趙 潔

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車輛工程系，山西 晉中 030619）

1 引言

隨著智能化城市的不斷發(fā)展，汽車作為市民出行的必要工具，使其朝著智能化、清潔化、安全的方向發(fā)展成為目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。當(dāng)然，為了提升駕駛員和乘坐人員的安全性、舒適性以及便捷性，基于物聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)技術(shù)的傳感器被充分的開發(fā)與應(yīng)用[2]。目前，智能車輛的所搭載的傳感器已經(jīng)能夠完成環(huán)境識別、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航等功能，這些功能的發(fā)展為車輛的交通安全問題提供了切實(shí)可行的解決方案[3-4]。本文基于圖像處理以及5G 等前沿技術(shù)，設(shè)計了一種智能汽車道路安全聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，旨在進(jìn)一步提升車輛安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)車輛的高度智能化。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的是一種融合多種學(xué)科的高科技技術(shù)綜合體，其基于圖像識別和5G 傳輸?shù)惹把乜萍?，同時運(yùn)用模式識別、通信、計算機(jī)和智能控制技術(shù)，打造功能于一體的多功能綜合系統(tǒng)[5]。圖1 展示了基于圖像識別和5G 傳輸?shù)闹悄芷嚨缆钒踩?lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，我們使用車載點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)對車輛進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，并結(jié)合布置在車內(nèi)的電子鏡、視覺增強(qiáng)型平視顯示器以及整車內(nèi)室全感雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對車輛的全智能感知。

圖1 基于圖像識別和5G 傳輸?shù)闹悄芷嚨缆钒踩?lián)網(wǎng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包含車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和車外網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的汽車采用“控制器局域網(wǎng)+本地互連網(wǎng)絡(luò)+面向媒體的系統(tǒng)傳輸”的總線協(xié)議。在車外網(wǎng)絡(luò)中，汽車上的無線傳感模組可以通過Internet 與基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)進(jìn)行5G 通信。遠(yuǎn)程家庭服務(wù)和遠(yuǎn)程車輛服務(wù)提供商為汽車用戶提供特定的服務(wù)。這種車載網(wǎng)絡(luò)和5G 架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車內(nèi)所有智能傳感器、執(zhí)行器和其他控制單元的協(xié)同調(diào)配。

首先從車輛對車輛的角度來講，當(dāng)駕駛司機(jī)遇到任何危險情況時，可以立即向控制中心報警求助。此外，當(dāng)看到另外車輛遇險時，也可以立即發(fā)送警報通知控制中心，控制中心的工作人員可以通知警察提取不安全車輛GPRS 信號。這不僅可以用于車輛安全的求助，也可以用于犯罪人員的抓捕。正如圖1 所示，系統(tǒng)架構(gòu)基于5G 技術(shù)，依托當(dāng)?shù)剡b測系統(tǒng)，所有車輛的位置信息由高速的5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面連接和互通。為了選擇確定準(zhǔn)確的求助車輛，控制中心的人員需要根據(jù)上下文信息進(jìn)行選擇，包括車的速度和方向，從而過濾掉距離較遠(yuǎn)或來自相反方向的車。

3 車內(nèi)安全系統(tǒng)

3.1 視覺增強(qiáng)型平視顯示器

目前，在極端天氣下，駕駛員的視線受到一定的阻礙，這時就需要一定的視覺增強(qiáng)技術(shù)對其進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，也就是說，布置一定的視覺增強(qiáng)型平視顯示器可以增強(qiáng)駕駛員在能見度降低和危險情況下的視力。在駕駛員的前視場內(nèi)，汽車平視顯示屏距離焦平面更遠(yuǎn)，可以避免駕駛員分心并減少工作量。其先進(jìn)性在于提高汽車的駕駛性能。從車輛內(nèi)部布置的傳感器中收集到的信號被傳輸?shù)杰囕d核心處理器上，首先對信息進(jìn)行處理，并將其與預(yù)先編譯好的安全極限數(shù)值進(jìn)行比較。車輛速度、發(fā)動機(jī)溫度、引擎速度、燃料容量、行人和車輛警告、避障引導(dǎo)等這些必要信號在平視顯示器上進(jìn)行顯示，并通過車輛音頻系統(tǒng)以聲音信號的形式傳遞給駕駛員。如果遇到十分危險的情況，如大霧、大雨、大雪等天氣，可以直接如圖1 所示上傳至控制中心，并分享給附近車輛，提醒注意躲避。

3.2 基于圖像捕捉的電子后視鏡

本文設(shè)計的基于圖像捕捉的電子后視鏡，其本質(zhì)是多視頻傳感器的電子后視系統(tǒng)，該系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 基于圖像捕捉的電子后視鏡系統(tǒng)

不同于傳統(tǒng)的門和內(nèi)鏡，基于圖像捕捉的電子后視鏡有更高級的數(shù)字圖像處理能力。該系統(tǒng)包含兩個側(cè)面攝像機(jī)，一個中心攝像機(jī)，一個倒車攝像機(jī)。由中心攝像機(jī)捕捉到的圖像作為正常行駛中的主要圖像來源，目的是分析前方路況，捕捉的圖像經(jīng)過處理可以消除盲點(diǎn)，結(jié)合兩個側(cè)面攝像機(jī)的圖像，經(jīng)過合并與修正在前方的平視顯示器上進(jìn)行顯示。倒車攝像機(jī)只有駕駛員倒車時才會主動開啟，用于倒車安全建議。這些攝像機(jī)的布置首先可以為司機(jī)提供一個更好的視野，其次也可以為司機(jī)提供合理的駕駛建議。

3.3 整車內(nèi)室三維場景視覺感知

前文討論的幾款技術(shù)都是盡可能地防止交通事故的發(fā)生，但是，據(jù)相關(guān)報道，車內(nèi)布置的安全氣囊可以有效地降低事故發(fā)生時的傷害與死亡率，也就是說，當(dāng)車輛在發(fā)生災(zāi)難性事故時，安全氣囊將被充氣，并且可以有效地保護(hù)乘客與駕駛員。曾有報告指出，當(dāng)發(fā)生碰撞時，一些兒童背會擠壓到縫隙中，并被安全氣囊傷害，為了避免這種氣礦，需要結(jié)合車內(nèi)三維圖像對安全氣囊進(jìn)行有效的調(diào)整。本文提出基于立體視覺原理的原理，將矩陣傳感器紅外結(jié)構(gòu)光發(fā)射器相結(jié)合結(jié)合提出整車內(nèi)室三維感知方案。

如圖3 所示，是整車內(nèi)室三維場景視覺感知系統(tǒng)。它的原理是利用脈沖光發(fā)射器將光投到車內(nèi)場景中，結(jié)合脈沖感光傳感器，可以有效地分析場景中包含的物體的變形形變，之后基于立體視覺原理和三角剖分技術(shù)，有重建一個三維圖像的場景。該技術(shù)具有低實(shí)時約束和沒有光功率限制的優(yōu)點(diǎn)和特色。以駕駛員面部的三維感知為例，如圖4 所示，利用整車室內(nèi)三維感知視覺系統(tǒng)在車內(nèi)在未控制的環(huán)境下提取出完整的面部輪廓特征，這表現(xiàn)出良好的魯棒性。

圖3 整車內(nèi)室三維場景視覺感知系統(tǒng)（結(jié)合脈沖光發(fā)射器提供場景的三維圖像）

圖4 整車內(nèi)室三維場景視覺感知系統(tǒng)提取的完成面部特征

在測試中，整車室內(nèi)三維感知視覺系統(tǒng)的效率取決于脈沖光發(fā)射器和脈沖感光傳感器的分辨率、脈沖光發(fā)射器和脈沖感光傳感器之間的間隙、校準(zhǔn)精度、脈沖光發(fā)射器光束的亮度、在駕駛艙中的位置等特性。也就是說，整車室內(nèi)三維感知視覺系統(tǒng)中脈沖光發(fā)射器和脈沖感光傳感器的間距要盡可能遠(yuǎn)一些，我們測試兩者相距2.5 米較好。其次，考慮到脈沖光發(fā)射器和脈沖感光傳感器的分辨率和精度對系統(tǒng)效果的影響，我們在實(shí)際過程中，應(yīng)該盡可能地選擇分辨率較高的設(shè)備。也就是說應(yīng)該能夠完整地分辨人體各部分身體特征。脈沖光發(fā)射器的布置如圖3 所示，一般在實(shí)際過程中，布置的光束陣列的位置是經(jīng)過優(yōu)化的，采用8×8 的陣列較好，光源波長為780nm，脈沖持續(xù)時間為120 μs，允許功率增加1/3。雖然該系統(tǒng)在實(shí)際工作中表現(xiàn)良好，但是也面臨了一些問題需要在未來的操作過程中完善，一個是脈沖光發(fā)射器和脈沖感光傳感器的視角要非常寬，第二個是由于車內(nèi)空間的緊湊性導(dǎo)致在利用傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)時，必須要考慮車椅靠背的陰影重疊。在今后，考慮到駕駛員的生理和心理狀態(tài)，面部表情在影響交通安全的功能中發(fā)揮著重要的作用。所提出的整車內(nèi)室三維場景視覺感知可以用于分析駕駛員的駕駛狀態(tài)，并評估駕駛員的安全性能，從而為自動智能化駕駛提供一定的策略。

4 結(jié)論

綜上所述，為了進(jìn)一步提升車輛的智能化水平，本文基于圖像處理以及5G 等前沿技術(shù)，設(shè)計了一種智能汽車道路安全聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，該技術(shù)包含旨視覺增強(qiáng)型平視顯示器、基于圖像捕捉的電子后視鏡以及整車內(nèi)室三維場景視覺感知，實(shí)現(xiàn)了提升車輛安全的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)車輛的智能化水平。