烈的光源時采用的一種“抑光”的處理。通過調(diào)整曝光時間、背光補償參數(shù)、寬動態(tài)的上下限閾值、亮度值、GAMMA值等參數(shù)，對圖像進行動態(tài)調(diào)整。強光處理時會把過爆的光源變?yōu)楹谏瑥亩_到亮度平衡，產(chǎn)生日蝕式強光抑制的效果。

1.2 近紅外（主動紅外） 夜視系統(tǒng)

采用近紅外原理的夜視攝像頭屬于有源夜視系統(tǒng)，不依靠物體本身的熱源，而是通過車輛安裝主動發(fā)射的紅外光源，攝像頭通過感知物體反射的紅外反射波在紅外CCD探測器上形成灰度圖像，并輸出到顯示設備提供給駕駛者。

近紅外夜視系統(tǒng)典型的應用案例是在奔馳S級轎車上，如圖1所示，系統(tǒng)由前照燈上的紅外輻射光源模組、紅外感應攝像機、濾光器以及顯示器組成，濾光器通過過濾其他光線，只允許波長780～1100nm的紅外線通過，紅外輻射光源模組集成有透鏡，對紅外輻射光進行二次配光，達到照射前方遠度和寬度的要求，其作用與遠近光透鏡相同。

圖1 主動式汽車紅外夜視系統(tǒng)

近紅外不依賴于物體溫度，且顯示的物體輪廓清晰，分辨率及對比度高，即使不主動發(fā)熱的目標物體仍可以清晰可見，如道路上的行人、車輛以及道路標牌。但必須依托于主動發(fā)射的紅外配光，一般照射距離最大只能達到200m。采用濾光器后，可以大大減少可見光 （遠近光） 對圖像的影響，但無法避免同樣配備近紅外的車輛對向會車造成的眩光，而且車輛需額外配置紅外發(fā)射模組，需對該模組進行詳細的配光模擬設計，增加了整車功耗以及道路光污染，因此目前配備車型并不多。

1.3 遠紅外（熱成像） 夜視系統(tǒng)

遠紅外是通過非接觸的方式探測紅外能量 （熱量），并將其轉換為電信號，進而在顯示屏上生成熱圖像。熱成像系統(tǒng)對于光的感應和傳統(tǒng)相機不同，它只感應熱或溫度的差異。當車輛在行駛時，熱像儀感應視線內(nèi)行人、車輛及其它物體的外部輻射的被動紅外線差異，并用白色 （或者輕度灰） 來顯示較熱物體，用黑色 （或重度灰） 來顯示較冷物體。當環(huán)境溫度高于人體溫度時，系統(tǒng)會自動調(diào)整以適應場景的變換，自動優(yōu)化圖像并提供最佳的對比度和亮度。

在視野良好情況下，遠紅外夜視系統(tǒng)的作用距離可達300m，與此相比，非對稱近光燈在相向車道側的照射距離約為60m，靠近路沿側的照射距離約為120m。即使是遠光燈，照射距離也只有200m，均低于夜視系統(tǒng)的作用距離。

遠紅外夜視系統(tǒng)通過采集外部紅外輻射能量而形成相應影像，所以會車時對面來車的遠光燈對紅外成像無影響，有效地降低駕駛員因炫目帶來的行車安全隱患，提升會車時駕駛員的安全性，如圖2所示。

遠紅外系統(tǒng)適應各種惡劣天氣 （小雨、霧、霾、沙塵等），并且不受光線影響，適合于各種時段、各種天氣環(huán)境下使用，如圖3所示。

2 夜視系統(tǒng)效果對比

為了驗證微光、近紅外、遠紅外3種技術路線的顯示效果，依托車輛的遠近光，對行人檢測效果進行測試。車前分別設置100m、150m、200m處的行人進行活動，同時150m處路旁設置一個假人，試驗結果表明，車輛燈光即使打開時，行人均不可見。而微光、近紅外、遠紅外均可清晰顯示150m內(nèi)的行人，近紅外的200m處行人已比較模糊，遠紅外可以清晰顯示200m以上的行人，但150m處的假人不可見。從可辨識度分析，采用近紅外技術路線的圖像有清晰的行人輪廓，且高亮顯示，更容易辨識。微光圖像中雖然行人可見，但與道路環(huán)境復雜時，行人不易被發(fā)現(xiàn)。遠紅外的圖像行人高亮顯示，但輪廓較為模糊。如圖4所示。

圖2 使用紅外熱成像汽車駕駛輔助系統(tǒng)防迎面眩光效果

圖3 使用紅外熱成像汽車駕駛輔助系統(tǒng)霧天效果

圖4 微光、 近紅外、 遠紅外顯示效果對比

3 夜視系統(tǒng)的功能應用

工作模式的設定：從夜視系統(tǒng)的測試情況可知，車輛燈光特別是近光的可視距離遠不及紅外夜視系統(tǒng)，為了獲得各種駕駛場景的需要，可對夜視系統(tǒng)按車速劃分不同的模式。如高速模式：當車速高于80km/h，且汽車直行時，圖像中心區(qū)域放大1.5倍顯示，可以有效地提升駕駛員的觀測距離；非高速模式：當車速低于30km/h，車輛左轉信號有效時圖像左側區(qū)域放大1.5倍顯示，右轉信號有效時，圖像右側區(qū)域放大1.5倍顯示。從而在高速行駛時獲得最大遠處物體識別度，在低速行駛時又可以兼顧到轉彎側更大的視野。

算法融合與顯示：夜視系統(tǒng)的最終目的是提醒駕駛員可能存在危險因素，因此圖像控制器通過對行人、車輛等信息的提取與識別，將信息以高亮框的形式顯示在液晶儀表或者HUD上，對高危情況進行蜂鳴提醒，使駕駛員更便捷地了解到夜視系統(tǒng)的提示信息。經(jīng)過搭載整車進行靜態(tài)及動態(tài)路測后，系統(tǒng)可以達到較好的視野增強及提醒作用，如圖5所示。

4 結語

紅外夜視系統(tǒng)的應用，可以大大提高駕駛員的視野，使駕駛員提前預判前方路況危險因素。隨著紅外探測器的國產(chǎn)化，系統(tǒng)成本也將逐年降低。近年來，隨著圖像處理技術的發(fā)展，將微光與遠紅外技術進行雙光融合的夜視系統(tǒng)陸續(xù)在測試中，其綜合了微光和遠紅外的優(yōu)點，即提高了遠度又增強了物體輪廓度，使顯示效果更加清晰。目前夜視系統(tǒng)的標準發(fā)布也已經(jīng)提上日程，在不久的將來，夜視系統(tǒng)定能應用到更多的車型。

圖5 算法融合的夜視畫面