一款超清夜视行车记录仪的设计

潘朝猛 刘毅 刘施文 江苏大学机械学院

1.概述

随着我国的发展，人们的出行基本离不开汽车，但是汽车数量的迅速 增长，亦带来了许多问题，目前车载行车记录仪市场上有远程监控、导 航仪、实时路况等工具来缓解路况，但是收效甚微。首先是因为导航也 具有延时性，信息不够及时接收，尤其是对驾驶员眼前的实时路况，行车记录仪不能较好应对反应突发事故。

其次，这些设备反映的是小范 围的路况，对于一些支路或是近距离的事故不能详细得到路况信息。无法实时地向驾驶员传送路面的情况，没有针对个人路线进行的实时路况分析。目前大部分设备都无法给驾驶员带来满意的帮助，很多原有的功能都亟待改善来满足现在情况的出行需要。特别是人们对监控时的清晰度和夜间效果要求提高，为了提高清晰度需要提升技术，推出新产品，我们设计了一款夜视效果比较理想的超清夜视行车记录仪。项目研究采用广角端全动态变焦系统和无红暴LED灯结合，得到范围较大的实景图像。利用主动的红外照明光源来实现对监控目标的补光，以便达到摄像机的夜间监控要求。

2.其组件基本内容

（一）广角端连续变焦镜头：广角镜因为镜头非常短,所以投射的底片上的景物就变小,除可拍摄更多景物，更能在狭窄的环境下拍摄出宽阔角度的影像; 所谓的广角镜就是焦距较短、视角较大的镜头。 使用广角镜头的目的是为了可以达到更加开阔的视野，以及宏伟壮观的艺术效果。广角镜头可以产生前景大远景小的效果，用广角镜头产生的画面变形，令到前景的物体得到夸张地放大，且不影响行车记录仪成像效果，更加突出前景物体。变焦镜头至少有一组变倍组元是可以移动的，通常有两组可以移动--变倍组、补偿组，变倍组的移动视线焦距的缩放，而补偿组是用来补偿像差，通过移动这连个组元可以实现焦距的变化和视野的变化，从而实现图像的放大和缩小。

（二）无红暴LED灯：是为各种抓拍或检测车牌系统而开发的辅助光源，LED红外补光灯可确保摄像机在夜间准确识别车牌并进行拍照与录像。

红外光源补光灯优点：

a、在完全无环境光照明的情况下，可令摄像系统拍摄到清晰的车牌图像在完全无环境光照明的情况下，可令摄像系统拍摄到清晰的车牌图像；

b、功耗低，效率高，寿命长，可昼夜常亮；

c、带可调光感开关，可以设置不同暗度下开启补光；

d、固定使用，可方便与摄像机、防护罩构成一体化装置；

e、安装调试方便，可与多种CCD相机匹配。

3.行车记录仪设计原理及试验方法

3.1 设计组件优化及结构

广角端连续变焦镜头：得到较大范围的实景图像。优化：在采用机械全动态补偿变焦系统来实现像面稳定、高画质的成像的基础上，在镜头两侧各安装一个无红暴LED灯。连续变焦镜头是可以改变某些镜头组之间的间隔，以实现镜头的所有焦距变化，并且在某个镜头组移动过程中，必然会造成图像平面不稳定，需要通过机械全动态补偿方法补偿图像平面的漂移。并且在能见度低的条件下，变焦镜头两侧安装的红外灯自动打开，对监控实况进行补光，在黑暗条件下真正实现监控的效果。连续变焦镜头是通过推拉可移动镜片使其沿变焦轨道运动，或通过旋转镜头使其沿凸轮螺旋前进的方式来实现镜头焦距连续变换的，并且变焦镜头任何一个状态焦距与其相同焦距的定焦镜头的功能和用途是一样的，但变焦镜头不会限制用户具体使用哪一级焦距，任何焦距状态都能用来观察和拍摄，以满足不同的用户需求，因而在使用上比定焦镜头要更加的方便和灵活。

采用连续变焦镜头是在一定范围内可以变换焦距、从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围的照相机镜头。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，因此非常有利于画面构图。在镜头两侧各加一个无红暴LED灯，夜间或光线不佳的情况下，红外灯自动打开可以录制下发生在夜间的情况。

3.2 实验研究思路及方法

项目研究采用广角端全动态变焦系统和无红暴LED灯结合，得到范围较大的实景图像。利用主动的红外照明光源来实现对监控目标的补光，以便达到摄像机的夜间监控要求。

3.3 试验方法

本项目创新性突出体现在使用了广角全动态系统与无红暴LED等结合，提高了监控系统的视场性和清晰度，降低了不良道路环境对驾驶员的危害，同时结合红外光源，提升夜间监控数据的接收效果，可以达到较好的经济效益。

采用900nm以上的红外LED灯光照明，提升镜头夜间看清物体的能力，提高采集图片的质量。将外接光源与镜头组合，检测检测效果，并进行适度的参数调整，搭建起硬件平台。

随着变焦系统的结构类型的新型化，要求不断提高，变焦镜头向着多元组和全组元结构方向发展，这样可以发挥每个组元变焦和分散的功能，使结构简单化，小型化使得广泛使用，现在全动态变焦系统广泛应用于变焦手机镜头，便携式摄像机。根据计算机辅助设计过程的分析，找到相关专利结合光学软件就可以设计全动型变焦系统的摄影方面。

a.机械变焦系统一般原理

b.机械补偿方式的变焦系统

根据不同的运动曲线，形式变焦系统的运动分量以更复杂的方式移动，以便在图像平面的尺寸和位置保持恒定的同时实现焦距的连续变化。变焦系统的机械补偿模式是连续变焦过程，经常需要精确调整凸轮，以准确地改变运动部件的位置，因此应用更广泛。机械补偿变焦系统分为传统机械补偿，双作用补偿和全动态补偿类型。我们采用的是全动型变焦系统，下图分别是双作用补偿系统和全动型变焦系统的原理图

（a）双作用补偿原理

（b）全动型补偿原理

c.变焦结构形式的选取

考虑成本等因素的基础上，选择比较最恰当的光学变焦系统结构。下表给出了各种变焦系统在像质、机械式构造方面的优缺点。

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由图可以看出，我们选择的全动型结构不仅像面稳定，而且系统长度短。在设计补偿系统时还可以根据对照表做相应调试，具有较高灵活性。

用光学设计软件透镜图形的模拟可以由 CODEV 软件来实现，最后得到变焦镜头系统在广角位置变焦位置平面结构图如下所示：

d.成像分析

继而在变焦镜头的两侧各加一个900nm无红暴LED灯，让其在照明条件变化时组合实现成像。在一般情况下,广角端变焦镜头在白天使用可见光成像,在晚上使用近红外光像。近红外光的使用提供了一个优势,比如成像时散射的影响小于可见光和低能见度的浓雾。因此，实现从可见范围到近红外范围的宽波长像差在行车记录仪中的变焦透镜，让行车记录仪的显示屏上成像实现超清化，具有大视场，有很好的夜视功能。

4.结语

随着时代的发展，车辆拥堵现象难免造成一些车辆碰擦，一些碰瓷现象，在夜间行驶不便，雨雾天气能见度很低等种种常见现象下，有一款超清夜视行车记录仪能记录下你的行车行程，必要时候的取证手段，帮助司机驾驶及时提醒各种驾驶路况是多么重要。大幅度提高行车记录仪在夜间、雨雾天气、照明条件不佳和能见度低的条件下的可见距离和图像清晰度，无红暴LED灯捕捉夜晚光线，满足相差条件，能够提高夜间监控接收效果扩大司机行车视野，降低视野盲区，提升驾驶安全系数，有效的降低了驾驶事故发生率。