張志峰，翟玉生，楊桂栓，申帥鋒，毛雯靜，喬 林，杜銀霄

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院數(shù)理系，河南 鄭州 450015)

引言

隨著汽車的普及，駕車發(fā)生事故的比例也在逐年提高，其中約70%的交通事故是在夜間發(fā)生的[1]。在夜間行車時，駕駛員的視線范圍變得狹窄，對于暗中物體的識別能力會顯著下降，同時當打開汽車前照遠光燈來拓展視野范圍時，如果前方有相向行駛的車輛，由于遠光燈亮度極高，極易讓駕駛員產(chǎn)生眩目感，給行車帶來安全隱患。由于人眼所能感應(yīng)到380 nm～780 nm的可見光波段,對于近紅外波段的光不敏感，因此為了拓展人眼的視覺范圍同時減少光對人眼的直接眩目刺激，一般采用紅外波段和微光放大來拓展視野范圍。光電探測技術(shù)在各個機械加工、安全監(jiān)控、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測等各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-6]，其中由于近紅外波段圖像具有特征信息圖像，因此是研究的一個熱點[7-10]。

本文采用近紅外成像技術(shù)設(shè)計了低成本的汽車夜視儀，其中紅外照射裝置安裝在駕駛室外的汽車車燈位置附近，紅外接收感應(yīng)器件安裝在紅外攝像頭附近，這樣能夠有效改善駕駛員視野范圍內(nèi)的清晰度，同時增加夜間汽車會車時強光弱化處理系統(tǒng)，減少汽車遠光燈強光對來向行駛?cè)藛T視覺的刺激，降低夜間交通事故的發(fā)生概率。

1 汽車夜視系統(tǒng)工作原理

1.1 夜視儀工作原理

采用主動式近紅外探測技術(shù)的車載夜視儀系統(tǒng)主要由前端紅外發(fā)射單元、紅外線成像單元和圖像顯示單元組成，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。前端的紅外發(fā)射單元由前端紅外光源的驅(qū)動控制電路、紅外線發(fā)射的LED光源、擴束透鏡組成；紅外成像單元由成像透鏡、圖像傳感器和圖像信號采集電路組成；圖像顯示單元由顯示驅(qū)動控制電路和數(shù)字顯示屏組成。

圖1 近紅外夜視儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of near infrared night-vision system structure

該系統(tǒng)由紅外光源驅(qū)動控制紅外LED光源發(fā)出近紅外光波(光能量主要集中于800 nm～1 000 nm光波段),被照射到的物體通過漫反射紅外線，經(jīng)近紅外攝像頭的成像透鏡成像于能感應(yīng)近紅外波段的CCD圖像傳感器上，然后通過圖像采集卡將近紅外圖像傳輸至顯示屏顯示，供駕駛員觀看前方路況。

1.2 系統(tǒng)光路設(shè)計

隨著照明技術(shù)的發(fā)展，汽車車燈也在不斷革新，老式的白熾燈、鹵素燈、氙氣燈存在著電光轉(zhuǎn)換效率低、照明可見光有效成分比例低、能源利用率低等缺點，逐漸將被淘汰，新型LED光源具有高亮度、高能效、較短的反應(yīng)時間、遠距離穿透、使用壽命長等優(yōu)點，已成為汽車信號燈的主流，隨著大功率白光LED相關(guān)技術(shù)難題逐漸被攻破，大功率白光LED燈也將成為未來汽車前照燈發(fā)展的主流方向[4]。用于汽車前照遠光燈的白光LED光源，其發(fā)射的光集中于可見光波段[5]。由于CCD圖像傳感器能感應(yīng)的光波段范圍較寬(300 nm～1 100 nm)，包含了可見光波段。當夜間汽車會車時，為了減少可見光遠光燈發(fā)射的高亮度光線對CCD圖像傳感器產(chǎn)生“眩目”感，在成像透鏡的前方添加一片800 nm～1 000 nm的帶通濾光片，光路如圖2所示。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)采用漢康威視HKWS-35A近紅外監(jiān)控攝像頭，主要參數(shù)：1/3″CCD傳感器,PAL制式,分辨率600TVL,電源電壓DC12V；輸出視頻：1Vp-p75Ω,采用USB-1304四通道USB圖像采集卡,使用DVR數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)DVR2.26實時觀察采集到的視野圖像。根據(jù)近紅外監(jiān)控攝像頭的結(jié)構(gòu)特點[7],以及所設(shè)計的夜視儀系統(tǒng)的光路特點，需要進行以下改裝：

1) 用黑色不透光膠帶將攝像頭的光敏電阻遮擋，這樣可以將成像透鏡與面陣CCD之間的紅外濾光片去掉；

2) 在成像透鏡前加一片800 nm～1 000 nm帶通濾波片，這樣CCD僅能接收到800 nm～1 000 nm的近紅外光波。

改裝后的攝像頭實物圖如圖3所示。

圖3 改裝后的攝像頭實物Fig.3 Object of modified camera

2.2 模擬實驗場景及結(jié)果

針對夜間行車會車時實際場景，我們進行了實驗室模擬環(huán)境下的會車場景實驗，會車時汽車前方的模擬實際路況如圖4所示，一個發(fā)光面為199 mm×36 mm的LED條形光源(AFT-WL21244-22，維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司)模擬汽車遠光燈，光源周圍3個光具座模擬行人。

圖4 模擬汽車會車時路況Fig.4 Simulation experiments of car meeting

圖5為不同情況下人眼及系統(tǒng)采集的圖像：圖5(a)為未開啟可見遠光燈時的人眼視覺圖像；圖5(b)為開啟可見遠光燈時的人眼視覺圖像；圖5(c)為夜視儀所觀察到的路況場景。通過圖像對比發(fā)現(xiàn)駕駛員在未開啟可見遠光燈的情況下，由于來向車燈的強光眩目，極易造成駕駛員誤判；如果開啟可見遠光燈，這時可以看到前方車身周圍的行人，但由于來向車燈的強光仍然刺眼，造成駕駛員識別率下降；在采用夜視儀系統(tǒng)的情況下，來向車燈的強光被大大削弱，駕駛員無眩目感，車身周圍的行人清晰可見，大大提高了駕駛員的識別率和判斷正確性，保障了行車安全。

圖5 不同情況下采集圖像Fig.5 Images collected in different situations

2.3 現(xiàn)場實驗結(jié)果

在進行模擬場景的實驗之后，對該夜視系統(tǒng)進行了實地場景測試，選取了市區(qū)內(nèi)繁華路段和市郊環(huán)城路段兩路段，進行了不同環(huán)境光照度及汽車夜視儀的測試實驗，測試結(jié)果如下：

1) 鄭州市東風(fēng)路

環(huán)境光照度測試結(jié)果：無汽車開遠光燈時光照度為2.5 lx～3.5 lx(此時有路燈和臨街燈光的影響)；有汽車開遠光燈(在150 m處)時的照度4.0 lx～6.0 lx。

通過該路段的汽車其中裝有新型白光LED前照燈的汽車數(shù)量較少，通過該夜視系統(tǒng)所觀察到的新型白光LED前照燈汽車夜視效果圖如圖6所示,圖中標記框內(nèi)是前照燈為白光LED燈的汽車，夜視儀圖像無眩目感，前照燈為普通鹵素燈或氙燈的汽車仍具有眩目感。

圖6 鄭州市東風(fēng)路汽車前照燈效果圖Fig.6 Headlamp image captured by system at Dongfeng road

2) 鄭州市北三環(huán)天橋

環(huán)境光照度測試結(jié)果：無汽車開遠光燈時光照度為1.5 lx～3.0 lx(此時有路燈燈光的影響)；有汽車開遠光燈(在150 m處)時的照度3.0 lx～6.0 lx。

該路段為入市口，車流量較大，通過該路口的裝有新型白光LED前照燈的汽車數(shù)量相對較多，該夜視系統(tǒng)所觀察到的新型白光LED前照燈汽車夜視效果圖及傳統(tǒng)汽車前照燈夜視效果圖如圖7所示。實驗結(jié)果表明夜視系統(tǒng)識別漏檢率為1.3%。

圖7 鄭州市北三環(huán)通行車輛Fig.7 Images of different headlamps captured by system on north third ring road bridge

實驗結(jié)果表明：傳統(tǒng)車燈所輻射的大部分紅外成分對夜間照明是無用的，可見光能效較低，存在能源浪費的問題，因此新型白光LED汽車前照燈推廣應(yīng)用非常重要，基于紅外圖像處理汽車夜視系統(tǒng)能夠有效地保證汽車安全駕駛。

3 結(jié)論

在夜晚光線較弱的情況下，通過本車載夜視系統(tǒng)能夠拓展視野范圍，并且會車時在對方車燈強光眩目的情況下，能夠通過本系統(tǒng)清楚呈現(xiàn)汽車前方的人眼不能看到的路況，保證夜間行車安全；同時通過設(shè)計車燈自動調(diào)控系統(tǒng)，在夜間會車時自動切換本車的遠近光車燈，避免駕駛員因頻繁手動切換遠近光燈而造成注意力分散，減少對來車司機視線的影響，該系統(tǒng)可以保證會車時雙方的行車安全，減少夜間交通事故的發(fā)生。模擬場景實驗?zāi)軌蛴行崿F(xiàn)系統(tǒng)功能，實際場景實驗表明該系統(tǒng)存在不足，但測試結(jié)果能夠促進新型白光LED汽車前照燈的普及應(yīng)用和該系統(tǒng)的推廣發(fā)展，對節(jié)能減排和汽車安全駕駛具有一定的指導(dǎo)意義。

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