原创 基于主动红外夜视技术的夜间辅助驾驶系统

 摘要 红外夜视系统可以有效地减少夜间事故的发生，提高行车安全性。本文介绍了主动红外夜视系统的结构组成，重点分析了主动红外夜视系统中的红外灯设计和图像分析两个关键技术，并提出较好的解决方案。
关键词：夜视系统，红外灯，图像增强，行人识别

1.引言
尽管汽车照明系统已经取得前所未有的成果，如氙气大灯的使用，但夜间行驶时发生交通事故的风险仍高于白天。据美国国家公路交通安全管理局统计，汽车夜间行驶的时间只占总驾驶时间的25%，却有50%的重大交通事故发生在夜间。2005年我国在夜间发生的交通事故和死亡人数占总交通事故和死亡人数的39.4%和48.2%。
行车时的驾驶信息90%来源于视觉，在夜间由于光照不足、视野小，尤其是会车时的远光灯会使驾驶员产生眩目，形成盲区，缩小了驾驶员的可视距离，影响了夜间的行车安全。采用红外成像、图像处理及图像显示技术的红外夜视系统，使驾驶员在低可见度或黑暗中清楚观察到车辆前方的信息，也可以看见汽车前照灯照射不到的区域、强光阴影中的行人、车辆，并对可能出现的危险情况发出报警。
按照成像原理，红外夜视系统分为被动红外夜视系统和主动红外夜视系统。被动红外夜视系统利用热成像相机接受人、动物等发热物体发出的不同的红外辐射（远红外线）影射不同的图像，进行放大和处理后输出到显示装置上。行人等发热物体在图像中特别突出，图像对比度高，但是详细的道路信息，如车道标线和边界，由于是“无生命”的冷目标而探测不到。此外，由于汽车前挡风玻璃不能传输长波的远红外线，相机必须安装在车外，需要经常清洁，并且当汽车前端碰撞时易受损伤。主动红外夜视系统采用红外光源发出的近红外线主动照射目标，红外CCD或CMOS探测器接受目标反射的红外光线，通过ECU处理后输出到显示装置上，成像清晰、自然，能显示道路的详细信息（如行人、车辆、车道标志线、交通信号、道路上散落的物体等），即使不发热的物体也能清晰可见。
本文针对小型轿车和商务车开发出了一款适用性强、可靠性高的主动红外夜视系统。

2.系统结构
主动夜视系统是通过增加驾驶员在夜间的视野范围提高驾驶安全的，因此系统的探测区域比较大（纵向探测距离大于100m），适用性强，能在夜间的任何光照环境下工作，包括本车前照灯使用不当、 迎面有强光或红外光照射、穿过无外界灯光的黑暗道路以及前方道路未知等情况。
图1是系统的结构框图，包括红外灯、红外相机、中央处理器ECU以及人机接口。其中红外相机采用动态范围高且对近红外敏感的CMOS图像传感器。人机接口为基于车载LCD的中央仪表盘，当车辆白天行驶或夜间红外系统关闭时，以圆盘方式显示车速信息，当启动夜视系统时，则显示前方道路图像，车速以速度条的方式显示在图像的下方。这种设计可以缩短驾驶员眼睛离开道路的时间，提高行驶安全性。

图1. 主动夜视系统结构框图

3.红外灯设计
红外灯是夜视系统的关键部分，其好坏直接影响到整个系统的性能，目前常用的近红外灯有两种，卤素红外灯和红外发光二极管（LED）。
卤素红外灯是卤素灯加红外滤光片，吸收可见光，只发出近红外光。汽车照明中最常用的光源是卤素灯，它发出的光线是包含可见光和近红外的连续光谱，并且近红外光的输出量比较大，约占总能量的1/3，可根据需要选用不同波长的红外滤光片得到不同波长和不同带宽的红外线，目前主动汽车夜视系统中大都采用卤素光源作为汽车红外灯光源，它具有照射距离远，辐射均匀，连续波长，体积小等优点，缺点是寿命短，约为8000个小时。
红外LED是由红外发光二级管矩阵组成的发光体，采用红外辐射效率比较高的材料GaAs制成的，产生单色光源，其光谱功率分布为中心波长830～950nm，半峰带宽约20nm左右的窄带分布，为红外敏感传感器可感应的范围，夜视系统常用中心波长是850nm。它一个显著的优点是可以实现脉冲频闪，进而实现LED的辐射脉冲与相机的曝光窗口同步。主动夜视系统的一个重要问题是两辆都装有近红外光源的车辆相向行驶时，会使对方产生暂时的盲区，而脉冲式LED红外灯可以与本车相机的曝光窗口同步，就不会出现暂时盲区的现象。
   由于LED红外灯的寿命比较长，稳定性高，又可脉冲式操作，是比较理想的红外照明系统，本系统选用LED红外灯，并实现其脉冲辐射与相机曝光同步。图2，图3，图4是红外灯打开和关闭时采集的夜间图像。
在无路灯的道路上，本车车灯的辐射范围有限，远处的道路和目标都不清楚，并且整个视野内图像相对比较暗，如图2(a)，而在本系统的红外灯和红外相机的配合下，可将更宽更远的道路图像清晰地影射到显示器上，并且图像清晰，明暗均匀，行人更加突出，对比度好，如图2(b)；对面车辆打开近光灯，红外图像中的行人比普通图像中的行人更清晰，如图3；两车会灯时，车辆前方道路比较暗，大灯附近比较亮，灯光阴影中的行人被强光遮挡，而打开红外灯后，车辆前方道路清晰，可视距离远，并且灯光阴影中的行人突出，清晰可见，如图4。

(a) 红外灯关闭	(b) 红外灯打开

(a) 红外灯关闭	(b) 红外灯打开

(a) 红外灯关闭	(b) 红外灯打开

4．图像增强
　　由于夜间驾驶的周围光照环境比较复杂，明暗变化比较大以及红外光源的局限性，致使源图像的信噪比和对比度比较差，为了后续的图像处理和显示，需要首先对红外图像进行增强。
    对比度低和灰度级数少是近红外图像最重要的两个特征，常采用灰度拉伸对红外图像进行增强，提高图像对比度，它对灰度调整的策略是灰度级低的像素进一步降低其灰度值，灰度级高的像素进一步增加其灰度值，并均衡图像的灰度分布，从而提高图像的对比度。图5，图6，图7是增强图像与原始图像的对比。可见，增强后的图像在感官上更加清晰，层次也更分明，图像中的行人和车道线也更亮，易于观察和探测。比较增强图像的直方图和原图的直方图，可以看出增强后图像灰度分布趋于均匀。

(a) 原始图像	(b)增强后图像

(c) 原始图像直方图	(d) 增强后图像直方图

(a) 原始图像	(b)增强后图像

(c) 原始图像直方图	(d) 增强后图像直方图

(a) 原始图像	(b)增强后图像

(c) 原始图像直方图	(d) 增强后图像直方图

图7 车辆行驶时图像

5.结论与展望
   汽车夜视系统作为预防夜间事故发生的一个有效的主动安全系统，已成为汽车主动安全应用领域的研究热点，众多的汽车制造商，汽车零部件商以及研发单位投身其中。目前国外已有一些红外夜视产品上市，但只是作为一些高档车的选装件，并且价格昂贵，如奔驰的主动红外夜视系统售价是1925欧元，宝马的被动红外夜视系统则为1950欧元。本文从提高产品的性价比出发针对中档小型轿车和商务车开发的主动红外夜视系统，采用脉冲式LED红外灯解决两辆都装有主动红外夜视系统的车辆相向行驶时，使对方产生暂时盲区的问题。采用灰度拉伸算法对源红外图像进行增强，增加图像对比度，便于驾驶员理解红外图像，同时也易于后续的行人识别。
   在夜间，行人是最大的受害者，在后续的工作中，将增加行人识别，并根据本车的车速和行人相对本车的位置进行危险性判断，对可能出现的危险发出声光报警，以提示驾驶员注意行驶安全。

参考文献
1. Takayuki Tsuji,Hiroshi Hattori ,“development of night vision system” , IEEE Transactions On Intelligent Transporttation systems,Vol3.,NO.3,2002 .
2. 韩宝玲，黄贞华，何炜 新型汽车红外夜视系统的研究与开发 计算机测量与控制 2004.12（9）.
3. C.Bellotti,F.Bellotti,A.De Gloria,L.Andreone,and M.Mariani. “Developing a Near Infrared Based Night Vision System” ,IEEE Intelligent Vehicle Symposiunm, June 14-17,2004.
4. P.Knoll, “A NIR Based System for Night Vision Improvement”,Convergence 2002.
5. L. Andreone, M. Mariani, “Customer benefit in user centered design of a novel driver’s vision enhancement support system”, Intelligent Transport System and Services 2003, Madrid.
6. Zhu H，Chan F H Y，Lain F K．Image Contrast Enhance ment by Constrained Local Histogram Equ—lization, Computer Vision and Image Understanding，1999，73(2) 281- 290.
7. 林燕丹 译 用于夜间视觉激活系统中的红外前照灯 中国照明电器 2001年第12期.

作者信息：
     彭海娟 北京锦恒佳晖汽车电子系统有限公司  软件工程师
     phj_02@163.com 
     陈军   北京锦恒佳晖汽车电子系统有限公司  副总经理
     Chenjun59114@126.com
     刘平   北京锦恒佳晖汽车电子系统有限公司   高级软件工程师
     13269836337@m165.com
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原文载自：http://www.china-vision.net/cases/auto/qiche/200904/44961.html