CN101753827B - 图像撷取装置角度决定方法及其车辆碰撞警示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图像撷取装置角度决定方法及其车辆碰撞警示系统,可在多种环境下以校正工具关于图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值以及搭配递归式角度演算,以获得精确的图像撷取装置角度。该方法,包括:将一图像撷取装置设置于一载具上,使该图像撷取装置具有一预设角度范围;利用该图像撷取装置撷取一校正工具的图像;分别计算该图像的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值;以及根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度。透过前述的检测方法,使检测图像撷取装置的角度变得简单以及准确,进而提高车辆碰撞警示系统使用的便利性。
Description
技术领域
本发明是有关于一种车辆安全警示技术,尤其是指一种检测图像撷取装置设置角度并且根据该角度以及周遭环境图像进行安全警示的图像撷取装置角度决定方法及其车辆碰撞警示系统。
背景技术
随着科技进展,生活富裕,机动车辆日益普及至每个家庭,交通的方便性由于车辆科技的进步而不断提升。然而随着车辆使用的频繁,使用机动车辆造成的死亡人数始终居高不下。根据内政部警政署统计,历年来台湾地区每年因交通事故而死亡的人数皆维持在三千人左右,受伤人数则在二十万人左右,如公元2005年台湾地区因交通事故的死、伤人数各为2,894及200,009人。平均每天有8人因交通事故死亡。
分析其肇事原因,百分之九十七以上是驾驶不当所致,事故类型又以追撞案例占大宗。这些交通事故不仅造成个人及家庭的负担,耗费社会有限的医疗资源,并造成国家生产力的损失。
有鉴于此,如果能以摄影机,建立一车用的碰撞警示系统,应用先进的图像处理技术辨识出本车周围车辆并估测与其的相对距离,并于距离过近时提出警示信号,警告驾驶者作出适当处置,如减低车速等等,以避免事故的发生,亦可降低交通事故发生机率。
然而,在估测本车与它车的间距时,摄影机相对于地面的角度信息是必要的,而在现有的技术中,例如美国专利公告号第4942533号所公开的技术中,其角度是基于消失点的检测运算而得,然而道路上无限长的平行车道线特征,受限于图像分辨率,以及车道线辨识算法在充满噪声的道路图像上演算时并无法求得精确的车道位置,因而无法获得精确的消失点,而基于不精确的消失点位置所求得的摄影机角度,将导致在估测本车与它车的间距时产生大量的误差。
发明内容
本发明提供一种图像撷取装置角度决定方法,此方法通过撷取校正工具的图像,利用预设该图像撷取装置的设置角度,并以该角度为初始值对该图像进行递归运算处理,以自动估测图像撷取装置角度。
本发明提供一种车辆碰撞警示系统,通过图像撷取设备角度固定装置确保角度落于预设的范围内,并使用递归式高精度角度自动检测方法,对所撷取的校正工具的图像,进行运算处理以估测出图像撷取装置的精确角度,以顺利估算本车与它车的相对距离。
本发明公开了一种图像撷取装置角度决定方法,包括有下列步骤:将一图像撷取装置设置于一载具上,使该图像撷取装置具有一预设角度范围;利用该图像撷取装置撷取一校正工具的图像;分别计算该图像的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值;以及根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度。
本发明还公开了一种载具碰撞警示系统,包括:一图像撷取装置,用以撷取载具周围的图像信息;一图像处理与控制模块,根据该图像撷取装置所撷取的图像信息分别计算该图像信息的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值,然后根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度,并且根据该图像撷取装置所撷取的图像信息以及该设置角度与该图像撷取装置的设置高度,进行演算与解析载具与周遭物体的相对距离而产生一警示信号;一显示单元,与该图像处理与控制模块相连接,该显示单元接收该图像处理与控制模块所传递的信号以显示图像;以及一警示单元,与该图像处理与控制模块相连接,该警示单元接收该警示信号以产生警报。
本发明提供一种图像撷取设备角度固定装置以及搭配校正工具使用的递归式高精度角度自动决定方法,可在多种环境下先使用角度固定装置确保角度落于预设的范围内,再使用校正工具搭配递归式角度自动决定方法,以获得精确的图像撷取装置角度,此方法可在碰撞警示系统安装完成后,快速的执行高精度的摄影机角度校正而免去行驶至道路以完成校正程序,以及因使用消失点计算摄影机角度所产生的大量误差,而这样的图像撷取设备角度固定装置以及搭配校正工具使用的递归式高精度角度自动决定方法及使用该方法的车辆碰撞警示系统,对于后续的距离估测具有极大的便利性。
附图说明
图1A为本发明的图像撷取装置角度自动检测方法的实施例流程示意图;
图1B为本发明的递归角度演算程序流程示意图;
图2为图像撷取装置设置示意图;
图3A为校正工具示意图;
图3B为校正工具与载具关系示意图;
图4为本发明的校正工具图像与其图像坐标系示意图;
图5为图像撷取装置内的感光组件示意图;
图6为本发明的图像撷取装置配置位置示意图;
图7为本发明的车辆碰撞警示系统施例示意图。
其中,附图标记:
1-图像撷取装置角度决定方法 10~15-步骤
140~143-步骤 2-角度固定装置
20-水平气泡仪 21-基座
22-支撑机构 23-图像撷取装置
3-显示屏 30-图像坐标系
4-感光组件 5a~5d-图像撷取装置
6-车辆碰撞警示系统 60-图像处理与控制模块
600-数字信号处理与控制单元 601-图像撷取与译码单元
602-图像随机存取内存 603-图像编码与输出单元
604-非挥发性可程序内存 61-图像撷取装置
62-使用者控制单元 63-显示单元
64-警示单元 90-载具
91-校正工具 91a-校正工具图像
具体实施方式
为使贵审查员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解,下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明,以使得审查员可以了解本发明的特点,详细说明陈述如下:
请参阅图1A所示,该图为本发明的图像撷取装置角度自动检测方法的实施例流程示意图。该图像撷取装置角度自动检测方法1,其包括有下列步骤:首先进行步骤10,将一图像撷取装置设置于一载具上,使该图像撷取装置具有一预设角度范围。在本步骤中,该载具并无一定限制,可以为可移动的装置,例如:车辆等。而设置于载具上的位置也无特定限制,一般而言,该图像撷取设备角度固定装置可以设置于车辆的前、后、左、右或者是前述的组合的位置上。至于让该图像撷取装置具有该预设角度范围的方式,有很多种现有技术可以达成。在本实施例中将该图像撷取装置设置于具有特定角度范围的图像撷取设备角度固定装置上,使得该图像撷取装置具有预设角度范围。
如图2所示,该图为图像撷取装置设置示意图。在本实施例中,该角度固定装置2具有一水平气泡仪20,其设置于一基座21上。该基座21可连接至载具90的本体上。由于该角度固定装置2上,还具有一图像撷取设备支撑机构22以预设的角度θ相对于此水平气泡仪20。该图像撷取设备支撑机构22可提供承载图像撷取装置23。因此,当将该角度固定装置2设置于任意载具(例如:车辆)时,通过调整水平气泡仪20平行于地面使得图像撷取装置23的设置角度落于预设的范围内。所谓预设范围内为,因为角度固定装置本身会有误差,例如:如果支撑机构所能达到的角度θ为3度,但是由于加工以及组装置问题,因此实际上可能的角度可能介于在2.8度至3.5度之间。此外,图2的实施例,主要使图像撷取装置通过一治具而具有一预设角度,不过由于治具的加工以及组装可能造成角度误差,因此需要通过本发明的方法以精确得知设置的角度。至于如何使图像撷取装置具有预设角度,现有技术中尚有多种方式,并不以图2的实施例为限。
再回到图1A所示,接着以步骤11,提供一校正工具设置于该图像撷取装置的撷取范围内。然后以步骤12利用图像撷取装置23撷取车辆90前方的图像以取得该校正工具的图像。如图3A与图3B所示,其中图3A为校正工具示意图,而图3B为校正工具与载具关系示意图。该校正工具91的外观为方型且尺寸已知,其尺寸大小或者是外观颜色,可以根据使用者的需要而定。在本步骤中,以图像撷取装置设置23于载具90的前方为例,将校正工具91设置于该载具90的前方,(本实施例为平放于地面上)。在本实施例中,该校正工具91设置载具90的前方而此载具90以及校正工具91所处的空间本身亦定义了一空间坐标系,使得后续的与物体间的距离估测皆定义在此空间坐标系上。
再回到图1A所示,撷取图像完毕的后,先进行判断在撷取的图像中是否具有该校正工具的图像,如果没有的话则回到步骤12继续撷取图像;反之,如果有的话则进行步骤13锁定该图像,分别计算该图像的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的坐标位置以及关于一空间坐标系的特征值。步骤13中的该图像特征可为该校正工具的一侧边,在本实施例中该侧边为图3B中空间坐标中的Z方向宽度h1。
此外,如图4所示,该图为本发明的校正工具图像与其图像坐标系示意图。此外,步骤13中的图像坐标系30指显示该校正工具91图像的显示范围所建立的坐标系。以本实施例而言,该图像坐标系30指显示该图像撷取装置23所撷取的图像的显示屏3所具有的显示范围所构成的坐标系。而步骤13中的坐标位置是指于该图像坐标系30中对应该校正工具91的图像91a上的侧边h2于y方向的边界的坐标位置(yv,1,yv,2)。至于该特征值可参阅图3B所示,在该空间坐标系中的该校正工具于Z轴方向的宽度h1即为该特征值(Zv,2-Zv,1)。
再回到图1A所示,步骤13后再进行步骤14,根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度。该设置角度为该图像撷取装置的中心轴与水平面的夹角。请参阅图1B所示,该图为本发明的递归角度演算程序流程示意图。该程序包括有下列步骤:首先进行步骤140,决定关于该设置角度与一比例因子、该图像撷取装置的焦距f、该坐标位置(yv,1,yv,2)、该特征值(Zv,2-Zv,1)、该图像撷取装置的设置高度h以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量H的关系。该关系的方程式如下式(1)以及(2)所示:
其中:
Sy:Y方向比例因子,单位为像素/公尺;
f:焦距,单位为公尺;
θ:图像撷取装置与地面的夹角(请参阅图2B所示);
H:显示屏高度像素数量;
h:图像撷取装置的设置高度;
yv,2:校正工具上水平边界于图像坐标系中的y向坐标;
yv,1:校正工具下水平边界于图像坐标系中的y向坐标;
Zv,2:校正工具上水平边界于空间坐标系上的Z向坐标;
Zv,1:校正工具下水平边界于空间坐标系上的Z向坐标;
接着进行步骤141计算图像撷取装置的一比例因子。如图4与图5所示,其中图5为图像撷取装置内的感光组件示意图。该比例因子为该显示屏高度H的总像素数量与图像撷取装置内的感光组件4(image sensor,例如:CCD芯片或者是CMOS芯片)的高度h0的比值。例如:如果显示屏的显示范围为1024(像素)×768(像素),则H为768(像素)。传感器4的大小可根据使用的规格而定,并无一定限制,以传感器尺寸为3.2mm×2.4mm为例,比例因子Sy为768/0.0024=320000(像素/公尺)。
之后,以步骤142,将该比例因子、该图像撷取装置的焦距、该位置、该特征值、该图像撷取装置的设置高度以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量代入该关系式(1)内,并以步骤143进行递归演算。在步骤143中,递归演算利用演算公式(2)也就是牛顿法的方式来进行运算。其中,该递归运算的初值为图像撷取设备角度固定装置所限制范围内的角度,经过数次的递归运算以得到一收敛且精确的该图像撷取装置的角度。再回到图1A所示,当递归出图像撷取装置的角度后,再进行判断所估算出的角度是否合理。至于是否合理的判断方式为,当递归运算收敛到一角度值时,如果该角度的大小并非落入在利用该角度固定装置设置时所具有的合理的角度范围内的话,则属于不合理的收敛角度值。因此,如果不合理,则重新回到步骤12继续后续的步骤。反之,如果合理的话,则可以以步骤15将所估算的角度记录下来。
虽然前述的说明以图2的配置方式来进行说明,但图像撷取装置并不被限制仅能设置于载具的前方。在图6中,载具90周围的位置都可以设置图像撷取装置5a~5d,至于其设置角度的演算方法,如前所述,在此不做赘述。此外,该图像撷取装置5a~5d可选择为一摄影机或者是一红外线图像撷取装置。其中该摄影机可选择为一光电耦合组件(charge-coupled Device;CCD)以及一互补式金氧半的光学感测组件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)其中之一。
利用前述的检测方法,本发明还提供一车辆碰撞警示系统6。请参阅图7所示,该图为本发明的车辆碰撞警示系统施例示意图。该车辆碰撞警示系统6,具有至少一图像撷取装置61、一图像处理与控制模块60、一显示单元63以及一警示单元64。该图像撷取装置61,其可以撷取车辆周围的图像信息。该图像处理与控制模块60,其根据该图像撷取装置61所撷取的图像信息分别计算该图像信息的一特征关于该图像撷取装置61的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值,然后根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置61的设置角度,并且根据该图像撷取装置61所撷取的图像信息、该图像撷取装置61的设置高度以及设置角度,进行演算与解析载具与周遭物体的相对距离而产生一警示信号。
该显示单元63,其与该图像处理与控制模块60相连接,该显示单元63可接收该图像处理与控制模块60所传递的信号以显示图像,例如:显示车辆追踪画面、与它车的距离估算值等相关的图像与文字数据等信息。该显示单元63可为液晶显示器或者是发光二极管显示器等,但不在此限。该警示单元64,其与该图像处理与控制模块60相连接,该警示单元64可接收该警示信号以产生警报,以提醒驾驶者本车与它车的间距过近。该警示单元64可对驾驶可发出声、光或振动等方式警示信号。此外,该警示单元所产生的警示信息亦可以通过该显示单元产生可警示驾驶的图像。
该车辆碰撞警示系统6还具有一使用者控制单元62,该使用者控制单元62可提供使用者一操控界面,以供使用者进行启动该车辆碰撞警示系统6、用于设定是否启动碰撞警示系统6、进行图像撷取装置61角度检测程序或车辆追踪与测距程序。该图像撷取装置61角度检测程序为前述的图像撷取装置角度自动检测方法所述的步骤。而该车辆追踪与测距程序则为利用图像信息来检测车辆与车辆周围的物体的距离,以维持车辆的行进安全。
该图像处理与控制模块60还包含:一图像撷取与译码单元601、一数字信号处理与控制单元600以及一图像编码与输出单元603。该图像撷取与译码单元601,与该图像撷取装置61相连接,以将该图像撷取装置61所撷取的信息转成一数字化图像信息。该数字信号处理与控制单元600,可接收该数字化图像信息,进行演算与解析。该图像编码与输出单元603,与该数字信号处理与控制单元600以及该显示单元63相连接,该图像编码与输出单元603可接收该数字信号处理与控制单元600所输出的一控制信号将图像编码并输出图像视频给该显示单元63。
此外,该图像处理与控制模块60还包含:一图像随机存取内存602以及一非挥发性可程序内存604。该图像随机存取内存602,其为可记忆该数字化图像信息以及经由该数字信号处理与控制单元600处理完毕的图像,该图像随机存取内存602可提供该数字化图像信息给该数字信号处理与控制单元600以及提供处理完毕的图像给该图像编码与输出单元603。该非挥发性可程序内存604,可记录该数字信号处理与控制单元600所运算解析的该图像撷取装置61的估算角度。
当通过使用者控制单元62切换至车辆追踪与测距程序时,该图像处理与控制模块60亦将根据图像撷取装置61所接收到的图像信息,辨识与追踪车辆并估测与其的相对距离。并将计算出的相对距离迭加于原始图像信息上,以成一新的车辆追踪图像信息,并储存于该图像随机存取内存602。而该图像随机存取内存602内的图像信息将传至该图像编码与输出单元603,转成可支持显示单元63的图像视频信号,输出图像,以显示车辆追踪与测距画面。
上述仅为本发明的实施例,当不能以之限制本发明范围。即大凡依本发明权利要求所做的等效变化及修改,仍将不失本发明的要义所在,亦不脱离本发明的精神和范围,故都应视为本发明的进一步实施状况。
综合上述,本发明提供图像撷取装置角度决定方法及其车辆碰撞警示系统,由于具有自动估测摄影机角度,以利后续车辆图像安全辨识以及警示的动作。因此已经可以提高该产业的竞争力以及带动周遭产业的发展,已符合专利法所规定申请发明所需具备的要件。
Claims (17)
1.一种图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,包括有下列步骤:
将一图像撷取装置设置于一载具上,使该图像撷取装置具有一预设角度范围,其中,该图像撷取装置通过一设置角度固定装置设置于该载具上,该角度为所述图像撷取装置的中心轴与水平平面的夹角,使该图像撷取装置安置于该预设角度范围;
利用该图像撷取装置撷取一校正工具的图像;
分别计算该图像的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值,其中,该图像的一特征为该校正工具的一侧边,该位置为该特征的边界坐标位置,该特征值为该校正工具于一方向的侧边宽度;以及
根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度;
其中,该递归角度演算程序还包括有下列步骤:
决定关于该设置角度与一比例因子、该图像撷取装置的焦距、该位置、该特征值、该图像撷取装置的设置高度以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量的关系;
计算关于该图像撷取装置的一比例因子;
将该比例因子、该图像撷取装置的焦距、该位置、该特征值、该图像撷取装置的设置高度以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量代入该关系内;以及
经过多次的递归运算以得到一收敛且精确的该图像撷取装置的设置角度;
该比例因子包括有该显示屏高度像素数量与图像撷取装置内的图像传感器的高度的比值。
2.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该图像撷取装置为一光电耦合组件以及一互补式金氧半的光学感测组件其中之一。
3.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该图像撷取装置为一红外线图像感测装置。
4.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该角度固定装置上还具有水平气泡单元。
5.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该载具为移动载具。
6.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该图像撷取装置设置于该载具的前、后、侧边以及前述的任意组合其中之一。
7.如权利要求1所述的图像撷取装置角度决定方法,其特征在于,该递归运算的初始值为该预设角范围内的一角度。
8.一种载具碰撞警示系统,其特征在于,包括:
一图像撷取装置,具有一预设角度范围,用以撷取载具周围的图像信息且用于撷取一校正工具的图像,该图像撷取装置通过一设置角度固定装置设置于该载具上,该角度为所述图像撷取装置的中心轴与水平平面的夹角,使得该图像撷取装置处于该预设角度范围内;
一图像处理与控制模块,根据该图像撷取装置所撷取的图像信息分别计算该图像信息的一特征关于该图像撷取装置的一图像坐标系的位置以及关于一空间坐标系的特征值,然后根据该位置与该特征值进行一递归角度演算程序以得到该图像撷取装置的设置角度,并且根据该图像撷取装置所撷取的图像信息以及该设置角度与该图像撷取装置的设置高度,进行演算与解析载具与周遭物体的相对距离而产生一警示信号,其中,该图像信息的一特征为该校正工具的一侧边,该位置为该特征的边界坐标位置,该特征值为该校正工具于一方向的侧边宽度;
一显示单元,与该图像处理与控制模块相连接,该显示单元接收该图像处理与控制模块所传递的信号以显示图像;以及
一警示单元,与该图像处理与控制模块相连接,该警示单元接收该警示信号以产生警报;
其中,该递归角度演算程序还包括:
决定关于该设置角度与一比例因子、该图像撷取装置的焦距、该位置、该特征值、该图像撷取装置的设置高度以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量的关系;
计算关于该图像撷取装置的一比例因子;
将该比例因子、该图像撷取装置的焦距、该位置、该特征值、该图像撷取装置的设置高度以及显示该图像撷取装置图像的一显示屏的高度像素数量代入该关系内;以及
经过多次的递归运算以得到一收敛且精确的该图像撷取装置的设置角度。
9.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该图像撷取装置选择为一光电耦合组件以及一互补式金氧半的光学感测组件其中之一。
10.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该图像撷取装置为一红外线图像撷取装置。
11.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该图像撷取装置设置于载具的前、侧、后以及前述的组成的位置其中之一。
12.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该警示单元对驾驶者发出声、光或振动方式的警示信号。
13.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,还具有一使用者控制单元,该使用者控制单元提供使用者一操控界面,以供使用者启动该载具碰撞警示系统、进行图像撷取装置角度检测程序或载具追踪与测距程序。
14.如权利要求13所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该图像处理与控制模块还包含:
一图像撷取与译码单元,与该图像撷取装置相连接,以将该图像撷取装置所撷取的信息转成一数字化图像信息;
一数字信号处理与控制单元,接收该数字化图像信息,进行演算与解析;以及
一图像编码与输出单元,与该数字信号处理与控制单元以及该显示单元相连接,该图像编码与输出单元接收该数字信号处理与控制单元所输出的一控制信号将图像编码并输出图像视频给该显示单元。
15.如权利要求14所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该图像处理与控制模块还包含:
一图像随机存取内存,用于存储该数字化图像信息以及经由该数字信号处理与控制单元处理完毕的图像,该图像随机存取内存提供该数字化图像信息给该数字信号处理与控制单元以及提供处理完毕的图像给该图像编码与输出单元;以及
一非挥发性可程序内存,记录该数字信号处理与控制单元所运算解析出该图像撷取装置设置的角度。
16.如权利要求15所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该数字信号处理与控制单元,将图像撷取装置的角度校正结果或追踪与测距结果迭加于原始数字图像上,以成一新的图像信息,并储存于该图像随机存取内存。
17.如权利要求8所述的载具碰撞警示系统,其特征在于,该警示单元通过该显示单元产生可警示驾驶的图像。
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