汽車駕駛輔助系統(tǒng)中基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)分析

王彤 劉學(xué)明 王大鵬

摘 要：近年來(lái)私家車數(shù)量不斷增加，在駕駛過(guò)程中也頻繁發(fā)生安全事故，嚴(yán)重影響著駕駛?cè)藛T的生命安全。因此，為了減少安全事故的發(fā)生，相關(guān)的工作人員應(yīng)重視計(jì)算機(jī)視覺(jué)的運(yùn)營(yíng)，本文就基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的汽車安全輔助駕駛技術(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué);汽車;安全輔助駕駛技術(shù)

0 引言

隨著近年來(lái)人們生活水平的上升和民用汽車的使用率不斷提高，交通事故的發(fā)生率也在不斷提升，如何進(jìn)行安全駕駛和安全出行已經(jīng)是人們討論的焦點(diǎn)問(wèn)題。安全輔助裝置主要是指通過(guò)采用有效的裝置降低汽車交通事故的出現(xiàn)和發(fā)生，提高駕駛員的行駛途中的安全性。通過(guò)高效和科學(xué)的方式能夠有效的降低交通事故的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的安全設(shè)置輔助系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段的需求，通過(guò)對(duì)道路和汽車等方面進(jìn)行智能檢測(cè)和分析的方式，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高汽車安全輔助駕駛的高效性。

1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在60年代末到70年代初開始進(jìn)入重要發(fā)展存在。通過(guò)對(duì)相機(jī)原理圖、投影和攝影測(cè)量工作原理的研究，能開始初步處理模擬人類視覺(jué)系統(tǒng)等概念。在幾十年里，計(jì)算機(jī)視覺(jué)結(jié)合計(jì)算機(jī)、幾何學(xué)、光學(xué)、心理學(xué)等方面內(nèi)容，逐漸涵蓋機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理、模式識(shí)別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，完成視頻和圖像的更強(qiáng)的處理分析能力。邊緣檢測(cè)、特征提取、特征匹配、定位和跟蹤、行為檢測(cè)、3D現(xiàn)實(shí)優(yōu)化和重構(gòu)等技術(shù)表現(xiàn)了強(qiáng)大的處理能力，為目標(biāo)跟蹤和行為分析等功能提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

從計(jì)算機(jī)視覺(jué)角度分析交通問(wèn)題，交通中的元素可以歸結(jié)為三大類，即人、車、路。人包括道路上的行人和車輛中的乘客與駕駛員;車泛指交通運(yùn)輸工具，含陸運(yùn)和水運(yùn)等，在本文中研究陸地交通運(yùn)輸問(wèn)題;路包括道路、道路上以及道路周側(cè)的交通設(shè)施，如信號(hào)燈、交通標(biāo)志等。計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理圖像或者視頻的方法主要分為兩類，一類是傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，一類是近年來(lái)流行的基于深度學(xué)習(xí)的方法。傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法處理計(jì)算機(jī)視覺(jué)問(wèn)題主要為以下幾個(gè)步驟的綜合：視頻抽幀、預(yù)處理、分割、特征提取、分類等。其中視頻抽幀是指對(duì)視頻進(jìn)行抽取包含需要信息的關(guān)鍵幀圖片，然后對(duì)圖像進(jìn)行處理分析;圖像預(yù)處理是對(duì)不同圖像尺寸進(jìn)行壓縮處理，得到便于處理的圖像尺寸，然后將彩色圖像進(jìn)行灰度化處理，也可以包括去噪等操作;分割是將特征窗口在圖像上滑動(dòng)來(lái)收集特定的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于深度學(xué)習(xí)的視覺(jué)處理方法以各種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型為代表，合并了特征提取、選擇和分類過(guò)程，通過(guò)端對(duì)端訓(xùn)練來(lái)自動(dòng)提取特征，達(dá)到分類效果，這類方法精度高，但是依賴高性能計(jì)算硬件。

2 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的汽車安全輔助駕駛技術(shù)

2.1 目標(biāo)識(shí)別技術(shù)

目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是計(jì)算機(jī)安全輔助駕駛系統(tǒng)的重要核心部分，它能夠給系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和決策提供分析和參考。由于道路交通存在一定的復(fù)雜性和多變性，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高準(zhǔn)確度的判斷和分析，通過(guò)實(shí)時(shí)的識(shí)別提高決策的準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)。

目標(biāo)識(shí)別主要包括傳統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別方法和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別方法。

交通信號(hào)燈的識(shí)別包括顏色、數(shù)字燈、狀態(tài)的識(shí)別。顏色包括紅、綠、黃。數(shù)字燈指部分交通信號(hào)燈旁邊具有倒計(jì)時(shí)秒數(shù)的時(shí)間指示。狀態(tài)包括圓形、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行等。交通燈可以通過(guò)色彩、形狀、位置等特征檢測(cè)。交通燈檢測(cè)與識(shí)別相對(duì)應(yīng)用比較成熟，數(shù)字燈的研究相對(duì)較少。

交通標(biāo)志識(shí)別，旨在通過(guò)警告駕駛員潛在危險(xiǎn)來(lái)提高駕駛安全性，道路標(biāo)志一般分為七類，危險(xiǎn)警告、優(yōu)先、禁止或限制等。傳統(tǒng)識(shí)別方法中檢測(cè)階段的輸出是圖像邊界框的列表，每個(gè)邊界框包含尚未識(shí)別的交通標(biāo)志，識(shí)別階段的輸出是每個(gè)邊界框的類別標(biāo)簽（“停止”“讓路”等）。與其他交通元素一樣，交通標(biāo)志的識(shí)別會(huì)受光照、遮擋等影響，另外還可能破舊等問(wèn)題導(dǎo)致標(biāo)志損壞或者褪色，影響識(shí)別結(jié)果。通過(guò)對(duì)交通標(biāo)志的識(shí)別，可以幫助司機(jī)在行駛中的不合理行為做出提醒，比如警告超速、提醒急轉(zhuǎn)彎等，也可以為導(dǎo)航系統(tǒng)提供信息，糾正導(dǎo)航偏差。另外對(duì)于越來(lái)越多的道路標(biāo)志的維護(hù)也有一定的幫助，減輕人力負(fù)擔(dān)。

拋灑物識(shí)別。公路拋灑物是指在車輛行駛過(guò)程中，物品從車輛中或者道路外拋到道路中，影響后續(xù)車輛行駛。視頻來(lái)源是靜止的高速公路攝像頭，可以根據(jù)距離和時(shí)間等參數(shù)判斷短時(shí)間內(nèi)是否有靜止拋灑物;如果視頻來(lái)源是移動(dòng)的車輛前置攝像頭，可以通過(guò)相關(guān)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 目標(biāo)測(cè)距技術(shù)

現(xiàn)階段安全輔助駕駛系統(tǒng)中主要采用對(duì)目標(biāo)測(cè)距的技術(shù)為：超聲波、激光、機(jī)器視覺(jué)的測(cè)距。超聲波的測(cè)距方法主要是根據(jù)超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行判斷，對(duì)目標(biāo)的障礙物進(jìn)行測(cè)量，這種方式計(jì)算原理較為簡(jiǎn)單和便捷，且成本較低，能夠較高程度的對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量，激光的測(cè)距方式主要是通過(guò)一種儀器，將光子雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)用其中，對(duì)目標(biāo)范圍進(jìn)行測(cè)量，主要可以分為成像式和非成像式兩種方式，其具有測(cè)量范圍廣泛和準(zhǔn)確度較高等優(yōu)勢(shì)。成像式激光測(cè)距方式主要是通過(guò)掃描的機(jī)器對(duì)激光發(fā)射的方向進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)整個(gè)環(huán)境的掃描和分析從而得到目標(biāo)的三維立體數(shù)據(jù);非成像激光測(cè)距方式主要是根據(jù)光速的傳播時(shí)間和速度來(lái)確認(rèn)與目標(biāo)之間的距離。機(jī)器視覺(jué)下進(jìn)行測(cè)量距離主要是單目的測(cè)距和雙目的測(cè)距。單目測(cè)距的方式在成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是在精準(zhǔn)度上弱于雙目的測(cè)距。

2.3 計(jì)算機(jī)視覺(jué)在駕駛狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用

汽車安全輔助駕駛技術(shù)主要是指通過(guò)安裝智能的安全檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車駕駛起到安全輔助的作用。智能安全檢測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)科學(xué)技術(shù)的感應(yīng)裝置和智能檢測(cè)對(duì)汽車的駕駛途中的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)對(duì)行駛中產(chǎn)生的意外問(wèn)題進(jìn)行及時(shí)有效的報(bào)警，比如汽車出現(xiàn)意外性的偏移、行駛途中與附近的車輛距離過(guò)近、周圍有危險(xiǎn)的障礙物等情況。采用警報(bào)的方式提醒駕駛員，在情況焦急和危險(xiǎn)時(shí)，有效的采用智能的解決措施對(duì)汽車進(jìn)行部分合理的控制，降低事故的發(fā)生概率。目前對(duì)于智能汽車安全輔助駕駛中，對(duì)于車道偏移安全區(qū)域、智能控制距離和周圍障礙物的檢測(cè)評(píng)估，以及對(duì)駕駛員的行駛狀態(tài)辨別和車速的控制管理等。在采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)之前，汽車安全駕駛輔助系統(tǒng)主要是通過(guò)對(duì)駕駛的狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)，但是具有一定的局限性和不準(zhǔn)確，只是單純的停留在對(duì)參照物的反應(yīng)，比如在對(duì)汽車行駛的路程偏移、駕駛的時(shí)間計(jì)算和遇到障礙物的反映情況等。沒(méi)有準(zhǔn)確高效的判斷系統(tǒng)和程序?qū)︸{駛員的駕駛狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的采用能夠高效的對(duì)駕駛員的監(jiān)測(cè)狀態(tài)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)駕駛員的駕駛狀態(tài)的面部狀態(tài)進(jìn)行智能和高效的識(shí)別，分析和判斷駕駛員的行駛狀態(tài)，確認(rèn)是否存在疲勞駕駛和酒后駕駛等不安全駕駛行為。計(jì)算機(jī)視覺(jué)下汽車安全輔助技術(shù)能夠有效的提高駕駛的安全性，通過(guò)對(duì)人體的行為和面部表情的控制和分析，使駕駛員的智能判斷得到提升，使汽車輔助安全技術(shù)在駕駛中發(fā)揮作用和效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)可以通過(guò)智能安全輔助系統(tǒng)對(duì)駕駛員的駕駛狀態(tài)進(jìn)行智能判斷和分析，通過(guò)實(shí)踐和數(shù)據(jù)分析的方式，可以及時(shí)高效的判斷駕駛員的行駛狀態(tài)和面部特征，提前做好預(yù)防措施，降低交通事故的出現(xiàn)和發(fā)生率，提高汽車安全輔助駕駛技術(shù)的高效性和穩(wěn)定性。

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