CN110107859A - 一种智能安全大灯的视觉控制***、方法及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明属于灯光调节技术领域，公开了一种智能安全大灯的视觉控制***；设置有：智能识别***，通过工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面是否有目标车辆；控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光实现智能化和安全化；投光***，用于滤除并改变角度偏差较大的光线，滤除偏射角度太大的杂光，折射射出放射状光线；滤光控制***，用于以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，以实现对于射出黑色斑块的控制。

Description

一种智能安全大灯的视觉控制***、方法及汽车

技术领域

本发明属于灯光调节技术领域，尤其涉及一种智能安全大灯的视觉控制***及方法。

背景技术

目前，最普遍的现有技术：1925年推广的双丝灯泡，远光和近光的调节通过装在转向柱上的开关来控制基本只能通过手动切换来调整灯光角度或者亮度。有新兴起技术通过光线传感控制远光、近光***，相对来说比较人性化。但是由于某些功能不实用还不普及。这种自动控制模式仅仅不需要人手动控制，降低了劳动强度。但是还不能适应全路况，且在自动切换成近光灯之后对于自己的视线还是有影响。目前市面上已推出的最接近这个大灯功能的产品是奔驰推出的一款LED阵列的形式的方案，这种阵列生产加工成本极高，一对大灯动辄数万元，而且有国外企业的垄断技术壁垒，无法在最短时间适配到大部分车型。它里面没有引入透镜和LCD的概念，是直射的直接控制。对于光线分辨率的控制做不到在可视角度内分辨率最大横向1920，纵向1080的效果。且短时间内无法有效普及。效果也没有透镜组控制光线效果好。且做不到本方案的低成本，在新兴起技术尚未普及的情况下，大部分车辆均采用传统手动远光、近光切换应对夜晚会车对于对向来车的安全措施，主要有以下几项缺点：夜间行车司机劳动强度大，单一循环式操作容易疲劳不智能化，有灯光较亮的司机会有不切换行为，危害极大。会车时切换近光后自己视线变短，自己安全性没有保证。频繁切换远光、近光后灯光寿命较短。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现有的车辆均采用传统手动远光、近光切换应对夜晚会车对于对向来车的安全措施存在夜间行车司机劳动强度大，单一循环式操作容易疲劳不智能化，有灯光较亮的司机会有不切换行为，危害极大会车时切换近光后自己视线变短，自己安全性没有保证频繁切换远光、近光后光源寿命较短。

解决上述技术问题的难度：

站在真正意义的传统灯光的角度上来说，这些问题从结构以及原理设计上就带来的缺陷决定了它有不可改造进化的事实。只有全新的工业化设计和全新的理念才能彻底解决这些缺陷。

解决上述技术问题的意义：

如采用本大灯方案，则完全可以避免上述方案的所有缺陷。***默认从目标车辆出现在相机视野开始就打开智能滤光***，人在夜晚行车的视觉感受上也更加智能化，司机开车时也不会因为夜晚行车的频繁会车导致的劳动强度加大，也不会因为切换近光之后造成对自己行车视野的影响。对于目标车辆和路边行人也是非常友好的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能安全大灯的视觉控制***及方法。

本发明是这样实现的，一种智能安全大灯的视觉控制***，所述智能安全大灯的视觉控制***包括：

智能识别***，通过工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面的目标车辆；控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光实现智能化和安全化；

投光***，用于滤除并改变角度偏差较大的光线，滤除偏射角度太大的杂光，折射射出放射状光线；

滤光控制***，用于以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，以实现对于射出黑色斑块的控制。

进一步，所述智能识别***为工业摄像机。

进一步，所述投光***构成为：样机本体通过螺栓固定有摄像机，样机本体右端嵌装有凸透镜组，凸透镜组左端设置有两片菲涅尔透镜，两片菲涅尔透镜之间固定有LCD液晶屏，菲涅尔透镜左端固定有聚焦凸透镜，聚焦凸透镜内部嵌装有LED灯源。

本发明的另一目的在于提供一种投光***的样机的结构关系，如下：

样机本体右端通过螺栓固定有摄像机，样机本体右端嵌装有凸透镜组，凸透镜组左端固定有LCD液晶屏，LCD液晶屏左端固定有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜左端固定有聚焦凸透镜，聚焦凸透镜内部嵌装有LED灯源。

本发明的另一目的在于提供一种执行所述视觉智能安全大灯的控制***的智能安全大灯的控制方法，所述智能安全大灯的控制方法包括：

第一步，工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面，在识别出画面里有需要安全避让车辆时，控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光；

第二步，LCD控制程序以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，实现对于射出黑色斑块的控制；

第三步，经光源发出光线后，光线经过凸透镜改变光线方向是向正前方射出；再通过菲涅尔镜滤除并改变角度偏差较大的光线，射出接***行光的光线，光线再经过可控像素化的滤光LCD液晶屏后，光线呈类似阵列的像素化；再经过菲涅尔透镜适当调整收缩光线角度并再次滤除偏射角度太大的杂光，让光线截面收缩到小于镜头直径；最后光线通过适当焦距的凸透镜组折射射出放射状光线。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述视觉智能安全大灯的控制***。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

1、司机夜间行驶过程中无需频繁切换远近光，大大降低驾驶员劳动强度。

2、不受路况以及距离限制，只要对方车辆出现在视觉***中，***立即开始工作，减少对目标车辆的影响，安全性能较强。

3、在智能识别并滤除光线后，对于路况照射角度不改变，不影响驾驶员视线。

4、支持同时识别多个目标，适应性较强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制***中投光***的大体积低成本样机的结构示意图；

图中：1、摄像机；2、凸透镜组；3、菲涅尔透镜；4、LCD液晶屏；5、聚焦凸透镜；6、LED灯源。

图2是本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制方法流程图。

图3是本发明实施例提供的光线处理流程图(滤光***工作流程)。

图4是本发明实施例提供的相机视野与投影输出画面示意图。

图5是本发明实施例提供的镜头和相机安装示意图。

图6是本发明实施例提供的显示器显示相机图像与投影画面效果图。

图7是本发明实施例提供的双目相机如何计算灯光与相机之间的关系，安装位置以及成像示意图。

图8是本样机测试期间未打开智能识别时从目标车辆位置看到的效果图，有刺眼强光。

图9是本样机测试期间已打开智能识别时从目标车辆位置看到的效果图，无刺眼强光。

图10是本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制***中投光***的可定化样机结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制***包括：智能识别***、投光***、滤光控制***。

智能识别***，通过工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面(目前样机仅支持通过对方车辆的灯光识别，未来若两车都安装此***。两车交汇时智能***将会实时通讯)，在识别出画面里有需要安全避让车辆时，控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光来实现智能化和安全化得目的。

投光***，主要由大功率LED光源(全称Light Emitting Diode也叫发光二极管)射出光线，光线经过凸透镜改变光线方向是向正前方射出，再通过菲涅尔镜滤除并改变角度偏差较大的光线，射出接***行光的光线，光线再经过可控像素化的滤光LCD(全称Liquid Crystal Display也叫液晶显示器)液晶屏后，光线呈类似阵列的像素化，再经过菲涅尔透镜适当调整收缩光线角度并再次滤除偏射角度太大的杂光，让光线截面收缩到小于镜头直径，最后光线通过适当焦距的凸透镜组折射射出放射状光线(这里相对于LCD是倒像)。

所述投光***构成为：样机本体通过螺栓固定有摄像机1，样机本体右端嵌装有凸透镜组2，凸透镜组2左端设置有两片菲涅尔透镜3，两片菲涅尔透镜3之间固定有LCD液晶屏4，菲涅尔透镜3左端固定有聚焦凸透镜5，聚焦凸透镜5内部嵌装有LED灯源6。

滤光控制***，主要是由电源电路、LCD驱动电路、LCD屏(LCD屏采用高透光屏幕)、驱动控制程序组成。以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块从而滤除需要避让车辆的区域，以实现对于射出黑色斑块的控制。

所述投光***的可定化样机的结构关系，如下：

样机本体右端通过螺栓固定有摄像机1，样机本体右端嵌装有凸透镜组2，凸透镜组2左端固定有LCD液晶屏4，LCD液晶屏4左端固定有菲涅尔透镜3，菲涅尔透镜3左端固定有聚焦凸透镜5，聚焦凸透镜5内部嵌装有LED灯源6。

如图2所示，本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制方法包括：

第一步，工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面(目前样机仅支持通过对方车辆的灯光识别，未来若两车都安装此***；两车交汇时智能***将会实时通讯)，在识别出画面里有需要安全避让车辆时，控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光来实现智能化和安全化得目的。

第二步，LCD控制程序以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，实现对于射出黑色斑块的控制；

第三步，经光源发出光线后，光线经过凸透镜改变光线方向是向正前方射出；再通过菲涅尔镜滤除并改变角度偏差较大的光线，射出接***行光的光线，光线再经过可控像素化的滤光LCD液晶屏后，光线呈类似阵列的像素化；再经过菲涅尔透镜适当调整收缩光线角度并再次滤除偏射角度太大的杂光，让光线截面收缩到小于镜头直径；最后光线通过适当焦距的凸透镜组折射射出放射状光线。

本发明实施例提供的智能安全大灯的视觉控制***对于光线的处理以及最终输出方式；

投光***2主要由大功率LED光源(全称Light Emitting Diode也叫发光二极管)射出光线，光线经过内球面凹面镜反射，再通过菲涅尔镜滤除并改变角度偏差较大的光线，射出接***行光的光线，光线再经过可控像素化的滤光LCD(全称Liquid Crystal Display也叫液晶显示器)液晶屏后，光线呈类似阵列的像素化，再经过菲涅尔透镜适当调整收缩光线角度并再次滤除偏射角度太大的杂光，最后光线在菲涅尔透镜的焦点后1/3的位置通过适当焦距的凸透镜，再经过凸透镜射出放射状光线。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明的光源可以用传统发光灯泡(包括LED灯、钨丝灯、卤素灯、氙气灯)替代并用凹面镜(包括内球面镜、抛物面镜)改变光线射出方向以达到射出平行光的目的，而后可以用菲涅尔透镜(这里称为前菲涅尔透镜，指位于LCD和光源之间的改变光线角度的透镜)，也可以用适当角度的凸透镜，也可以都不用，这主要取决于上面发光反射或折射***中射出光线的角度，最后的LCD可以是液晶屏(包括LCD\LED，电子墨水屏)，对于液晶屏的驱动方式以及驱动程序不做一一表述，屏幕的形状(包轮廓矩形、正方形、圆形、椭圆形)，后菲涅尔透镜(指位于屏幕和大凸透镜组之间的用于收缩光线角度的透镜)可以用适当角度的凸透镜或者内球面镜(适当收缩光线以及改变光线射出中心的角度)。当然LCD也可以位于大凸透镜之后的焦点之前，也可以达到同样的目的。

摄像头的选用、程序控制电路的实现以及芯片的选用、对于可控LCD或者DMD驱动芯片的选用、光源的选用、光线处理反射折射的方式零部件选用、电源管理以及灯泡升压电路的实现选用。

摄像头的选用：在实验中均选用海康工业彩色摄像机，由于工业摄像机的对于各个参数的可调以及镜头的可更换功能，在实验中可最大限度调整各种状态以更加便捷的找到更适合本发明的各项参数选用。在实际使用中均采用黑白摄像机，就可以满足识别到目标车辆灯光的目的。成本也比较低。再者黑白摄像机拍摄的照片数据量很小，对于处理芯片的要求也相对降低，速度可以大大加快。对于摄像机分辨率选择也不是很高，摄像机视野角度的可根据不同车型的视野角度选用不同的镜头就可以实现比较灵活。

程序控制电路的实现以及芯片的选用：根据图片处理的要求均选用价格便宜功能强大引脚多而且技术相对成熟的STM32系列的芯片，开发难度较低主要实现工作量都在于程序的编写以及算法的逻辑实现。对于摄像机与LCD不同分辨率情况下均可用软件算法实现转换具体如下：

单目相机

1假设相机镜头中心与镜头中心重合，且没有任何机械误差影响，则相机视野与大灯投影输出画面应该如下图4所示。

2相机与镜头选择

(1)为确保相机视野在投影范围内，假设所选镜头在投影距离St情况下投影宽*高为：

Wt＝投影宽度，Ht＝投影高度；

这两个参数会在镜头参数和LCD分辨率参数介绍中直接或间接给出。

(2)根据大灯投影范围，要求相机视野宽*高小于投影宽和高，即满足关系：

WX＝相机视野宽度，HX＝相机视野高度；

WX≤Wt；HX≤Ht；

目前为止，可以确定的参数有物距St，相机视野WX，HX，相机尺寸也能在所选相机数据手册中得到，由下面成像公式，可计算出相机焦距F，选择相应焦距的镜头；

此时，镜头和相机的硬件参数已经全部确定。

3图像灯光定位与误差补偿

(1)以所选的LCD和相机为例，介绍如何进行图像与投影画面坐标变换。LCD分辨率(1920*1080)，相机分辨率(1536*864)。

(2)安装示意图，如图5所示：

(3)相机成像与投影画面关系计算，电脑显示器以左上角顶点为坐标原点(0，0)，如果不进行坐标变换，让显示器显示相机图像与投影画面，效果如图6所示；

图6中A点坐标(a，b为相机视野中心点)，B点坐标(c，d为投影画面中心点)，要将图6的画面转换成图4的画面效果，需要进行A坐标进行向右下角进行移动，移动距离可以表示为：

水平移动距离：Offset_W＝c-a；

垂直移动距离：Offset_H＝d-b；

从上面硬件选择中已知LCD和相机分辨率；

求出点A坐标；

a＝1536/2，b＝864/2；

点B坐标；

c＝1920/2，d＝1080/2；

则；

Offset_W＝1920/2-1536/2＝192；

Offset_H＝1080/2-864/2＝108。

扩展至图像中所有点，则每个点的坐标都应该加上(Offset_W，Offset_H)。到此，理想情况下的数学模型已建立完成。但由于实际情况中相机镜头中心与大灯镜头中心不存在重合的可能，再引入实际环境误差的两个参数。水平误差Horizontal_Offset(可为负数)，垂直误差Vertical_Offset(可为负数)。这两个参数需要相机与大灯镜头安装完成后，根据软件对图像处理手动调整得出。由此推导出，相机图像中任意一个点(Row，Column)与LCD画面的关系为：

投影仪投影行坐标＝Row+Offset_H+Vertical_Offset；

投影仪画面列坐标＝Column+Offset_W+Horizontal_Offset。

灯光定位

该部分为图像处理，相机根据拍摄的图像，根据强烈对比度筛选出灯光区域，再根据区域大小过滤干扰光线，然后对灯亮区域进行中心点求解，得出灯光中心与灯亮半径。再经过上面第三步的坐标变换，将投影黑色方框在LCD画面显示。

双目相机与物体距离定位

1计算过程

双目相机测定距离与镜头没有关系，下面将介绍双目相机如何计算目标车辆与相机之间的距离。安装位置以及成像示意如图7；图7中，各项参数定义为：

L1:两个相机之间镜头中心距离；

L2:两个相机之间成像灯光中心距离；

S1:灯光成像平面与相机镜头平面垂直距离；

S2:灯光中心在相机镜头平面投影与相机镜头中心水平距离；

S3:灯光中心与镜头中心距离。

目前可以直接得到参数只有L1。其余L1,S1,S2,S3均无法直接获取。因此无法直接使用三角形几何定理进行距离求解。因为两个相机参数一致，理论上两个相机在同一位置同一角度拍摄的照片应该是一致的。由此，可以这么进行推导：

蓝色相机为红色相机进行向右平移而得到。根据相机成像特性，在同一平面内，相机右移距离L1，成像点也会跟着左移距离L1。由此可以得出L1＝L2。这一结论使得问题简单化了。

软件同时对红色相机和蓝色相机采集的图像进行灯光中心点求解，假设获取的红色相机图像灯光中心坐标为(Rr，Cr)，蓝色相机图像灯光中心坐标为(Rb,Cb),由于是水平平移，垂直坐标可忽略。则两幅图像灯光中心像素距离为：

P＝|Cb-Cr|；

每个像素代表的实际距离为：

Sp＝L1/P；

再计算出相机在这个平面内的视野：

相机视野宽＝Wv＝1536*Sp；

由下面公式得到物距S1：

S1＝Wv*F/相机尺寸宽；

同样的，S2的长度为；

S2＝(|1536/2-Cr|)*Sp；

最后，根据三角形勾股定理，灯光与红色镜头中心距离为：

同理，蓝色相机距离也可按此步骤算出。如果两个相机安装距离很近，这两个相机计算出的距离可以近似认为相等。

可控LCD或者DMD驱动芯片的选用：在实验中均采用技术相对成熟也比较好买到的无背光的LCD显示及其驱动***。实际应用中可采用单色LCD屏幕或者电子墨水屏幕，相对来说能耗较低成本也比较便宜。黑色斑块透光率低，可极大提高本项目的可行性以及实际使用效果。

光源的选用：采用亮度较高的氙气灯或者大功率LED灯来作为光源。

光线处理反射折射的方式零部件选用：

电源管理以及灯泡升压电路的实现选用：

例如光源可以用传统发光灯泡(包括LED灯、钨丝灯、卤素灯、氙气灯、UHP(全名Ultra High Performance也叫超高压汞灯))替代并用凹面镜(包括内球面镜、抛物面镜)改变光线射出方向以达到射出平行光的目的。

而后可以用菲涅尔透镜(这里称为前菲涅尔透镜，指位于LCD和光源之间的改变光线角度的透镜)，也可以用适当角度的凸透镜，也可以都不用，这主要取决于上面发光反射或折射***中射出光线的角度。

最后的LCD可以是液晶屏(包括LCD\LED,电子墨水)，对于液晶屏的驱动方式以及驱动程序不做一一表述，屏幕的形状(包轮廓矩形、正方形、圆形、椭圆形)。

后菲涅尔透镜(指位于屏幕和大凸透镜组之间的用于收缩光线角度的透镜)可以用适当角度的凸透镜或者内球面镜(适当收缩光线以及改变光线射出中心的角度)。

当然LCD也可以位于大凸透镜之后的焦点之前，也可以达到同样的目的。

若使用内球面或者抛物面反射镜，也可以用可控反射面镜又叫DMD(全称为Digital Micromirror Device(数据微镜装置))可不使用LCD以及一组菲涅尔透镜，直接使用相应焦距的镜头投射出光线即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能安全大灯的视觉控制***，其特征在于，所述智能安全大灯的视觉控制***包括：

智能识别***，通过工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面是否有目标车辆；控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光实现智能化和安全化；

投光***，用于滤除并改变角度偏差较大的光线，滤除偏射角度太大的杂光，折射射出放射状光线；

投光***构成为：样机本体通过螺栓固定有摄像机，样机本体右端嵌装有凸透镜组，凸透镜组左端设置有两片菲涅尔透镜，两片菲涅尔透镜之间固定有LCD液晶屏，菲涅尔透镜左端固定有聚焦凸透镜，聚焦凸透镜内部嵌装有LED灯源；

滤光控制***，用于以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，以实现对于射出黑色斑块的控制，并实现实时跟踪。

2.如权利要求1所述的智能安全大灯的视觉控制***，其特征在于，所述智能识别***为工业摄像机和目标车辆灯光识别程序。

3.如权利要求1所述的智能安全大灯的视觉控制***，其特征在于，所述投光***由大功率LED光源、凸透镜、菲涅尔镜、滤光LCD液晶屏、菲涅尔透镜组成。

4.如权利要求1所述的智能安全大灯的视觉控制***，其特征在于，所述滤光控制***由电源电路、LCD驱动电路、LCD屏、驱动控制程序组成。

5.一种执行权利要求1所述智能安全大灯的视觉控制***的智能安全大灯的视觉控制方法，其特征在于，所述智能安全大灯的视觉控制方法包括：

第一步，工业摄像机实时捕捉车前画面，通过智能识别***识别到画面里面，在识别出画面里有目标车辆时，控制投光***滤除对方车辆所在位置角度的灯光；

第二步，LCD控制程序以一定频率从识别***获取信号以控制以及黑色斑块需要显示的坐标，通过LCD控制电路控制显示屏显示出黑色斑块滤除需要避让车辆的区域，实现对于射出黑色斑块的控制；

第三步，经光源发出光线后，光线经过凸透镜改变光线方向是向正前方射出；再通过菲涅尔镜滤除并改变角度偏差较大的光线，射出接***行光的光线，光线再经过可控像素化的滤光LCD液晶屏后，光线呈类似阵列的像素化；再经过菲涅尔透镜适当调整收缩光线角度并再次滤除偏射角度太大的杂光，让光线截面收缩到小于镜头直径；最后光线通过适当焦距的凸透镜组折射射出放射状光线。

6.一种如权利要求1所述的智能安全大灯的视觉控制***中投光***的样机，其特征在于，所述样机的结构关系，如下：

样机本体右端通过螺栓固定有摄像机，样机本体右端嵌装有凸透镜组，凸透镜组左端固定有LCD液晶屏，LCD液晶屏左端固定有菲涅尔透镜，菲涅尔透镜左端固定有聚焦凸透镜，聚焦凸透镜内部嵌装有LED灯源。

7.一种安装有权利要求1～4任意一项所述智能安全大灯的视觉控制***的机动车辆等交通工具或车辆。