红外立体辅助驾驶系统可行性研究

汪同浩 刘秉琦

摘要： 为解决当前夜间辅助驾驶仪平面显示的弊端，提出利用平行式红外双目立体系统用于夜间辅助驾驶的方案。分别从波段选择、体视半径和体视区域三个方面分析了系统的可行性，最后通过搭建的红外立体辅助驾驶系统对系统的可行性进行验证。结果表明，红外立体辅助驾驶系统可以有效解决当前夜间辅助驾驶仪平面显示的弊端，有利于驾驶员对路况作出正确的判断。

关键词：辅助驾驶； 平面显示； 红外双目立体； 可行性

中图分类号： TN 949.6 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005 5630.2018.03.011

Abstract： In order to overcome the shortcomings of the current nighttime auxiliary driving machine，this paper proposes a scheme of using the parallel infrared binocular stereo system for night assisted driving.In this paper，the feasibility of the system is analyzed from the aspects of band selection，body radius and body view.Finally，the feasibility of the system is verified by the infrared stereo assisted driving system.The results show that the infrared stereo assisted driving system can effectively solve the drawbacks of the current nighttime assistant driving program，which is helpful for the driver to make the correct judgment.

Keywords：auxiliary driving； plane display； infrared binocular stereo； feasibility

引 言

视觉是人类感知外界环境的重要通道，车辆行驶过程中，驾驶员对路况信息的感知绝大多数来自双目立体视觉。为拓展人眼视觉，提高驾驶安全性，人们越来越重视辅助驾驶系统在车辆安全行驶中的应用。其中，车载红外立体辅助驾驶系统因其具有全天候、隐蔽性好、穿透性强等优势而被广泛应用于军事车辆夜间辅助驾驶[1 2]。

当前的夜间辅助驾驶系统大都通过置于车体外的红外相机捕捉车体外的景物信息，然后将捕获的信息实时显示在驾驶舱的显示器上，以达到辅助驾驶的目的。然而，目前的夜间驾驶系统多是采用单相机进行图像采集，因此显示器中显示的图像只是单一的二维图像，缺乏纵深感，导致驾驶员很难判断

景物的前后关系以及相对位置，不利于战车行进。因此，发展适合人眼观察的红外立体辅助驾驶系统显得尤为重要。

针对夜间辅助驾驶系统平面显示的弊端，本文提出一种红外立体辅助驾驶系统的解决方案。本文分别从波段选择，体视半径以及体视区域三个方面对系统的可行性进行分析，最后通过搭建的红外双目系统进行实验验证。

1 技术需求分析

1.1 波段选择

行人及车辆的温度一般在290～340 K范围内，因此根据维恩定律可知，波段8～14 μm的长波红外更适合夜间辅助驾驶。为此，选用中波与长波热像仪进行实景拍摄对比，两组实验均在夜晚同一场景下进行，拍摄结果如图2所示。由图可以很直观地看到，长波红外对于场景温度具有更高的分辨率，更有利于观察者看清目标。

1.2 体视半径

三维世界中的实际物体都是由连续物点组成，摄像机将空间连续影像成像在离散的像素坐标上必然会带来一定的量化误差[4]，通常情况下，量化误差一般不会超过1/2个像素。图3为双目成像原理图，O1、O2分别为两相机中心，空间任一物点P（x，z）在两相机成像面的坐标分别为P1（ x1， f）、P2（b+x2， f），其中：b为基线长度；f为相机焦距。

根据几何成像关系可得此时的视差值等于最大误差值Δδ，系统将无法分辨视差值大小，对应的Δz也趋于无穷大；若z>bf/Δδ，此时p<Δδ，系统也无法获取视差值。所以红外立体辅助驾驶系统感知的有效距离不会超过bf/Δδ，即当存在一个像素值时恰能被分辨，此时对应的距离就是系统的探测体视半径。取f=8 cm，代入式（5），得到的立体半径随像元大小以及基线长度的关系图，如图4所示。

根据式（7），基线长度取50 cm，分析双目系统的立体区域的宽度随着探测距离与水平视场的变化，结果如图6所示。从图中可以看出，当θ=12°，H=31 m时，立体区域宽度达到6 m，这已经满足夜间驾驶的需求。而在实际应用中，相机的水平视场角θ>30°，此时在100 m处的立体区域宽度m>26.3 m，这足以满足夜间驾驶的需求。

假设制动距离为30 m，水平视场角为30°，车体宽度为3 m，代入式（9）可得基线长度为b≤13 m，实际条件很容易满足。因此可以得出系统在体视空域上也能满足驾驶要求。

2 实验分析

由于红外立体辅助驾驶系统设计的目的是辅助驾驶员夜间驾驶，因此搭建的平台应尽量模拟实际行

车过程中的车体的移动、转向等车载条件，实验平台应具有自由转向、灵活移动等特点。为此搭建如图7的实验平台。

实验选择在夜间道路上进行，大气温度18 ℃，有薄雾，无月光，无雨。实验主要的拍摄对象为路边的树木、建筑物和行人。拍摄行人距离在100 m以内，双目系统的基线长度为28 cm，人行走的速度约为5 km/h，实验结果如图8所示。

将获得的双目红外影像合成为左右分屏的立体影像，在VR显示器上观察可以很清楚获得立体感受。此时可以感受到行人位于屏幕前，且越来越远离观察者。实验获取的多組影像中，部分影像完全感受不到立体感，分析原因主要有以下两个方面造成：一是由于小推车行进过程中抖动导致成像效果差；二是在行进过程中由于抖动导致热像仪的固定装置发生松懈，热像仪间距以及平行性发生改变。因此在实际应用中还需加入稳像系统，以减小震动对系统成像质量的影响。

3 结 论

结合当前夜间辅助驾驶仪的不足，提出一种红外立体辅助驾驶系统的解决方案，并分别从波段选择、体视半径以及体视区域三个方面对系统的可行性进行分析，最后通过搭建的红外立体辅助驾驶系统验证了其可行性。

参考文献：

[1] 蔡毅.非制冷热成像在夜视技术中的作用和地位[J].红外与激光工程，2001，30（3）：214 217.

[2] 王瑞凤，杨宪江，吴伟东.发展中的红外热成像技术[J].红外与激光工程，2008，37（增刊2）：699 702.

[3] 李俊山，杨威，张雄美.红外图像处理、分析与融合[M].北京：科学出版社，2009：6 7.

[4] 胡汉平.双目立体测距关键技术研究[D].长春：中国科学院大学（长春光学精密机械与物理研究所），2014.

[5] 刘秋锦.车用红外夜视系统研究[D].河北：燕山大学，2014.

[6] OPTIC C.A basic guide to night vision[J].Yukon Advanced Optics，2010，14（7）：12 14.

（编辑：刘铁英）