吳茂友，陳萬(wàn)培，陳 軍，張 濤

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

2017年9月，公安局交警支隊(duì)通報(bào)一起錯(cuò)誤使用遠(yuǎn)光燈導(dǎo)致交通事故的典型案例，這起案例也是四川省內(nèi)首例因燈光錯(cuò)誤使用導(dǎo)致交通事故發(fā)生而擔(dān)責(zé)的案件。從這起案件可以看出，車(chē)前燈的錯(cuò)誤使用會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。智能車(chē)前燈自動(dòng)切換系統(tǒng)一直是汽車(chē)安全駕駛領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)引導(dǎo)著智能駕駛的研究方向。文獻(xiàn)[1-2]提出了一種利用微波雷達(dá)識(shí)別對(duì)方來(lái)車(chē)從而自動(dòng)切換本車(chē)車(chē)前燈的系統(tǒng)方法。文獻(xiàn)[3]提出了一種利用坡道傳感器在車(chē)輛行駛到坡道上進(jìn)行坡度識(shí)別的遠(yuǎn)近光切換方法，從而在上坡下坡時(shí)進(jìn)行車(chē)前燈切換。文獻(xiàn)[4-6]利用光敏傳感器進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到自動(dòng)切換車(chē)前燈的目的。文獻(xiàn)[7]以手動(dòng)控制與自動(dòng)控制相結(jié)合的方式保證了車(chē)前燈的正確使用。

上述幾種車(chē)前燈自動(dòng)切換方法適用場(chǎng)景比較單一，并不能夠滿(mǎn)足車(chē)輛行駛的路況要求。所以本文創(chuàng)新地利用圖像處理技術(shù)，在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域?qū)?chē)前燈自動(dòng)切換進(jìn)行了深入研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛行駛的大多數(shù)路況可自由、準(zhǔn)確地切換車(chē)前燈的目標(biāo)。本文方法創(chuàng)新地對(duì)路燈區(qū)域和車(chē)燈區(qū)域進(jìn)行了劃分，并研究了路面標(biāo)示牌與車(chē)燈路燈的區(qū)別，采用雙閾值處理方法，很好地避免了標(biāo)示牌導(dǎo)致的誤判。

1 系統(tǒng)工作原理

基于機(jī)器視覺(jué)的車(chē)載智能車(chē)前燈切換系統(tǒng)，由圖像采集模塊、圖像處理模塊和控制模塊3個(gè)模塊組成，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

圖像采集模塊由安裝在車(chē)輛前擋風(fēng)玻璃中間的圖像傳感器組成，主要負(fù)責(zé)采集前方的燈光環(huán)境；圖像處理模塊為整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)對(duì)圖像傳感器標(biāo)定及對(duì)采集模塊采集的圖片進(jìn)行分析，檢測(cè)當(dāng)前車(chē)輛行駛的前方燈光環(huán)境，判斷本車(chē)是否應(yīng)該關(guān)閉(打開(kāi))遠(yuǎn)光燈；控制模塊通過(guò)CAN通信，接收到處理模塊的信號(hào)后對(duì)車(chē)輛的燈光進(jìn)行通信控制，由此實(shí)現(xiàn)車(chē)輛車(chē)前燈的自動(dòng)切換功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)旨在會(huì)車(chē)時(shí)自動(dòng)切換車(chē)前燈以避免對(duì)向車(chē)流駕駛員炫目引發(fā)交通事故，所以設(shè)置了會(huì)車(chē)距離DT這一參考閾值，即對(duì)向車(chē)流距離本車(chē)距離小于DT時(shí)才進(jìn)行車(chē)前燈自動(dòng)切換?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)性問(wèn)題，將車(chē)前燈自動(dòng)切換系統(tǒng)分為路燈識(shí)別和車(chē)燈識(shí)別2步，其中，車(chē)燈識(shí)別包括對(duì)向車(chē)流前照燈及同向車(chē)流尾燈。這樣，系統(tǒng)在識(shí)別到路況照明條件為良好時(shí)，只允許本車(chē)開(kāi)啟近光燈，當(dāng)判斷照明條件較差時(shí)再識(shí)別車(chē)燈，若有車(chē)燈存在即開(kāi)啟近光燈，若無(wú)車(chē)燈，本車(chē)開(kāi)啟遠(yuǎn)光燈為駕駛員提供良好視野。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

2.1 標(biāo)定及曝光調(diào)節(jié)

2.1.1 標(biāo)定

由于車(chē)燈識(shí)別區(qū)域設(shè)置在本車(chē)前方DTm內(nèi)，所以本系統(tǒng)采用了一種基于透射投影的相機(jī)標(biāo)定方法[8-9]對(duì)相機(jī)進(jìn)行快速標(biāo)定，以判斷車(chē)燈識(shí)別區(qū)域。本方法只需在車(chē)輛前方放置一塊標(biāo)定板即可標(biāo)定相機(jī)安裝參數(shù)?；谕干渫队暗臉?biāo)定方法設(shè)計(jì)基于三線標(biāo)定法[10-11]，其基本原理為利用空中平面上的點(diǎn)集合演算出地面上3條相互平行的直線，從而進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定，透射投影標(biāo)定方案的基本模型如圖3所示。

圖3 透射投影模型

設(shè)G1～G6為地面上的6點(diǎn)，且兩兩一組決定了3條相互平行的直線，點(diǎn)A1～A6為空中同一平面上的6點(diǎn)，且點(diǎn)G1～G6與點(diǎn)A1～A6在像素坐標(biāo)系中各自對(duì)應(yīng)具有同一像素坐標(biāo)，并且確立同一組世界坐標(biāo)系中相互平行的直線。利用式(1)即可計(jì)算出點(diǎn)A1～A6的世界坐標(biāo)，從而確立3條相互的平行線y1，y2，y3。

(1)

(2)

式中，(xc，yc，zc)為相機(jī)安裝坐標(biāo)；(xg，yg，zg)為地面G1～G6點(diǎn)坐標(biāo)。由該組直線可得到同一消失點(diǎn)坐標(biāo)p0(i1，j1)，取3條直線外各自一點(diǎn)pL(i2，j2)，pM(i3，j3)，pR(i4，j4)。由點(diǎn)p0，pL，pM，pR，結(jié)合式(3)～式(11)即可計(jì)算得到相機(jī)外參[15-16]。

(3)

(4)

(5)

(6)

A=r1·sinφ·cosθ-cosθcosφ,

(7)

B=-(cosφsinφ+sinφcosφsinθ)-

r1(cosφcosφ-sinφsinφsinθ)，

(8)

C=r2·sinφ·cosθ-cosθcosφ，

(9)

D=-(cosφsinφ+sinφcosφsinθ)-

r2(cosφcosφ-sinφsinφsinθ)

(10)

(11)

式中，a，b，c為3條線到車(chē)中心線的垂直距離；gn為3條直線斜率；dx，dy為水平比例因子，垂直比例因子；fi，fj為方向i與方向j上的焦距。

設(shè)經(jīng)過(guò)標(biāo)定后得到像素坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣為R，需要檢測(cè)的會(huì)車(chē)區(qū)域?yàn)镈T1～DT2m，結(jié)合轉(zhuǎn)換矩陣與相機(jī)坐標(biāo)即可得到該區(qū)域?qū)?yīng)像素坐標(biāo)區(qū)域?yàn)镽owL～RowH。

2.1.2 曝光調(diào)節(jié)

利用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)車(chē)前燈的自動(dòng)切換，相機(jī)曝光參數(shù)調(diào)節(jié)是一項(xiàng)重要技術(shù)，文獻(xiàn)[12-14]對(duì)車(chē)載相機(jī)的曝光調(diào)節(jié)做了不同層次研究。為了避免外在環(huán)境燈光對(duì)系統(tǒng)造成干擾，更準(zhǔn)確地對(duì)路燈及車(chē)燈進(jìn)行識(shí)別，本文對(duì)相機(jī)曝光參數(shù)做了一定調(diào)節(jié)，典型路況不同曝光參數(shù)的采集記錄如圖4所示。由圖4分析可見(jiàn)，右側(cè)圖像所用參數(shù)更易于進(jìn)行基于視覺(jué)的車(chē)前燈自動(dòng)切換系統(tǒng)的研發(fā)，故本系統(tǒng)皆按照此參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)。

圖4 曝光調(diào)節(jié)

2.2 路燈識(shí)別

從實(shí)際路況采集信息分析，參考攝像機(jī)的安裝角度，路燈檢測(cè)應(yīng)集中于圖像上半部分[17-20]。由標(biāo)定系統(tǒng)得到相機(jī)安裝參數(shù)后，即可大致得到圖像中的路燈區(qū)域。從曝光參數(shù)調(diào)節(jié)記錄數(shù)據(jù)來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)路燈燈源皆為獨(dú)立的亮白色區(qū)域，首先嘗試?yán)孟袼鼗叶戎禐?55的點(diǎn)的數(shù)量在路燈識(shí)別區(qū)域所占比例的方法進(jìn)行路燈檢測(cè)，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡人意，表1詳細(xì)記錄了本方法夜間城區(qū)道路不同路況的百次測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)試記錄

由表1數(shù)據(jù)可以看出，此方法在路燈昏暗區(qū)域、路口轉(zhuǎn)彎區(qū)域有明顯的誤判行為，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)路燈路況與有路燈路況圖像上半部分有明顯的灰度差異如圖5和圖6所示。

圖5 路燈路況

圖6 路況灰度直方圖

所以將本系統(tǒng)路燈識(shí)別方法改為灰度均值法，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，灰度均值法有效地在路燈昏暗區(qū)域及路口轉(zhuǎn)彎區(qū)域進(jìn)行了車(chē)前燈自動(dòng)切換。

2.3 車(chē)燈識(shí)別

系統(tǒng)進(jìn)行路燈檢測(cè)后，會(huì)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定是否進(jìn)入車(chē)燈識(shí)別階段。在燈光環(huán)境較差的行駛環(huán)境下，系統(tǒng)對(duì)前方車(chē)輛進(jìn)行車(chē)燈識(shí)別。本階段進(jìn)行會(huì)車(chē)車(chē)燈檢測(cè)即跟車(chē)車(chē)燈檢測(cè)，由于夜間環(huán)境復(fù)雜，且系統(tǒng)容易受反光標(biāo)識(shí)牌影響，所以本系統(tǒng)采用雙閾值對(duì)圖像進(jìn)行處理，可有效避免反光標(biāo)識(shí)牌的影響。首先利用標(biāo)定數(shù)據(jù)標(biāo)定出車(chē)燈識(shí)別區(qū)域底部RowL和頂部RowH，在該識(shí)別區(qū)域內(nèi)，利用雙閾值法對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，將識(shí)別區(qū)域分割為黑、白、灰3部分，分割結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙閾值分割

結(jié)合圖7進(jìn)行分析，很容易找到車(chē)燈與反光標(biāo)識(shí)牌的特征差異，車(chē)燈經(jīng)雙閾值處理后可明顯與背景區(qū)分開(kāi)，且反光標(biāo)識(shí)牌可與車(chē)燈特征區(qū)別開(kāi)。利用以下步驟即可對(duì)車(chē)燈進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)：① 如果不存在路燈；② 車(chē)燈檢測(cè)區(qū)域設(shè)定；③ 雙閾值圖像切割；④ 尋找符合車(chē)燈特征區(qū)域；⑤ 輸出車(chē)燈檢測(cè)結(jié)果；⑥ 進(jìn)行車(chē)前燈切換。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的車(chē)前燈自動(dòng)切換方案的可行性，將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)安裝在車(chē)前擋風(fēng)玻璃上進(jìn)行實(shí)車(chē)測(cè)試，其中，路燈測(cè)試在不同路段進(jìn)行了百公里實(shí)車(chē)行駛，記錄測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。車(chē)燈測(cè)試在城區(qū)夜間下班高峰期進(jìn)行實(shí)車(chē)跟車(chē)、會(huì)車(chē)，并記錄了各路口轉(zhuǎn)彎的系統(tǒng)工作情況，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 道路路燈測(cè)試

表3 城區(qū)道路測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的車(chē)前燈自動(dòng)切換系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)大量路測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其在路燈檢測(cè)與車(chē)燈檢測(cè)方面的卓越性能，但在無(wú)路燈無(wú)車(chē)燈的路況下易受反光標(biāo)識(shí)牌的影響。其主要原因是本車(chē)遠(yuǎn)光燈造成的反光標(biāo)識(shí)牌過(guò)亮，系統(tǒng)誤認(rèn)為當(dāng)前行駛區(qū)域路況照明條件良好，強(qiáng)制車(chē)輛切換為近光燈。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，安全一直是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的組成部分，在此希望各界友人對(duì)本系統(tǒng)提出批評(píng)指正，為中國(guó)汽車(chē)主動(dòng)安全產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。