趙立金 余莎莎 黃浩

摘 要：消防車在執(zhí)行任務(wù)過程中，車速快、行車環(huán)境復(fù)雜，易造成二次事故，保障其行車安全的技術(shù)研究意義重大。雙目立體視覺技術(shù)采用兩個(gè)攝像機(jī)從各自的位置同時(shí)采集同一目標(biāo)物體的圖像，并通過采樣、量化以及數(shù)字圖像處理，提取出目標(biāo)物體在三維場(chǎng)景下的準(zhǔn)確位置坐標(biāo)。雙目技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍車輛、行人以及各種運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤定位，是消防車安全預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。面向消防車行車安全，介紹雙目技術(shù)的三維場(chǎng)景重建原理，描述安全距離報(bào)警、路面狀況信息提取、路標(biāo)及指示牌識(shí)別的系統(tǒng)功能，列舉雙目技術(shù)的抗干擾能力強(qiáng)、靈活度與精確度高、成本低等優(yōu)勢(shì)。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，分析特殊環(huán)境下的局限性、長(zhǎng)距離測(cè)量精度的受限性、計(jì)算復(fù)雜度高及處理實(shí)時(shí)性低等待改進(jìn)的技術(shù)要點(diǎn)，從而總結(jié)面向消防車行車安全的雙目技術(shù)演進(jìn)方向。

關(guān)鍵詞：消防車安全；雙目技術(shù)；三維場(chǎng)景重建；計(jì)算機(jī)視覺

中圖分類號(hào)：TP39；U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）07-00-04

0 引 言

消防車不同于一般車種，其作為搶險(xiǎn)救援的交通工具，在緊急情況下發(fā)揮著重大作用。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防車需在最短的時(shí)間內(nèi)將滅火劑、消防設(shè)備及消防人員送往所需地區(qū)。當(dāng)出現(xiàn)重大交通事故需要救援，如有人被困在高層，天氣干旱民眾缺水等狀況發(fā)生時(shí)，也需要消防車施救。消防車在行駛過程中可能因?yàn)槠渌嚨牟灰?guī)范駕駛、消防車司機(jī)的疲勞駕駛和視覺盲區(qū)而不能及時(shí)看到障礙物，無法采取正確措施來規(guī)避交通事故。緊急情況通常不可預(yù)料，出行時(shí)間、天氣、交通情況等都可能會(huì)增加消防車的行車風(fēng)險(xiǎn)[1]。

同時(shí)，城市人均車輛擁有量的增長(zhǎng)帶來良莠不齊的駕駛員隊(duì)伍。當(dāng)前消防車緊急出動(dòng)途中，存在較多不避讓消防車的車輛，甚至還存在與消防車搶道的現(xiàn)象，不僅增加了消防車的行車風(fēng)險(xiǎn)，還失去了寶貴的救援時(shí)間。高速奔行的消防車發(fā)生交通事故的風(fēng)險(xiǎn)幾率直線上升。

最常見的交通事故是正面碰撞和追尾。為縮短消防車趕往滅火救援現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間，必須提高消防車的行駛速度，而高速行駛的消防車發(fā)生事故的概率會(huì)增大。為了保護(hù)消防車內(nèi)人員的生命安全，提高汽車安全駕駛性的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。比如，為減少側(cè)翻事故，消防車多采用獨(dú)立前懸及盤式制動(dòng)器；為減少爆胎而采用輪胎爆裂保護(hù)系統(tǒng)；采用大視野前風(fēng)擋玻璃以擴(kuò)大視野范圍，減少盲區(qū)；應(yīng)用在消防車上的智能轉(zhuǎn)向盤設(shè)計(jì)能夠讓駕駛員集中精力觀察路面環(huán)境變化，及時(shí)、準(zhǔn)確地操控車輛；消防車多涂成紅色、橙色和黃色，方便公路上的車輛在較遠(yuǎn)處就能看到消防車[2]。雖然這些技術(shù)可以在一定程度上減少消防車交通事故，增大安全系數(shù)，但對(duì)于需要在任何時(shí)間、地點(diǎn)、天氣出行的消防車來說遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍需要應(yīng)用能增大消防車安全系數(shù)的技術(shù)，因此本文提出一種可以將雙目立體視覺技術(shù)應(yīng)用在消防車上的消防車安全車距預(yù)警系統(tǒng)。

消防車安全車距預(yù)警系統(tǒng)是在與周圍車輛或障礙物之間距離小于安全車距時(shí)，對(duì)駕駛員發(fā)出預(yù)警的自動(dòng)報(bào)警裝置。這種系統(tǒng)的探測(cè)器一般安裝在消防車的各個(gè)關(guān)鍵部位，可以探測(cè)到接近消防車的人、車輛以及障礙物。它可以讓駕駛員預(yù)知將要面臨的危險(xiǎn)，從而采取一定的措施避免危險(xiǎn)，甚至可以在駕駛員來不及反應(yīng)時(shí)自行判斷并采取最優(yōu)措施處理特殊險(xiǎn)情，從而減少安全事故的發(fā)生，降低傷害，提高救援速度。

雙目立體視覺技術(shù)在消防車中的應(yīng)用為保障消防車安全指明了一個(gè)新的方向，產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。本文將從雙目技術(shù)有關(guān)基本概念、重要特性及其在消防車領(lǐng)域的研究和應(yīng)用作簡(jiǎn)要討論。

1 雙目技術(shù)在消防車安全方面的應(yīng)用

1.1 計(jì)算機(jī)視覺的車距測(cè)量

計(jì)算機(jī)視覺是利用計(jì)算機(jī)或具備計(jì)算能力的軟硬件設(shè)備模擬人眼視覺，對(duì)客觀世界的三維結(jié)構(gòu)等信息進(jìn)行感知、判斷及解釋的學(xué)科[3]。計(jì)算機(jī)視覺的研究目的是通過數(shù)字圖像處理算法使得計(jì)算機(jī)具有從物體的二維圖像認(rèn)知其三維結(jié)構(gòu)相關(guān)信息的能力，包括目標(biāo)物體的形狀、位置、姿態(tài)等[4]。計(jì)算機(jī)視覺的研究?jī)?nèi)容廣泛，包括立體視覺、運(yùn)動(dòng)視覺、顏色視覺、主動(dòng)視覺等[5]。

立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要分支，而基于兩幅圖像的雙目立體視覺是其中的研究熱點(diǎn)[6]。雙目立體視覺通過直接模擬人類雙眼處理景物的方式，從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，即由不同位置的兩臺(tái)或一臺(tái)攝像機(jī)經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景，通過三角測(cè)量的原理計(jì)算出空間點(diǎn)在兩幅圖像像素間的視差，從而恢復(fù)目標(biāo)物體的深度信息[7]。

車距的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)消防車安全車距預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，對(duì)安全車距的測(cè)量方法包括超聲波測(cè)距，激光雷達(dá)測(cè)距，毫米波雷達(dá)測(cè)距，紅外線測(cè)距和視覺測(cè)距等[8]。雙目視覺測(cè)距同以上提到的其他測(cè)距方式不同，它是一種被動(dòng)測(cè)距方式，不用向物體發(fā)送任何指令，僅僅通過兩個(gè)或者多個(gè)攝像機(jī)對(duì)物體拍照，利用物體在不同攝像機(jī)上的成像差異獲得物體的幾何信息，從而推斷被測(cè)物體與汽車的距離，還可以得到各種交通指示和障礙物信息，節(jié)省了硬件開發(fā)成本[9]。盡管目前獲取距離信息的方法和技術(shù)很多，但雙目立體視覺是計(jì)算機(jī)被動(dòng)測(cè)距中最重要的技術(shù)，它直接模擬了人類視覺處理的方式，可以在多種條件下靈活測(cè)量景物的立體信息，無論從視覺生理的角度還是在工程應(yīng)用中都具有十分重要的意義[10]。

1.2 雙目技術(shù)原理

在雙目立體視覺系統(tǒng)中，信號(hào)的采集設(shè)備通常為兩個(gè)固定放置的攝像機(jī)，采集設(shè)備通過專用圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相連，將攝像機(jī)采集到的信號(hào)經(jīng)過處理后提供給計(jì)算機(jī)[11]。

雙目視覺技術(shù)的三維定位原理如圖1所示，將物體抽象為質(zhì)點(diǎn)，當(dāng)多個(gè)物體與攝像機(jī)的鏡頭光心處在一條直線上時(shí)，在照片上顯示的只有一個(gè)點(diǎn)，也就意味著從相片上并不能辨別出這兩個(gè)物體。例如，OL攝像頭所拍攝的圖片，則認(rèn)為p和q是同一個(gè)點(diǎn)。然而，從另一個(gè)角度觀察，OR攝像頭拍攝的

圖片則可以分辨出p和q兩個(gè)點(diǎn)處于不同位置。雙目視覺技術(shù)即利用兩個(gè)攝像機(jī)從不同位置進(jìn)行攝像，根據(jù)兩者所成的像在兩個(gè)相片中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的深度計(jì)算。

根據(jù)雙目立體視覺的物理結(jié)構(gòu)和成像原理可以抽出如圖2所示的幾何關(guān)系。

設(shè)OL，OR分別為左、右兩個(gè)相機(jī)的光學(xué)中心位置（透鏡中心），OL與OR之間的距離為B，相機(jī)焦距為f。設(shè)物體上的點(diǎn)Q在左、右相機(jī)圖像平面上的投影點(diǎn)分別為Q，Q′，Q與OLOR連線間的距離為z，過OR，OT分別向圖像面（即視平面）作垂線，垂足分別為AL，AR，過Q向圖像面作垂線，垂足為D。令│ALQ│=CL，│ARQ′│=CR，│Q′D│=a。

1.3 面向行車安全的雙目技術(shù)應(yīng)用

將雙目立體視覺技術(shù)應(yīng)用到消防車上，獲得需要的道路信息。當(dāng)有汽車靠近消防車時(shí)，安裝在消防車上的攝像頭采集圖像信息，通過預(yù)設(shè)程序計(jì)算汽車的速度與將要進(jìn)行的行車軌跡并判斷是否會(huì)對(duì)消防車產(chǎn)生威脅。

（1）安全距離警報(bào)系統(tǒng)

當(dāng)接近消防車的汽車超過預(yù)設(shè)安全距離時(shí)，消防車內(nèi)的報(bào)警系統(tǒng)提醒司機(jī)有危險(xiǎn)發(fā)生，同時(shí)計(jì)算如何行駛才能將事故發(fā)生概率降到最低。若車內(nèi)的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到司機(jī)未采取措施應(yīng)對(duì)即將發(fā)生的事故，消防車將開啟自動(dòng)駕駛裝置。

（2）路面狀況警報(bào)系統(tǒng)

當(dāng)?shù)缆烦霈F(xiàn)坍塌但還未放置任何警示牌時(shí)，司機(jī)由于其較快的行駛速度，警惕性較低，無法注意前方的坍塌事故。這時(shí)將雙目立體視覺技術(shù)應(yīng)用到消防車上，車內(nèi)的內(nèi)置語音系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，因此司機(jī)有充足的時(shí)間作出選擇是否停車或改道。

（3）路標(biāo)及指示牌警示系統(tǒng)

雙目立體視覺系統(tǒng)可以獲取路標(biāo)信息并告知駕駛員。當(dāng)消防車偏離既定行車軌跡時(shí)，內(nèi)置語音系統(tǒng)也會(huì)提醒司機(jī)最佳行駛方向。

將雙目立體視覺技術(shù)應(yīng)用到消防車上，令司機(jī)不用時(shí)刻保持高度警惕，給消防車的行車提供了安全的環(huán)境，降低了事故的發(fā)生概率，使得消防救援行動(dòng)能夠高效快速地進(jìn)行。

2 雙目技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 抗干擾性

從抗干擾性方面考慮，用于安全預(yù)警系統(tǒng)的雷達(dá)、激光、超聲等工作時(shí)通過收發(fā)脈沖的形式來測(cè)距，互相之間存在干擾，識(shí)別一些吸收物質(zhì)或透明性強(qiáng)的物質(zhì)的能力較弱。由于雙目立體視覺技術(shù)被動(dòng)測(cè)距的特性，不會(huì)對(duì)周圍其他車輛造成信號(hào)干擾，因而被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

2.2 應(yīng)用靈活性

雙目立體視覺技術(shù)是模擬人眼視覺處理的技術(shù)，具有靈活性，可以在不同的情況下獲得物體的三維立體信息與道路相關(guān)信息[12]。雙目技術(shù)的應(yīng)用不需要建立數(shù)學(xué)模型或獲取大量的樣本就可以獲得有用信息，其作用巨大，是其他計(jì)算機(jī)視覺方法無法代替的，因而成為了機(jī)器視覺研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。用立體視覺獲取外界信息可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，且探測(cè)范圍較廣、獲得的信息相對(duì)全面。

2.3 高精確度

若用于消防車上立體成像的兩個(gè)攝像頭之間的視場(chǎng)角（Field of View，F(xiàn)oV）不一樣，可通過算法輕松實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光學(xué)鏡頭之間的光學(xué)變焦。采用單攝像頭時(shí)，放大指示牌后文字不清楚；若使用雙攝像頭，指示牌被放大后文字依然清楚。因此使用雙目技術(shù)，可以在人眼無法分辨指示牌的情況下，通過雙目立體成像獲得所需道路信息。

同時(shí)，因?yàn)殡p目系統(tǒng)直接對(duì)所有障礙物進(jìn)行測(cè)量，不需要識(shí)別后再測(cè)量，故雙目系統(tǒng)沒有識(shí)別率的限制。同樣雙目無樣本，即無需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4 成本優(yōu)勢(shì)

雙目立體視覺技術(shù)的成本與同樣可用于消防車預(yù)警的同類型技術(shù)相比成本較低（攝像頭的成本低于雷達(dá)、激光、超聲等設(shè)備）。

3 雙目技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)

雙目技術(shù)成本相對(duì)較低，但是深度信息依賴純算法得出，其算法復(fù)雜度高，難度大，處理芯片的計(jì)算性能需求高，同時(shí)它也繼承了普通RGB攝像機(jī)的缺點(diǎn)：在昏暗環(huán)境下以及道路特征不明顯的情況下并不適用。

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景的局限性

在消防車行駛過程中，常常會(huì)遇到逆光的問題，此時(shí)攝像頭需要適應(yīng)這種環(huán)境。當(dāng)太陽光直接照射到車內(nèi)時(shí)，從駕駛座所看到的周圍景物較暗，駕駛員無法看清車道線、周圍車輛以及路標(biāo)。這時(shí)應(yīng)采取曝光模式，增加曝光度可以讓攝像頭很好地適應(yīng)環(huán)境光的變化。

同樣，在遇到雨、霧、雪等天氣，或者在夜晚時(shí)，人眼對(duì)光線的感知能力減弱。但人眼有適應(yīng)的過程，也就是攝像機(jī)的曝光過程。人眼適應(yīng)環(huán)境光后，可以清楚地看到車道線、車輛以及路標(biāo)。但攝像機(jī)與人眼的自適應(yīng)功能不同，增加其曝光度，攝像機(jī)成像的對(duì)比度隨之下降。對(duì)比度的下降直接影響攝像機(jī)對(duì)道路信息的獲取，無法給司機(jī)提供有價(jià)值的信息。

3.2 長(zhǎng)距離測(cè)量精度受限

應(yīng)用到消防車上的雙目測(cè)距指的是圖像相關(guān)法的雙目視覺技術(shù)，即通過兩臺(tái)攝像機(jī)模擬雙目，通過拍攝不同位置的物體的二維圖像進(jìn)行匹配，從而確定物體與消防車間的距離。其精度會(huì)受到攝像機(jī)性能、光照、基線長(zhǎng)度（即兩臺(tái)相機(jī)之間的距離）的影響。同時(shí)因?yàn)槠渌惴◤?fù)雜，在應(yīng)用上會(huì)受到諸多限制。將雙目測(cè)距同激光測(cè)距比較，激光屬于單色光，方向性強(qiáng)，激光測(cè)距利用計(jì)時(shí)器測(cè)定射出的激光束從其發(fā)出到接收的時(shí)間，從而計(jì)算出與被檢測(cè)物體的距離。

消防車上的雙目視覺系統(tǒng)在測(cè)量近距離的物體時(shí)，精度比利用激光測(cè)距要高很多。但是隨著物體與消防車之間距離的增大，激光測(cè)距的相對(duì)精度會(huì)越來越有優(yōu)勢(shì)。在消防車實(shí)際應(yīng)用時(shí)，基線長(zhǎng)度大大受限，最大僅能達(dá)到十幾米。因此，當(dāng)被測(cè)物體很大時(shí)，用激光測(cè)距的相對(duì)精度就比雙目測(cè)距好。雙目測(cè)距一般更適用于近距離的高精度測(cè)量。

3.3 計(jì)算復(fù)雜度高，算法實(shí)現(xiàn)難度大

算法復(fù)雜度高則運(yùn)算速度慢，為保障安全行駛，必需限制消防車的車速。舉例說明，如果每秒獲取20幀圖像匹配，消防車的行駛速度是100 km/h，那么相當(dāng)于雙目攝像頭每1.39 m探測(cè)一次。如果在消防車周圍的距離內(nèi)突然出現(xiàn)障礙物，系統(tǒng)將由于沒有獲取相關(guān)的信息而無法避免發(fā)生碰撞事故。但如果圖像匹配速度提升到30幀/s，在車速還是100 km/h時(shí)，每0.93 m探測(cè)一次即可大大降低事故的發(fā)生概率。

因此需要降低算法復(fù)雜度，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。但是算法復(fù)雜度的降低也使得匹配圖像的精度下降，獲得的道路信息不夠完整，也會(huì)對(duì)消防車司機(jī)的預(yù)判造成影響。因此需要平衡算法的復(fù)雜度和圖像的精度。計(jì)算量較大是雙目技術(shù)的共性問題，因此雙目技術(shù)的有效應(yīng)用對(duì)硬件單元的性能提出了非常高的要求，硬件的處理速度等因素也會(huì)影響到安全防御系統(tǒng)對(duì)事故的預(yù)判。

4 雙目技術(shù)的發(fā)展方向

雙目技術(shù)在消防車中的應(yīng)用主要受價(jià)格和性能的限制。由于其應(yīng)用場(chǎng)景的局限性、長(zhǎng)距離測(cè)量精度受限、算法復(fù)雜度高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，今后的發(fā)展方向應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面考慮：

（1）進(jìn)一步改進(jìn)算法，在降低復(fù)雜度的同時(shí)，保證圖像匹配的精度。同時(shí)不必局限于車距的保持，還可以開發(fā)別的功能，比如防追尾功能、車速測(cè)量功能、防偏移功能等。

（2）實(shí)現(xiàn)一上電就可以自標(biāo)定，即將攝像機(jī)的標(biāo)定程序固化到消防車的系統(tǒng)中。為了提高測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度，還可以采用變焦的攝像機(jī)。

（3）雙目技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景很多，而不僅僅是在消防車安全方面。針對(duì)不同的需求，設(shè)計(jì)出符合特定要求的立體成像系統(tǒng)?？梢杂糜谌S重建、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域，還有可能應(yīng)用于航天遙測(cè)、軍事偵察等。

5 結(jié) 語

雙目立體視覺技術(shù)憑借其抗干擾性、應(yīng)用靈活性、高精度和成本優(yōu)勢(shì)已經(jīng)逐漸替代了激光、雷達(dá)和超聲等技術(shù)，其廣泛應(yīng)用在醫(yī)療、救援、軍事、科研、工業(yè)以及人們的日常生活中。無論是在工業(yè)應(yīng)用還是日常生活中，基于雙目立體視覺系統(tǒng)的開發(fā)和研究一直備受關(guān)注。雙目技術(shù)應(yīng)用在消防車安全預(yù)警系統(tǒng)中，可保證消防車與周圍汽車的距離在安全范圍內(nèi)，隨時(shí)提醒路面事故并告知駕駛員路標(biāo)及指示牌信息。雙目技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)提高消防車主動(dòng)安全性等方面具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]叢靜華，何瑞銀，王家勝. 森林消防車的發(fā)展現(xiàn)狀和功能分析[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2006，34（8）：4-6.

[2]何峰，董松林. 我國(guó)消防車的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2003（11）：70-72.

[3]隋婧，金偉其. 雙目立體視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及其進(jìn)展[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30（10）：4-6.

[4]趙亮亮. 雙目立體視覺中的圖像匹配技術(shù)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[5]周富強(qiáng). 雙目立體視覺檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京：北京航空航天大學(xué)，2002.

[6]石繼雨. 機(jī)器人雙目立體視覺技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2003.

[7]曹之樂，嚴(yán)中紅，王洪. 雙目立體視覺匹配技術(shù)綜述[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（2）：70-75.

[8] BERTOZZI M，BROGGI A. GOLD：a parallel real-time stereo vision system for generic obstacle and lane detection[J]. IEEE transactions on image processing，1998，7（1）：62.

[9] ISAKOVA N，BASAK S，SONMEZ A C. FPGA design and implementation of a real-time stereo vision system[J]. IEEE transactions on circuits & systems for video technology，2010，20（1）：15-26.

[10] BARTH A，F(xiàn)RANKE U. Estimating the driving state of oncoming vehicles from a moving platform using stereo vision[J]. IEEE transactions on intelligent transportation systems，2009，10（4）：560-571.

[11]劉江華，陳佳品，程君實(shí). 雙目視覺平臺(tái)的研究[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2002（1）：36-40.

[12]王榮本，張明恒，石德樂. 雙目視覺技術(shù)在目標(biāo)測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 公路交通科技，2007，24（2）：122-125.