汽車夜視系統研究

嚴永利 巢一鳴 康迎新 賈智軍 劉軍

摘要：在汽車輔助駕駛系統中，車輛要識別外部道路環境，就需要由環境感知系統來采集環境信息，而在夜晚或者光線較暗環境下，夜視系統成為研究應用的焦點。在汽車夜視系統中，紅外線感知成像系統是最有效的方法。紅外感知系統有兩種，一種是利用物體自身發出的遠紅外線來成像，稱為遠紅外;另一種是利用特殊光線照射物體并反光成像，稱為近紅外。本文從夜視系統原理、視頻傳感器、圖顯示方案等方面入手，對夜視系統的兩種紅外系統進行了介紹。

關鍵詞：夜視系統;汽車;遠紅外;近紅外

概述

改善夜間視線的系統能為道路安全作出重大貢獻，雖夜間車流量僅占全天的20%，但高于40%的死亡性車禍都發生在夜間。其原因主要是惡劣的天氣以及對面車輛發出的眩光。為解決此問題，大家做過很多努力。幾十年前，人們就嘗試通過使用偏振光來降低眩光效應，但由于偏振器的轉換損耗太大，不得不做出調整。近年來，以紅外線為工作基礎的夜視系統開始被使用。

1.遠紅外系統（FIR）

1.1 原理

以遠紅外為基礎的夜視系統多年前已被用于軍事方面。2000年在美國被首次用于機動車。它檢測周圍物體發出的波長在7-12μm的熱輻射線。因此這是一個被動系統，它無需另外的光源來照亮物體。熱圖像通過顯示屏展示。

1.2視頻傳感器

帶熱電傳感器的熱圖像相機或者微型的輻射熱測量計僅在給出的波長范圍內工作。由于這些波長無法穿過擋風玻璃，這個相機需要被安裝在車外，一般情況下它會被裝在一扇硅玻璃的窗戶后面。熱圖像相機使用鍺透鏡。鍺含量很高的、能讓相應波長穿透的TEX玻璃已經被開發出來。目前，可用的照相機有QVGA，分辨率為320×240像素。相機的信號通過控制器（ECU）處理。處理后形成的圖形展示在顯示屏上。

1.3 圖像

發熱的物體在圖像中顯示為黑底上的白影，它和空氣的溫差越大，圖像的對比度就越好。觀看者很不習慣這種圖像，因為它和正常的反射圖像不符。

2.近紅外系統（NIR）

2.1原理

夜視系統的另一個可能性基于800-1000nm波段間的紅外線，也就是說接近可視光譜的紅外線。因為物體不會發出這個波段的光線，所以它需要被特殊的光源照射。反射的光線被攝像機接收。這就是主動的系統。基于NIR的系統最早于2003年應用在日本，它展示的圖像較為簡單，應用了常規的CCD攝像技術。

2.2 攝像傳感器

較新的NIR系統用的是CMOS成像芯片，它也越來越多地應用于高品質的數碼相機。由鍺制成的CMOS成像器能感知大致1000nm的波長范圍。除了能夠在可見光波長范圍內成像，它還可以很好地應用于夜視系統。通過與汽車領域之外的其他以攝像機為基礎的系統合作，可以拍攝出VGA分辨率或更高品質的照片。

2.3照明

鹵素燈有很高比例的紅外輻射，它通常用于汽車前大燈。它涵蓋了從可見光譜（380nm-780nm）的極限值到超過2000nm的波長范圍，最大為900-1000nm。使用攝像機的波長上限是1100nm，也就是硅的靈敏度極限。在實踐中，為實現NIR系統，會在前大燈上集成NIR模塊。它由鹵素燈和光學濾波器組成，這個濾波器可過濾掉發出的可見光。有關濾鏡的過濾特性需要注意，法律嚴格規定車輛前端不得安裝紅色的光源。

2.4 工作方式

NIR系統的原理：改裝后的前大燈會在近光中發射出帶有遠光性質的近紅外線。它能夠照射到行人并反射回IR射線。安裝在擋風玻璃上的攝像機接收到這一場景，然后這個場景被展示到車內的顯示屏上。它可以是平視顯示器，也可以是中控臺或組合儀表上的顯示屏。為了獲得高質量、高對比度的圖像，需要用圖像處理器對攝像機的數據進行加工。對面車輛的光被圖像的非線性大大削弱，因此不會有強烈的光線反應到顯示屏上去。

2.5 NIR和FIR的性能特點比較

通過不同的物理檢測原理可以得出結論：這兩個系統的圖像有很大差別。因為NIR光譜接近于可見光普，物體反射的NIR光也類似于可見光，也就是說，它的照片比較自然。NIR圖像中人和物體的圖像比較真實，路線清晰可見。FIR系統拍出的人和物體的圖像比較奇怪（身體較熱的區域和車輪在FIR圖像中較亮）。路線幾乎不可見。路標的對比度通常也很小，因為它和周圍環境幾乎沒溫差。因此，相比于FIR系統，NIR系統具有很大優勢：高質量的圖像能讓人很快識別出物體，能看清的路線也可以減輕視覺壓力。

3. 夜視系統的HMI方案

3.1指示裝置

目前，夜視系統的信息（不管是NIR還是FIR）通過圖像直接展示。此外，現在系統采用平視顯示器，通過它，單色的信息被投影到擋風玻璃上。安裝駕駛員信息系統的設計準則：圖像應顯示在玻璃較下部的區域。理想的顯示方式是通過HUD顯示器使影像與司機通過擋風玻璃看到的自然景象正好重合，這個方案需要很大的技術投入，如識別頭部位置，從而使HUD位于駕駛員的視線上，或需要很大的投影系統。除了HUD之外，圖像還可以顯示在車內的顯示屏上。需要注意的是，顯示屏應當盡量靠近擋風玻璃并且離駕駛員的正常視線不遠，以免視線離開路面太久。將顯示屏集成在組合儀表上能很有效地縮短讀取信息的時間。

3.2未來展望

未來夜視系統可能會有識別物體和物體分類的功能，這樣就不再需要圖像，而只需要在路途中或附近出現障礙時警告駕駛員。基于夜視系統使用的硬件可以擴展其他的以視頻為基礎的輔助和安全性系統。基本上只有NIR相機可以實現這些功能，而這些功能也有益于提高夜視功能的質量。

結論

本文從汽車夜視系統的原理入手、深入分析了遠紅外、近紅外兩種夜視系統應用于輔助駕駛系統的原理和方法，對于汽車夜視系統的應用前景和現狀進行了介紹，為夜視系統在汽車輔助駕駛中的應用提供了思路和方法，對于汽車輔助駕駛從業者具有參考意義。

參考文獻

[1] 余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2017.

[2] Konrad Reif.車輛穩定系統和駕駛員輔助系統[M].北京：北京理工大學出版社，2015.

作者簡介：

嚴永利，男，碩士，高級工程師;江蘇大學研究生兼職導師。研究方向：新能源汽車;2019年至今被華晨新日新能源汽車有限公司、江蘇新日電動車股份有限公司聘為研究院副院長;在新能源汽車領域工作15年以上，在電子電器、電動力、智能網聯領域能力比較突出，成功的主導了吉利熊貓、X1電動版、領途331CL1、330EV等車型，開發的所有車型市場總量20萬輛以上。