基于圖像識別和5G 傳輸的智能汽車道路安全聯網系統設計

趙 潔

（山西交通職業技術學院 車輛工程系，山西 晉中 030619）

1 引言

隨著智能化城市的不斷發展，汽車作為市民出行的必要工具，使其朝著智能化、清潔化、安全的方向發展成為目前研究領域的熱點[1]。當然，為了提升駕駛員和乘坐人員的安全性、舒適性以及便捷性，基于物聯網和計算機技術的傳感器被充分的開發與應用[2]。目前，智能車輛的所搭載的傳感器已經能夠完成環境識別、路徑規劃、自主導航等功能，這些功能的發展為車輛的交通安全問題提供了切實可行的解決方案[3-4]。本文基于圖像處理以及5G 等前沿技術，設計了一種智能汽車道路安全聯網系統，旨在進一步提升車輛安全的基礎上，實現車輛的高度智能化。

2 系統總體設計

本文所設計的是一種融合多種學科的高科技技術綜合體，其基于圖像識別和5G 傳輸等前沿科技，同時運用模式識別、通信、計算機和智能控制技術，打造功能于一體的多功能綜合系統[5]。圖1 展示了基于圖像識別和5G 傳輸的智能汽車道路安全聯網系統。在本系統中，我們使用車載點對點網絡對車輛進行聯網，并結合布置在車內的電子鏡、視覺增強型平視顯示器以及整車內室全感雷達實現對車輛的全智能感知。

圖1 基于圖像識別和5G 傳輸的智能汽車道路安全聯網系統

該系統主要包含車內網絡架構和車外網絡架構。其中車內網絡中的汽車采用“控制器局域網+本地互連網絡+面向媒體的系統傳輸”的總線協議。在車外網絡中，汽車上的無線傳感模組可以通過Internet 與基礎設施節點進行5G 通信。遠程家庭服務和遠程車輛服務提供商為汽車用戶提供特定的服務。這種車載網絡和5G 架構可以實現車內所有智能傳感器、執行器和其他控制單元的協同調配。

首先從車輛對車輛的角度來講，當駕駛司機遇到任何危險情況時，可以立即向控制中心報警求助。此外，當看到另外車輛遇險時，也可以立即發送警報通知控制中心，控制中心的工作人員可以通知警察提取不安全車輛GPRS 信號。這不僅可以用于車輛安全的求助，也可以用于犯罪人員的抓捕。正如圖1 所示，系統架構基于5G 技術，依托當地遙測系統，所有車輛的位置信息由高速的5G 網絡進行全面連接和互通。為了選擇確定準確的求助車輛，控制中心的人員需要根據上下文信息進行選擇，包括車的速度和方向，從而過濾掉距離較遠或來自相反方向的車。

3 車內安全系統

3.1 視覺增強型平視顯示器

目前，在極端天氣下，駕駛員的視線受到一定的阻礙，這時就需要一定的視覺增強技術對其進行有效的調節，也就是說，布置一定的視覺增強型平視顯示器可以增強駕駛員在能見度降低和危險情況下的視力。在駕駛員的前視場內，汽車平視顯示屏距離焦平面更遠，可以避免駕駛員分心并減少工作量。其先進性在于提高汽車的駕駛性能。從車輛內部布置的傳感器中收集到的信號被傳輸到車載核心處理器上，首先對信息進行處理，并將其與預先編譯好的安全極限數值進行比較。車輛速度、發動機溫度、引擎速度、燃料容量、行人和車輛警告、避障引導等這些必要信號在平視顯示器上進行顯示，并通過車輛音頻系統以聲音信號的形式傳遞給駕駛員。如果遇到十分危險的情況，如大霧、大雨、大雪等天氣，可以直接如圖1 所示上傳至控制中心，并分享給附近車輛，提醒注意躲避。

3.2 基于圖像捕捉的電子后視鏡

本文設計的基于圖像捕捉的電子后視鏡，其本質是多視頻傳感器的電子后視系統，該系統如圖2 所示。

圖2 基于圖像捕捉的電子后視鏡系統

不同于傳統的門和內鏡，基于圖像捕捉的電子后視鏡有更高級的數字圖像處理能力。該系統包含兩個側面攝像機，一個中心攝像機，一個倒車攝像機。由中心攝像機捕捉到的圖像作為正常行駛中的主要圖像來源，目的是分析前方路況，捕捉的圖像經過處理可以消除盲點，結合兩個側面攝像機的圖像，經過合并與修正在前方的平視顯示器上進行顯示。倒車攝像機只有駕駛員倒車時才會主動開啟，用于倒車安全建議。這些攝像機的布置首先可以為司機提供一個更好的視野，其次也可以為司機提供合理的駕駛建議。

3.3 整車內室三維場景視覺感知

前文討論的幾款技術都是盡可能地防止交通事故的發生，但是，據相關報道，車內布置的安全氣囊可以有效地降低事故發生時的傷害與死亡率，也就是說，當車輛在發生災難性事故時，安全氣囊將被充氣，并且可以有效地保護乘客與駕駛員。曾有報告指出，當發生碰撞時，一些兒童背會擠壓到縫隙中，并被安全氣囊傷害，為了避免這種氣礦，需要結合車內三維圖像對安全氣囊進行有效的調整。本文提出基于立體視覺原理的原理，將矩陣傳感器紅外結構光發射器相結合結合提出整車內室三維感知方案。

如圖3 所示，是整車內室三維場景視覺感知系統。它的原理是利用脈沖光發射器將光投到車內場景中，結合脈沖感光傳感器，可以有效地分析場景中包含的物體的變形形變，之后基于立體視覺原理和三角剖分技術，有重建一個三維圖像的場景。該技術具有低實時約束和沒有光功率限制的優點和特色。以駕駛員面部的三維感知為例，如圖4 所示，利用整車室內三維感知視覺系統在車內在未控制的環境下提取出完整的面部輪廓特征，這表現出良好的魯棒性。

圖3 整車內室三維場景視覺感知系統（結合脈沖光發射器提供場景的三維圖像）

圖4 整車內室三維場景視覺感知系統提取的完成面部特征

在測試中，整車室內三維感知視覺系統的效率取決于脈沖光發射器和脈沖感光傳感器的分辨率、脈沖光發射器和脈沖感光傳感器之間的間隙、校準精度、脈沖光發射器光束的亮度、在駕駛艙中的位置等特性。也就是說，整車室內三維感知視覺系統中脈沖光發射器和脈沖感光傳感器的間距要盡可能遠一些，我們測試兩者相距2.5 米較好。其次，考慮到脈沖光發射器和脈沖感光傳感器的分辨率和精度對系統效果的影響，我們在實際過程中，應該盡可能地選擇分辨率較高的設備。也就是說應該能夠完整地分辨人體各部分身體特征。脈沖光發射器的布置如圖3 所示，一般在實際過程中，布置的光束陣列的位置是經過優化的，采用8×8 的陣列較好，光源波長為780nm，脈沖持續時間為120 μs，允許功率增加1/3。雖然該系統在實際工作中表現良好，但是也面臨了一些問題需要在未來的操作過程中完善，一個是脈沖光發射器和脈沖感光傳感器的視角要非常寬，第二個是由于車內空間的緊湊性導致在利用傳統圖像處理技術時，必須要考慮車椅靠背的陰影重疊。在今后，考慮到駕駛員的生理和心理狀態，面部表情在影響交通安全的功能中發揮著重要的作用。所提出的整車內室三維場景視覺感知可以用于分析駕駛員的駕駛狀態，并評估駕駛員的安全性能，從而為自動智能化駕駛提供一定的策略。

4 結論

綜上所述，為了進一步提升車輛的智能化水平，本文基于圖像處理以及5G 等前沿技術，設計了一種智能汽車道路安全聯網系統，該技術包含旨視覺增強型平視顯示器、基于圖像捕捉的電子后視鏡以及整車內室三維場景視覺感知，實現了提升車輛安全的基礎上，增強車輛的智能化水平。