CN112509179A - 具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，包括：全向碰撞传感器、处理器模块、车外部多摄像头、车外部音频麦克风、车内部多摄像头、车内部麦克风，全向碰撞传感器实时检测车辆的加速度值，当数值超过设定阈值后触发碰撞预警，并将预警信号传递给处理器模块；处理器模块同时开启车外部多摄像头、车外部音频麦克风、车内部多摄像头和车内部麦克风对车内外的360度音视频信息进行采集，采集后的数据在处理器模块内进行图像拼接和三维建模，最终生成涵盖车内外音视频场景的三维视图。本发明可在外部振动的复杂行驶环境下准确检测全向的碰撞信息，并可通过视频数据三维融合技术，对事故发生时刻车内外的音视频数据进行三维建模。
Description
技术领域
本发明涉及汽车电子技术领域，具体而言，尤其涉及一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子。
背景技术
汽车黑匣子可对车辆发生事故时的音视频信息和其他的行车状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出和远传的数字式电子记录装置。汽车黑匣子为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为道路运输企业提供了管理工具、为驾驶员提供了驾驶活动的反馈信息，是道路交通安全事故分析的重要手段。
现有的汽车黑匣子存在两方面的缺陷：
一方面，碰撞所产生的加速度值变化是判断事故是否发生的重要依据，现有的黑匣子产品都是采用单轴加速度传感器或三轴加速度传感器作为碰撞检测核心器件，单轴传感器无法准确测量非检测轴的惯性变化；三轴加速度传感器则通过三个检测轴的惯性矢量合成来计算碰撞的方向和大小，在有外部振动的行驶环境下会出现严重的检测误差。
另一方面，事故发生时的音视频记录是汽车黑匣子的重要功能，现有的产品中各个摄像头记录各自的视频信息，只能片面的记录车内外各个摄像头的音视频信息，回看时只能分别查看，时间轴对齐困难，且各个画面无法有机联动。而且，只能从各个摄像头的固定视角查看画面，无法自由选择回播视角，影响了后续利用汽车黑匣子对事故进行分析。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子。
为此，本发明提供了以下技术方案：
一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，包括：全向碰撞传感器(1)、处理器模块(2)、车外部多摄像头(3)、车外部音频麦克风(4)、车内部多摄像头(5)、车内部麦克风(6)、存储模块(7)、卫星定位模块(8)、通讯模块(9)和电源模块(10)；
其中，所述全向碰撞传感器(1)实时检测车辆的加速度值，当数值超过设定阈值后触发碰撞预警，并将碰撞预警传递给处理器模块(2)；所述处理器模块(2)同时开启车外部多摄像头(3)、车外部音频麦克风(4)、车内部多摄像头(5)和车内部麦克风(6)对车内外的360度音视频信息进行采集，采集后的数据在处理器模块(2)内进行图像拼接和三维建模，最终生成涵盖车内外音视频场景的三维视图；所述存储模块(7)对音视频数据进行存储；所述卫星定位模块(8)进行实时定位；所述通讯模块(9)将发生事故时的数据传递到云端服务器；所述电源模块(10)为各个模块提供稳定的电能。
进一步地，所述全向碰撞传感器(1)在XY平面内具有360度碰撞感知能力，当碰撞加速度超过感知阈值，传感器向处理器模块(2)输出高电平作为碰撞预警信号。
进一步地，所述车外部多摄像头(3)为四个或四个以上的摄像头并且分布在车辆外部的四周进行视频数据的采集，所述视频数据被用于车外三维场景的拼接和建模。
进一步地，所述车内部多摄像头(5)为四个或四个以上的摄像头并且分布在车辆内部的四周进行视频数据的采集，所述视频数据被用于车内三维场景的拼接和和建模。
进一步地，所述车外部音频麦克风(4)和车内部麦克风(6)分别采集车外部和车内部的音频数据，在车内外视频场景的三维视图生成完毕后，将音频数据分别添加其中。
进一步地，所述存储模块(7)为SD卡或TF卡。
进一步地，所述卫星定位模块(8)能够进行北斗和GPS的双模定位。
进一步地，所述通讯模块(8)具有4G/5G的融合通讯功能。
进一步地，所述电源模块(8)输入电压为12～24V，输出电压为12V和5V双路输出。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明设计的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，采用了全向碰撞传感器，使得汽车黑匣子具有水平平面上任意方向的碰撞检测能力，并且在有外部振动的复杂行驶环境下，也会准确的对碰撞阈值进行检测。
2、本发明设计的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，可全面的采集车内和车外360度的视频信息和车内外的音频信息，通过视频数据的三维融合技术，将所有音视频信息处理为一个整体的三维模型，在此三维模型中，可在任意视角点进行音视频的回放和展示。
3、本发明设计的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，可实时记录卫星定位信息，并通过通讯模块将音视频数据、定位数据和行车数据等传送到云端服务器，具有在线监测的优点。
基于上述理由，本发明在行车记录、事故鉴定等车载黑匣子领域中有着较广阔的应用前景和价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的汽车黑匣子的结构示意图；
图2为本发明提供的汽车黑匣子的电路原理图；
图3为本发明提供的汽车黑匣子的车内外摄像头安装位置示意图；
图4为本发明提供的汽车黑匣子的摄像头图像到三维建模曲面的投影图；
图5为本发明提供的汽车黑匣子生成的车辆三维建模图；
图6为本发明提供的汽车黑匣子生成的车模型与外部场景融合的三维建模图；
图中：1、全向碰撞传感器；2、处理器模块；3、车外部多摄像头；4、车外部音频麦克风；5、车内部多摄像头；6、车内部麦克风；7、存储模块；8、卫星定位模块；9、通讯模块；10、电源模块。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，该汽车黑匣子具有水平平面上任意方向的碰撞检测能力，并且在有外部振动的复杂行驶环境下，也会准确的对碰撞阈值进行检测；该汽车黑匣子可全面的采集车内和车外360度的视频信息和车内外的音频信息，通过视频数据的三维融合技术，将所有音视频信息处理为一个整体的三维模型，在此三维模型中，可在任意视角点进行音视频的回放和展示。解决了现有汽车黑匣子在全方向碰撞检测不准确，以及只能片面的记录车内外各个摄像头的音视频信息等问题。
如图1所示，其示出了本发明实施例中一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子的结构框图，该汽车黑匣子包括：
全向碰撞传感器1、处理器模块2、车外部多摄像头3、车外部音频麦克风4、车内部多摄像头5、车内部麦克风6、存储模块7、卫星定位模块8、通讯模块9和电源模块10。
其中，所述全向碰撞传感器1实时检测车辆的加速度值，当数值超过设定阈值后触发碰撞预警，并将碰撞预警传递给处理器模块2；所述处理器模块2同时开启车外部多摄像头3、车外部音频麦克风4、车内部多摄像头5和车内部麦克风6对车内外的360度音视频信息进行采集，采集后的数据在处理器模块2内进行图像拼接和三维建模，最终生成涵盖车内外音视频场景的三维视图。
所述存储模块7对音视频数据进行存储；所述卫星定位模块8进行实时定位，以确定当前车辆所在位置，在上传平台事故信息时，附带发生事故的地理位置信息；所述通讯模块9将发生事故时的数据传递到云端服务器；所述电源模块10为其它所述模块提供稳定的电能。
全向碰撞传感器可直接检测并原生输出碰撞角度和碰撞强度，而传统的多方向碰撞传感器都是通过XY双轴的碰撞数据进行拟合而成，其碰撞角度和碰撞强度需要通过计算得到。因此本发明实施例中采用的全向碰撞传感器相较于传统的多方向碰撞传感器具有响应时间短、检测精确的优点。
本发明提供的汽车黑匣子的电路原理图如图2所示，所述处理器模块可以为Raspberry Pi，Raspberry Pi(树莓派)是基于ARM架构的微型计算系统，包含处理器、内存、音视频外设接口、SD卡存储器等，具有体积小、重量轻、价格便宜、功能强大的优点，并且使用Linux开源系统，整体实用性强。其中Raspberry Pi中内嵌了TF卡作为存储单元。全向碰撞传感器与Raspberry Pi通过三根走线相连，分别是5V、GND和碰撞预警触发信号。车外与车内的8路摄像头分别通过两路SPI(串行外设接口(Serial Peripheral Interface))总线相连，其中车外4路摄像头通过SPI1与Raspberry Pi连通，车内4路摄像头通过SPI2与Raspberry Pi连通。车内与车外的麦克风通过公用IIC与Raspberry Pi相连。4G/5G通讯模块通过USB接口与Raspberry Pi相连，卫星定位模块通过USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器)与Raspberry Pi相连。电源模块的供电端为车载12V或24V电源，经过12V和5V的直流稳压模块，分别产生12V和5V的直流电源，为全向碰撞传感器、处理器模块、车外部多摄像头、车外部音频麦克风、车内部多摄像头、车内部麦克风、存储模块、卫星定位模块和通讯模块提供供电支持。
车辆外部每个摄像头都应该安装在车的外缘，以避免车身遮挡摄像头的视线。前置和后置摄像头应尽可能靠近左右中心线对齐，左边和右边的摄像头应该尽可能靠近前后中心线对齐，如图3中的黑色方块所示。车辆内部的摄像头应尽量安装在车窗上部靠近顶棚的位置，避免驾乘人员对摄像头的遮挡，前置和后置摄像头应尽可能靠近左右中心线对齐，左边和右边的摄像头应该尽可能靠近前后中心线对齐，如图3中的黑色三角所示。每个摄像头的安装高度应超过车身高度的60％。四个摄像头应该安装在相同的高度，以防止在合成视图中被摄主体在摄像头之间的边界区域的位置不一致。增加摄像头之间的高度差也会增加相互之间的视差。摄像头安装高度应调整，以尽量减少相互之间的视差。调整每个摄像头的安装角度，设置其角度，这样就可以实现相对于路面的360度合成图像。设置好每个摄像头的安装角度后，在校准过程中进行固定。
在获得车内部场景和车外部多摄像头图像后，系统会将建立一个虚拟三维车内和车外场景模型，并将这些图像投射到三维场景当中。将车内和车外的图像投射到三维场景中的具体过程如下：
车内和车外的图像三维融合按照右手坐标系，车辆的长度为Ycar轴，宽度方向为Xcar轴，垂直方向Zcar轴，且道路表面的ZV＝0，将车内外的摄像头采集到的图像平面投影到3D投影面上，如图4所示(将摄像头生成的图像投影到3D投影曲面，3D投影曲面应为多边形模型类似多面体的三维球体)。根据车辆摄像头的光学原点，将投影图像的一个点(3D投影曲面的PV坐标)转换为一个点(相机坐标系的PC坐标)，此坐标转换定义为：
PC＝MV→C×PV
其中，MV→C是车辆坐标系中的变换矩阵，由车辆坐标的摄像头固定安装位置和角度确定。
除了建立车内和车外三维场景，还需要建立车辆模型，具体地，根据图3规定的相机安装位置的边界四边形，设计具有真实尺寸的虚拟三维影像车模型数据。在每个复合视图数据中设置虚拟三维图像车模型数据的透射率，虚拟三维图像车模型如图5所示。
在建立完车内和车外三维场景以及车辆模型后，还需要将车辆模型放入到车内和车外三维场景当中，这样才能构成完整的以车辆为中心的虚拟三维场景。将车辆模型放入到车内和车外三位场景中的具体过程如下：先根据车外摄像头在三维场景中投影的位置，确定车辆模型在三维场景中的中心坐标点；再将车辆模型按照比例确定其在三维场景中的外轮廓；结合中心坐标点和外轮廓尺寸后，即可实现车辆在三维场景中的投影。结合车内部和车外部拍摄场景并三维融合后的实车场景如图6所示。
为了实现在任意视角位置进行音视频回放和展示，当车辆的摄像头在PC位置采集视图时，定义事件向量Vi为：
该车辆采集图像的坐标记录了被摄对象的事件矢量Vi可以根据车辆摄像头的内部参数进行计算。根据摄像头的角度、位置和缩放，虚拟视点应该在每个合成视图中固定。视点的位置、视点的方向和视场的范围是在变化前后进行插值计算。通过此方法可确定自由视角的位置和所展示的画面内容。
本发明设计的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，可全面的采集车内和车外360度的视频信息和车内外的音频信息，通过视频数据的三维融合技术，将所有音视频信息处理为一个整体的三维模型，在此三维模型中，可在任意视角点进行音视频的回放和展示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，包括：全向碰撞传感器(1)、处理器模块(2)、车外部多摄像头(3)、车外部音频麦克风(4)、车内部多摄像头(5)、车内部麦克风(6)、存储模块(7)、卫星定位模块(8)、通讯模块(9)和电源模块(10)；
其中，所述全向碰撞传感器(1)实时检测车辆的加速度值，当数值超过设定阈值后触发碰撞预警，并将预警信号传递给处理器模块(2)；所述处理器模块(2)同时开启车外部多摄像头(3)、车外部音频麦克风(4)、车内部多摄像头(5)和车内部麦克风(6)对车内外的360度音视频信息进行采集，采集后的数据在处理器模块(2)内进行图像拼接和三维建模，最终生成涵盖车内外音视频场景的三维视图；所述存储模块(7)对音视频数据进行存储；所述卫星定位模块(8)进行实时定位；所述通讯模块(9)将发生事故时的数据传递到云端服务器；所述电源模块(10)为各个模块提供稳定的电能。
2.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述全向碰撞传感器(1)在XY平面内具有360度碰撞感知能力，当碰撞加速度超过设定阈值，传感器向处理器模块(2)输出高电平作为碰撞预警信号。
3.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述车外部多摄像头(3)为四个或四个以上的摄像头并且分布在车辆外部的四周进行视频数据的采集，所述视频数据被用于车外三维场景的拼接和建模。
4.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述车内部多摄像头(5)为四个或四个以上的摄像头并且分布在车辆内部的四周进行视频数据的采集，所述视频数据被用于车内三维场景的拼接和和建模。
5.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述车外部音频麦克风(4)和车内部麦克风(6)分别采集车外部和车内部的音频数据，在车内外视频场景的三维视图生成完毕后，将音频数据分别添加其中。
6.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述存储模块(7)为SD卡或TF卡。
7.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述卫星定位模块(8)能够进行北斗和GPS的双模定位。
8.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述通讯模块(8)具有4G/5G的融合通讯功能。
9.根据权利要求1所述的具有全向碰撞感知和车内外三维场景重现的汽车黑匣子，其特征在于，所述电源模块(8)输入电压为12～24V，输出电压为12V和5V双路输出。
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