CN105187731A - 一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法及装置 - Google Patents
一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法及装置，本装置包括数据提取模块、初始化状态判断模块、切换执行模块、容错机制模块、短时切换模块、昼夜切换模块，结构简洁明了，便于使用；本方法分为短时切换和昼夜切换两种模式，这两种模式为并行出路的，针对不同的模式，采用感兴趣区域亮度均值及摄像头曝光量均值作为特性，设计切换方法。本方法能适用于各种不同场景，且准确率高。
Description
技术领域
本发明涉及驾驶辅助系统领域，尤其涉及一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法及装置。
背景技术
汽车追尾事故是最常见的事故类型。与前车保持足够的间距能减少追尾事故发生，但驾驶员一时注意力不集中仍会导致事故发生。研究显示，若在发生碰撞前发出预警信号，能避免90％的追尾事故。因此前碰撞预警系统(ForwardCollisionWarning)至关重要。
FCW通常开发白天和夜间两种算法模式，白天模式下利用车辆阴影或车轮等特征，夜间采用车灯特征，因此需要昼夜切换以满足算法需求。现有的昼夜切换方法通常有两种，一种是从成像设备中获取外界光照信息，另一种从数字图像中获取光照信息，专利CN102044152B、CN100504318C均是从数字图像中获取光照信息，方法获取路面亮度均值，利用昼夜亮度变化趋势，设置亮度趋势阈值或寻找突变时间变化，设置切换点。上述方法适用于智能交通系统中的交通监控系统，但该系统中绝大部分摄像头都是固定机位，而FCW装载在车上，在实际行驶过程中，会遇到各种复杂的路况及天气，单一的感兴趣区的亮度趋势判断会受到天气灯光等的影响，亮度趋势判断阈值设置较为困难，设置过大会导致无法切换，过小会导致错误切换。专利CN103702038A是利用成像设备进行昼夜切换，方法设置自适应的曝光量阈值判断是否进行昼夜切换，阈值调整方法为如果当前曝光量小于当前阈值，则设置阈值为当前曝光量与预设阈值间的差值，首先预设阈值较难确定，同时，在夜间车辆行驶中，由于前方车辆灯光的影响，曝光量会受到严重影响，在夜间情况下曝光量会有较小的值，影响阈值的自动调整，导致切换错误。
由于FCW具有移动性，车辆在白天行驶中也会进入较暗的区域，如：隧道等，因此针对该特性，本发明设计了短时切换(进入隧道等)、昼夜切换两种切换模式，以避免进入较暗区域时算法未切换，导致前碰撞预警算法失效。
发明内容
本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法及装置，本装置包括数据提取模块、初始化状态判断模块、切换执行模块、容错机制模块、短时切换模块、昼夜切换模块，结构简洁明了，便于使用；本方法分为短时切换和昼夜切换两种模式，这两种模式为并行出路的，针对不同的模式，采用感兴趣区域亮度均值及摄像头曝光量均值作为特性，设计切换方法。本方法能适用于各种不同场景，且准确率高。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，包括如下步骤：
(1)通过摄像头获取图像的特征数据；
(2)基于特征数据计算感兴趣区域内的亮度均值与曝光量均值，并与设定的亮度阈值和曝光量的阈值比较，初始化昼夜状态；
(3)设置数据统计周期，判断亮度均值的变化趋势并结合亮度值最值差和曝光量阈值判断是否进行昼夜切换；计算曝光量的变化趋势并结合曝光量最值差和亮度均值阈值判断是否进行短时切换；
(4)若满足昼夜切换与短时切换条件，进行切换操作；若不满足条件则启动容错机制，通过修正后进行切换操作。
作为优选，所述的基于前碰撞预警的昼夜切换方法还包括：(5)将一天分为黎明，白天、黄昏和夜晚，在黎明阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到白天模式；在黄昏阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到夜晚；在白天阶段，开启短时切换，若满足短时切换，则将FCW切换到夜晚；在夜晚阶段，关闭短时切换。
作为优选，所述步骤(1)的特征数据为图像的亮度与曝光量。
作为优选，所述步骤(2)的的感兴趣区域为图像中的天空区域部分，计算亮度均值与曝光量均值与初始化昼夜状态过程如下：
(A)计算连续N帧数据周期的曝光量均值及感兴趣区域内亮度均值，N值为预先设定；
(B)设置白天曝光量的最大最小阈值、亮度值的最大最小阈值，根据判断当前帧曝光量及亮度均值与阈值的关系，设定初始状态为白天或夜晚。
作为优选，所述步骤(3)判断昼夜切换的流程如下：
(a)设置统计周期，判断亮度均值的变化趋势，结束一个统计周期判断后将特征数据更新；
(b)设置平滑周期，对突变亮度值使用中值滤波进行平滑处理；
(c)在统计周期内进行特征数据阈值判断及亮度值变化趋势统计，决定是否进行昼夜切换。
作为优选，所述的步骤(c)的特征数据阈值判断采用最值差分析法及终态确认法，亮度值变化趋势统计采用梯度差值法，过程如下：
(I)统计相邻数据周期内亮度之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，若满足则进入步骤(II)；
(II)统计当前周期内亮度值最大值与最小值之差，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，且最大值与最小值的差值大于设定阈值，则进入步骤(III)；
(III)利用曝光量特征判断当前统计周期内曝光量均值与设定阈值间的关系，作为是否进行昼夜切换的条件。
作为优选，所述步骤(3)判断短时切换的流程如下：
1)设置统计周期，判断曝光量的变化趋势，结束一个统计周期判断后将特征数据更新；
2)在统计周期内进行特征数据阈值判断及曝光量变化趋势统计；采用方法与昼夜切换过程相同，采用的特征数据不同，过程如下：
2.1)统计相邻数据周期内曝光量之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，满足条件进入步骤2.2)；
2.2)统计当前周期内曝光量最大值与最小值之差，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，且最大值与最小值的差值大于设定阈值，则进入步骤2.3)；
2.3)利用亮度均值特征判断当前统计周期内亮度均值与设定阈值间的关系，作为是否进行短时切换的条件。
一种应用如上所述的基于前碰撞预警的昼夜切换方法的装置，包括：数据提取模块、初始化状态判断模块、切换执行模块、容错机制模块、短时切换模块、昼夜切换模块；数据提取模块与初始化状态判断模块连接，初始化状态判断模块与切换执行模块连接；切换执行模块分别与短时切换模块、昼夜切换模块连接；容错机制模块分别与初始化状态判断模块、切换执行模块、短时切换模块、昼夜切换模块连接。
作为优选，所述的短时切换模块包括数据记录单元、特征数据阈值判断单元、特征数据趋势判断单元；数据记录单元与特征数据阈值判断单元连接；特征数据阈值判断单元与特征数据趋势判断单元连接。
作为优选，所述的昼夜切换模块包括数据记录单元、平滑处理单元、特征数据阈值判断单元、特征数据趋势判断单元；数据记录单元与平滑处理单元连接；平滑处理单元与特征数据阈值判断单元连接；特征数据阈值判断单元与特征数据趋势判断单元连接。
本发明的有益效果在于：(1)本方法切换模式均通过提取特征数据、特征数据变化趋势分析、并结合最值差阈值及终态确认法等方式实现，能适用于各种场景及天气变化，有利于FCW的正常运行；(2)针对短时及昼夜的变化时间特征，短时切换主要采用曝光量作为变化特征，并结合亮度均值进行终态确认，昼夜切换主要采用亮度值作为变化特征，并结合曝光量均值进行终态确认，该方法减少了参考区域的特征数据被干扰的可能性，增加的最值差及终态确认法减少了系统误判的可能性，确保了切换结果的准确性。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明方法的步骤流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例：如图1所示，一种基于前碰撞预警的昼夜切换装置包括数据提取模块、初始化状态判断模块、切换执行模块、容错机制模块、短时切换模块、昼夜切换模块。
数据提取模块：提取图像感兴趣区域亮度均值及摄像头曝光量；
初始状态判断模块：与所述数据提取模块相连，根据当前帧曝光量与亮度均值，初始化昼夜状态；
切换执行模块：与所述初始状态判断模块相连，根据当前帧昼夜状态，判断启动何种切换模式，将一天分为黎明，白天、黄昏和夜晚，在黎明或黄昏阶段，启用昼夜切换，在白天阶段，启用短时切换，在夜间状态，关闭短时切换；
昼夜切换判断模块：与切换执行模块相连，对统计周期内亮度突变值进行中值滤波，判断统计周期内亮度均值的变化趋势，曝光量、亮度最大最小差值与设定阈值的关系；
短时切换判断模块：与切换执行模块相连，判断统计周期内曝光量的变化趋势，亮度均值、曝光量最大最小差值与设定阈值的关系；
容错机制模块：与初始状态判断模块，昼夜切换判断模块及短时切换判断模块相连，同时与切换执行模块相连，依据前三者输出状态，结合容错机制决策，将容错机制模块输出结果反馈回执行模块，避免状态判断始终出错。
其中，昼夜切换判断模块包括：
数据记录单元：记录统计周期内亮度均值，当前数据周期曝光量均值，当该统计周期数据判断结束时，需更新记录单元中的特征数据；
平滑处理单元：检测亮度值是否有突变，若突变采用中值滤波进行平滑处理，避免数据突变对变化趋势及差值阈值的判断；
特征数据阈值判断单元：当前帧曝光量与设定阈值比较，统计周期内亮度最大最小值差值与设定阈值比较，为是否进行昼夜切换的必要条件；
特征数据趋势判断单元：判断相邻数据周期亮度差值为正或负占整个统计周期数据值的比例，以判断是否有上升或下降趋势。
其中，短时切换判断模块包括：
数据记录单元：记录统计周期内曝光量，当前数据周期亮度均值，当该统计周期数据判断结束时，需更新记录单元中的特征数据；
特征数据阈值判断单元：当前帧亮度均值与设定阈值比较，统计周期内曝光量最大最小值差值与设定阈值比较，为是否进行昼夜切换的必要条件；
特征数据趋势判断单元：判断相邻数据周期曝光量差值为正或负占整个统计周期数据值的比例，以判断是否有上升或下降趋势。
一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法如图2所示，包括如下步骤：
(1)获取特征数据：本发明以图像亮度，曝光量为特征数据，均由安装在车前挡风玻璃处的摄像头获取；
(2)计算感兴趣区域内亮度及曝光量均值，与设定曝光量及亮度最大最小阈值比较，初始化当前昼夜状态；具体流程如下：
(2.1)利用相机标定原理，得到图像消失点，以消失点上方天空部分为感兴趣区域(ROI)，计算连续N帧数据周期的曝光量均值及ROI内亮度均值，计算N帧均值目的是为了减少灯光、场景等对背景亮度的影响；
对于不同的切换模式，N值设定不同，即数据周期不同，短时切换模式由于获取趋势时间较短，可设置数据周期为T＝0.2s，昼夜切换数据周期为T'＝30s，可通过视频帧率f计算相应的N＝Tf；
(2.2)计算当前数据周期曝光量均值nE及亮度均值nMean，ThEmax、ThEmin为白天曝光量最大最小阈值，ThMeanmax、ThMeanmin为白天亮度值最大最小阈值，设置判决条件：
(i)nE＜ThEmin或nMean＞ThMeanmax；(ii)ThEmin＜nE＜ThEmax且nMean＞ThMeanmin；当上述条件的其中一个时，初始化状态为白天，反之，则为夜晚；若初始状态设定错误，可通过容错机制纠正错误。
(3)并行处理两种切换模式，针对FCW的移动性，设计昼夜切换和短时切换两种模式；短时切换主要计算曝光量的变化趋势，并结合曝光量最值差和亮度均值阈值判断，昼夜切换主要计算亮度值的变化趋势，结合亮度值最值差和曝光量阈值判断；短时切换主要用于进入隧道等较暗区域时间较短，曝光量变化较为明显，但亮度变化较小，昼夜切换时间较长，曝光量变化非常小，但亮度变化却很明显，因此，两种模式采用不同的特征。
昼夜切换通过设置数据统计周期，在该统计周期内，计算亮度均值的变化趋势，并结合曝光量及亮度值阈值设置判决条件，进行切换判断来实现；具体流程如下：
(A)统计周期设置为M个数据周期，设置该统计周期的目的为判断亮度均值的变化趋势，统计周期太长或太短都不利于变化趋势判断，本发明中M＝30N，依据视频帧率转化到实际时间为15min，结束一个统计周期判断后需将特征数据更新；
(B)亮度突变值平滑处理，为避免车灯及场景对亮度影响，对突变亮度值进行平滑处理，设置平滑周期，在该周期内使用中值滤波进行处理；
(C)统计周期内，特征数据阈值判断及亮度值变化趋势统计；其中，特征数据阈值判断采用最值差分析法及终态确认法，亮度值变化趋势采用梯度差值法，具体方法如下：
1)所述梯度差为：相邻数据周期内亮度之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，如本发明中以30个数据周期为统计周期，梯度差值为正的个数若为24，则比例为80％，若设置比例阈值为0.8，则满足条件进入步骤2)；
实际场景测试知，亮度值易受干扰，仅依据步骤1)的条件较难进行正确判断，若比例系数设置过高，切换会失效，若比例设置过低，会造成错误切换，为解决上述不足，引入最值差分析法。
2)所述最值差为：当前统计周期内亮度值最大最小值Meanmax、Meanmin，最大最小值间差值ΔMean＝Meanmax-Meanmin，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，则最大最小值间差值应大于某个阈值，反之，在白天或夜间平稳状态下运行，最值差变化非常小，则设ThMeanΔ为该统计周期内亮度差变化最小值，若ΔMean＞ThMeanΔ进入步骤3)；
3)终态确认法即为最终状态的确认，利用曝光量作为该方法的特征，在满足上述两个条件的情况下，判断当前统计周期内曝光量均值nE与设定阈值间的关系，作为决定是否切换的最终条件。如从“昼->黄昏->夜”，设置夜间曝光量阈值ThEnight，ThEnight的设置为表示夜晚的曝光量值，满足条件nE＞ThEnight，则进行切换，从“夜->清晨->昼”的情况同理；
短时切换通过设置数据统计周期，在数据统计周期内计算曝光量的变化趋势，并结合曝光量及亮度值阈值设置判决条件，进行切换判断来实现，具体流程如下：
(a)统计周期为M个数据周期，本发明中M＝24N，依据视频帧率转化到实际时间为1.5s，结束一个统计周期判断后需将特征数据更新；
(b)统计周期内，特征数据阈值判断及曝光量变化趋势统计；所采用方法与昼夜切换相同，仅是特征数据的不同，具体方法如下：
1)所述梯度差为：相邻数据周期内曝光量之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，满足条件进入步骤2)；
2)所述最值差为：当前统计周期内曝光量最大最小值Emax、Emin，最大最小值间差值ΔE＝Emax-Emin，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，则最大最小值间差值应大于某个阈值，反之，在未进入隧道灯较暗场景，最值差变化非常小，则设ThEΔ为该统计周期内曝光量变化最小值，若ΔE＞ThEΔ进入步骤3)；
3)终态确认法即为最终状态的确认，利用亮度均值作为该方法的特征，在满足上述两个条件的情况下，判断当前统计周期内亮度均值nMean与设定阈值间的关系，作为决定是否切换的最终条件。如从“昼->黄昏->夜”，设置夜间亮度均值阈值ThMeannight，ThMeannight设置为表示夜晚的亮度均值，满足条件nMean＞ThMeannight，则进行切换，从“夜->清晨->昼”的情况同理。
(4)若满足昼夜切换与短时切换条件，进行切换操作；若不满足条件则启动容错机制，通过修正后进行切换操作。
本实施例中具体如下：判断连续N个数据周期曝光量均值nE与设定阈值的关系，该阈值根据当前昼夜状态设置，是一个能准确判断与当前状态相反的曝光量值，本发明中ThEady＝256，ThEnight＝1500，若当前状态为白天，但nE＞ThEnight，若当前状态为夜晚，但nE＜ThEday，则表示切换失败，容错机制启动修正，修正后进行切换。
(5)本方法进一步将一天分为黎明，白天、黄昏和夜晚，在黎明阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到白天模式，在黄昏阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到夜晚，在白天阶段，开启短时切换，若满足短时切换，则将FCW切换到夜晚，在夜晚阶段，关闭短时切换。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)通过摄像头获取图像的特征数据；
(2)基于特征数据计算感兴趣区域内的亮度均值与曝光量均值，并与设定的亮度阈值和曝光量的阈值比较，初始化昼夜状态；
(3)设置数据统计周期，判断亮度均值的变化趋势并结合亮度值最值差和曝光量阈值判断是否进行昼夜切换；计算曝光量的变化趋势并结合曝光量最值差和亮度均值阈值判断是否进行短时切换；
(4)若满足昼夜切换与短时切换条件，进行切换操作；若不满足条件则启动容错机制，通过修正后进行切换操作。
2.根据权利要求1所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述的基于前碰撞预警的昼夜切换方法还包括：
(5)将一天分为黎明，白天、黄昏和夜晚，在黎明阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到白天模式；在黄昏阶段，若满足昼夜切换，则将FCW切换到夜晚；在白天阶段，开启短时切换，若满足短时切换，则将FCW切换到夜晚；在夜晚阶段，关闭短时切换。
3.根据权利要求1所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述步骤(1)的特征数据为图像的亮度与曝光量。
4.根据权利要求1所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述步骤(2)的的感兴趣区域为图像中的天空区域部分，计算亮度均值与曝光量均值与初始化昼夜状态过程如下：
(A)计算连续N帧数据周期的曝光量均值及感兴趣区域内亮度均值，N值为预先设定；
(B)设置白天曝光量的最大最小阈值、亮度值的最大最小阈值，根据判断当前帧曝光量及亮度均值与阈值的关系，设定初始状态为白天或夜晚。
5.根据权利要求1所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述步骤(3)判断昼夜切换的流程如下：
(a)设置统计周期，判断亮度均值的变化趋势，结束一个统计周期判断后将特征数据更新；
(b)设置平滑周期，对突变亮度值使用中值滤波进行平滑处理；
(c)在统计周期内进行特征数据阈值判断及亮度值变化趋势统计，决定是否进行昼夜切换。
6.根据权利要求5所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述的步骤(c)的特征数据阈值判断采用最值差分析法及终态确认法，亮度值变化趋势统计采用梯度差值法，过程如下：
(I)统计相邻数据周期内亮度之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，若满足则进入步骤(II)；
(II)统计当前周期内亮度值最大值与最小值之差，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，且最大值与最小值的差值大于设定阈值，则进入步骤(III)；
(III)利用曝光量特征判断当前统计周期内曝光量均值与设定阈值间的关系，作为是否进行昼夜切换的条件。
7.根据权利要求1所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换方法，其特征在于：所述步骤(3)判断短时切换的流程如下：
1)设置统计周期，判断曝光量的变化趋势，结束一个统计周期判断后将特征数据更新；
2)在统计周期内进行特征数据阈值判断及曝光量变化趋势统计；采用方法与昼夜切换过程相同，采用的特征数据不同，过程如下：
2.1)统计相邻数据周期内曝光量之差，计算统计周期内差值为正或为负的个数占整个统计周期内亮度值个数的比例，设置比例阈值，判断是否存在上升或下降趋势，满足条件进入步骤2.2)；
2.2)统计当前周期内曝光量最大值与最小值之差，若在该统计周期内存在上升或下降趋势，且最大值与最小值的差值大于设定阈值，则进入步骤2.3)；
2.3)利用亮度均值特征判断当前统计周期内亮度均值与设定阈值间的关系，作为是否进行短时切换的条件。
8.一种应用如权利要求1所述的基于前碰撞预警的昼夜切换方法的装置，其特征在于包括：数据提取模块、初始化状态判断模块、切换执行模块、容错机制模块、短时切换模块、昼夜切换模块；数据提取模块与初始化状态判断模块连接，初始化状态判断模块与切换执行模块连接；切换执行模块分别与短时切换模块、昼夜切换模块连接；容错机制模块分别与初始化状态判断模块、切换执行模块、短时切换模块、昼夜切换模块连接。
9.根据权利要求8所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换装置，其特征在于：所述的短时切换模块包括数据记录单元、特征数据阈值判断单元、特征数据趋势判断单元；数据记录单元与特征数据阈值判断单元连接；特征数据阈值判断单元与特征数据趋势判断单元连接。
10.根据权利要求8所述的一种基于前碰撞预警的昼夜切换装置，其特征在于：所述的昼夜切换模块包括数据记录单元、平滑处理单元、特征数据阈值判断单元、特征数据趋势判断单元；数据记录单元与平滑处理单元连接；平滑处理单元与特征数据阈值判断单元连接；特征数据阈值判断单元与特征数据趋势判断单元连接。
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