CN109963084B - 行人检测红外摄像照明装置 - Google Patents

Abstract

行人检测红外摄像照明装置，属于双目视觉行人检测领域，用于解决由于夜间光照度较差，导致双目摄像机成像不清晰的问题，技术要点是：主要由双目摄像机、红外照明系统和电路控制系统组成，所述双目摄像机包括第一摄像机和第二摄像机，所述红外照明系统位于第一摄像机和第二摄像机之间，且红外照明系统的红外探照灯光束照射目标的反射光，由第一摄像机和第二摄像机接收，所述的第一摄像机和第二摄像机分别连接对应的数据处理与控制单元，且红外照明系统连接红外照明控制电路。

Description

行人检测红外摄像照明装置

技术领域

本发明属于双目视觉行人检测领域，尤其涉及普通低照度双目摄像机的夜间成像照明装置。

背景技术

随着机动车保有量的快速增长，给人们的生活和出行带来了极大的便利，但由此带来的道路交通事故给各个国家的人民生命财产和国民经济造成巨大的损失。在最近几年发生的多起交通事故中，夜间或者阴天情况下所发生的事故尤为严重。对夜间驾驶问题给予更多的重视是绝对必要的。造成夜间行车危险的因素主要有两个，一是视觉因素，由于夜间光线较差，导致驾驶员看不清楚路况，不能提前注意到前方的潜在危险，这是夜间交通事故发生的主要原因；二是生理因素，夜间是驾驶员生理条件最差的时候，由于不能见到道路两旁的景观，对驾驶员兴奋性刺激小，容易产生驾驶疲劳，造成注意力不集中，对速度和距离的判断不准确。

为了减少交通事故的发生，汽车安全辅助驾驶技术的研究受到各方的普遍关注，并投入大量的人力、物力和财力进行研究开发，以提高汽车的安全性。大量事实证明，由车辆与行人发生碰撞而引发交通事故是导致行人伤亡的主要原因。因此，行人检测是车辆辅助驾驶系统中的关键技术，它能及时地告知驾驶员车辆前方行人的存在，并进行安全预警，减少或避免车辆与行人发生碰撞事故，具有潜在的经济价值和广泛的社会价值。

实现行人探测主要有两种途径：一种是基于可见光图像，另一种是基于红外图像。由于普通摄像机采集的可见光图像易受光照的影响，对图像中目标的识别存在很大难度，且在夜晚、雨天或有雾的天气尤其是缺少可见光光源的条件下，能见距离和能见度极差，根本无法使用。与可见光成像相比，红外成像具有显著的优点：由于红外图像是热成像，因此具有强大的“穿透”能力，可以透过黑暗和烟雾，看到在可见光波段无法看见的感兴趣的目标。由于红外成像可以在夜间、成像光线不足等情况下发现目标，可实现远距离、全天候观察，因此基于红外图像的夜间人体目标检测近年来也越来越受到人们的关注。

发明内容

本发明为解决由于夜间光照度较差，导致双目摄像机成像不清晰的问题，技术要点是：一种行人检测红外摄像照明装置，主要由双目摄像机、红外照明系统和电路控制系统组成，所述双目摄像机包括第一摄像机和第二摄像机，所述红外照明系统位于第一摄像机和第二摄像机之间，且红外照明系统的红外探照灯光束照射目标的反射光，由第一摄像机和第二摄像机接收，所述的第一摄像机和第二摄像机分别连接对应的数据处理与控制单元，且红外照明系统连接红外照明控制电路。

有益效果：本发明实施的目的是提供一种双目行人检测的夜间红外摄像照明装置，该装置在双目行人检测白天摄像装置上加装一个红外照明系统，该红外照明系统需要满足双目夜间红外摄像的照度要求，解决由于夜间光照度较差，导致双目摄像机成像不清晰，影响双目行人检测效果，使双目行人检测系统满足夜间使用要求。

附图说明

图1为行人检测红外摄像照明装置结构示意图；

图2为光谱响应图；

图3为光学结构图；

图4为光度计算图。

1.第一摄像机，2.第二摄像机，3.红外照明系统，4.数据处理与控制单元，5.红外照明控制电路，6.输入输出接口。

具体实施方式

基于行人检测系统的双目摄像机夜间成像照明装置是主动红外技术设备，也是波长780nm一1000nm的近红外摄像敏感装置。该装置是利用850nm或940nm的“红外灯”产生红外辐射，发出人眼看不见的红外光去照射景物和环境，利用双目普通低照度CMOS摄像机接收周围环境反射回来的红外光，从而实现夜间双目摄像功能，完成行人检测。主动照明可以充分利用红外探照灯的狭窄光束照射目标，使目标与背景形成较大的反差，在视场中突出出来。因此在夜间辅助驾驶系统、夜间双目行人检测和夜间瞄准等方面有广阔应用前景。近红外摄像机的价格也比红外热像仪便宜很多。

基于行人检测的夜间双目红外摄像照明装置的主要功能是满足双目行人检测摄像机在夜间的摄像要求，根据双目行人检测摄像机的成像要求，设计双目行人检测的夜间红外摄像照明装置，其具体实施方法是：

(1)大功率红外LED阵列灯的选型及光照度计算

双目行人检测的夜间红外摄像对目标的照度有一定要求，由于我们采用普通白光摄像机，及光谱相应范围：350nm～1100nm。图2为硅基彩色相机的光谱响应图，由图可知，近红外光850nm波长的光谱响应比940nm的光谱响应大3～4倍，所以，选择红外LED灯的光谱中心波长为850nm，选择该波长的近红外光另一个原因是，该波长的LED性价比高。

普通白光摄像机应选择低照度高感应相机，例如双目行人检测的夜间红外摄像照明装置选择的双目相机的型号为：OmniVision公司的OV10633图像传感器，该图像传感器的敏感度为：3650mV/lux-sec，最大信噪比：39dB，动态范围：115dB。50°时的暗电流：2.5mV/sec。

为了避免普通LED无法均匀照亮夜视面而形成中间过亮，两边过暗的“手电筒效应”，大功率红外LED灯采用点阵列式LED，具体型号为：SFH4716A或者SFH4740。

这两种型号的阵列式LED的中心波长都为：850nm，半波宽度：30nm。

SFH4716AS的电功率为：3.35W，光辐射通量为：1.9W，半功率角为：±75°。

SFH4740的电功率：15.5W，光辐射通量为：4.3W，半功率角为：±60°；

根据OV10633图像传感器的性能指标，可以得到该传感器的最大信噪比时的照度为：0.06lux。

在满月天顶时，地面的照度为0.2lux，无月时的地面照度为：0.0003lux。地面反射率为：沥青路0.03，光泽路0.2.如果采用大功率红外LED灯SFH4716AS，以此为例进行，进行行人检测系统的夜间大功率LED照明装置设计。

A、OV10633图像传感器的最大曝光时间的光通量计算

根据OV10633图像传感器的性能指标，最大曝光时间间隔为：828t_ROW，像素时钟频率为27MHz，最大曝光时间间隔：

T_ex＝828t_ROW＝828*1312*(1/27)＝40234.6us＝40.236ms＝0.040236s。

1lux照度的最大像素响应为：3650mV/lux-sec*0.040236sec＝146.8614mV/lux。

在最大曝光时间间隔内，最大的暗电压为：2.5mV/sec*0.040236s＝0.10059mV。

最小的照度为：(0.10059mV)/(146.8614mV/lux)＝0.0006lux。

因此，为了在OV10633图像传感器的感光像元产生响应，还需要考虑其光谱响应。如图所示，在波长λ＝850nm处，其光谱响应系数为：0.7，所以最大曝光时间时，其像元的最小照度为：

0.0006lux/0.7＝0.00086lux。

B、行人检测红外摄像照明装置的摄像系统的光照度计算

行人检测红外摄像照明装置的照明光学系统的设计的目的是设计一种合适的照明系统，使得相应的低照度摄像机能够在夜间完成清晰成像。

由上述的推导可知，OV10633图像传感器的成像最小照度为0.00086lux。下面就行人检测红外摄像系统的光照度进行推导：

设物方照度为E‘，像方照度为E′，由工程光学理论可知

其中，

为相对孔径，其值为1/2，K为透过率，其值约为0.9，当像面为最小照度时，即E′_min＝0.00086lux时，物方最小照度E_min为：E_min＝0.0152lux。

以上物方最小照度是不计反射率系数的最小照度。由于环境中的各种物体的反射率系数相差较大，我们通过资料求证，以的确良军装在近红外850nm的反射率0.44为准，为达到E_min＝0.0152lux的照度，照明系统的最小照度为：E_min＝0.0152lux/0.44＝0.0354lux

依据以上的推导，现在求取照明系统的LED灯的最小光辐射量E′_lmin。如图所示，为使远处照明尽量均匀，避免“手电筒效应”，采用聚光物镜加照明物镜结构，聚光物镜将光源板成像与照明物镜处，照明物镜以一定的视场角在远处虚拟屏幕成像。

C、行人检测红外摄像照明装置的照明系统照度设计

设光源的亮度为L₁，虚拟屏幕上的照度分布为：

E＝E₀ cos⁴W′＝πkL₁ sin²U′cos⁴W′

式中E₀为中心点照度，k为照明透镜系统的透过率，2W′为像方视场角。一般情况下，虚拟屏幕的距离l′比照明物镜的出瞳直径D大很多，U′角很小，所以，

由于l′＞＞f′₂，l′≈β₂f′₂，代入上述公式得：

由E＝πL₁可知，得公式为：

对于上式，设行人检测双目红外摄像照明装置的透镜组透过率为0.9，相对孔径

焦距为f₂＝20mm，像方视场角2W′＝50°，虚拟屏幕为30m处，即l′＝30000mm，可知

对于最小E_min＝0.0354lux，可以求得光源板的照度E′：

对于光源板上的最小照度E′_min，光源板的直径为2.8mm，光源板上的最小光通量为：

折合成红外光辐射量为：

对于大功率SFH4716AS的LED灯，其光辐射功率为1.9W，是最小红外光辐射量的1005倍。

当然，以上的计算是以假设的确良军装的红外反射率为例进行计算的结果。对于其他物体而言，具有比较意义。

通过以上的推导和计算，采用大功率SFH4716AS的LED灯，是满足基于行人检测系统的红外摄像照明装置的光源要求的。

(2)大功率红外LED阵列灯照度计算方法

根据以上的大功率红外LED阵列灯照度推导计算步骤，总结出计算方法及流程如图4所示。

(3)双目行人检测的夜间红外摄像照明装置的光学设计

如图所示，双目行人检测的夜间红外摄像照明装置的光学结构为：光源板、聚光透镜和照明透镜组成。其中光源板是大功率阵列式LED等，聚光透镜实现光源板成像在照明透镜上，照明透镜将光源板的像以一定的视场角度投射到虚拟屏幕上，也即是外部需要照明的区域。

Claims (1)

1.一种行人检测红外摄像照明装置，其特征在于，主要由双目摄像机、红外照明系统和电路控制系统组成，所述双目摄像机包括第一摄像机和第二摄像机，所述红外照明系统位于第一摄像机和第二摄像机之间，且红外照明系统的红外探照灯光束照射目标的反射光，由第一摄像机和第二摄像机接收，所述的第一摄像机和第二摄像机分别连接对应的数据处理与控制单元，且红外照明系统连接红外照明控制电路；

该照明控制电路连接输入输出接口；

红外照明系统包括红外LED阵列灯，所述红外LED阵列灯的光谱中心波长为850nm或940nm，其光学结构包括光源板、聚光透镜和照明透镜，光源板是阵列式红外LED，所述聚光透镜使光源板成像于照明透镜，该像以一定的视场角度投射至虚拟屏幕，该虚拟屏幕为外部需要照明的区域；

所述的照明系统基于如下方式实现LED阵列灯选型：计算图像传感器的最大曝光时间的光通量；计算行人检测红外摄像照明装置照明系统的照度；

计算行人检测红外摄像照明装置照明系统的照度基于如下方式实现：

最大曝光时间间隔为：828t_ROW；

最大曝光时间间隔Tex＝0.040236s；

依据最大像元敏感度:3650mV/lux-sec；

在1lux照度的最大像素响应为:146.8614mV/lux；

在最大曝光时间间隔内，最大的暗电压为：2.5mV/sec*0.040236s＝0.10059mV；

在波长λ＝850nm处，其光谱响应系数为：0.7，所以最大曝光时间时，其像元的最小照度为：0.0006lux/0.7＝0.00086lux；

当像面为最小照度取值0.00086lux时，物方最小照度为：0.0152lux；

所述的行人检测红外摄像照明装置的摄像系统的光照度计算

设物方照度为E，像方照度为E′，由工程光学理论可知

其中，

为相对孔径，其值为1/2，K为透过率，其值约为0.9，当像面为最小照度时，即E′_min＝0.00086lux时，物方最小照度E_min为：E_min＝0.0152lux；

所述的行人检测红外摄像照明装置的照明系统照度设计中设光源的亮度为L₁，虚拟屏幕上的照度分布为：

E＝E₀ cos⁴W′＝πkL₁ sin²U′cos⁴W′

式中E₀为中心点照度，k为照明透镜系统的透过率，2W′为像方视场角，虚拟屏幕的距离l′比照明物镜的出瞳直径D大，U′角小，所以，

由于l′＞＞f′₂，l′≈β₂f′₂,代入上述公式得：

由E＝πL₁可知，得公式为：

对于上式，设行人检测双目红外摄像照明装置的透镜组透过率为0.9，相对孔径

焦距为f₂＝20mm，像方视场角2W′＝50°，虚拟屏幕为30m处，即l′＝30000mm，可知

对于最小E_min＝0.0354lux，可以求得光源板的最小照度E′_min：

对于光源板上的最小照度E′_min，光源板的直径为2.8mm，光源板上的最小光通量为：

折合成红外光辐射量为：

照明系统的最小照度为：0.0354lux；

以照明系统的最小照度0.0354lux为准,LED阵列灯灯的最小红外光辐射量为:1.89mW。

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