CN113188521A

CN113188521A - 一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法

Info

Publication number: CN113188521A
Application number: CN202110509077.1A
Authority: CN
Inventors: 江晓东; 杨磊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: CN113188521B

Abstract

一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法，本发明采用严谨的单目光学几何光路图进行分析计算，引入实际碰撞距离的概念，给出碰撞前预警时间的准确值。并且结构简单，算法精确，抗干扰，可以应用在行车记录仪、后摄像头等现有行车装备上，并且可将数据输入行车电脑，作为自动驾驶防撞的一种可靠方法。本发明包括如下步骤：1）拍摄储存；2）图像识别处理；3）特征点比较计算；4）碰撞时间预警计算，碰撞预警时间T=△t/(w‑1)。

Description

一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法

技术领域

本发明属于汽车安全驾驶领域，具体地是涉及一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法。

背景技术

随着汽车自动驾驶（包括辅助驾驶）技术的日益普遍应用，车辆在行驶过程中及时对前方障碍物的撞击时间预判对行车安全极为必要。一个准确的防撞报警系统可以提醒驾驶员或行车电脑在可能的撞击前采取相应措施以保证行车安全。

在目前各种技术方案中，靠反射波原理工作算作一类，比如毫米波雷达、激光雷达、超声波等。另一类依靠光学测距技术，其原理是采用多目（起码两目）的光学摄像头，通过实时记录同一背景影像到达各目镜的图像差异，计算得出障碍物的车前距离，以达到预警的目的，类似人的平行双目观察效果。

但是，反射波类的测距预警方法的缺点是电磁污染和互相干扰，当路上有足够多的具有同样装置车辆同行时，由于编码的复杂和有限性，可能互相干扰反而导致判断错误产生车祸。使用双目以上的投影装置测距预警的装置，由于制造、安装、维护的各种原因，同一背景多目误差很难消除，也给准确的预警造成困难，因此就必须配备更多的摄像头来提高测量准确性，无疑会增加成本和维护工作量。

专利CN111521117A，名称为《单目视觉测距方法、存储介质及单目摄像头》，及CN108088414A，名称为《一种单目测距方法》，均使用了单目测距距离估算和阈值几率的算法计算行车与目标的距离，但其工作原理是靠对库资料的检索以完成对目标距离的估算，靠设定距离阈值来提高车辆行驶的安全性，其可靠性会比较令人担忧。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法；本发明原理采用严谨的单目光学几何光路图进行分析计算，引入实际碰撞距离的概念，给出碰撞前预警时间的准确值。并且结构简单，算法精确，抗干扰，可以应用在行车记录仪、后摄像头等现有行车装备上，并且可将数据输入行车电脑，作为自动驾驶防撞的一种可靠方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明提供一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）拍摄储存：摄像头在车轴线方向布置，在t和t’时刻拍摄两张图像，并存储在处理系统的内存中；

2）图像识别处理：系统板识别处理两张图像的同一参照物，取即将碰撞物的ｉ个特征点，进行多特征点识别标记；

3）特征点比较计算：对两张图像中的即将碰撞物的i个特征点的离散距离平均值进行计算，分别得到时间t时图像即将碰撞物的离散距离平均值Rt，时间t’时图像即将碰撞物的离散距离平均值R t’，并定义比值R t’/Rt=ｗ；

4）碰撞时间预警计算：将即将碰撞物的实物边缘及中点，与在摄像头投影屏的投影的相对应处，过摄像头的镜头焦点O进行连线，形成在t和t’的光路图形，根据相似三角形原理，并且t和t’时刻的时间差为(t’-t)，记做△t，计算出碰撞预警时间T =△t /(w-1)。

进一步地，所述t和t’时刻的时间差△t为提前预设值，精度为ms，t和t’时刻拍摄两张图像的指令由摄像系统晶振给出。

本发明的有益效果。

本发明可以为汽车行驶撞击给出精确的预警时间，方法简单实用，可以方便地加装在行车记录仪、自动驾驶等系统中，基于光学单目成像原理之上，可以避免反射波方法带来的电磁污染和激光污染，抗干扰并不对其他同类系统车辆形成干扰，安全可靠性高，不需要事前对摄像系统进行物理标定，且和摄像头成像误差无关，避免了双（多）目测距中的各个摄像头光学畸变引起的测量误差。

附图说明

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的方法步骤图。

图2是本发明在即将碰撞物为静止物时的光学成像原理图。

图3是本发明在即将碰撞物为运动物时的光学成像原理图。

图4是本发明在两车同向而行情况时的示意图。

图5是本发明在两车相向而行情况时的示意图。

图6是本发明的t和t’时刻拍摄图像的示意图。

图7是本发明的图像识别处理和特征点比较计算的步骤图。

具体实施方式

结合附图所示，方法包括如下步骤：

1）拍摄储存：摄像头在车轴线方向布置，在t和t’时刻拍摄两张图像，并存储在处理系统的内存中，t和t’时刻的时间差△t为提前预设值，精度为ms， t’时刻在t时刻以后，所以△t为正值，和t’时刻拍摄两张图像的指令由摄像系统晶振给出，如图6所示。

2）图像识别处理：系统板识别处理两张图像的同一参照物，取即将碰撞物的ｉ个特征点，进行多特征点识别标记。

3）特征点比较计算：对两张图像中的即将碰撞物的i个特征点的离散距离平均值进行计算，分别得到时间t时图像即将碰撞物的离散距离平均值Rt，时间t’时图像即将碰撞物的离散距离平均值R t’，并定义比值R t’/Rt=ｗ。计算w的程序算法借用目前已有的图像识别处理开源软件技术，步骤如图7所示，并不在本专利提出的保护范围之内，这里仅仅作为一般的概述进一步说明本专利的工作原理。

计算Rt’和Rt的公式分别为Rt=∑Rt/i，Rt’=∑Rt’/i。计算w的推导公式为w= Rt’/Rt=(h’+b’)/ h’，其中h’为在t时刻，即将碰撞物的1/2宽度h在摄像头内的投影屏上的投影宽度（用所占像素数表示），b’为在t’时刻，即将碰撞物的1/2宽度h在投影屏上与在t时刻的变化的投影宽度（用所占像素数表示）。

4）碰撞时间预警计算：将即将碰撞物的实物边缘及中点，与在摄像头投影屏的投影的相对应处，过摄像头的镜头焦点O进行连线，形成在t和t’的光路图形。

在计算碰撞预警时间时可以考虑接下来两种情况。

1. 即将碰撞物为静止物，例如大树，这种情况的情况如图2所示，车行速度v，即将碰撞物位于车前方。

碰撞预警时间的推导过程根据相似三角形原理，△OAD∽△OEF∽△ABC，因此，a/b=s/h =(a+s')/h，其中，a为△t时间内的驾驶车行驶的直线距离，b为在t’时刻的即将碰撞物所在处的t’时刻与t时刻的即将碰撞物1/2的宽度差，s为t时刻即将碰撞物距驾驶车的距离，s'为t’时刻即将碰撞物距驾驶车的距离。

△OBH∽△OEG，因此，s'/h=f/( h’+ b')。△OBC∽△OFG，因此，f/s'=b'/b，其中，f为摄像头的投影焦距。

接下来a/b'=(a+s')/(b'+h');

s'/a=h'/b';

s'=ah'/b' =h'/b'*v*△t;

w= Rt’/Rt=(h’+b’)/ h’;

s’=v*△t /(w-1)。

其中，v为驾驶车的行驶速度，由于△t时间很短，因此可视v为匀速，v可以从驾驶车的ECU处理器中直接调取出。这时s'为计算碰撞时间时真实的车与目标的距离，因此碰撞预警时间T= s'/v=[ v*△t /(w-1)]/v=△t /(w-1)。

计算出碰撞预警时间T =△t /(w-1)。

2. 即将碰撞物也是移动物，例如车辆，其车速设定为u，并且v>u。此时的投影光路如图3所示。两车的相对移动速度为(v-u),在t至t’的时间间隔内，两车相对距离变化a'=(v-u)* △t。投影屏上的参照物投影宽度的变化可以认为来至目标虚像。得到的是碰撞前距离L。

因为△OAD∽△OA'D',所以:

s'/a'= L /a=h'/b'△t；

T= s'/(v-u)=L/v= h'/b'*△t =△t /(w-1)。

当v>u并且本车与目标车同向运动时，目标虚像会落在目标车前方，L>s'。当目标车与本车逆向运动时，[v-(-u)]>v,因此目标虚像会落在本车与目标车之间，L<s'。只有当目标静止时，L=s'，才是本车与目标车的真实距离。

L碰撞距离的概念，表示的是本车以速度v行驶时，碰撞到目标实际需要行驶的距离。

如图4所示的情况，A车与B车同向而行。假定在t'时刻，A车和B车的距离是s',但是因为B车也在以u的速度运动。当A车到达B点的时刻，B车已经离开，并不能发生碰撞。只有两车都达到C点的时刻，才可以发生碰撞。因此，A车在t'时刻预测的撞击时间，就是它预测的行驶到C点的时间。A-B的距离是s'，A-C的距离就是L。

如图5所示的情况，A车与B车逆向而行。假定在t'时刻，A和B车的距离是s'，因为B车也在以u的速度运动，且与A车逆向，当A车到达B车初始点之前，已经和B车在C点撞击。因此，A车在t'时刻预测的撞击时间，就是它预测的行驶到C点的时间，而不是达到B车初始点的时间。A-B的距离是s’，A-C的距离是L。

所以在几何光路上，如果目标车是移动的，摄像头感光屏上得到的投影就是“虚像”，反映的是撞击前距离L，而不是t'时刻的真实距离。只有当目标物速度为零时，s'=L，这时可以测到真实的距离。

情况1和2计算碰撞预警时间T的表达式完全相同，即T= △t /(w-1)，也就是说对于移动目标，在不知道其移动速度的情况，也可以采用此公式准确预警其碰撞时间。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施方式所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉的车辆撞击预警方法，其特征在于，所述t和t’时刻的时间差△t为提前预设值，精度为ms，t和t’时刻拍摄两张图像的指令由摄像系统晶振给出。