【技術(shù)文章】夜視系統(tǒng)的聚光燈

　　1.介紹

　　根據(jù)德國(guó)聯(lián)邦高速公路研究所(BASt)的研究，夜間在鄉(xiāng)村道路上死亡的行人是白天的5倍。另一項(xiàng)來(lái)自BASt的數(shù)據(jù)同樣令人震驚:只有20%的汽車旅行是在晚上進(jìn)行的。

　　圖1 2005夜視輔助

　　梅賽德斯于2005年推出了夜視系統(tǒng)“夜景輔助”，該系統(tǒng)在夜間視野增長(zhǎng)了兩倍。它的近紅外技術(shù)可以使得到的圖像在可視光線下盡可能接近可視圖像，保證任何司機(jī)都能看到。由于物理效果，大多數(shù)深色的紡織品在近紅外光下變得明亮，這使得行人在夜視圖像中表現(xiàn)為明亮的形狀，如圖1所示。2006年，梅賽德斯推出了智能光系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光功能由電腦控制，包括五種照明功能:鄉(xiāng)村模式、高速公路模式、增強(qiáng)霧燈、主動(dòng)光功能和轉(zhuǎn)彎燈功能。2009年引入了一種光學(xué)制導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)行人。一種識(shí)別算法在夜視圖像中識(shí)別行人并將其標(biāo)記為矩形標(biāo)記，如圖2所示。

　　圖2 2009帶有行人識(shí)別系統(tǒng)的夜視系統(tǒng)

　　2009年,智能燈光系統(tǒng)的自適應(yīng)遠(yuǎn)光燈協(xié)助調(diào)整前照燈的范圍，按照距離識(shí)別迎面而來(lái)的車輛或行人的多目攝像頭，與夜視攝像機(jī)分開(kāi)(如圖3所示)。該系統(tǒng)是第一次實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)控制照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)的前照燈照明可以指向任何對(duì)象，特別對(duì)于解決路邊行人的識(shí)別問(wèn)題，具有顯著作用。

　　圖3 聚光燈功能

　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1高層需求

　　首先，在檢測(cè)算法的能力范圍內(nèi)任何行人都應(yīng)該被照明完全覆蓋，特別是在汽車的乘客一側(cè)的行人應(yīng)該比在司機(jī)側(cè)的行人更需要準(zhǔn)確檢測(cè)。由于缺乏反射性的對(duì)比，照亮一個(gè)深色的行人并不能提高能見(jiàn)度。為了引導(dǎo)司機(jī)的視線，需要一個(gè)閃爍的照明，頻率接近于2赫茲的人類視覺(jué)系統(tǒng)具有最高頻率靈敏度。該系統(tǒng)不應(yīng)使其他交通參與者眼花繚亂，例如其他車輛的駕駛員。如果行人的照明會(huì)撞到其他車輛，照明將立即中止。

　　2.2 功能設(shè)計(jì)

　　如圖3所示，三個(gè)系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)了聚光燈功能：夜景輔助+夜視系統(tǒng)，自適應(yīng)高光束輔助自動(dòng)光控制系統(tǒng)和智能光系統(tǒng)的電腦控制光束。

　　夜視系統(tǒng)將檢測(cè)行人并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，智能照明系統(tǒng)的乘客側(cè)投影模塊將形成聚光燈，并將其引導(dǎo)至行人。聚光燈將不斷從夜視系統(tǒng)接收有關(guān)行人的最新位置信息。該信息將以夜視系統(tǒng)的幀率的一半發(fā)布，以保證聚光燈的平滑移動(dòng)。如果聚光燈打在行人身上，那么在大約2.8赫茲的照射下，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高達(dá)四次的光照序列。自適應(yīng)高光束輔助的多用途攝像機(jī)也將根據(jù)其幀率發(fā)布其他車輛的信息。行人的位置和其他車輛的位置是連續(xù)比較的，如果行人的照明會(huì)影響另一輛車，照明順序被中止。

　　從夜視系統(tǒng)的攝像頭到投影模塊的視差，和從夜視系統(tǒng)到投影模塊的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所積累的延時(shí)，都需要得到補(bǔ)償。視差的補(bǔ)償至少需要一個(gè)粗略的估計(jì)行人到夜視攝像機(jī)的距離。行人檢測(cè)算法通?？梢詮挠|發(fā)檢測(cè)的檢測(cè)器實(shí)例(“stripe”)中提取一個(gè)距離估計(jì)值。需要過(guò)濾的角度和距離測(cè)量，以防止投影模塊振動(dòng)。通過(guò)對(duì)夜視系統(tǒng)的內(nèi)部跟蹤來(lái)預(yù)測(cè)位置信息，從而彌補(bǔ)了時(shí)間上的延時(shí)。

　　3.頭燈

　　3.1聚光燈模塊的一般要求

　　為了突出潛在的危險(xiǎn)，驅(qū)動(dòng)程序最重要的參數(shù)是對(duì)象的可見(jiàn)性和反應(yīng)時(shí)間?？梢?jiàn)性是由亮度和對(duì)比度所決定的。然而，我們能設(shè)計(jì)的唯一參數(shù)是照度。由于反應(yīng)時(shí)間非常有限，并且已經(jīng)受到車內(nèi)檢測(cè)算法和數(shù)據(jù)流的影響，前照燈應(yīng)盡可能快的反應(yīng)。因此，LED陣列前照燈將是理想的解決方案。

　　3.2 技術(shù)方法

　　除了led陣列前照燈外，還可以考慮機(jī)械解決方案。道路上或附近的許多危險(xiǎn)可以在低于250ms的標(biāo)準(zhǔn)模塊內(nèi)照明。原則上，一個(gè)更小、更快速的專用附加聚光燈模塊可以使用一個(gè)1mm芯片的LED實(shí)現(xiàn)。由于這種方法需要在前照燈外殼內(nèi)增加額外的空間，并引入額外的成本。我們不認(rèn)為在許多汽車上可行。

　　4.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，圖5顯示了在方法過(guò)程中與夜視攝像機(jī)拍攝的實(shí)驗(yàn)裝置的圖像，并突出顯示了行人。參與者駕駛一輛奔馳s級(jí)車，配備了聚光燈功能。以每小時(shí)70公里的速度行駛(使用限速器功能)，向靜止的車輛行駛。一個(gè)穿著深色衣服的行人站在對(duì)面車輛后面的一個(gè)可變距離上。由于面對(duì)車輛引起的眩光，行人在進(jìn)場(chǎng)時(shí)最初是不可見(jiàn)的。有三種可能的行人位置:一是面對(duì)車輛的尾部，二是車輛后面30米，三是車輛后面60米。

　　圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　圖5 面向車輛(靜止)和行人(突出顯示)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

　　參與者的任務(wù)是盡可能快地檢測(cè)行人，通過(guò)按下方向盤(pán)上的按鈕進(jìn)行登記。然后將記錄的車輛速度與第一次按鍵的時(shí)間和行人通過(guò)的時(shí)間相結(jié)合，計(jì)算出行人的距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由于惡劣天氣(霧)，四名參與者的數(shù)據(jù)被排除在外。對(duì)于剩下的26名參與者，在所有三個(gè)行人位置都可以觀察到由于聚光燈功能，檢測(cè)距離的顯著改善。當(dāng)行人在面對(duì)車輛后30米時(shí)，平均改善約13米，代表時(shí)間優(yōu)勢(shì)約0.7秒。

　　圖6 駕駛員行人檢測(cè)的平均距離

　　如圖6所示，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相同，其中有19個(gè)測(cè)試參與者。除了沒(méi)有面對(duì)車輛提供眩光，實(shí)驗(yàn)裝置是相同的。結(jié)果如預(yù)期，由于缺少眩光，人們更早的發(fā)現(xiàn)了聚光燈和沒(méi)有聚光燈。然而，聚光燈功能的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)在更加明顯了，平均改進(jìn)了25米，代表了大約1.3秒的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

　　作者：Dr. Ing. Helmuth Eggers, Dr. J?rg Moisel, Mr. Stefan T?pfer， Mr. Stefan T?pfer

　　編譯：史晨陽(yáng)

　　指導(dǎo)：林燕丹