紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)可行性研究

汪同浩 劉秉琦

摘要： 為解決當前夜間輔助駕駛儀平面顯示的弊端，提出利用平行式紅外雙目立體系統(tǒng)用于夜間輔助駕駛的方案。分別從波段選擇、體視半徑和體視區(qū)域三個方面分析了系統(tǒng)的可行性，最后通過搭建的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)對系統(tǒng)的可行性進行驗證。結果表明，紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)可以有效解決當前夜間輔助駕駛儀平面顯示的弊端，有利于駕駛員對路況作出正確的判斷。

關鍵詞：輔助駕駛； 平面顯示； 紅外雙目立體； 可行性

中圖分類號： TN 949.6 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.011

Abstract： In order to overcome the shortcomings of the current nighttime auxiliary driving machine，this paper proposes a scheme of using the parallel infrared binocular stereo system for night assisted driving.In this paper，the feasibility of the system is analyzed from the aspects of band selection，body radius and body view.Finally，the feasibility of the system is verified by the infrared stereo assisted driving system.The results show that the infrared stereo assisted driving system can effectively solve the drawbacks of the current nighttime assistant driving program，which is helpful for the driver to make the correct judgment.

Keywords：auxiliary driving； plane display； infrared binocular stereo； feasibility

引 言

視覺是人類感知外界環(huán)境的重要通道，車輛行駛過程中，駕駛員對路況信息的感知絕大多數(shù)來自雙目立體視覺。為拓展人眼視覺，提高駕駛安全性，人們越來越重視輔助駕駛系統(tǒng)在車輛安全行駛中的應用。其中，車載紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)因其具有全天候、隱蔽性好、穿透性強等優(yōu)勢而被廣泛應用于軍事車輛夜間輔助駕駛[1 2]。

當前的夜間輔助駕駛系統(tǒng)大都通過置于車體外的紅外相機捕捉車體外的景物信息，然后將捕獲的信息實時顯示在駕駛艙的顯示器上，以達到輔助駕駛的目的。然而，目前的夜間駕駛系統(tǒng)多是采用單相機進行圖像采集，因此顯示器中顯示的圖像只是單一的二維圖像，缺乏縱深感，導致駕駛員很難判斷

景物的前后關系以及相對位置，不利于戰(zhàn)車行進。因此，發(fā)展適合人眼觀察的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)顯得尤為重要。

針對夜間輔助駕駛系統(tǒng)平面顯示的弊端，本文提出一種紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)的解決方案。本文分別從波段選擇，體視半徑以及體視區(qū)域三個方面對系統(tǒng)的可行性進行分析，最后通過搭建的紅外雙目系統(tǒng)進行實驗驗證。

1 技術需求分析

1.1 波段選擇

行人及車輛的溫度一般在290～340 K范圍內，因此根據(jù)維恩定律可知，波段8～14 μm的長波紅外更適合夜間輔助駕駛。為此，選用中波與長波熱像儀進行實景拍攝對比，兩組實驗均在夜晚同一場景下進行，拍攝結果如圖2所示。由圖可以很直觀地看到，長波紅外對于場景溫度具有更高的分辨率，更有利于觀察者看清目標。

1.2 體視半徑

三維世界中的實際物體都是由連續(xù)物點組成，攝像機將空間連續(xù)影像成像在離散的像素坐標上必然會帶來一定的量化誤差[4]，通常情況下，量化誤差一般不會超過1/2個像素。圖3為雙目成像原理圖，O1、O2分別為兩相機中心，空間任一物點P（x，z）在兩相機成像面的坐標分別為P1（ x1， f）、P2（b+x2， f），其中：b為基線長度；f為相機焦距。

根據(jù)幾何成像關系可得此時的視差值等于最大誤差值Δδ，系統(tǒng)將無法分辨視差值大小，對應的Δz也趨于無窮大；若z>bf/Δδ，此時p<Δδ，系統(tǒng)也無法獲取視差值。所以紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)感知的有效距離不會超過bf/Δδ，即當存在一個像素值時恰能被分辨，此時對應的距離就是系統(tǒng)的探測體視半徑。取f=8 cm，代入式（5），得到的立體半徑隨像元大小以及基線長度的關系圖，如圖4所示。

根據(jù)式（7），基線長度取50 cm，分析雙目系統(tǒng)的立體區(qū)域的寬度隨著探測距離與水平視場的變化，結果如圖6所示。從圖中可以看出，當θ=12°，H=31 m時，立體區(qū)域寬度達到6 m，這已經滿足夜間駕駛的需求。而在實際應用中，相機的水平視場角θ>30°，此時在100 m處的立體區(qū)域寬度m>26.3 m，這足以滿足夜間駕駛的需求。

假設制動距離為30 m，水平視場角為30°，車體寬度為3 m，代入式（9）可得基線長度為b≤13 m，實際條件很容易滿足。因此可以得出系統(tǒng)在體視空域上也能滿足駕駛要求。

2 實驗分析

由于紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)設計的目的是輔助駕駛員夜間駕駛，因此搭建的平臺應盡量模擬實際行

車過程中的車體的移動、轉向等車載條件，實驗平臺應具有自由轉向、靈活移動等特點。為此搭建如圖7的實驗平臺。

實驗選擇在夜間道路上進行，大氣溫度18 ℃，有薄霧，無月光，無雨。實驗主要的拍攝對象為路邊的樹木、建筑物和行人。拍攝行人距離在100 m以內，雙目系統(tǒng)的基線長度為28 cm，人行走的速度約為5 km/h，實驗結果如圖8所示。

將獲得的雙目紅外影像合成為左右分屏的立體影像，在VR顯示器上觀察可以很清楚獲得立體感受。此時可以感受到行人位于屏幕前，且越來越遠離觀察者。實驗獲取的多組影像中，部分影像完全感受不到立體感，分析原因主要有以下兩個方面造成：一是由于小推車行進過程中抖動導致成像效果差；二是在行進過程中由于抖動導致熱像儀的固定裝置發(fā)生松懈，熱像儀間距以及平行性發(fā)生改變。因此在實際應用中還需加入穩(wěn)像系統(tǒng)，以減小震動對系統(tǒng)成像質量的影響。

3 結 論

結合當前夜間輔助駕駛儀的不足，提出一種紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)的解決方案，并分別從波段選擇、體視半徑以及體視區(qū)域三個方面對系統(tǒng)的可行性進行分析，最后通過搭建的紅外立體輔助駕駛系統(tǒng)驗證了其可行性。

參考文獻：

[1] 蔡毅.非制冷熱成像在夜視技術中的作用和地位[J].紅外與激光工程，2001，30（3）：214 217.

[2] 王瑞鳳，楊憲江，吳偉東.發(fā)展中的紅外熱成像技術[J].紅外與激光工程，2008，37（增刊2）：699 702.

[3] 李俊山，楊威，張雄美.紅外圖像處理、分析與融合[M].北京：科學出版社，2009：6 7.

[4] 胡漢平.雙目立體測距關鍵技術研究[D].長春：中國科學院大學（長春光學精密機械與物理研究所），2014.

[5] 劉秋錦.車用紅外夜視系統(tǒng)研究[D].河北：燕山大學，2014.

[6] OPTIC C.A basic guide to night vision[J].Yukon Advanced Optics，2010，14（7）：12 14.

（編輯：劉鐵英）