TWI531495B - Automatic Calibration Method and System for Vehicle Display System - Google Patents

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TWI531495B TW101146589A TW101146589A TWI531495B TW I531495 B TWI531495 B TW I531495B TW 101146589 A TW101146589 A TW 101146589A TW 101146589 A TW101146589 A TW 101146589A TW I531495 B TWI531495 B TW I531495B
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Description

車用顯示系統之自動校正方法及其系統
本發明係有關一種顯示車輛投影之技術，特別是指一種車用顯示系統之自動校正方法及其系統。
按，隨著科技進展，生活富裕，機動車輛日益普及至每個家庭，交通的方便性由於車輛科技的進步而不斷提昇。然而隨著車輛使用的頻繁，其交通事故隨之增加，肇事原因大多以追撞案例佔大宗。為提高車輛行駛安全，抬頭顯示裝置已是許多車輛的基本配備，可將一般儀表板顯示的行車資訊投影於車輛的前擋玻璃上，使駕駛者在行駛中可同時透過前擋玻璃注意車前路況，不需要再低頭分心觀看車內儀表板而發生意外，以增加行車安全。
目前市售車用抬頭顯示器以顯示車速為主，更高階的會顯示GPS資訊或本車與前車間的距離或警示圖示，提醒駕駛者目前車速是否過快，亦或與前車是否過近等有安全之虞的情況，讓駕駛者有充裕的時間作出適當的處置，如減低車速等等，以避免事故的發生，降低交通事故發生機率。但因顯示畫面小，故只顯示簡易的速度資訊、小箭頭的導引系統、前車輛資訊(如車距)、車道資訊(如車道寬、偏移量)，無法利用虛擬實境的顯示讓駕駛者產生直覺式的觀看效果，且對於不同的駕駛者姿態需再次調整至符合的駕駛者的觀看視野，而在車輛行進時，現有HUD系統資訊無法動態隨著駕駛者臉部位置更動進行調整，因此無法產生即時對應的投影資訊。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種車用顯示系 統之自動校正方法及其系統，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種車用顯示系統之自動校正方法及其系統，其係利用影像辨識技術，從駕駛者臉部影像辨識出人臉資訊，再搭配距離偵測(如紅外線)，求出臉部三維位置資訊，以將投影的座標位置調整至符合駕駛者視野的位置。
本發明之另一目的在提供一種車用顯示系統之自動校正方法，其可因應不同環境適時調整顯示亮度，讓駕駛者可以清楚看到顯示在前方視野的資訊，不會造成眼睛不適又可減少電力消耗。
本發明之另一目的在提供一種車用顯示系統之自動校正方法，利用背影區域的亮度偵測環境光源、判斷日間或夜間，不需額外裝設光感測器，減少成本及系統整合之複雜度。
為達上述之目的，本發明提供一種車用顯示系統之自動校正方法，包括下列步驟：取得一座標模型；偵測一駕駛者之複數臉部特徵，利用一處理單元計算駕駛者之一臉部偏轉角度及一臉部特徵三維位置，以估測駕駛者看前方時之一視野位置；將視野位置套入一影像疊合投影轉換公式，產生一疊合誤差修正參數值；以及利用疊合誤差修正參數值對座標模型進行校正更新。
本發明另提供一種車用顯示系統之自動校正系統，其係安裝於一車輛上，包括一資訊擷取單元，擷取一駕駛者之複數臉部特徵及駕駛者之臉部與一影像擷取裝置的距離；一處理單元，依據資訊擷取單元所得到之臉部特徵及距離，計算出駕駛者之一臉部偏轉角度及一臉部特徵三維位置，以 估測駕駛者看前方的一視野位置，並藉由視野位置產生一疊合誤差修正參數值以對一座標模型進行校正；以及一顯示單元，將校正後之座標模型投射於駕駛者前方，使座標模型之投射位置與駕駛者之視野位置重疊。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明是一種車用顯示系統之自動校正方法及其系統，使投影資訊可隨著不同的駕駛者姿態自動修正至符合駕駛者觀看的視野位置，並依據背景環境調整舒適的顯示亮度。
請參考第1圖，其為本發明車用顯示系統之自動校正系統之方塊圖，包括一資訊擷取單元10、一處理單元12及一顯示單元14，其中資訊擷取單元10包含一影像擷取裝置102及一測距模組104，影像擷取裝置102擷取一駕駛者之複數臉部特徵，而測距模組104則偵測駕駛者之臉部與影像擷取裝置102之間的距離，臉部特徵為駕駛者的臉部影像，包含駕駛者之人臉、鼻子與眼睛位置、兩眼邊界位置、兩眼距離、眼睛與鼻子之相對位置及環境亮度等，其中，該測距模組104可為一紅外線測距模組；處理單元12依據資訊擷取單元10所得到之臉部特徵及距離，利用一人臉影像辨識技術計算出駕駛者之臉部特徵三維位置，包括眼睛與影像擷取裝置102的距離、眼睛離地高度及臉部偏轉角度(即駕駛者之視線方向)，以估測駕駛者看前方的一視野位置(即景深)，並藉由視野位置產生一疊合誤差修正參數值以對一座標模型進行校正更新；顯示單元14將校正後之座標模型投射於駕駛者前方，如車輛之一擋風玻璃、一黏貼於該擋風玻璃上之反射率 光學薄膜或一可視平板上，使座標模型之投射位置與駕駛者之視野位置重疊，特別是可視平板可以為高反射率光學薄膜之可視平板片，座標模型中的顯示資訊包括車道、車輛位置、速限及其它行車資訊等。
臉部特徵三維位置中之臉部偏轉角度係利用處理單元12以一人臉影像辨識技術計算臉部特徵中鼻子與臉部左、右邊界的相對空間關係所估算出，而眼睛與影像擷取裝置102的距離及眼睛離地高度則是利用測距模組104偵測駕駛者之眼睛與影像擷取裝置102的距離，以進一步求得眼睛之高度。
第2圖為本發明車用顯示系統之自動校正方法之流程圖，在步驟S10中先將前方道路影像轉換成投影顯示資訊，並透過第5圖及公式(2)計算出一座標模型，投影顯示資訊中包含車道線、前方障礙物位置、車速等行車資訊及其投射位置；步驟S12偵測駕駛者之臉部特徵，之後依據臉部特徵在步驟S14計算駕駛者之臉部偏轉角度，步驟S16計算駕駛者之臉部特徵三維位置中之眼睛與影像擷取裝置的距離及眼睛離地高度，其數值分別表示在式(2)的矩陣T WE3x1 、R WE3x3 中，步驟S18估測駕駛者看前方時之一視野位置，其數值為式(2)的t，此矩陣T WE3x1 、R WE3x3 及t為人臉修正參數；步驟S20將視野位置套入一影像疊合投影轉換公式，產生一疊合誤差修正參數值；以及步驟S22利用疊合誤差修正參數值對座標模型進行參數校正，步驟S24將參數校正後之座標模型投射於駕駛者前方，使座標模型之投射位置與駕駛者之視野位置重疊。
其中，步驟S14中臉部偏轉角度之估算請參考第3A圖及第3B圖，第3A圖臉部未偏轉，第3B圖之臉部向右偏轉，由於步驟S12已得到鼻子與 臉部左、右邊界的相對空間關係，如第3A圖中鼻子與臉部右邊界之距離為dr，鼻子與臉部左邊界之距離為dl，則臉部偏轉角度之計算公式如下式(1)：
公式(1)中，F為環境參數(如攝影機焦距、人臉離攝影機距離等資訊)，若dr為最小值時，則為右偏轉；dl為最小值時，則為左偏轉。
但由於夜間所擷取的臉部影像較模糊，因此日、夜間偵測臉部邊界的方式不同，日間以垂直線段估測臉部邊界，夜間則以相對背景較亮的區塊估測臉部邊界。
步驟S16中，駕駛者之臉部特徵三維位置估算是當測距模組104求得眼睛與影像擷取裝置102的距離後，透過相似三角形關係估算出眼睛離地高度，如第4圖所示，測距模組104可與影像擷取裝置102疊合以便於量測影像擷取裝置102與駕駛者眼睛16的距離Dc，影像擷取裝置102離地高度為Hc，而眼睛16與影像擷取裝置102的相對高度he=Dc ＊(hY/f)，因此可計算出眼睛16離地高度He=Hc+he。
將眼睛離影像擷取裝置102的距離、眼睛離地高度及眼睛在X方向的位移量以平移矩陣TWE3x1表示，臉部偏轉角度以旋轉矩陣RWE3x3表示，此二矩陣相當於視野位置，接著在步驟S20套入影像疊合投影轉換公式，請同時參考第5圖及下式(2)： 其中u p 為顯示單元14之u座標(橫座標)，v p 為顯示單元14之v座標(縱座標)，m θc 為影像擷取裝置102之傾斜斜率(θc為影像擷取裝置102與地面之夾角)，Hc為影像擷取裝置102之離地高度，u c 為影像擷取裝置102之影像平面u座標(橫座標)，v c 為影像擷取裝置102之影像平面v座標(縱座標)，e uc 為影像擷取裝置102之u焦距為影像擷取裝置102的鏡頭至影像平面u軸的距離，e vc 為影像擷取裝置102之v焦距為影像擷取裝置102的鏡頭至影像平面v軸的距離，t為駕駛視線之參數，，其中a、b、c、d為顯示平面D，可以是可視平板24(如圖中所示，可視平板座標為X D ，Y D ，Z D )或車輛的擋風玻璃25的參數，、、為P點在人眼座標(X E ，Y E ，Z E )的位置，(X W ，Y W ，Z W )為世界座標，A P 為顯示單元14的內部參數(如投影焦段、光軸中心位置等參數)，T WE3x1 此為世界座標(X W ，Y W ，Z W )到人眼座標(X E ，Y E ，Z E )的平移矩陣，T EP3x1 此為人眼座標(X E ，Y E ，Z E )到顯示單元14座標(X P ，Y P ，Z P )的平移矩陣，R WE3x3 此為世界座標(X W ，Y W ，Z W )到人眼座標(X E ，Y E ，Z E )的旋轉矩陣，R EP3x3 此為人眼座標(X E ，Y E ，Z E )到顯示單元14座標(X P ，Y P ，Z P )的旋轉矩陣。
由上述公式(2)可知顯示出來的位置與人臉位置有關，其他參數皆不會 隨時間變動，只有人臉位置會隨時間改變，故若不即時代入公式(2)算出當下要顯示的位置，則人眼看到的資訊就無法與實際物體疊合在一起。人臉位置改變後，座標模型之顯示疊合誤差修正量公式如下式(3)所示，其中為有將人臉修正參數T WE3x1 、R WE3x3 、t帶入公式(2)所求得之顯示位置；為前一刻之顯示位置，將用人臉修正參數求出之顯示位置與前一刻之顯示位置相減即可得到座標模型之顯示疊合誤差修正量(e u ,e V )。
步驟S22係將目前要投影顯示的位置計算之後，即可得到可疊合實際車道上車道線及前方障礙物位置之顯示投影顯示資訊，亦即新的座標模型，再於步驟S24中利用顯示單元14將座標模型投射至可視平板24或擋風玻璃25上。
本發明更可依據日夜間亮度不同調整顯示單元的顯示亮度，駕駛者的臉部影像中包含背景區域，若背景區域之亮度小於一閥值，則處理單元判斷為夜間偵測，並調整顯示單元14的顯示亮度，舉例而言，假設閥值為70，若左邊背景區塊與右邊背景區塊的平均亮度皆小於70則判定為夜間，反之則判定為日間。而當判定為日間時，以高輝度(約500以上)的光源顯示投影資訊，當判定為夜間時則以低輝度(約1.x)的光源顯示。
綜上所述，本發明提供之車用顯示系統之自動校正方法及其系統利用影像辨識技術，從駕駛者臉部影像辨識出人臉資訊及環境亮度，再搭配紅 外線距離偵測，求出人臉3D位置資訊，使駕駛者視線不論如何變動，系統會即時自動修正顯示位置，讓駕駛者隨時隨地多可以看到重要的顯示資訊，不需固定某個視線方向，減少顯示疊合誤差，且系統也會隨環境光源自動調整顯示亮度，有助駕駛者可直覺、舒適的獲得重要的行車安全資訊。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧資訊擷取單元
102‧‧‧影像擷取裝置
104‧‧‧測距模組
12‧‧‧處理單元
14‧‧‧顯示單元
16‧‧‧眼睛
24‧‧‧可視平板
25‧‧‧擋風玻璃
第1圖為本發明車用顯示系統之自動校正系統之方塊圖。
第2圖為本發明車用顯示系統之自動校正方法之流程圖。
第3A圖及第3B圖分別為本發明車用顯示系統之自動校正方法中臉部偏轉角度之示意圖。
第4圖為本發明中駕駛者與影像擷取裝置之距離及眼睛離地高度之示意圖。
第5圖為本發明中多座標轉換示意圖。

Claims (12)

  1. 一種車用顯示系統之自動校正方法，利用一顯示單元將校正後之座標模型投射於一駕駛者前方，包括下列步驟：取得一座標模型，該座標模型為一座標投影轉換矩陣；偵測該駕駛者之複數臉部特徵，利用一處理單元計算該駕駛者之一臉部偏轉角度及一臉部特徵三維位置，以估測該駕駛者看前方時之一視野位置；將該視野位置套入一影像疊合投影轉換公式，產生一疊合誤差修正參數值，其中u p 為該顯示單元之橫座標，v p 為該顯示單元之縱座標，T EP3x1 為該駕駛者之眼睛到該顯示單元之平移矩陣，R EP3x3 為眼睛到該顯示單元之旋轉矩陣，TWE3x1為眼睛離該影像擷取裝置之距離、眼睛離地高度及眼睛在X方向位移量之平移矩陣，RWE3x3為該臉部偏轉角度之旋轉矩陣，X W 、Y W 、Z W 為世界座標；以及利用該疊合誤差修正參數值對該座標模型進行校正更新後，將校正後之該座標模型投射至該駕駛者前方，使該座標模型之投射位置與該駕駛者之該視野位置重疊。
  2. 如請求項1所述之車用顯示系統之自動校正方法，其中該座標模型係透過擷取至少一前方道路影像，將該至少一前方道路影像轉換為一投影顯示資訊後所計算得到者；該投影顯示資訊可為車道線、前方障礙物位置、 車速等行車資訊及其投射位置。
  3. 如請求項1所述之車用顯示系統之自動校正方法，其中該駕駛者之臉部特徵為利用一影像擷取裝置所取得之該駕駛者的臉部影像，包含該駕駛者之人臉、鼻子與眼睛位置、兩眼邊界位置、兩眼距離、眼睛與鼻子之相對位置及環境亮度等。
  4. 如請求項3所述之車用顯示系統之自動校正方法，更包括一測距模組，以偵測該駕駛者與該影像擷取裝置之距離，並可偵測該駕駛者之眼睛與該影像擷取裝置的距離，以求得眼睛之高度，得出臉部特徵三維位置，其中，該測距模組可為一紅外線測距模組。
  5. 如請求項1所述之車用顯示系統之自動校正方法，其中該臉部偏轉角度係利用一人臉影像辨識技術計算該等臉部特徵中鼻子與臉部左、右邊界的相對空間關係所估算出。
  6. 如請求項4所述之車用顯示系統之自動校正方法，其中該駕駛者的臉部影像中包含背景區域，若該背景區域之亮度小於一閥值，則該處理單元判斷為夜間偵測，並調整一顯示單元的顯示亮度。
  7. 如請求項1所述之車用顯示系統之自動校正方法，其中，該該座標模型係投射於該車輛之一擋風玻璃、一黏貼於該擋風玻璃上之反射率光學薄膜或一可視平板上。
  8. 一種車用顯示系統之自動校正系統，其係安裝於一車輛上，包括：一資訊擷取單元，擷取一駕駛者之複數臉部特徵及該駕駛者之臉部與一影像擷取裝置的距離；一處理單元，依據該資訊擷取單元所得到之該等臉部特徵及該距離，計 算出該駕駛者之一臉部偏轉角度及一臉部特徵三維位置，以估測該駕駛者看前方的一視野位置，並將該視野位置套入一影像疊合投影轉換公式，產生一疊合誤差修正參數值以對一座標模型進行校正；以及一顯示單元，將校正後之該座標模型投射於該駕駛者前方，使該座標模型之投射位置與該駕駛者之該視野位置重疊，該影像疊合投影轉換公式中u p 為該顯示單元之橫座標，v p 為該顯示單元之縱座標，T EP3x1 為該駕駛者之眼睛到該顯示單元之平移矩陣，R EP3x3 為眼睛到該顯示單元之旋轉矩陣，TWE3x1為眼睛離該影像擷取裝置之距離、眼睛離地高度及眼睛在X方向位移量之平移矩陣，RWE3x3為該臉部偏轉角度之旋轉矩陣，X W 、Y W 、Z W 為世界座標。
  9. 如請求項8所述之車用顯示系統之自動校正系統，其中該資訊擷取單元中包括該影像擷取裝置及一測距模組，分別用以擷取該等臉部資訊及量測該駕駛者之臉部與該影像擷取裝置的距離，其中，該測距模組可為一紅外線測距模組。
  10. 如請求項8所述之車用顯示系統之自動校正系統，其中該臉部特徵三維位置包含駕駛者之眼睛與該影像擷取裝置之距離、眼睛離地高度及該臉部偏轉角度；該臉部偏轉角度係利用一人臉影像辨識技術計算該等臉部特徵中鼻子與臉部左、右邊界的相對空間關係所估算出；該駕駛者之臉部特徵為利用影像擷取單元所取得之該駕駛者的臉部影像，包含該駕駛 者之人臉、鼻子與眼睛位置、兩眼邊界位置、兩眼距離、眼睛與鼻子之相對位置及環境亮度等。
  11. 如請求項10所述之車用顯示系統之自動校正系統，其中該駕駛者的臉部影像中包含背景區域，若該背景區域之亮度小於一閥值，則該處理單元判斷為夜間偵測，並調整該顯示單元的顯示亮度。
  12. 如請求項8所述之車用顯示系統之自動校正系統，其中該座標模型係投射於該車輛之一擋風玻璃、一黏貼於該擋風玻璃上之反射率光學薄膜或一可視平板上。
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