邢亞山，魏敬東

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于全景攝像技術(shù)的山區(qū)公路彎道盲區(qū)會車預(yù)警技術(shù)

邢亞山，魏敬東

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于全景攝像技術(shù)的山區(qū)公路彎道盲區(qū)會車預(yù)警系統(tǒng)，其包括圖像獲取模塊，圖像處理模塊，車輛檢測與識別模塊，控制單元，信號輸出單元。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測U形彎道內(nèi)的交通信息，利用圖像拼接技術(shù)，將獲取的圖像進(jìn)行處理，然后對圖像內(nèi)的車輛信息進(jìn)行識別，從而能夠給即將進(jìn)入U形彎道的駕駛員提供預(yù)警提示，提高行車的安全性。

全景攝像；山區(qū)彎道；圖像拼接；車輛識別

CLC NO.:U467.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-101-03

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路基礎(chǔ)設(shè)施的完善，加之我國幅員遼闊，地形復(fù)雜多樣，山區(qū)公路眾多，導(dǎo)致我國公路交通系統(tǒng)非常多的存在具有行車視野盲區(qū)的U形上下坡彎道，這些U型彎道是交通事故高發(fā)區(qū)。因此，公路彎道盲區(qū)車輛會車預(yù)警，成為降低交通事故發(fā)生幾率的重要手段。

隨著車輛檢測和道路交通安全技術(shù)的發(fā)展，用于車輛行駛安全的輔助設(shè)備越來越多，現(xiàn)行的彎道行車安全預(yù)警措施主要有：（1）在彎道處豎立凸面鏡，但凸面鏡作用距離有限且易受雪霧等惡劣天氣影響，而且在夜晚行車時，凸面鏡的反射燈光可能使對向來車駕駛員感到目眩。（2）基于雷達(dá)的車載防撞安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于直線道路上行駛的車輛預(yù)警效果較好，而對于彎道處特別是有山體遮擋盲區(qū)的彎道處車輛防撞預(yù)警效果很有限的。（3）基于地磁傳感器或激光傳感器的彎道車輛預(yù)警裝置，該系統(tǒng)雖然能夠?qū)澋缹ο騺碥囘M(jìn)行很好的提前預(yù)警，但當(dāng)彎道內(nèi)有車輛停留或發(fā)生車禍時，則不能對彎道兩側(cè)來車進(jìn)行預(yù)警。還有學(xué)者提出基于車聯(lián)網(wǎng)，車-車通信技術(shù)，使彎道兩側(cè)來車及時進(jìn)行通信，以達(dá)到相互預(yù)警的目的，但這種方式無疑會增加車輛成本，而且目前技術(shù)還不成熟。

本文提出的基于全景攝像技術(shù)的山區(qū)公路彎道盲區(qū)會車提示系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確可靠地檢測對面來車情況，在兩車距離較遠(yuǎn)時就起到預(yù)警效果，預(yù)警提示清晰醒目，且受氣候影響較小，能夠?qū)崟r檢測彎道內(nèi)是否有車輛停留或有車禍發(fā)生。

1 硬件系統(tǒng)

基于全景攝像技術(shù)的山區(qū)公路彎道盲區(qū)會車預(yù)警系統(tǒng)，其各個單元的連接情況如圖1所示。圖像獲取模塊，用于實時采集U形彎道左右入口附近一定距離和U形彎道內(nèi)的圖像，并將采集到的上述三種圖像信號輸入圖像處理模塊，用于接收所述圖像獲取模塊采集到的上述三種圖像信號，并將所述三種圖像信號分別進(jìn)行預(yù)處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再對其進(jìn)行全景拼接處理，經(jīng)過圖像增強(qiáng)和形態(tài)學(xué)運算后再將經(jīng)全景拼接處理后的數(shù)字信號還原為全景圖像信號后輸入車輛檢測與識別模塊對上述全景圖像中的車輛進(jìn)行識別，并判斷其運動方向；控制單元與所述車輛檢測與識別單元相連，用于根據(jù)車輛檢測與識別單元的輸出結(jié)果，控制單元輸出相應(yīng)的控制指令，用以控制信號輸出單元輸出特定的圖像信息。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的安裝示意圖如圖2所示。在山區(qū)的U型彎道的出入口處，分別安裝有一對地磁傳感器，用來識別車輛的入彎和出彎情況。在U型彎道外緣處設(shè)置三個具有紅外夜視功能的紅外攝像頭，分別用于實時獲取U形彎道左側(cè)路段、中部路段和右側(cè)路段三個位置的圖像和車輛信息。在U型彎道兩端的出入口處均安裝有顯示器，用來顯示彎道另一側(cè)的車輛信息，從而達(dá)到對即將入彎的車輛預(yù)警提示的目的。

圖2 安裝位置示意圖

2 控制策略

具體的控制策略可以用圖3的控制流程圖表示。

圖3 控制流程圖

如圖所示，當(dāng)有車輛經(jīng)過彎道，首先利用地磁傳感器對車輛的行駛方向進(jìn)行判斷，從而判斷出車輛是否為進(jìn)入彎道。彎道兩側(cè)均有車輛經(jīng)過時，判斷兩車的行駛方向是否一致，如果為相向會車，則會啟動聲光預(yù)警系統(tǒng)。對車輛的判斷主要是基于圖像處理模塊和車輛識別模塊。圖像處理模塊會對三個攝像頭所采集到的圖像首先進(jìn)行灰度化處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對其進(jìn)行全景拼接處理，得到彎道的全景圖像，然后經(jīng)過圖像增強(qiáng)和形態(tài)學(xué)運算后再將全景拼接后的數(shù)字信號還原為模擬信號，利用車輛識別對全景圖像中的車輛進(jìn)行識別，并判斷其運動速度、方向和彎道內(nèi)車輛的數(shù)量。根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)判斷是否需要啟動預(yù)警報警系統(tǒng)。

3 圖像拼接算法

本系統(tǒng)采用一種改進(jìn)的SIFT特征點匹配圖像拼接算法對圖像進(jìn)行拼接處理。

首先該算法在特征提取的過程中加入 Harris角點算子，篩選出魯棒性較強(qiáng)的點；其次借助匹配特征點對之間的幾何一致性來對特征點進(jìn)行粗提純，提高算法運行效率；最后采用重疊區(qū)域線性過渡融合算法對圖像進(jìn)行平滑過渡，消除拼接縫隙。

通過計算特征點的幅值和方向，使每一個特征點都包含有位置、尺度、方向的信息。假如總共提取了有n個特征點，每個特征點的信息可以表示為I（xn，yn，σn，θn）。xn，yn是特征點的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，σn為特征點的尺度，θn為特征點的方向。Harris角點檢測的自相關(guān)矩陣可以表示為：

式（1）中，Ix，Iy表示圖像在x方向和y方向的偏導(dǎo)數(shù)，w(x，y)是以(xn，yn)為中心的高斯加權(quán)窗口函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)差為σn特征點的尺度．設(shè)λ1，λ2為自相關(guān)矩陣M的兩個特征值，使用如下函數(shù)來判斷角點：

式（2）中，k是一個常數(shù)，取值為0.04～0.06，det(M)是矩陣M的行列式，trace(M)為矩陣M的跡也為矩陣M的兩個特征值之和。然后設(shè)定一個閾值T，當(dāng)角點量R大于T時，則判定此點是候選角點，否則就不是候選角點，閾值T的計算公式如公式（3）所示：

當(dāng)圖像發(fā)生尺度和旋轉(zhuǎn)變化時，存在正確匹配的特征點尺度的比值近似等于兩幅圖像尺度縮放的比值，正確匹配的特征點主方向角度的差值近似等于兩幅圖像旋轉(zhuǎn)變化的角度的規(guī)律。

由此可借助匹配特征點對之間的幾何一致性來對粗匹配的特征點進(jìn)行粗提純。假設(shè)圖像A和B表示待匹配的圖像，特征點集分別取圖像A和圖像B粗匹配點的集合a=（a1，a2，…，an）和b=（b1，b2，…，bn）。并設(shè)粗匹配點集的尺度比集合和角度差值集合為M、N，則M和N的值如公式（4）、（5）所示：

規(guī)定mσ為計算出的圖像尺度縮放的比例，nσ為計算出的圖像旋轉(zhuǎn)的角度。根據(jù)公式（3）選取最合適的閾值，并依次求出和的值如果這兩個值均少于閾值T，保留此匹配點，否則，剔除此點。

圖像融合過程中采用重疊區(qū)域線性過渡融合的方法進(jìn)行圖像拼接。設(shè)過渡因子σ為0和1之間的一個數(shù)。若兩幅圖像的重疊區(qū)域在水平軸方向上的最大值和最小值分別是xmax和xmin，那么σ值如公式（6）所示：

令 f1（x，y）、f2（x，y）分別表示待拼接的圖像1、圖像2的灰度值，f3（x，y）表示融合兩幅圖像之后的圖像3的灰度值，則重疊區(qū)域 f3（x，y）的計算公式（7）為：

由于σ的權(quán)值在不斷的變化，因此上式即可實現(xiàn)兩幅圖像在重疊區(qū)域的平滑過渡。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)能夠在駕駛員準(zhǔn)備駛?cè)肷絽^(qū)公路U形彎道時，實時提供給駕駛員U形彎道內(nèi)的全景圖像信息，并智能判斷彎道對向是否有來車、彎道內(nèi)是否有車輛停留等詳細(xì)交通信息，從而給駕駛員提供參考，有利于駕駛員的安全駕駛，大大降低了因轉(zhuǎn)向盲區(qū)引發(fā)的交通事故發(fā)生的可能。同時，預(yù)駛?cè)霃澋儡囕v檢測模塊的設(shè)定，可有效提高系統(tǒng)運行效率，并減少系統(tǒng)用電量。

[1] 劉彥輝.山路盲區(qū)彎道會車提示系統(tǒng)的設(shè)計[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010.

[2] 鄭麗,楊紅平.新型山區(qū)彎道會車預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].自動化與儀器儀表.2016，2：15-17.

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[4] 陳勇,邢江,張開碧,郝裕斌,帥峰. 圖像拼接中運動目標(biāo)干擾的自適應(yīng)消除[J].半導(dǎo)體光電,2015,36（4）:632-637+641.

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A Warning Technology for Vehicles Meeting on the Mountain Road Based on Panorama Imaging Technology

Xing Yashan, Wei Jingdong
( School of Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

The Hint system based on panoramic imaging technology for mountain roads includes an image acquisition module, an image processing module, a vehicle detection and identification module, a control unit and a signal output unit. The system can detect real-time traffic information within the U-shaped curve, with the image mosaic technique, the acquired image is processed. Then the vehicle identifies the information within the image. It is possible to the threshold of the U-shaped bend of the driver to provide prompt warning to improve traffic safety.

Panoramic camera; mountainous corners; image mosaic; vehicle identification

U467.4

A

1671-7988 (2017)15-101-03

邢亞山，就讀于長安大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.037