王大興

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司， 北京 101300）

1 車載遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的開發(fā)背景

隨著汽車車速的不斷提高，汽車交通事故經(jīng)常發(fā)生，特別是在夜間、下雨、下雪、霧靄等低能見度的天氣下行駛，更是造成交通事故頻發(fā)的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，雖然夜間行車在整個(gè)公路交通中只占1／4，但有55%的交通事故卻是在夜間發(fā)生的。當(dāng)汽車以時(shí)速100km行駛時(shí)，如遇到突發(fā)事件需要緊急制動(dòng)，汽車大約需要滑行110m才能完全停下來。然而夜間汽車遠(yuǎn)光燈的照射范圍只有50m，以這樣速度，駕駛員無法對(duì)此做出及時(shí)的反應(yīng)。因此引用紅外夜視技術(shù)到汽車駕駛上就成為必然，夜視系統(tǒng)采用紅外線傳感器可以使駕駛員視野擴(kuò)大3~4倍，能幫助他們迅速辨別出這一范圍內(nèi)的事物。

由于紅外具有晝夜無差別、可透煙／霧的特點(diǎn)，并且能夠與其他視覺技術(shù)一樣提供可視化信息進(jìn)行事前告知、過程記錄和事后重現(xiàn)，因此國際上越來越多的汽車安全研究計(jì)劃和方案中開始涉及紅外。

此外，紅外技術(shù)還可用于車輛輔助引導(dǎo)、事故處理等由汽車、交通、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)引申出的配套服務(wù)行業(yè)中。

目前隨著紅外產(chǎn)品性能不斷提高，已經(jīng)具備了在民用汽車上使用的條件。目前，在寶馬、凱迪拉克、奧迪等部分高端車型上已有實(shí)際應(yīng)用。隨著價(jià)格的不斷下降，在車輛上安裝紅外輔助駕駛系統(tǒng)即將成為普遍現(xiàn)象。

2 車載紅外夜視系統(tǒng)的介紹

2.1 車載紅外夜視工作原理

一般所說的紅外線光譜波段，波長(zhǎng)范圍為0.75~1000μm。紅外線波段通常可以進(jìn)一步劃分為4個(gè)更小的波段，這4個(gè)波段是：近紅外線波段 （0.75~3μm）、中紅外線波段 （3~6μm）、遠(yuǎn)紅外線波段 （6~15μm） 和極遠(yuǎn)紅外線波段 （15~1000μm）。自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度（即零下273℃）的物體均可向外輻射紅外線。通常溫度越高的物體其紅外輻射越強(qiáng)，典型的紅外輻射源包括人體、含有發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車、飛機(jī)等。紅外輻射不受晝夜的影響，同時(shí)由于紅外波長(zhǎng)較可見光波長(zhǎng)長(zhǎng)，因此穿透煙、霧的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于可見光。圖1為紅外波段。

圖1 紅外波段

2.2 遠(yuǎn)紅外夜視的優(yōu)勢(shì)

在汽車上應(yīng)用遠(yuǎn)紅外技術(shù)，由于其原理的特性，遠(yuǎn)紅外夜視的優(yōu)勢(shì)明顯，在相同情況下，遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)更夠更清晰地觀察到車輛前方的情況。遠(yuǎn)紅外夜視觀察效果對(duì)比如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)紅外夜視觀察效果對(duì)比

3 車載遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架圖（圖3）

遠(yuǎn)紅外夜視攝像頭內(nèi)包含光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、處理電路、電源管理模塊與軟件系統(tǒng)，利用熱成像的工作原理將目標(biāo)場(chǎng)景呈現(xiàn)在顯示系統(tǒng)上。當(dāng)系統(tǒng)被應(yīng)用在汽車上時(shí)，顯示系統(tǒng)一般為汽車儀表的液晶顯示屏或音響系統(tǒng)的顯示屏。當(dāng)系統(tǒng)附加了一些報(bào)警功能時(shí)，例如行人保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到車前有行人并可能發(fā)生碰撞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告，提示駕駛員注意采取制動(dòng)或者避讓等措施，警告的聲音可以使用汽車儀表內(nèi)的蜂鳴器，也可以使用音響系統(tǒng)的揚(yáng)聲器。另外，系統(tǒng)通常在外部會(huì)設(shè)置一個(gè)夜視系統(tǒng)開關(guān)，駕駛員可以根據(jù)使用需要進(jìn)行系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.2 遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)附加功能設(shè)計(jì)

3.2.1 行人保護(hù)功能

遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)可以附加行人保護(hù)功能，包括行人和騎自行車識(shí)別的行人檢測(cè)和防撞警示。此系統(tǒng)功能主要是檢測(cè)車輛前面是否有行人的通過，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)距離行人的遠(yuǎn)近而給予駕駛員提示，輔助駕駛員駕駛。此功能能夠在駕駛員疲勞駕駛或者注意力不集中的情況下，對(duì)車輛前方的行人注意不到的情況下，輔助駕駛員，確保車輛和行人的安全，避免造成不必要的人身事故。

根據(jù)所探測(cè)到行人的遠(yuǎn)近不同，分別用綠色、黃色、紅色將行人加方框標(biāo)識(shí)，并在顯示屏幕上方用相同顏色的警示號(hào)提示駕駛員。圖4為行人保護(hù)報(bào)警界面示意圖。

圖4 行人保護(hù)報(bào)警界面示意圖

3.2.2 前車碰撞預(yù)警功能

遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)可以附加前車碰撞預(yù)警功能，包括汽車和摩托車識(shí)別的前方防撞警示。此系統(tǒng)主要是檢查前方車輛對(duì)駕駛車輛之間的距離進(jìn)行報(bào)警提示的一項(xiàng)功能，系統(tǒng)會(huì)檢查出安全、警示、危險(xiǎn)距離并做出報(bào)警提示，提醒駕駛員安全駕駛，確保車輛的行車安全。

當(dāng)探測(cè)到前方車輛距離較近時(shí)，屏幕上會(huì)出現(xiàn)紅色方框預(yù)警提示，如圖5所示。

圖5 前車碰撞預(yù)警界面示意圖

3.3 遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的個(gè)性化設(shè)置設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)可設(shè)計(jì)幾個(gè)可以進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置的選項(xiàng)，用于適應(yīng)不同駕駛員的觀察習(xí)慣，給使用者帶來更好的使用體驗(yàn)。當(dāng)然這種個(gè)性化設(shè)置是可選的，在設(shè)計(jì)時(shí)可以任意進(jìn)行排列組合。

1） 手動(dòng)校正功能選項(xiàng)

在駕駛過程中，紅外圖像可能會(huì)出現(xiàn)模糊不清、雪花等，影響觀看體驗(yàn)，駕駛員可進(jìn)行手動(dòng)校正，使圖像更加清晰。

2） 亮度調(diào)節(jié)選項(xiàng)

亮度調(diào)節(jié)可增加或者降低圖像的亮度，駕駛員可根據(jù)個(gè)人的觀看習(xí)慣和當(dāng)前環(huán)境選擇合適的亮度。

亮度可以設(shè)計(jì)1~9擋亮度可選，亮度1擋最暗，9擋最亮。初次開機(jī)默認(rèn)狀態(tài)下亮度可以設(shè)置為“5擋”，顯示屏上設(shè)置可以進(jìn)行操作的實(shí)體按鈕或觸摸按鍵，通過手動(dòng)操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3） 對(duì)比度調(diào)節(jié)選項(xiàng)

對(duì)比度調(diào)節(jié)可增加或者降低圖像的對(duì)比度，駕駛員可根據(jù)個(gè)人的觀看習(xí)慣和當(dāng)前環(huán)境選擇合適的對(duì)比度。

對(duì)比度可以設(shè)計(jì)1~9擋對(duì)比度可選，對(duì)比度1擋最弱，9擋最強(qiáng)。初次開機(jī)默認(rèn)狀態(tài)下對(duì)比度可以設(shè)置為“5擋”，顯示屏上設(shè)置可以進(jìn)行操作的實(shí)體按鈕或觸摸按鍵，通過手動(dòng)操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4） 圖像極性選擇選項(xiàng)

極性調(diào)節(jié)可使紅外圖像顯示成不同的色彩，方便駕駛員觀察識(shí)別目標(biāo)。

白熱：場(chǎng)景中溫度相對(duì)較高的物體顯示為白色或淺灰色。

黑熱：場(chǎng)景中溫度相對(duì)較高的物體顯示為黑色或深灰色。

顯示屏上設(shè)置可以進(jìn)行操作的實(shí)體按鈕或觸摸按鍵，通過手動(dòng)操作進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5） 行車輔助線顯示與隱藏選項(xiàng)

系統(tǒng)可自帶行車輔助線，能夠給予駕駛員直觀的距離感。系統(tǒng)中設(shè)置能夠顯示與隱藏其的選項(xiàng)，并可以通過按鍵調(diào)節(jié)輔助線的位置。

4 遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的測(cè)試方法

4.1 測(cè)試工具

水平尺、標(biāo)志線、對(duì)講機(jī)2部、照度計(jì)、激光測(cè)距儀、溫度計(jì)、可調(diào)溫?zé)嵩?個(gè)、移動(dòng)電源、粉筆、自行車、攝像機(jī)、逆變器、便攜式熱源、電腦、圖像采集卡。

4.2 測(cè)試場(chǎng)地

平坦干燥的瀝青路面；隨機(jī)路試路段。

4.3 測(cè)試項(xiàng)目

測(cè)試項(xiàng)目詳見表1。

4.4 測(cè)試方法

4.4.1 靜態(tài)測(cè)試

1） 水平視角測(cè)試

利用水平尺及標(biāo)志線對(duì)遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的水平視角進(jìn)行測(cè)試，可以測(cè)試出實(shí)際的水平視角與其描述的技術(shù)參數(shù)表中是否一致，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖如圖6所示。

2） 分辨率測(cè)試

分辨率的測(cè)試采用相同的人與車輛作為參考物，在不同的距離觀察顯示器上呈現(xiàn)的視頻影像效果，例如30m、40m、50m、60m、70m、80m，6種不同距離時(shí)系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的顯示效果。這是針對(duì)分辨率較好的系統(tǒng)，而相對(duì)較差的系統(tǒng)，其顯示效果圖像模糊不清，對(duì)比差異如圖7所示。

表1 測(cè)試項(xiàng)目

圖6 水平視角測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

圖7 圖像清晰度對(duì)比差異示意

4.4.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試

1） 本車靜止+行人移動(dòng)

在本車靜止的情況下，在遠(yuǎn)紅外夜視攝像頭不同的距離上，行人進(jìn)行移動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)是否可以很好地對(duì)行人進(jìn)行識(shí)別。圖8為行人移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意圖。

2） 本車靜止+自行車移動(dòng)+行人移動(dòng)

在本車靜止的情況下在距離遠(yuǎn)紅外夜視攝像頭不同的距離上，行人與自動(dòng)車進(jìn)行移動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)是否可以很好地對(duì)行人和自行車進(jìn)行識(shí)別。圖9為行人與自行車移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意。

圖8 行人移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意

圖9 行人與自行車移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意

3） 本車直行+自行車移動(dòng)

安裝遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的車輛以不同的速度直行，速度可以選取10km／h、20km／h、30km／h、40km／h這4種，自行車可以相對(duì)車輛進(jìn)行不同的移動(dòng)，例如：左側(cè)同向移動(dòng)、右側(cè)同向移動(dòng)、左側(cè)反向移動(dòng)、右側(cè)反向移動(dòng)、左向右垂直移動(dòng)、右向左垂直移動(dòng)，此項(xiàng)測(cè)試可以對(duì)遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)在移動(dòng)過程中對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的顯示是否清晰。圖10為本車直行自行車移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意。

圖10 本車直行自行車移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意

4） 本車調(diào)頭+行人移動(dòng)安裝遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)的車輛以10km／h的速度調(diào)頭行駛，行人可以相對(duì)車輛進(jìn)行不同的移動(dòng)，例如：左側(cè)同向移動(dòng)、左側(cè)反向移動(dòng)、右側(cè)反向移動(dòng)、左向右垂直移動(dòng)、右向左垂直移動(dòng)，此項(xiàng)測(cè)試可以對(duì)遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)在調(diào)頭過程中對(duì)行人的顯示是否清晰。圖11為本車調(diào)頭時(shí)行人移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意。

圖11 本車調(diào)頭時(shí)行人移動(dòng)時(shí)顯示效果對(duì)比差異示意

4.4.3 綜合路況測(cè)試

綜合路況測(cè)試中可以選取不同的路況進(jìn)行測(cè)試，以模擬系統(tǒng)在實(shí)際使用中的真實(shí)表現(xiàn)，路況可以選取市中心道路、商業(yè)區(qū)道路、居住區(qū)／小市場(chǎng)道路、高速公路、坡道等。

通過此項(xiàng)測(cè)試，可以模擬駕駛員在行車過程中可能遇到的絕大多數(shù)路況，不同的路況下出現(xiàn)的物體目標(biāo)在夜視系統(tǒng)視頻上所呈現(xiàn)的效果。另外，多種路況的測(cè)試還可以測(cè)試不同的環(huán)境是否會(huì)對(duì)視頻顯示效果產(chǎn)生影響，例如有高壓線附近的道路上，對(duì)系統(tǒng)的抗擾能力進(jìn)行試驗(yàn)，如果系統(tǒng)的抗擾能力低，所呈現(xiàn)的視頻可能會(huì)出現(xiàn)閃爍、波紋等現(xiàn)象。圖12為遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)受干擾時(shí)的畫面示意效果圖。

圖12 遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)受干擾時(shí)的畫面示意效果圖

5 總結(jié)

車載遠(yuǎn)紅外夜視系統(tǒng)是一種可以提高駕駛員行車安全性的配置，特別是在霧、霾等天氣惡劣的情況下，可以成為駕駛員在黑夜中的另一雙眼睛。隨著車載配置率的提升，此套系統(tǒng)的價(jià)格隨之下降，同時(shí)隨著國內(nèi)廠家技術(shù)與生產(chǎn)能力的提升，系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件已經(jīng)能夠國產(chǎn)，不依賴于國外進(jìn)口，使其系統(tǒng)的價(jià)格進(jìn)一步下降，更提高了其在車載上批量應(yīng)用的可能性。