CN112839160A - 一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统，外壳结构内部包含夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件；控制器包括触摸屏和操作按键，所述操作按键用于通过控制电动机实现外壳结构的转动操作；计算机耦合所述控制器，用于通过触摸屏控制成像模式以及视频屏幕显示设备的参数；光学透镜和图像传感器之间设置有多光谱滤光片，所述多光谱滤光片包括第一滤光部、第二滤光部和中空部；处理器分别与夜间成像仪组件的图像传感器和热成像仪组件的图像传感器电连接，用于对两个图像传感器所成图像进行交叉关联融合处理。

Description

一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统
技术领域
本发明涉及一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统,属于光学系统以及图像通信技术领域。
背景技术
根据世界卫生组织的最新调查，在许多国家的死亡人数中由交通事故造成的死亡占据很大的比例，每年有大约125 万人死于道路交通事故，其中超过一半的人数是弱势道路使用者。尽管在夜间道路上的车辆较少，但是夜间发生交通事故比例却很高。
一个有效减少此类道路交通事故伤亡人数的策略是使用汽车夜视辅助驾驶系统，在危险的驾驶情况下给出预警或者帮助驾驶员做出决策。当前汽车辅助驾驶系统应用基于雷达、激光测距雷达、摄像机以及超声波等不同的传感器系统，与其他技术相比，摄像机是减少道碰撞事故发生的重要手段。很多汽车厂商在他们生成的车辆上安装了可见光摄像头用于障碍物检测。
由于可见光相机在夜间、雾天等能见度比较低的条件下对目标检测的效果并不理想，为了克服可见光这方面的不足，对于红外夜视辅助系统的研究越来越多， 基于红外传感器的夜视系统有许多的优点：1、红外夜视仪系统通过接收外界目标的红外辐射成像，并不依赖场景的光照条件，凡是温度高于绝对零度的物体，都会辐射红外线。2、相对于可见光相机，红外热像仪分辨率、成像效果以及性价比在不断提高，越来越多的监控场景开始使用红外相机。3、红外夜视仪具有全天候工作的能力，可显著降低夜间驾驶风险，帮助其在全黑夜间、雨雪天气、 雾霾天气以及对面车灯眩光等人眼能见度较低的情况下，输出前方路况的清晰热图像，有效提升驾驶员视觉范围，避免车辆、行人以及障碍物的碰撞，有效提升驾驶安全。基于以上原因，车载红外夜视技术受到了国内外各大汽车制造厂商和研究机构的高度重视，随着技术的成熟，车载红外夜视系统的应用逐渐推广开来。
但是现有技术中的车载红外夜视系统仍然存在许多技术缺陷，例如专利文献CN104092980A，公开了一种低成本主动式近红外夜视系统及其工作方法，系统包括近红外图像处理装置、近红外主动光学系统和近红外图像获取装置；近红外图像获取装置由USB可见光相机去除感光面上的可见光滤光片，并在镜头前面加一个中心波长为850nm,带宽为30nm的滤光片构成。但是该技术方案在光线昏暗时效果较好，在白天或是全黑环境下，图像对比度不高。
再例如专利文献CN204859334U，公开了一种低照度环境下车载摄像头图像处理系统，该系统中，电源管理单元分别连接低照度图像传感器、D/A转换器、外部存储器，低照度图像传感器与外部存储器相连，红外光学镜头连接低照度图像传感器，图像驱动单元连接滤波电路，能够辅助驾乘人员行车安全。但是该技术方案图像处理过程欠缺，只依靠机械结构实现低照度环境下的车载摄像头成像，成像效果较差。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于，包括：
外壳结构，所述外壳结构内部包含多个成像仪组件，所述多个成像仪组件包括：夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件；
控制器，所述控制器包括触摸屏和操作按键，所述操作按键用于通过控制电动机实现外壳结构的转动操作；
计算机，所述计算机耦合所述控制器，用于通过所述触摸屏控制成像模式以及视频屏幕显示设备的参数；
所述多个成像仪组件分别具有光学透镜和对应的图像传感器，所述光学透镜和图像传感器之间还设置有多光谱滤光片，所述多光谱滤光片包括第一滤光部、第二滤光部和中空部；
处理器，所述处理器分别与夜间成像仪组件的图像传感器和热成像仪组件的图像传感器电连接，用于对两个图像传感器所成图像进行交叉关联融合处理；
视频屏幕显示设备，包括第一视频屏幕显示设备和第二视频屏幕显示设备，所述第一视频屏幕显示设备用于显示所述处理器进行交叉关联融合处理后的图像，所述第二视频屏幕显示设备用于显示彩色摄像仪组件的图像传感器所成图像。
进一步地，所述交叉关联融合处理包括：分别对待处理的两个图像利用CT变换进行多分辨率分解，得到每个图像的多个低通子带系数和带通方向子带系数，分别采用不同的融合规则融合多个低通子带系数和带通方向子带系数，对融合后所得的低通子带系数和带通方向子带系数进行CT逆变换，得到融合图像。
进一步地，采用基于区域的图像融合规则，把每个像素点作为区域内一部分，进行区域方差计算，寻找图像区域特征进行对比，把最终符合要求的区域作为融合图像区域。
进一步地，第一滤光部为红外滤光片，设置于夜间成像仪组件的光学透镜和图像传感器之间，第二滤光部为可见光滤光片，设置于彩色摄像仪组件的光学透镜和图像传感器之间，中空部设置于热成像仪组件的光学透镜和图像传感器之间。
进一步地，夜间成像仪组件和彩色摄像仪组件中的光学透镜为紧凑型非制冷光学镜头组，热成像仪组件中的光学透镜为硫系玻璃透镜组。
进一步地，所述紧凑型非制冷光学镜头组沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜。
进一步地，所述硫系玻璃透镜组包括三片透镜，沿光线入射方向的第一片透镜和第二片透镜后表面为全偶次非球面，第三片透镜后表面为旋转对称衍射面。
进一步地，采用ADV7171视频转换芯片将交叉关联融合处理后的数字图像信号以及彩色摄像仪组件的图像传感器输出的数字图像信号转变成PAL制模拟视频信号。
进一步地，所述夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件具有各自的光轴，均对准空间中的同一点。
进一步地，所述第一滤光部采用800-1000nm波段平均透过率为99.5872%的带通滤光膜。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：（1）采用三种成像仪组件进行不同条件下的成像，即夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件，满足了不同的光线条件下的成像需求；（2）采用交叉关图像联融合处理技术，很好的消除了伪吉布斯效应，保护了图像的边缘纹理和轮廓结构信息；（3）光学系统采用非球面和衍射面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能好；并且本发明采用紧凑型透镜组设计，有利于提高系统的集光能力和成像分辨率，提高成像灵敏度。
附图说明
附图1为本发明的车载夜视辅助驾驶成像光学系统整体结构示意图；
附图2为成像仪组件内部光学结构示意图；
附图3为交叉关联融合处理的流程图；
附图4为紧凑型非制冷光学镜头组结构示意图；
附图5为硫系玻璃透镜组结构示意图；
其中，20、22：电动机；23：处理器；27：光电倍增管；120：外壳结构；140：夜间成像仪组件；160：热成像仪组件；180：彩色摄像仪组件；120a：竖直轴线；120b：水平轴线；280：控制器；280a：触摸屏；280b：操作按键；320：视频信号开关；340、360：视频屏幕显示设备；300：微型计算机；140a、160a、180a：光轴；140b、160b、180b：光学透镜；140c、160c、180c：图像传感器；190：点；200：多光谱滤光片；200a：第一滤光部；200b：第二滤光部；200c：中空部。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
参考附图1，为本发明一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统的整体结构示意图，车载夜视辅助驾驶成像光学系统包括一个密封的外壳结构120，外壳结构120内部包含多个成像仪组件，所述多个成像仪组件包括：夜间成像仪组件140、热成像仪组件160和彩色摄像仪组件180。
电动机20可由用户选择性地操作，以使外壳结构120以及所包含的多个成像仪组件作为一个单元围绕120a所示的大体竖直轴线来回转动。
类似地，电动机22同样可由用户选择性地操作，以引起外壳结构120和所容纳的多个成像仪组件围绕大体水平轴线120b的可逆的上下角度倾斜运动。
夜间成像仪组件140、热成像仪组件160和彩色摄像仪组件180具有各自的光轴140a，160a，180a，所有三个成像仪组件都精确地对准了空间中的同一点190。
车载夜视辅助驾驶成像光学系统中还包括用户可操作控制器280、视频信号开关320、一对视频屏幕显示设备340、360和计算机300，控制器280包括触摸屏280a、操作按键280b。视频信号开关320用于驾驶员根据使用需要进行系统的开启与关闭。两个电动机20、22由计算机300控制，驱动地连接到外壳结构120，该外壳结构120活动地支撑在支架（未示出）上。操作按键280b用于通过控制电动机22、20实现外壳结构120的转动。
在控制器280内，触摸屏280a通过由计算机300管理夜间成像仪组件140、热成像仪组件160和彩色摄像仪组件180，其中该计算机300耦合到控制器280，使用户能够选择和控制夜间成像仪组件140、热成像仪组件160和彩色摄像仪组件180以及一对视频屏幕显示设备的各种操作参数。例如，将夜间成像仪组件140、热成像仪组件160或彩色摄像仪组件180切换为进入和退出操作状态，调整焦点，建立放大倍率并因此建立视场以及对任何其他适当的参数进行更改。再例如视频屏幕显示设备亮度调节和对比度调节；亮度调节可增加或者降低视频屏幕显示设备的亮度，对比度调节可增加或者降低视频屏幕显示设备的对比度，驾驶员可根据个人的观看习惯和当前环境选择合适的亮度和对比度。
在优选地实施例中，参考附图2所示，所述夜间成像仪组件140、热成像仪组件160和彩色摄像仪组件180分别具有光学透镜140b，160b，180b和各自对应的图像传感器140c、160c、180c，光学透镜和图像传感器之间还设置有一个多光谱滤光片200，所述多光谱滤光片200具有三个部分，包括第一滤光部200a、第二滤光部200b和中空部200c，第一滤光部200a为红外滤光片，用于夜间成像仪组件140，其设置于光学透镜140b和图像传感器140c之间，第二滤光部200b为可见光滤光片，用于彩色摄像仪组件180，其设置于光学透镜180b和图像传感器180c之间，中空部200c对应于热成像仪组件160，其设置于光学透镜160b和图像传感器160c之间，用于透过光学透镜160b出射的光线。
在优选的实施例中，为满足夜视光学系统对滤光膜的需求，第一滤光部200a可采用800-1000nm波段平均透过率为99.5872%的带通滤光膜，以实现夜间大视觉范围、降低背景中杂散光干扰以及提高成像质量的要求。
图像传感器140c前面连接光电倍增管27，具有高增益的光电倍增管能够放大非常弱的红外信号，图像传感器140c和图像传感器160c与处理器23电连接，处理器23对图像传感器140c和图像传感器160c所成图像进行交叉关联融合处理。
如图2所示，本发明的车载夜视辅助驾驶成像光学系统包括两个视频屏幕显示设备340、360。视频屏幕显示设备360用于显示交叉关联融合处理后的图像，视频屏幕显示设备340用于显示图像传感器180c所成图像。所述的两个视频屏幕显示设备可以集成在汽车仪表的液晶显示屏或音响系统的显示屏。
为了满足车载夜视的要求，图像需要实时显示在车内的视频屏幕显示设备上，所以需要将交叉关联融合处理后的图像以及图像传感器180c所成图像经过图像处理后输出的数字图像信号转变成PAL制电视信号，本发明采用ADV7171视频转换芯片完成PAL制电视信号的转换，数字图像信号在芯片内部进行D/A转换，再进行视频编码，最后生成PAL制模拟视频信号。
如图3所示，为交叉关联融合处理的流程图，所述的交叉关联融合处理在处理器中进行，在优选实施例中，处理器23采用GPU图形处理器，该GPU图形处理器有大量的处理内核组成，能够实现大规模的并行计算。下面介绍一下，所述交叉关联融合处理具体地实现方式：
步骤1：对图像传感器140c所成图像A和图像传感器160c所成图像B分别与二通道非采样滤波器组做卷积后，得到一层分解，即图像的低频部分和高频部分，而后每一级非采样塔式滤波器组分解都需要先对上一级变换中所采用的滤波器按采样矩阵D=2I（Ｉ为二阶单位矩阵）进行上采样，插值后的滤波器对低频部分利用上采样低通滤波器进行滤波处理，得到下一级分解的低频部分；对低频图像利用上采样高通滤波器进行滤波处理，得到下一级分解的高频部分；
步骤2：如此循环得到图像的多分辨率分解。然后利用非采样方向滤波器组对得到的各尺度高频部分进行方向分解，得到多个带通方向子带，其中带通方向子带的数目可以是2i个，i为分解级数。经过上述处理后得到图像A和B的低通子带系数LA和LB，及带通方向子带系数Hk Ai和Hk Bi，其中k＝1，2，…，2i；i＝1，2，…；
步骤3：分别采用不同的融合规则对低通子带系数和各级上的带通方向子带系数进行融合处理，得到融合图像IM的低通子带系数和各带通方向子带系数；
步骤4：对融合后所得的系数进行非采样CT逆变换，得到融合图像IM。
该交叉关联图像融合处理方法具有平移不变的特性，很好的消除了伪吉布斯效应，保护了图像的边缘纹理和轮廓结构信息。通过交叉关联图像融合处理方法，被分解的两种图像会生成不同的图像系数矩阵，高频系数含有图像的特征细节信息，低频系数含有图像的轮廓结构信息，对这两种系数进行相关运算，需要选择合适的融合规则，能够在捕捉到每种图像特有信息的同时一并保留相应通用信息。融合规则直接影响图像融合质量和效果。
在本发明中，采用基于区域的图像融合规则，该融合规则把每个像素点都当成区域内的一部分，通过区域方差方法，寻找图像区域特征，将这些特征按照一定的标准进行对比，并把最终符合要求的区域作为融合图像区域。
在优选的实施例中，由于随着环境温度的变化，透镜的折射率、元件的曲率、厚度将发生变化，再加上外壳结构的热胀冷缩，使车载夜视辅助驾驶成像光学系统产生离焦和其他像差，严重影响系统成像质量。为了解决温度影响成像系统成像质量的问题，本实施例中采用紧凑型非制冷光学镜头组替换光学透镜160b，采用硫系玻璃透镜组替换光学透镜140b。
如图4所示，紧凑型非制冷光学镜头组沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜A、正弯月型透镜B和正透镜C，每一个光路中的系统F数和各个透镜的焦距可以分别进行设定和调整，以实现在-40℃～+60℃范围内均能够清晰成像且无需调焦的效果。有利于提高系统的集光能力和成像分辨率，提高成像灵敏度。
硫系玻璃是第VI主族元素S、Se、Te中的一种或几种与其他金属、非金属元素形成的非晶态玻璃的总称，硫系玻璃由Ge、As、Se和Ge、Sb、Se几种元素按不同比例组成的，在1~14μm波段具有良好的透过性能, 适用于红外夜视系统。
如图5所示，本发明中，硫系玻璃透镜组包括三片透镜,全部采用硫系玻璃Ge20Sb15Se65，其中第一片和第二片透镜后表面为非球面,第三片透镜后表面为衍射面,非球面面型采用全偶次非球面,衍射面采用旋转对称结构。衍射元件的相位表达式为Φ（r）＝ｍ
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，式中r为波传播距离，m为波倾斜系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为归一化半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（即i=1）为二次相位系数，用于消色差；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（即i=2、3）为非球面相位系数，用于校正高级像差，本发明中取前三个系数。衍射级次为１，中心波长为14μｍ，则硫系玻璃基底的最大浮雕深度为6.36μｍ。衍射面的相位系数为
Figure 991329DEST_PATH_IMAGE006
＝－4.742×10-5，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
＝－7.724×10-10，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
＝2.0145×10-13。本发明实施例光学系统采用非球面和衍射面技术，系统结构简单，透过率高，成像性能好。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于，包括：
外壳结构，所述外壳结构内部包含多个成像仪组件，所述多个成像仪组件包括：夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件；所述多个成像仪组件分别具有光学透镜和对应的图像传感器，所述光学透镜和图像传感器之间还设置有多光谱滤光片，所述多光谱滤光片包括第一滤光部、第二滤光部和中空部；
控制器，所述控制器包括触摸屏和操作按键，所述操作按键用于通过控制电动机实现所述外壳结构的转动操作；
计算机，所述计算机耦合所述控制器，用于通过所述触摸屏控制成像模式以及视频屏幕显示设备的参数；
处理器，所述处理器分别与夜间成像仪组件的图像传感器和热成像仪组件的图像传感器电连接，用于对两个图像传感器所成图像进行交叉关联融合处理；
视频屏幕显示设备，包括第一视频屏幕显示设备和第二视频屏幕显示设备，所述第一视频屏幕显示设备用于显示所述处理器进行交叉关联融合处理后的图像，所述第二视频屏幕显示设备用于显示所述彩色摄像仪组件的图像传感器所成图像。
2.根据权利要求1所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于，所述交叉关联融合处理包括：分别对待处理的两个图像利用CT变换进行多分辨率分解，得到每个图像的多个低通子带系数和带通方向子带系数，分别采用不同的融合规则融合多个低通子带系数和带通方向子带系数，对融合后所得的低通子带系数和带通方向子带系数进行CT逆变换，得到融合图像。
3.根据权利要求2所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：采用基于区域的图像融合规则，把每个像素点作为区域内一部分，进行区域方差计算，寻找图像区域特征进行对比，把最终符合要求的区域作为融合图像区域。
4.根据权利要求1所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述第一滤光部为红外滤光片，设置于夜间成像仪组件的光学透镜和图像传感器之间，所述第二滤光部为可见光滤光片，设置于彩色摄像仪组件的光学透镜和图像传感器之间，所述中空部设置于热成像仪组件的光学透镜和图像传感器之间。
5.根据权利要求1所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述夜间成像仪组件和彩色摄像仪组件中的光学透镜为紧凑型非制冷光学镜头组，所述热成像仪组件中的光学透镜为硫系玻璃透镜组。
6.根据权利要求5所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述紧凑型非制冷光学镜头组沿光线入射方向依次设置负弯月型透镜、正弯月型透镜和正透镜。
7.根据权利要求5所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述硫系玻璃透镜组包括三片透镜，沿光线入射方向的第一片透镜和第二片透镜后表面为全偶次非球面，第三片透镜后表面为旋转对称衍射面。
8.根据权利要求3所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：采用ADV7171视频转换芯片将交叉关联融合处理后的数字图像信号以及所述彩色摄像仪组件的图像传感器输出的数字图像信号转变成PAL制模拟视频信号。
9.根据权利要求1所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述夜间成像仪组件、热成像仪组件和彩色摄像仪组件具有各自的光轴，均对准空间中的同一点。
10.根据权利要求1所述的车载夜视辅助驾驶成像光学系统，其特征在于：所述第一滤光部采用800-1000nm波段平均透过率为99.5872%的带通滤光膜。
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