CN105416174A - 一种实现汽车行驶信息显示的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现汽车行驶信息显示的系统和方法。所述系统包括：投影仪，用于投影虚拟线路指向图像；眼球追踪仪，用于获取驾驶员眼球位置信息；以及汽车挡风玻璃。本发明采用将人眼视觉原理，通过光线反射原理和平面镜成像原理相结合的方法来实现汽车前行方向指示箭头和实际路况进行虚实结合的立体显示。利用本发明能够给汽车驾驶员呈现出一种汽车行驶方向的指示箭头贴合在行驶的路面上的视觉效果。

Description

一种实现汽车行驶信息显示的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统和方法。

背景技术

HUD是HeadUpDisplay的简称，以前用在战斗机上，后来一些汽车厂家也运用起来，但并不广泛。汽车上HUD的实现原理主要是利用光学反射原理，将车辆和驾驶相关信息投射在玻璃，镀膜镜片，然后反射进驾驶员的眼睛。这样驾驶员不必低头，就可以看到行车信息，如车速，导航等都会显示在前挡风玻璃的小块区域内，避免分散驾驶员对前方道路的注意力。

现有的车载HUD，主要是将汽车和驾驶信息简单的投射在挡风玻璃上。这样的处理方法存在一定的弊端：投射影像和实际的道路分离，尽管驾驶员无需低头即可看到驾驶信息，但是仍需要分心将看到的信息和实际的路况进行匹配，无法做到虚拟的指示和实际的路况相结合，仍然存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统与方法，实现虚拟路况信息和实际行驶路况的虚实结合，使驾驶员的精力能够更加专注于驾驶。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统，包括：

投影仪，用于投影虚拟线路指向图像；

眼球追踪仪，用于获取驾驶员眼球位置信息；

汽车挡风玻璃；

其中，基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪相对于所述汽车挡风玻璃对称所成的虚像所在平面β₃的平面方程；按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线O_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)；计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点I_i关于平面β₂对称的各个点I_i′的坐标(X_i′，Y_i′，Z_i′)；基于各个点I_i′确定所述投影仪投影的图像。

进一步地：

使用平滑的曲线依次连接各个点I_i′。优选地，投影的图像中，在距离空间坐标系原点O最远的点I_i′处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

空间坐标系原点O设置为地面上的一点。

X轴根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定。

所述系统还包括：

车载双目摄像头，用于获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。

一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的方法，所述汽车上具有用于投影虚拟线路指向图像的投影仪、用于获取驾驶员眼球位置信息的眼球追踪仪、以及汽车挡风玻璃，所述方法包括以下步骤：

1)基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪相对于所述汽车挡风玻璃对称所成的虚像所在平面β₃的平面方程；

2)按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由车载GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线OP_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；

3)通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)；

4)计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点I_i关于平面β₂对称的各个点I_i′的坐标_i′，Y_i′，Z_i′)；

5)基于各个点I_i′确定所述投影仪投影的图像。

进一步地：

步骤4)中还使用平滑的曲线依次连接各个点I_i′，优选地，投影的图像中，还在距离空间坐标系原点O最远的点I_i′处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

步骤1)中空间坐标系原点O设置为地面上的一点。

步骤1)中X轴根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定。

所述汽车还具有车载双目摄像头，步骤2)中通过车载双目摄像头获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。

本发明的有益效果：

本发明以汽车挡风玻璃平面镜面与投影仪相结合的方式实现了汽车行驶路线信息的虚拟现实，通过将人眼视觉原理、光线反射原理和平面镜成像原理相结合，实现汽车前行方向路线和实际路况进行虚实结合的立体显示。利用本发明，能够给汽车驾驶员呈现出一种汽车行驶方向的线路指示贴合在行驶的路面上的视觉效果，以此来实现虚拟路况信息和实际行驶路况的虚实结合，使驾驶员的精力能够更加专注于驾驶。

附图说明

图1为本发明基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的方法一种实施例的流程图；

图2为本发明基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统一种实施例中的空间坐标示意图；

图3为本发明基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统一种实施例的结构原理图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图3，在一种实施例中，一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统，包括用于投影虚拟线路指向图像的投影仪101、用于获取驾驶员眼球位置信息的眼球追踪仪(未图示)、以及汽车挡风玻璃102。在所述系统中，基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪101所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃102所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪101相对于所述汽车挡风玻璃102对称所成的虚像103所在平面β₃的平面方程；按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线OP_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)；计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点I_i关于平面β₂对称的各个点I_i′的坐标(X_i′，Y_i′，Z_i′)；基于各个点I_i′确定所述投影仪101投影的图像。

其中，投影仪101可以采用激光投影仪101。

在优选的实施例中，使用平滑的曲线依次连接各个点I_i′。更优选地，投影显示的图像中，在距离空间坐标系原点O最远的点I_i′处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

在优选的实施例中，可将空间坐标系原点O设置为地面上的一点。

在优选的实施例中，X轴具体是根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定的。

在优选的实施例中，所述系统还包括车载双目摄像头，通过车载双目摄像头，获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。在其他实施例中，也可以使用其它类型的设备如测距装置来测量点P_i的高度信息。

另外，点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度，也可以根据预知的路面水平倾斜度等信息，通过计算来大致确定。

参阅图1至图3，一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的方法，所述汽车上具有用于投影虚拟线路指向图像的投影仪101、用于获取驾驶员眼球位置信息的眼球追踪仪、以及汽车挡风玻璃102，所述方法包括以下步骤：

1)基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪101所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃102所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪101相对于所述汽车挡风玻璃102对称所成的虚像103所在平面β₃的平面方程。

2)按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由车载GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线OP_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；其中，点P_i的选择方式，可以是在车载GPS线路图上固定间隔随机选取对应行驶路面上的点。

3)通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)。

4)计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点l_i关于平面β₂对称的各个点I_i′的坐标(X_i′，Y_i′，Z_i′)。

5)基于各个点I_i′确定所述投影仪101投影的图像。

在优选的实施例中，步骤4)中还使用平滑的曲线依次连接各个点I_i′。更优选地，投影显示的图像中，还在距离空间坐标系原点O最远的点I_i′处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

在优选的实施例中，步骤1)中空间坐标系原点O可设置为地面上的一点。

在优选的实施例中，步骤1)中X轴具体是根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定。

在优选的实施例中，所述汽车还具有车载双目摄像头，步骤2)中通过车载双目摄像头获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。在其他实施例中，也可以使用其它类型的设备如测距装置来测量点P_i的高度信息。

另外，点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度，也可以根据预知的路面水平倾斜度等信息，通过计算来大致确定。

以下通过更具体的实施例进行进一步说明。

建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线为X轴，垂直平面方向为Y轴，其中空间坐标系原点为地面上一点O。

根据固定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，其中道路上一点P_i和原点O的连线O_i在XY平面的投影的长度(距离)l_i可以由GPS系统得到，OP_i在XY平面的投影和汽车行驶方向的夹角θ_i也可从GPS系统得到，汽车行驶的方向即为坐标系X轴方向。同时可通过车载双目摄像头定位而得到点P_i在Z轴方向的高度z_i，这样可求得P_i点坐标(x_i，y_i，z_i)，具体如图2所示。

(x_i，y_i，z_i)＝(l_icosθ_i，l_isinθ_i，z_i)(1)

驾驶员眼球的相对位置可有眼球追踪仪获取，由于某一时刻人眼和眼球追踪仪相对于坐标系原点的位置固定，可以计算求得某一时刻驾驶员眼球E_t的坐标信息(x_t，y_t，z_t)。

投影仪101镜面所在平面为β₁，其关于挡风玻璃102对称的虚像103所在的平面为β₃，计算直线E_tP_i和平面β₃的交点，即可以确定投影仪101中所需要投影的虚拟路况信息。具体原理见图3。

投影仪101在车内位置固定，则其相对于坐标系位置固定，可以通过测量求出其所在平面β₁的方程，这里设定为

α₁x+b₁y+c₁z+d₁＝0

(2)

同理车前挡风玻璃102在车内相对于坐标系位置固定，可以通过测量得出其所在平面β₂的方程，这里设定为

α₂x+b₂y+c₂z+d₂＝0

(3)

已求得E_t，P_i两点坐标，则可确定直线E_tP_i方程，其中j为参数：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_t+mj\\ y=y_t+nj\\ z=z_t+kj\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}m=x_t-l_i{\mathrm{cos\θ}}_i\\ n=y_t-l_i{\mathrm{sin\θ}}_i\\ k=z_t-z_i\end{array}\right.---\left(5\right)$

由平面β₁和β₂的方程，可以求得平面β₁关于β₂对称的平面β₃方程，设为：

α₃x+b₃y+c₃z+d₃＝0

(6)

其中

$\left\{\begin{array}{c}{a}_3=\frac{a_1{b}_2^2+a_1{c}_2^2-a_1{a}_2^2-2a_2{b}_2-2a_2{c}_2}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\\ b_3=\frac{b_1{a}_2^2+b_1{c}_2^2-b_1{b}_2^2-2a_2{b}_2-2b_2{c}_2}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\\ c_3=\frac{c_1{a}_2^2+c_1{b}_2^2-c_1{c}_2^2-2a_2{c}_2-2b_2{c}_2}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\\ d_3=d_1-2d_2\frac{a_1{a}_2+b_1{b}_2+c_1{c}_2}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

联立求解式(4)(6)组成的方程组可得交点I_i坐标(X_i，Y_i，Z_i)：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i=\frac{x_t(b_{3}n+c_{3}k)-m(b_3{y}_t+c_3{z}_t+d_3)}{a_{3}m+b_{3}n+c_{3}k}\\ Y_i=\frac{y_t(a_{3}m+c_{3}k)-n(a_3{x}_t+c_3{z}_t+d_3)}{a_{3}m+b_{3}n+c_{3}k}\\ Z_i=\frac{z_t(a_{3}m+b_{3}n)-k(a_3{x}_t+b_3{y}_t+d_3)}{a_{3}m+b_{3}n+c_{3}k}\end{array}\right.---\left(8\right)$

点I_i关于平面β₂对称的点为I_i′(X_i′，Y_i′，Z_i′)：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_i^{\′}=\frac{\left(b_2^2+c_2^2-a_2^2\right)X_i-2a_2\left(b_2{Y}_i+c_2{Z}_i+d_2\right)}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\\ Y_i^{\′}=\frac{\left(a_2^2+c_2^2-b_2^2\right)Y_i-2b_2\left(a_2{X}_i+c_2{Z}_i+d_2\right)}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\\ Z_i^{\′}=\frac{\left(a_2^2+b_2^2-c_2^2\right)Z_i-2c_2\left(a_2{X}_i+b_2{Y}_i+d_2\right)}{a_2^2+b_2^2+c_2^2}\end{array}\right.---\left(9\right)$

将式(5)(6)(7)(8)代入式(9)即可得到交点的详细坐标。解方程组求得各点坐标，使用平滑的曲线L连接I_i′各点，在距离汽车最远的点处添加箭头作为指示汽车前进的行驶方向。曲线L即是最终投影仪101中所需要的投影影像方程。

投影仪101投出的投影光线通过挡风玻璃102反射至人眼。虚拟路况信息通过光线从投影仪射出，根据反射原理，可以认为是投影仪关于挡风玻璃对称的虚像发射的光线透过挡风玻璃射入驾驶员眼睛。投影显示后可以获得这样一种视觉效果：驾驶员所看到投影显示的路况信息104是直接显示在实际的路面上的。由此，驾驶员可以获得路线行驶指示和实际行驶路面重合的虚拟效果，达到虚实结合。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的系统，其特征在于，包括：

投影仪，用于投影虚拟线路指向图像；

眼球追踪仪，用于获取驾驶员眼球位置信息；

汽车挡风玻璃；

其中，基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪相对于所述汽车挡风玻璃对称所成的虚像所在平面β₃的平面方程；按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线OP_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)；计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点I_i关于平面β₂对称的各个点I′_i的坐标(X′_i，Y′_i，Z′_i)；基于各个点I′_i确定所述投影仪投影的图像。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，使用平滑的曲线依次连接各个点I′_i，优选地，投影的图像中，在距离空间坐标系原点O最远的点I′_i处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，空间坐标系原点O设置为地面上的一点。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，X轴根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定。

5.如权利要求1至4任一项所述的系统，其特征在于，还包括：

车载双目摄像头，用于获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。

6.一种基于车载GPS和反射原理实现汽车行驶信息显示的方法，所述汽车上具有用于投影虚拟线路指向图像的投影仪、用于获取驾驶员眼球位置信息的眼球追踪仪、以及汽车挡风玻璃，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)基于所述汽车所在的位置建立空间直角坐标系O-XYZ，其中驾驶员座椅垂直地面方向为Z轴，汽车行驶方向为X轴，与Z轴和X轴垂直的方向为Y轴；在空间直角坐标系O-XYZ下，得到所述投影仪所在平面β₁和所述汽车挡风玻璃所在平面β₂的平面方程，进而求得所述投影仪相对于所述汽车挡风玻璃对称所成的虚像所在平面β₃的平面方程；

2)按照一定间隔选取行驶道路上的一些点P_i，由车载GPS系统得到各个点P_i和原点O的连线OP_i在XY平面的投影的长度l_i和与汽车行驶方向的夹角θ_i，并获取各个点P_i在Z轴方向的高度z_i，从而得到各个点P_i的坐标(x_i，y_i，z_i)；

3)通过所述眼球追踪仪获取的驾驶员眼球位置信息确定驾驶员眼球E_t的坐标(x_t，y_t，z_t)；

4)计算各直线E_tP_i和平面β₃的各交点I_i的坐标(X_i，Y_i，Z_i)，并计算各个点I_i关于平面β₂对称的各个点I′_i的坐标(X′_i，Y′_i，Z′_i)；

5)基于各个点I′_i确定所述投影仪投影的图像。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4)中还使用平滑的曲线依次连接各个点I′_i，优选地，投影的图像中，还在距离空间坐标系原点O最远的点I′_i处添加箭头作为汽车行驶前进方向的指示。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中空间坐标系原点O设置为地面上的一点。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1)中X轴根据驾驶员座椅的垂直平分面和地面的交线来确定。

10.如权利要求6至9任一项所述的方法，其特征在于，所述汽车还具有车载双目摄像头，步骤2)中通过车载双目摄像头获取各个点P_i在垂直地面方向上相对于空间坐标系原点O的高度。