CN111371980B - 一种基于光学原理的adas摄像头结构 - Google Patents

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Abstract

一种基于光学原理的ADAS摄像头结构，本发明运用了光学原理，以牺牲普通成像方式的上下视角为代价，分别将视野范围的左右视角区域投射到图像传感器的上下区域。再利用软件数字拼接技术，将图像传感器的上下区域分别采集的图像重新提取拼接还原为水平左右视角，以实现扩展水平视角的目的。采用本发明的结构和方法具有如下有益效果：本发明的结构组装简单，材料来源广，成本低，便于维护和更换。并且兼顾了汽车前置摄像头的视角与视距，实现了行车过程中水平视角的扩展，提高了行车安全性。可以精确的掌握行车过程中两侧的视角，减少了行车过程中由于盲区导致的安全事故。

Description

一种基于光学原理的ADAS摄像头结构
技术领域
本发明涉及汽车驾驶辅助系统领域，特别涉及一种基于光学原理的ADAS摄像头结构及水平视角扩展方法。
背景技术
随着我国经济的发展和人民物质生活的提高，汽车保有量的大幅增加，但交通事故数量高居不下，而大部分事故发生在行驶过程中因车辆存在盲区，未发现安全隐患导致的。为了保证运输畅通和交通安全，减少事故的发生，很多国家和相关的部门制定了很多相关的政策，限行、限号等各种措施，但是还是没有从根本上解决因车辆的增加导致的安全隐患问题。究其原因，主要有两点：一方面是经验不足的驾驶员数量日益增多；另一方面是车辆主动安全性不高。
为了能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险，以引起注意和提高安全性的主动安全技术，汽车设计者对车辆驾驶辅助系统进行了大量的研究，这使得图像识别和处理技术有了前所未有的进步和发展，车载终端上的摄像头系统也成为了汽车安全的一个重要标志，并且车载摄像头的基本处理单元包括图像采集模块、图像传感器、图像处理模块和图像输出模块。
目前常用车辆驾驶辅助系统一般通过单个前置摄像头获取车辆前方的道路信息，以提高行车过程中的安全性。但在现有的ADAS前置摄像头的应用中通常采用长焦距的镜头来增加可视距离，如果需要增加摄像头成像视角，均是采用更换短焦距的广角镜头的方法。通过更换短焦距的广角镜头虽然增加了视角范围，却导致了可视距离的缩短。为了保证摄像头有一个有效的可视距离，只能在摄像头视角上做出妥协，这导致ADAS前置摄像头的成像在视角上形成一个较大的盲区，严重制约了ADAS和自动驾驶技术的发展。
现有技术为了解决上述问题对驾驶辅助系统做出了改进，如中国发明专利CN109624901A 中提出了一种基于广角摄像头的特种车用安全行车辅助系统，该发明采用了在车辆的不同位置布置多个摄像头以获得更广的视角，但该发明针对的是大型特种车辆，大型车由于太高导致无法观察到周围路面视角，所以通过增加摄像头来扩大视角，但还是存在视距短的缺陷，也就是说该发明对型特种车来说优势更好。一般在行车过程中驾驶员主要观察的是前方以及左右的视角。而公开号为CN109624901A的专利，虽然能视线多方位的观察，但仍没有实现视角与视距的兼顾，在远处出现交通事故时仍不能及时观察到。此外，该专利通过增加摄像头的方法来扩展视角会导致成本成倍地增加；同时对处理器的处理能力也有了更高的要求，进一步增加了成本。基于上述缺陷，在汽车驾驶辅助领域亟需开发一款集视距和视角于一体的 ADAS摄像头。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于光学原理的ADAS摄像头结构，其兼顾了汽车前置摄像头的视角与视距，实现了行车过程中水平视角的扩展，提高了行车安全性。
本发明的另一目的是提出一种基于光学原理的ADAS摄像头水平视角扩展方法，采用本发明的方法具有如下优势：本发明结构组装简单、易于安装，材料来源广，开发成本低，便于维护和更换。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于光学原理的ADAS摄像头结构，包括带有镜头和外壳的车载摄像头，摄像头镜头前部的外壳上固定连接有完全覆盖镜头可视角度的棱镜组合，其中，棱镜组合由完全相同的斜切三棱镜Ⅰ和斜切三棱镜Ⅱ拼接构成，并且棱镜组合平行于镜头的任意截面图形均为中心对称图形；
棱镜组合靠近镜头的一个面为由斜切三棱镜Ⅰ的一个屈光面和斜切三棱镜Ⅱ的一个屈光面拼接构成的矩形平面；
棱镜组合的交界面为斜切三棱镜Ⅰ的一个主切面和斜切三棱镜Ⅱ的一个主切面所在的重叠面，并且交界面所在的平面将镜头平分为上下两部分对称的区域；
其中，斜切三棱镜Ⅰ和斜切三棱镜Ⅱ的偏向角PP和棱倾斜角度PS分别为：
Figure BDA0002456568750000021
Figure BDA0002456568750000022
PP为入射光线与出射光线的夹角；PS为三棱镜经过逆时针或顺时针旋转后主棱以及底面与垂直方向所成的锐角；EH为左右扩展的视野宽度；EV为上下分图各应该移动的距离。
本发明的另一目的是通过这样的技术方案实现的，一种基于光学原理的ADAS摄像头结构扩展水平视角的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将棱镜组合安装到摄像头的镜头前方，其中，斜切三棱镜Ⅰ和斜切三棱镜Ⅱ分别与镜头的上下区域对应；
步骤S2：两侧视野的分别通过斜切三棱镜Ⅰ和斜切三棱镜Ⅱ折射后成像在图像传感器的上下区域；图像整体的高度为V，宽度为H；其中，图像上区域为图像Ⅰ，图像下区域为图像Ⅱ；
步骤S3：图像处理模块先对图像Ⅰ和图像Ⅱ构成的整体进行裁切，分别形成高度为V/2，宽度为H的分图Ⅰ和分图Ⅱ；再对分图Ⅰ和分图Ⅱ进行色散矫正和变形修正；
步骤S4：通过图像处理模块识别出分图Ⅰ和分图Ⅱ的图像重叠区域；其中，重叠区域宽度为X，高度为V/2；
步骤S5：图像处理模块对分图Ⅰ和分图Ⅱ进行拼接形成重构图像；重构后的图像高度为 V/2，宽度为2H-X；
步骤S6：图像输出模块实现对重构图像的输出。
本发明的发明原理如下：
(1)一方面，假设普通摄像机的视野大小高为H1，宽为V1，若本发明想将水平视野扩展到H2(H2>H1)，具体推导过程如下：
由于一个图像传感器的感光面积和成像像素点是固定的，所以在不改变焦距的情况下，想扩大左右视角，可以利用三棱镜对光的折射原理，将成像范围的左边景像投射到了图像传感器的上半区域，右边景像投射到图像传感器的下半区域；这里要说明的是，左边和右边投影的位置可以互换。图像传感器的上半区域和下半区域的感光面积和成像像素点在垂直方向上均只有整个图像传感器的一半，理论上对于两侧镜像在上下区域最后的成像视野在垂直方向上也会减少一半。在选定了图像传感器后，想要兼顾视角与可视距离，就必须在上下视角上做出牺牲，而上下视角的部分实际上在行车过程中为不需要的部分，即使牺牲上下视角也不会对驾驶造成影响；因此，左右视野各应扩展EH＝(H2-H1)/2，上下分图各应该上下移动EV＝(V1)/4。得到裁切的分图后再利用软件数字拼接技术，将图像传感器的上下区域分别采集的图像重新提取拼接还原为水平左右视角，以实现扩展水平视角的目的。
(2)另一方面，标准的三棱镜是直的，而在本发明中，为了保证入射光的折射路径按照实际要求的方向进行，本发明还要求两个棱镜要倾斜摆放，倾斜摆放与正摆放对应投影线之间的夹角为棱棱倾斜角PS，根据实际图像需要拓展的长和宽，选择三棱镜时偏向角PP和棱倾斜角PS可按如下公式计算：
Figure BDA0002456568750000031
Figure BDA0002456568750000032
本发明运用了光学原理，以牺牲普通成像方式的上下视角为代价，分别将视野范围的左右视角区域投射到图像传感器的上下区域。再利用软件数字拼接技术，将图像传感器的上下区域分别采集的图像重新提取拼接还原为水平左右视角，以实现扩展水平视角的目的。
采用本发明的结构和方法具有如下有益效果：本发明的结构组装简单，材料来源广，成本低，便于维护和更换。并且兼顾了汽车前置摄像头的视角与视距，实现了行车过程中水平视角的扩展，提高了行车安全性。可以精确的掌握行车过程中两侧的视角，减少了行车过程中由于盲区导致的安全事故。
附图说明
图1为本发明ADAS摄像头的一种立体结构示意图。
图2为本发明棱镜组合形成的立体原理图。
图3为本发明ADAS摄像头的主视图。
图4为本发明棱镜组合形成的平面原理图。
图5为本发明在图像传感器上下区域所成图像的一种示意图。
图6为本发明中步骤S4中的分图Ⅰ和分图Ⅱ的一种示意图。
图7为本发明中步骤S5重构图像的一种示意图。
图中，1.斜切三棱镜Ⅰ；2.斜切三棱镜Ⅱ；3.图像Ⅰ；4.图像Ⅱ；5.重叠区域；6.分图Ⅰ；7.分图Ⅱ；8.棱镜Ⅰ底面；9.棱镜Ⅱ底面。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出基于光学原理的ADAS摄像头结构及水平视角扩展方法进行详细说明。
一种基于光学原理的ADAS摄像头结构，包括带有镜头和外壳的车载摄像头，摄像头镜头前部的外壳上固定连接有完全覆盖镜头可视角度的棱镜组合，其中，固定连接方式为螺纹连接，并棱镜组合与外壳的关系类似于饮料瓶与瓶盖的关系；棱镜组合由完全相同的斜切三棱镜Ⅰ1和斜切三棱镜Ⅱ2拼接构成，并且棱镜组合平行于镜头的任意截面图形均为中心对称图形。
棱镜组合靠近镜头的一个面为由斜切三棱镜Ⅰ1的一个屈光面和斜切三棱镜Ⅱ2的一个屈光面拼接构成的矩形平面，其目的是便于安装和使得本发明的外观富有美感。
棱镜组合的交界面为斜切三棱镜Ⅰ1的一个主切面和斜切三棱镜Ⅱ2的一个主切面所在的重叠面，并且交界面所在的平面将镜头平分为上下两部分对称的区域，以便在图像传感器的上下区域分别形成左右两侧的图像。
其中，斜切三棱镜Ⅰ1和斜切三棱镜Ⅱ2的偏向角PP和棱倾斜角度PS分别为：
Figure BDA0002456568750000051
Figure BDA0002456568750000052
PP为入射光线与出射光线的夹角；PS为三棱镜经过逆时针或顺时针旋转后主棱以及底面与垂直方向所成的锐角；EH为左右扩展的视野宽度；EV为上下分图各应该移动的距离。
进一步地，斜切三棱镜为在规则三棱的基础上倾斜摆放后部分切除形成或者注塑一次成型；本发明在设计时采用在规则三棱的基础上部分切除形成或者注塑一次成型形成不规则三棱镜，以达到美观和便于安装的目的。
进一步地，棱镜组合为两个斜切三棱镜粘接或者注塑一次成型形成；其中，斜切三棱镜为在规则三棱的基础上倾斜摆放后部分切除将再将两个斜切三棱镜粘接形成棱镜组合的过程具体如图2和图4所示；
基于上述基于光学原理的ADAS摄像头结构，本发明还提出了其水平视角扩展方法，具体包括如下步骤：
步骤S1：将棱镜组合安装到摄像头的镜头前方，其中，斜切三棱镜Ⅰ1和斜切三棱镜Ⅱ2 分别与镜头的上下区域对应，具体如图1和图3所示。
采用上述安装方式可以使得棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ分别采集左右两侧的的光线，以便在图像传感器的上下区域分别形成左右两侧的图像。
步骤S2：两侧视野的分别通过斜切三棱镜Ⅰ1和斜切三棱镜Ⅱ2折射后成像在图像传感器的上下区域；图像整体的高度为V，宽度为H；其中，图像上区域为图像Ⅰ3，图像下区域为图像Ⅱ4；具体如图5所示。
由于一个图像传感器的感光面积和成像像素点是固定的，所以在不改变焦距的情况下，想扩大左右视角，可以利用三棱镜对光的折射原理，将成像范围的左边景像投射到了图像传感器的上半区域，右边景像投射到图像传感器的下半区域；这里要说明的是，左边和右边投影的位置可以互换。图像传感器的上半区域和下半区域的感光面积和成像像素点在垂直方向上均只有整个图像传感器的一半，理论上对于两侧镜像在上下区域最后的成像视野在垂直方向上也会减少一半。图像传感器的成像大小是确定的，因此，图像Ⅰ3和图像Ⅱ4整体的高度为V，宽度为H；单个的图像Ⅰ3和图像Ⅱ4大小相等且高度为V/2，宽度为H。
步骤S3：图像处理模块先对图像Ⅰ3和图像Ⅱ4构成的整体进行裁切，分别形成高度为 V/2，宽度为H的分图Ⅰ6和分图Ⅱ7，具体如图6所示；再对分图Ⅰ6和分图Ⅱ7进行色散矫正和变形修正。
由步骤3可知，图像Ⅰ3和图像Ⅱ4整体的高度为V，宽度为H；单个的图像Ⅰ3和图像Ⅱ4大小相等且高度为V/2，宽度为H。
裁切的分图Ⅰ6和分图Ⅱ7实际上就是图像Ⅰ3和图像Ⅱ4得区域。
步骤S4：通过图像处理模块识别出分图Ⅰ6和分图Ⅱ7的图像重叠区域5；其中，重叠区域5宽度为X，高度为V/2；“重叠区域5”具体如图5、图6和图7所示。
步骤S5：图像处理模块对分图Ⅰ6和分图Ⅱ7进行拼接形成重构图像；重构后的图像高度为V/2，宽度为2H-X，具体如图7所示。
由于左右视角所成的图像有重叠的部分，直接拼接不便于观察，所以图像处理模块利用软件数字拼接技术对图像重叠部分进行处理，最后完成对图像的重构，形成的一幅完整的图像。
步骤S6：图像输出模块实现对重构图像的输出。
本发明运用了光学原理，以牺牲普通成像方式的上下视角为代价，分别将视野范围的左右视角区域投射到图像传感器的上下区域。再利用软件数字拼接技术，将图像传感器的上下区域分别采集的图像重新提取拼接还原为水平左右视角，以实现扩展水平视角的目的。
采用本发明的结构和方法具有如下有益效果：本发明的结构组装简单，材料来源广，成本低，便于维护和更换。并且兼顾了汽车前置摄像头的视角与视距，实现了行车过程中水平视角的扩展，提高了行车安全性。可以精确的掌握行车过程中两侧的视角，减少了行车过程中由于盲区导致的安全事故。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的主旨之内，所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光学原理的ADAS摄像头结构，包括带有镜头和外壳的车载摄像头，其特征在于：摄像头镜头前部的外壳上固定连接有完全覆盖镜头可视角度的棱镜组合，其中，棱镜组合由完全相同的斜切三棱镜Ⅰ(1)和斜切三棱镜Ⅱ(2)拼接构成，并且棱镜组合平行于镜头的任意截面图形均为中心对称图形；
棱镜组合靠近镜头的一个面为由斜切三棱镜Ⅰ(1)的一个屈光面和斜切三棱镜Ⅱ(2)的一个屈光面拼接构成的矩形平面；
棱镜组合的交界面为斜切三棱镜Ⅰ(1)的一个主切面和斜切三棱镜Ⅱ(2)的一个主切面所在的重叠面，并且交界面所在的平面将镜头平分为上下两部分对称的区域；
其中，斜切三棱镜Ⅰ(1)和斜切三棱镜Ⅱ(2)的偏向角PP和棱倾斜角度PS分别为：
Figure FDA0002765058030000011
Figure FDA0002765058030000012
PP为入射光线与出射光线的夹角；PS为三棱镜经过逆时针或顺时针旋转后主棱以及底面与垂直方向所成的锐角；
在式(1)和式(2)中，
EH＝(H2-H1)/2；且EH为左右扩展的视野宽度，H1为普通摄像机的视野大小宽度，H2为水平视野扩展后的视野大小宽度；
EV＝(V1)/4；且EV为上下分图各应该移动的距离，V1为普通摄像机的视野大小高度；
上述基于光学原理的ADAS摄像头结构扩展水平视角的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将棱镜组合安装到摄像头的镜头前方，其中，斜切三棱镜Ⅰ(1)和斜切三棱镜Ⅱ(2)分别与镜头的上下区域对应；
步骤S2：两侧视野的分别通过斜切三棱镜Ⅰ(1)和斜切三棱镜Ⅱ(2)折射后成像在图像传感器的上下区域；图像整体的高度为V，宽度为H；其中，图像上区域为图像Ⅰ(3)，图像下区域为图像Ⅱ(4)；
步骤S3：图像处理模块先对图像Ⅰ(3)和图像Ⅱ(4)构成的整体进行裁切，分别形成高度为V/2，宽度为H的分图Ⅰ(6)和分图Ⅱ(7)；再对分图Ⅰ(6)和分图Ⅱ(7)进行色散矫正和变形修正；
步骤S4：通过图像处理模块识别出分图Ⅰ(6)和分图Ⅱ(7)的图像重叠区域(5)；其中，重叠区域(5)宽度为X，高度为V/2；
步骤S5：图像处理模块对分图Ⅰ(6)和分图Ⅱ(7)进行拼接形成重构图像；重构后的图像高度为V/2，宽度为2H-X；
步骤S6：图像输出模块实现对重构图像的输出。
2.根据权利要求1所述的基于光学原理的ADAS摄像头结构，其特征在于：斜切三棱镜为在规则三棱的基础上倾斜摆放后部分切除形成或者注塑一次成型。
3.根据权利要求1或2所述的基于光学原理的ADAS摄像头结构，其特征在于：棱镜组合为两个斜切三棱镜粘接或者注塑一次成型形成。
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