CN101376352A - 自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置及方法。本装置包括摄像头、微处理器、控制器、LED光源阵列。本方法是：微处理器按帧读取摄像头的视频图像数据；在读取的图像上分割得四个区域，分别为图像上的同一水平方向的左右两个区域和同一竖直方向的上下两个区域；微处理器对连续的两帧图像进行图像处理得到这四个区域像素光强变化快慢信息；微处理器根据这四个区域像素光强变化快慢信息提取出行车环境及行车状态特征信息并传输给控制器；控制器根据获取的行车环境及行车状态特征信息来自动控制LED光源阵列的光照模式。***完成在复杂背景下行车环境及行车状态特征特征提取和判断，根据行车环境及行车状态特征自动适应控制车灯光照模式，既极大地降低由于盲区引发交通事故的概率又节约了能源，其成本底，体积小，特别是判断准确率高。

Description

自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种对夜间行车环境及行车状态特征提取并根据行车环境及行车状态特征自动适应控制车辆前照灯光照模式的装置及方法。

背景技术

据交通部门统计，尽管夜间或黎明时间的交通只占到全天交通的25％，这一时段的事故率却高达44％左右，发生的严重交通事故率是白天的两倍。排除驾驶员饮酒和疲劳驾驶等人为因素，造成夜间交通事故居高不下的主要原因是驾驶员在夜间不能像白天一样看清路况，存在照明盲区这个直接影响夜间交通安全的主要因素。盲区是指车辆快速行驶即将进入弯道或上下坡时，车头尚未调整位置前，车头灯不能及时照亮前方弯道或坡度上的障碍物和行人。除了照明盲区，事故的发生还与汽车行驶速度有关。

目前，汽车前照***正在经历重要变革。一些著名汽车公司提出并接受了先进前照***或自适应前照***(AFS)的概念，其特点是车辆前灯能主动调整照明方向，自动适应夜间行车环境及行车状态(包括迎面车辆、弯道坡度、高速公路、城市街区等情况)的变化。对于夜间行车环境及行车状态及车辆自身行驶状态的判断，目前大多数***都是采用专门的硬件来完成，如中国专利87216416中公布了一种用于会车变光的自控装置，该装置重要是由光电敏感器件、聚光镜片、防侧光护套构成的感光接受器根据对方照度大小来判断迎面车辆，但这种装置易受外界光照变化干扰且不能判断自身车辆的速度、转弯及前方路况。再如日本电装公司与丰田汽车公司以及Koito制造公司联合开发智能化车灯***，在方向盘上装有角度传感器，能够根据汽车的转向角度和行驶车速，在水平方向调整车灯的照射方向，扩大汽车夜间转向时的可见视野，但不能获取行车时车辆前方路况如上下坡信息。它们的共同缺点是：适应行车环境及行车状态变化范围小，对车辆自身改动较大，较难与车辆其他***集成。

由机器视觉的相关理论知识可知：图像序列中各个像素点光强变化快慢与对应场景中物体相对摄像机速度有关，像素点光强变化快，即频率高，对应物体相对速度快；像素点光强变化慢，即频率低，对应物体相对速度低。本发明正是利用车辆在转弯、上下坡时图像中不同区域像素点光强变化快慢不一样的特点设计一套装置来提取车辆行车环境及行车状态特征，从而实现根据行车环境及行车状态控制车辆前照灯，达到减少盲区的目的。本发明的优点在于能够自动适应车辆行驶速度、转弯以及上下坡多种行车环境及行车状态去改变车辆前照灯光照模式，其受外界光照变化干扰小，行车环境及行车状态特征提取准确率高，结果可靠且无需对车辆做较大改动，较易与车辆其他***集成。

发明内容

本发明的目的：在于提供一种自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置及方法，利用视频图像处理技术对由摄像头获取的夜间行车时驾驶员视野前方视频图像序列进行处理，提取行车环境及行车状态特征，并根据行车环境及行车状态做出判断，从而改变车辆前车灯的光照模式，主动启动不同方向照明灯以减少盲区的自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制方法。它能够极大地降低由于盲区引发交通事故的概率，大大提高人员及车辆的安全性。

为了实现上述目的，本发明的构思是：

本发明的控制装置包括摄像头、微处理器、控制器、LED光源阵列，其特征在于在挡风玻璃前方驾驶室内放置一个摄像头获取驾驶员视野前方视频图像，摄像头通过USB接线与微处理器相连，微处理器把处理结果输送给控制器去控制LED光源阵列，从而自动适应行车环境及行车状态改变车辆前照灯光照模式。

本发明的控制方法是：用摄像头获取车辆夜间行车时驾驶员视野前方视频图像，由机器视觉的相关理论知识可知：图像序列中各个像素点光强变化快慢与对应场景中物体相对摄像机速度有关，像素点光强变化快，即频率高，对应物体相对速度快；像素点光强变化慢，即频率低，对应物体相对速度低。车辆在转弯或上下坡时，图像中不同区域像素点光强变化快慢不一样，即车辆右转弯时图像左边像素点光强变化快于右边像素点，车辆左转弯时图像右边像素点光强变化快于左边像素点，车辆上坡时远处图像像素点光强变化快于近处图像像素点，车辆下坡时近处图像像素点光强变化快于远处图像像素点。根据这一特点，在一帧图像中分割水平方向左、右两个区域，竖直方向上、下两个区域，由机器视觉中的图像处理技术可以估计出各个区域像素光强变化快慢，由水平方向左右两个区域像素点光强变化快慢差可以判断出车辆转弯方向，由竖直方向上、下两个区域像素点光强变化快慢差可以判断出车辆上下坡情况，最后根据提取的行车环境及行车状态特征信息去控制改变车辆前照灯光照模式。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置，包括摄像头、微处理器、控制器、LED光源阵列，其特征在于在挡风玻璃前方驾驶室内与驾驶员前方视野范围基本一致位置放置所述摄像头，摄像头的输出端连接所述微处理器，微处理器的输出端连接所述控制器，在车辆外部前方左右部位分别安装一个所述LED光源阵列，LED光源阵列的每个LED车灯并联于控制器的输出端。

上述LED光源阵列的LED车灯由高位灯、低位灯、近光灯、远光灯、左转灯、右转灯六类LED组成，能根据行车环境及行车状态改变光照模式。

一种自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制方法，采用上述装置进行控制，其特征在于其控制步骤是：

第一步：将摄像头拍摄的视频图像传输到微处理器，摄像头通过USB接线与微处理器相连实现图像的实时传输；

第二步：微处理器按帧读取输入的视频图像，作为待处理图像；

第三步：区域分割计算；

第四步：行车环境及行车状态特征提取；

第五步：车灯控制。控制器将从微处理器输送来的夜间行车环境及行车状态特征信息转化为控制指令，LED光源阵列根据控制器的指令来改变其光照模式。

上述步骤的第三步和第四步是：在当前帧图像上分割得四个区域，其中两个分在图像左右的同一水平方向分别取1×20像素，两个分在图像上下的同一竖直方向分别取20×1像素，对像素进行光强变化分析求出各区域所有像素点光强变化快慢信息，各区域所有像素点光强变化快慢平均值作为区域像素光强变化快慢信息，将两两区域像素的光强变化快慢差与设定的阀值进行比较从而判断出行车环境及行车状态特征。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明利用图像处理技术对摄像头所获取的夜间行车时驾驶员视野前方视频图像序列进行处理，行车环境及行车状态特征的提取工作由微处理器执行相应程序来完成，克服了光照变化干扰所带来的不准确性且对车辆自身改动较少，较易与车辆其他***集成。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的工作流程示意图

图3为本发明的摄像机获取的一帧图像的区域分割示意图

具体实施方式

参见图2，本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：参见图1，本自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置，包括摄像头1、微处理器2、控制器3、LED光源阵列4，其特征在于在挡风玻璃前方驾驶室内与驾驶员前方视野范围基本一致位置放置所述摄像头1，摄像头1的输出端连接所述微处理器2，微处理器2的输出端连接所述控制器3，在车辆外部前方左右部位分别安装一个所述LED光源阵列4，LED光源阵列4的每个LED车灯并联于控制器3的输出端。上述LED光源阵列4的LED车灯由高位灯5、低位灯6、近光灯7、远光灯8、左转灯9、右转灯10六类LED组成，能根据行车环境及行车状态改变光照模式。自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制方法，采用上述装置进行控制，其特征在于其控制步骤为：

第一步：摄像头获取车辆夜间行车时驾驶员视野前方视频图像，摄像头通过USB接线将视频图像实时传输到微处理器的内存中。

第二步：区域分割计算。微处理器读取输入的视频图像的连续两帧图像，以作为软件平台的待处理图像。接下来微处理器对这连续的两帧图像进行图像处理以得到区域像素光强快慢变化信息，具体方法是：在图像上分割得四个区域(A、B、C、D)(如图3所示)。其中两个区域位于图像左右的同一水平方向即A、B，A代表右区域取1×20像素，B代表左区域1×20像素；另外两个区域位于图像上下的同一竖直方向即C、D，C代表远处视频图像20×1像素，D代表近处视频图像20×1像素。根据图像强度守恒原理对四个区域的每个像素点进行光强变化分析可以得到各像素点光强变化快慢信息，取各个区域所有像素点光强变化的平均值为区域像素光强变化快慢信息μ_A、μ_B、μ_C、μ_D，这样求得的μ_A、μ_B、μ_C、μ_D对应路面相对速度信息且避免了随机噪声。

第三步：行车环境及行车状态特征提取。(1)车辆行驶快慢特征提取：车辆非匀速行驶时，连续两帧图像相同区域像素强度变化率不一样，因此连续两帧图像相同区域像素光强变化信息隐含车辆行驶快慢信息。连续两帧图像相同区域像素光强变化差较大时车辆行驶快，较小时车辆行驶慢；(2)车辆转弯特征提取：车辆右转弯时图像左边区域B像素点光强变化快于右边像素点，车辆左转弯时图像右边区域A像素点光强变化快于左边像素点，由此求得的A、B区域像素光强变化快慢信息隐含车辆转弯信息；(3)车辆上下坡特征提取：车辆上下坡时，图像同一竖直方向的近处视频图像区域和远处视频图像区域的像素的强度变化率不一样，对应物体的相对速度不一样。车辆匀速上坡时当前帧中远处视频图像区域的像素的强度变化率快于上一帧的，近处视频图像区域的像素的强度变化率不变，车辆匀速下坡时当前帧中近处视频图像区域的像素的强度变化率快于上一帧的，远处视频图像区域的像素的强度变化率不变，由此求得的连续两幅图像的C、D区域像素光强变化快慢信息隐含车辆上下坡信息。

微处理器判断出车辆行驶快或慢，车辆是左转弯、右转弯、上坡还是下坡，然后根据这些信息提取到车辆行驶时的行车环境及行车状态特征，即车辆低速行驶或车辆高速行驶或车辆低速行驶并右转弯或车辆低速行驶并左转弯或车辆高速行驶并右转弯或车辆高速行驶并左转弯或车辆低速行驶并遇上坡或车辆低速行驶并遇下坡或车辆高速行驶并遇上坡或车辆高速行驶并遇下坡。微处理器将提取到的行车环境及行车状态特征信息输送给控制器。

第四步：车灯控制。控制器将获取的行车环境及行车状态特征信息转化为控制指令，从而控制器就可以根据不同的行车环境及行车状态特征信息所得到的控制指令去控制车辆前照灯改变其光照模式。

本发明的一个优选实施例，具体实现过程如下：

1.视频图像输入：在挡风玻璃前方(驾驶室内)放置一个摄像头以获取驾驶员视野前方视频图像，摄像头通过USB接线将获取到的视频图像实时传输到微处理器的内存中。

2.行车环境及行车状态特征信息提取及输出：在车内合适位置放置一台微处理器，微处理器读取输入的视频图像的连续两帧图像，微处理器对这连续的两帧图像进行图像处理得到区域像素光强变化快慢信息μ_A、μ_B、μ_C、μ_D，由μ_A、μ_B、μ_C、μ_D就可以提取到行车环境及行车状态特征信息，具体实现过程如下：

(1)车辆行驶速度：通过实验确定阈值μ₁，当μ_c<μ₁时，可判定车辆行驶速度较慢；

当μ_c>μ₁时，可判定车辆行驶速度较快。

(2)车辆转弯：通过实验确定阈值μ₂，当μ_A-μ_B>μ₂时，可判定车辆向右转；当μ_A-μ_B<μ₂时，可判定车辆向左转。

(3)车辆上下坡：通过实验确定阈值μ₃，当 ${\mathrm{\&mu;}}_{D_K}-{\mathrm{\&mu;}}_{C_K}<{\mathrm{\&mu;}}_{D_{K-1}}-{\mathrm{\&mu;}}_{C_{K-1}}$ 且 $|{\mathrm{\&mu;}}_{D_K}-{\mathrm{\&mu;}}_{D_{K-1}}|{<\mathrm{\&mu;}}_3$ 时，可判定车辆上坡；当 ${\mathrm{\&mu;}}_{D_K}-{\mathrm{\&mu;}}_{C_K}>{\mathrm{\&mu;}}_{D_{K-1}}-{\mathrm{\&mu;}}_{C_{K-1}}$ 且 $|{\mathrm{\&mu;}}_{C_K}-{\mathrm{\&mu;}}_{C_{K-1}}|{<\mathrm{\&mu;}}_3$ 时，可判定车辆下坡。

指连续两帧图像的C、D区域像素光强变化快慢信息)

结合(1)、(2)、(3)就可以提取出行车环境及行车状态特征，即车辆低速行驶或车辆高速行驶或车辆低速行驶并右转弯或车辆低速行驶并左转弯或车辆高速行驶并右转弯或车辆高速行驶并左转弯或车辆低速行驶并遇上坡或车辆低速行驶并遇下坡或车辆高速行驶并遇上坡或车辆高速行驶并遇下坡。

3.车灯控制。在车内放置一台控制器与微处理器相连以接受微处理器输送过来的行车环境及行车状态特征信息，LED光源阵列与控制器相连，控制器将接受到的行车环境及行车状态特征信息转化为控制指令以控制LED光源阵列改变其光照模式。

控制器根据行车环境及行车状态特征信息控制LED光源阵列的光照模式如下：

(1)当车辆低速行驶时，只开启近光灯7；

(2)当车辆高速行驶时，只开启远光灯8；

(3)当车辆低速行驶并右转弯时，只开启近光灯7、右转灯10；

(4)当车辆低速行驶并左转弯时，只开启近光灯7、左转灯9；

(5)当车辆高速行驶并右转弯时，只开启远光灯8、右转灯10；

(6)当车辆高速行驶并左转弯时，只开启远光灯8、左转灯9；

(7)当车辆低速行驶并遇上坡时，只开启近光灯7、低位灯6；

(8)当车辆低速行驶并遇下坡时，只开启近光灯7、高位灯5；

(9)当车辆高速行驶并遇上坡时，只开启远光灯8、低位灯6；

当车辆高速行驶并遇下坡时，只开启远光灯8、高位灯5。

Claims (4)

1.一种自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置，包括摄像头(1)、微处理器(2)、控制器(3)、LED光源阵列(4)，其特征在于在挡风玻璃前方驾驶室内与驾驶员前方视野范围基本一致位置放置所述摄像头(1)，摄像头(1)的输出端连接所述微处理器(2)，微处理器(2)的输出端连接所述控制器(3)，在车辆外部前方左右部位分别安装一个所述LED光源阵列(4)，LED光源阵列(4)的每个LED车灯并联于控制器(3)的输出端。

2.根据权利要求1所述的自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置，其特征在于所述LED光源阵列(4)的LED车灯由高位灯(5)、低位灯(6)、近光灯(7)、远光灯(8)、左转灯(9)、右转灯(10)六类LED组成，能根据行车环境及行车状态改变光照模式。

3.自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制方法，采用权利要求1所述的自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制装置进行控制，其特征在于其控制步骤是：

第一步：将摄像头(1)拍摄的视频图像传输到微处理器(2)，摄像头(1)通过USB接线与微处理器(2)相连实现图像的实时传输；

第二步：微处理器(1)按帧读取输入的视频图像，作为待处理图像；

第三步：区域分割计算；

第四步：行车环境及行车状态特征提取；

第五步：车灯控制。控制器(3)将从微处理器(2)输送来的夜间行车环境及行车状态特征信息转化为控制指令，LED光源阵列根据控制器(3)的指令来改变其光照模式。

4.根据权利要求3所述的自动适应夜间行车弯道及坡度的汽车前照灯控制方法，其特征在所述控制步骤的第三步和第四步是：在当前帧图像上分割得四个区域，其中两个分在图像左右的同一水平方向分别取1×20像素，两个分在图像上下的同一竖直方向分别取20×1像素，对像素进行光强变化分析求出各区域所有像素点光强变化快慢信息，各区域所有像素点光强变化快慢平均值作为区域像素光强变化快慢信息，将两两区域像素的光强变化快慢差与设定的阀值进行比较从而判断出行车环境及行车状态特征。

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