CN109855845B - 一种双目镜测量车载hud虚像距离与修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双目镜测量车载HUD虚像距离与修正方法，具体涉及车载HUD技术领域，具体包括如下操作步骤：步骤一：利用两台摄像机分别采集前方虚像的图片；步骤二：分别对两幅图像作二值化处理；步骤三：摄像机1采集到的图像平均分割为若干小块n1，n2，n3，n4，……的图像，每一小块的像素面积大小为m*m个像数，并计算每小块图像的重心坐标，……。本发明通过利用双目镜原理测量车载HUD虚像的距离，并提出对虚像图片进行数学补偿运算对照度不均匀的图片进行校正，可准确测量车载HUD虚像的距离，可用于鉴定车载HUD的技术指标，有广泛的应用前景。

Description

一种双目镜测量车载HUD虚像距离与修正方法

技术领域

本发明涉及车载HUD技术领域，更具体地说，本发明涉及一种双目镜测量车载HUD虚像距离 与修正方法。

背景技术

平视显示器(Head Up Display)，以下简称HUD。HUD是利用光学反射的原理，将重要的飞行 相关资讯投射在一片玻璃上面。这片玻璃位于座舱前端，高度大致与飞行员的眼睛成水平，投射 的文字和影像调整在焦距无限远的距离上面，飞行员透过HUD往前方看的时候，能够轻易地将外界 的景象与HUD显示的资料融合在一起。HUD设计的用意是让飞行员不需要低头查看仪表的显示与资 料，始终保持抬头的姿态，降低低头与抬头之间的注意力中断，以及眼睛焦距不断调整产生的延 迟与不适。

随着社会的不断发展，汽车已经成为人们日常生活的交通工具，随之而来的交通安全问题越 来越引起人们的注意。汽车是通过仪表盘显示汽车的行驶参数来反映汽车的行驶状态。虽然传统 的仪表使用方便、成熟、可靠，但存在致命的缺点，主要表现在仪表的视认性差，驾驶员的视线 从前视野转移到需要观察的仪表盘，这一视线由远及近的转移经历了视线转移、双眼焦点调节、 读取仪表信息三个步骤。另外，仪表盘的形状、信息显示亮度、仪表颜色、驾驶员心理、生理等 因素都会对驾驶员的视认时间产生影响。据统计资料显示，驾驶员视线从前视野转移到目标仪表 读取信息，然后视线重新转移到前视野这一过程需要约4s-7s，这一过程中驾驶员有约3s-5s是低 头查看仪表盘的。这段低头的时间属于驾驶盲区时间，非常危险。

为了提高驾驶汽车的安全性，目前越来越多汽车安装了车载抬头显示器系统。但是目前市面 常用的“伪HUD”，仅简单地在驾驶盘与挡风玻璃之间安装一块数字液晶显示屏，液晶屏上显示简 单的数字时速。通过镜像，驾驶员透过挡风玻璃看到液晶屏幕的虚像。但是该液晶显示屏幕无法 显示复杂的图形或文本，而且液晶屏幕的亮度不能调整，故这种“伪HUD”的应用范围很窄，还存 在投影距离太短，像差，畸变，对比度不高等缺点。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种双目镜测量车载HUD虚像距离与修 正方法，通过利用双目镜原理测量车载HUD虚像的距离，并提出对虚像图片进行数学补偿运算对 照度不均匀的图片进行校正，可准确测量车载HUD虚像的距离，可用于鉴定车载HUD的技术指标， 以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双目镜测量车载HUD虚像距离的方法，具 体包括如下操作步骤：

步骤一：利用两台摄像机分别采集前方虚像的图片；

步骤二：分别对两幅图像作二值化处理；

步骤三：摄像机1采集到的图像平均分割为若干小块n1，n2，n3，n4，……的图像，每一小 块的像素面积大小为m*m个像数，并计算每小块图像的重心坐标，

步骤四：摄像机2采集到的图像，从左上角第一个像素开始，分别搜索和摄像机1中的n1， n2，n3，n4，……，计算最接近或最匹配的区块，其中最匹配的标准是灰度值相减为0；

步骤五：找到匹配的小块图像后，计算摄像机2匹配的小块图像的重心坐标，

步骤六：把对应匹配的小块图像的u坐标值相减，即

步骤七：把上述u坐标相减后取平均值，得

再乘以像元大小，代入公式中的(u1-u2)， 得平面虚像到摄像机的垂直距离为：

在一个优选地实施方式中，还包括双目镜测量车载HUD虚像距离的修正方法，具体包括如下 操作步骤：

步骤一：对双目镜拍摄的图像进行数学补充运算，把图像的每个像素坐标(X，Y)代入公式

获得新的图像，使照度不均的图像得以校正；

步骤二：根据计算公式

已知双目镜间距b和焦距f，求出虚像到双目镜的垂直距离；

步骤三：用单亮点的实物对测距系统进行修正，拟合出公式

Y＝aX+b

其中，实测值为X，理想值为Y，通过曲线计算出修正系数a和b；

步骤四：把步骤2的计算结果z代入公式Y＝aX+b中的X，求出Y，因此Y为通过测距系统 最后修正的结果，即车载HUD虚像到目镜的垂直距离。

本发明的技术效果和优点：

本发明利用双目镜测量虚像距离的原理，准确测量车载HUD系统中虚像到驾驶员位置的距离， 并针对光学镜头的相对照度不均匀等因素，对虚像的距离进行光学系统误差分析与修正，可用于 鉴定车载HUD的技术指标，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的双摄像头测虚像原理图；

图2为本发明的单亮点图；

图3为本发明的具有特征性的图例图；

图4为本发明的摄像机系统的相对照度图；

图5为本发明的实测值X与理想值Y的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施 例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围。

本发明提供了如图1-5所示的一种双目镜测量车载HUD虚像距离与修正方法，采用双摄像头 立体成像是利用摄像头的空间位置差异所带来的视差来恢复所成像的深度信息，

结合说明书附图1有：

两个正方形分别表示左右两个工业摄像机，两个矩形分别是其两个成像平面关于各自光心中 心对称的结果，两个工业相机间距为b，焦距都为f，平行于y轴放置，P是前方的虚像，Pl(u1， v1)和Pr(u2，v2)分别为在两个成像系统中的像的位置，u1，v1，u2，v2的值可以根据工业相 机的像素值和图像空间位置获得，Ol和Or是两个工业摄像头物镜的光心在成像平面的投影，假 设两个工业相机成像在v轴方向相同，v＝v1＝v2，由相似三角形关系得知：

相应点的位置差为：

联合上述公式可得P点在左摄像头的三维坐标系下的坐标为：

因此虚像P点距离两个工业相机连线的垂直距离为：

由上述测定原理可知：①当虚像输出为一个单亮点(一个像素)时，如说明书附图2所示， 两摄像机分别拍摄单亮点的图片，图片可能是一个光斑图，把两幅图像分别作二值化运算，将灰 度值等于255(即二值化的“1”)的所有像数点的坐标(u，v)求平均值，得

和

此 时新坐标为两幅图像的重心位置(质点位置)，然后把两坐标的u值相减，即

再乘以像 元大小(摄像机每个像素的长度)，就得出u1-u2，代入公式：

可求出虚像到两摄像机的垂直距离；

②当虚像为一平面图像时，假设以虚像为具有特征性的图像为例，如说明书附图3所示，如 果按照上述虚像为单亮点的计算方法，则虚像画面的不同位置将计算出不同的距离，将影响计算 结果，故本发明提出一种双目镜测量车载HUD虚像距离的方法，求出整个虚像画面的实际距离， 即：

首先把摄像机拍摄的图像，分成若干个小方形区域，通过小区域的相互匹配找到各个特征块 的坐标位置，然后把每个坐标u值作相减，再乘以像元大小，代入公式的(u1-u2)，可出各视 场的z值，此时，其测量方法具体包括如下操作步骤：

步骤一：利用两台摄像机分别采集前方虚像的图片，如说明书附图3；

步骤二：分别对两幅图像作二值化处理；

步骤三：摄像机1采集到的图像平均分割为若干小块n1，n2，n3，n4，……的图像，每一小块的像素面积大小为m*m个像数，并计算每小块图像的重心坐标，

步骤四：摄像机2采集到的图像，从左上角第一个像素开始，分别搜索和摄像机1中的n1， n2，n3，n4，……，计算最接近或最匹配的区块，其中最匹配的标准是灰度值相减为0；

步骤五：找到匹配的小块图像后，计算摄像机2匹配的小块图像的重心坐标，

步骤六：把对应匹配的小块图像的u坐标值相减，即

步骤七：把上述u坐标相减后取平均值，得

再乘以像元大小，代入公式中的(u1-u2)， 得平面虚像到摄像机的垂直距离为：

由于光学镜头的相对照度不均匀，说明书附图4为摄像机拍摄一张纯白画布的图像，可以看 出图像的照度不均匀，特别是四周边角的照度较低，在双目镜测量虚像系统中，镜头和图像传感 器的组合，也使相对照度不均匀愈加明显，这将影响测量HUD虚像距离的精确度，本发明提出对 摄像机系统的相对照度作校正，以此对虚像距离的计算作数学补偿。

目前对拍摄图像校正的常用方法为将实时获取图像的相对照度与理想图像的相对照度相除， 得到校正后的图像，但是，由于难以采集到理想图像，拍摄预期理想图像往往存在亮点，暗点镜 头和CCD污垢等噪音，将影响计算结果，而且算法中每个像素的相对照度对应相除，计算机的工 作量巨大，对测量HUD虚像距离仪器的量产带来不利影响，基于常用图像校正方法的弊端，本发 明提出一种图像拟合法对光学系统误差进行数学补偿，把预先采集到的相对照度图像拟合成关于 灰度与(X，Y)坐标的公式，具体方法如下：

设定一个灰度阈值GreyMax，找出大于阈值GreyMax的像数点的坐标(X，Y)，并求出所有 大于阈值GreyMax像素点的重心位置，同理，设定一个灰度最小值GreyMin，找出小于阈值GreyMin 的像数点的坐标(X，Y)，并求出小于阈值GreyMin像数点的重心位置。在最大阈值与最小阈值 之间设定若干个灰度值GeryMid1，GeryMid2，GeryMid3，……GeryMidn(灰度值可均匀选取)， 同理，分别求出灰度值等于GeryMid1，GeryMid2，GeryMid3，……GeryMidn的像数点的重心位置。 因此，灰度值分布等于GreyMin，GeryMid1，GeryMid2，GeryMid3，……GeryMidn，GreyMax的重 心位置的组合，将拟合成图片的灰度函数，可写成如下公式：

拟合出关于灰度与坐标的公式后，我们将实时拍摄的图像中，每个像数的坐标位置(X,Y)代 入此公式，即可求出校正后的灰度值，因此整幅图像的灰度值通过数学补偿运算得以校正，但该 虚像测距仪存在一些不可避免的因素，将影响测量和修正结果，特别说明的是，由于光学镜头的 光心位置不确定，因此镜头的光心到虚像的距离未能准确确定，我们在上述推论和计算过程中， 把镜头前端平面视为镜头的光心位置。除此之外，光学镜头的焦距长度由于制作工艺存在不可避 免的误差，两摄像机的光学镜头光轴有可能不平行等因素都会影响虚像测距仪的测量精度，因此 要对虚像测距仪进行最后修正，其修正步骤如下：

步骤1：以输出虚像为单亮点为例(如说明书附图2所示)，先把单亮点(实物)放置在大 约驾驶员脸部位置，测量出单亮点实物与挡风玻璃之间的垂直距离z’，则虚像与实物的距离为 2z’，令Y＝2z’，这是理想值；

步骤2：已知两个工业相机的间距b和焦距f，通过上述推导的计算公式

求出z，令X＝z，这是实测值；

步骤3：改变Y的距离，测量多组X与Y，并用曲线描绘二者的关系，由图5看出， 实测值X与理想值Y呈线性关系

Y＝aX+b

通过曲线求出系数a和b，这是由不可避免的测量光路系统造成的误差；

步骤4：把Y＝aX+b写入程序，通过对测距系统的最后修正，可求出准确的虚像距离，其中， 实测值X与理想值Y之间的关系图如说明书如图5所示。

综上所述，总结出双目镜测量车载HUD虚像距离的修正方法，具体包括如下操作步骤：

步骤一：对双目镜拍摄的图像进行数学补充运算，把图像的每个像素坐标(X，Y)代入公式

获得新的图像，使照度不均的图像得以校正；

步骤二：根据计算公式

已知双目镜间距b和焦距f，求出虚像到双目镜的垂直距离；

步骤三：用单亮点的实物对测距系统进行修正，拟合出公式

Y＝aX+b

其中，实测值为X，理想值为Y，通过曲线计算出修正系数a和b；

步骤四：把步骤2的计算结果z代入公式Y＝aX+b中的X，求出Y，因此Y为通过测距系统 最后修正的结果，即车载HUD虚像到目镜的垂直距离。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种双目镜测量车载HUD虚像距离的方法，其特征在于：具体包括如下操作步骤：

步骤一：利用两台摄像机分别采集前方虚像的图片；

步骤二：分别对两幅图像作二值化处理；

步骤三：摄像机1采集到的图像平均分割为若干小块n1，n2，n3，n4，……的图像，每一小块的像素面积大小为m*m个像素，并计算每小块图像的重心坐标，

步骤四：摄像机2采集到的图像，从左上角第一个像素开始，分别搜索和摄像机1中的n1，n2，n3，n4，……，计算最匹配的区块，其中最匹配的标准是灰度值相减为0；

步骤五：找到匹配的小块图像后，计算摄像机2匹配的小块图像的重心坐标，

步骤六：把对应匹配的小块图像的u坐标值相减，即

步骤七：把上述u坐标相减后取平均值，得

再乘以像元大小，代入公式

中的(u1-u2)，得平面虚像到摄像机的垂直距离为：

还包括双目镜测量车载HUD虚像距离的修正方法，具体包括如下操作步骤：

步骤一：提出一种图像拟合法对光学系统误差进行数学补偿，把预先采集到的相对照度图像拟合成关于灰度与(X，Y)坐标的公式

拟合出关于灰度与坐标的公式后，将实时拍摄的图像中，每个像素的坐标位置(X,Y)代入此公式，即可求出校正后的灰度值，因此整幅图像的灰度值通过数学补偿运算得以校正；

步骤二：根据计算公式

已知双目镜间距b和焦距f，求出虚像到双目镜的垂直距离；

步骤三：用单亮点的实物对测距系统进行修正，拟合出公式

Y＝aX+b

其中，实测值为X，理想值为Y，通过曲线计算出修正系数a和b；

步骤四：把步骤二的计算结果z代入公式Y＝aX+b中的X，求出Y，因此Y为通过测距系统最后修正的结果，即车载HUD虚像到目镜的垂直距离。

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