基于無(wú)縫拼接的全景泊車(chē)輔助系統的設計

作者 /謝毓 廣州致遠電子有限公司(廣東 廣州 510660)

摘要：針對當前市面上全景泊車(chē)輔助系統產(chǎn)品普遍存在拼接盲區的現象，本設計通過(guò)改進(jìn)的圖像拼接處理算法，實(shí)時(shí)呈現無(wú)縫拼接的全景畫(huà)面，使泊車(chē)過(guò)程的全景圖像不存在任何盲區，為駕駛員呈現真正的360度汽車(chē)四周的情況。本設計綜合了多種機器視覺(jué)和數字圖像處理算法，融合了機器視覺(jué)領(lǐng)域多項先進(jìn)技術(shù)，使汽車(chē)泊車(chē)過(guò)程具有更高的安全性和穩定性，而且基于低成本、高性能及可移植性強等優(yōu)點(diǎn)，便于大面積推廣應用。

引言

　　倒車(chē)一直是廣大司機頭疼的問(wèn)題，再有經(jīng)驗的司機也有過(guò)刮碰經(jīng)歷。輔助駕駛產(chǎn)品從原來(lái)的超聲波探頭，到現在流行的可視倒車(chē)雷達，都是只能看到車(chē)身正后方，無(wú)法同時(shí)看清車(chē)身四周狀況，存在視角盲區，因此有了車(chē)身周?chē)?60度全景影像倒車(chē)需求，即全景泊車(chē)輔助系統，該系統可更加直觀(guān)和安全可靠地輔助倒車(chē)。全景泊車(chē)影像系統是近年來(lái)興起的一項熱門(mén)的汽車(chē)安全應用，有效彌補了倒車(chē)雷達和倒車(chē)影像存在盲區的不足^[1]。

　　當前市面上全景泊車(chē)輔助系統產(chǎn)品普遍存在拼接盲區的現象，造成四個(gè)拼接區域過(guò)渡不連貫，泊車(chē)安全上存在盲區危險，如圖1所示。本系統支持矯正180度超廣角攝像頭，并且采用了圖像增強算法，包括直方圖均衡化算法和圖像融合算法，使系統實(shí)時(shí)呈現無(wú)縫拼接的全景畫(huà)面，泊車(chē)時(shí)全景圖像不存在任何盲區，為駕駛員呈現真正的360度汽車(chē)四周的情況，更加有效地避免了碰撞事故的發(fā)生。

1 整體系統設計

　　本系統提供一種更優(yōu)的全景汽車(chē)輔助系統，用于汽車(chē)泊車(chē)進(jìn)行全景成像及輔助駕駛，整體設計流程如圖2所示，包括：

　　(1)攝像頭輸入模塊，通過(guò)安裝于車(chē)體前后左右四個(gè)方向上的多個(gè)180度超廣角攝像頭對車(chē)體周?chē)鸂顩r進(jìn)行拍攝，攝像頭參數為D1格式、PAL制式，分辨率為720x576，并將安裝的角度根據攝像頭輸出圖像的情況調節到一個(gè)合適的位置^[2];

　　(2)圖像校正模塊，根據攝像頭的內部參數和畸變模型，將每個(gè)攝像頭的輸入視頻圖像進(jìn)行畸變校正;

　　(3)鳥(niǎo)瞰透視模塊，根據攝像頭的安裝角度和透視變換原理，將每個(gè)攝像頭畸變校正后的圖像進(jìn)行角度透視變換，生成俯視圖像;

　　(4)圖像拼接模塊，根據每個(gè)攝像頭安裝位置的三維坐標和汽車(chē)的尺寸，借助于鋪設在車(chē)輛四周地面上的方格線(xiàn)，將每個(gè)方向上的俯視圖像拼湊在一個(gè)圖像中，組成一個(gè)全景俯視圖;

　　(5)圖像增強模塊(直方圖均衡化和圖像融合算法)，通過(guò)直方圖均衡化算法，將每個(gè)拼接區域之間存在的亮度不同的現象進(jìn)行消除，以達到更好的顯示效果^[2];通過(guò)圖像融合算法，使得拼接處過(guò)渡自然，并達到無(wú)縫拼接的效果;

　　(6)圖像顯示單元，將最終的全景俯視圖輸出給顯示設備，顯示設備可以是模擬顯示器，也可以是液晶顯示屏。

　　系統可以支持4個(gè)或8個(gè)攝像頭輸入，分別安裝于車(chē)身前部、后車(chē)廂尾部和車(chē)身兩側。由于車(chē)型和車(chē)的大小不一致，因此攝像頭安裝的角度也應該根據車(chē)身的情況進(jìn)行調節，使對應方向180度的圖像都能拍攝到，而且使得車(chē)身周?chē)膱D像能夠呈現在拍攝圖像的中間區域。

　　在現有的許多汽車(chē)可視設備中，由于采用的廣角攝像頭的視角有限，在車(chē)身45度角上會(huì )存在盲區。本系統由于最大可以校正180度的超廣角攝像頭，因此在車(chē)身四個(gè)角上的車(chē)身周?chē)膱D像也依然清晰可見(jiàn)，這樣就為得到一幅無(wú)盲點(diǎn)的全景圖像提供了條件。

　　本系統最大可以支持8路D1格式攝像頭的數據輸入，8個(gè)攝像頭分別安裝在車(chē)身四周，使得本系統能夠適用于大型貨車(chē)、客車(chē)、工程車(chē)等車(chē)身較大的車(chē)輛。

　　本系統所使用的主處理芯片為DSP芯片，它的主頻高，指令執行效率高，有多個(gè)視頻輸入輸出接口，而且其強大的視頻處理能力能夠實(shí)時(shí)地處理多路視頻數據。因此本系統可以實(shí)時(shí)地處理4路或8路D1格式、PAL制式(分辨率為720x576)的攝像頭的輸入圖像。

　　本系統的視頻輸出信號既可以支持CVBS信號輸出，也可以支持LVDS信號輸出。其中LVDS信號也是車(chē)載視頻信號中常用的信號格式。

2 算法原理分析

2.1 圖像畸變校正算法

　　為了攝像頭的拍攝角度更廣，為了不存在視野盲區，前后左右方向上安裝的攝像頭為180度的廣角攝像頭，因此各個(gè)方向上拍攝的影像必然存在很大的畸變，對畸變圖像的校正就成了算法的關(guān)鍵。

　　假設(x,y)是校正前圖像上的一點(diǎn)，采用多項式擬合算法，點(diǎn)(x,y)與校正后的對應點(diǎn)(u,v)之間的關(guān)系如式(1)所示：

　(1)

　　其中，n為多項式擬合次數，a_ij、b_ij為系統需要的畸變校正調節參數。

　　為了求得最佳的a_ij、b_ij，按最小二乘法讓擬合誤差平方最小，以求得空間坐標變換系數a_ij、b_ij。求取a_ij的公式如式(2)所示：

(2)

　　另外，由于校正后的整數點(diǎn)(u,v)通過(guò)計算得到一個(gè)浮點(diǎn)數點(diǎn)(x,y)，為了使像素值取值更加合理，這里使用了雙線(xiàn)性插值算法進(jìn)行像素的對應。

2.2 鳥(niǎo)瞰透視變換算法

　　鳥(niǎo)瞰變換處理屬于空間透視變換，將攝像頭傾斜拍攝到的圖像轉換為垂直向下拍攝到的圖像[2]。在計算機視覺(jué)領(lǐng)域，空間同一平面的任意兩幅圖像被單應矩陣聯(lián)系著(zhù)(假設在針孔相機模型中)，即一個(gè)相機拍攝空間同一平面的兩張圖像，這兩張圖像之間的映射關(guān)系可以用單應矩陣表示。這種特定的單應性變換，可以將同一個(gè)三維物體分別投影到兩個(gè)不同投影平面下的兩幅圖像聯(lián)系起來(lái)。本系統的投影單應性矩陣H如式(3)所示：

(3)

　　其中a為廣角攝像頭安裝的垂直夾度，b為廣角攝像頭安裝的水平角度。通常我們認為攝像頭的水平方向夾角b為0，因此我們只需要確定攝像頭安裝的垂直傾角，就可以計算得到透視變換的單應性矩陣H，也就能得到一幅對應方向的鳥(niǎo)瞰圖。

2.3 直方圖均衡化和圖像融合算法

　　直方圖均衡化處理的中心思想是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個(gè)灰度區間變成在全部灰度范圍內的均勻分布[3]，直方圖均衡化就是把給定圖像的直方圖分布改變成均勻分布直方圖分布。當圖像的直方圖為一均勻分布時(shí)，圖像的信息熵最大，此時(shí)圖像包含的信息量最大，圖像看起來(lái)就顯得清晰，亮度也一致[4]。直方圖均衡化以累計分布函數為基礎，其變換函數取決于圖像灰度直方圖的累積分布函數。

　　圖像融合算法主要用于前后左右四個(gè)鳥(niǎo)瞰圖像之間的重合區域的過(guò)渡處理。通過(guò)兩兩圖像重合區域之間像素漸變的線(xiàn)性運算，即可得到一張過(guò)渡自然的圖像[5]。公式如式(4)所示：

　　g(x) = (1-α) f0(x)+ αf1(x) (4)

　　其中，g(x)為運算后的顏色值，f0(x)為圖像1的顏色值，f1(x)為圖像2的顏色值，α為根據位置而漸變的融合運算參數。兩幅圖像運算的因子根據圖像中融合位置的改變而改變，這樣才能使四個(gè)過(guò)渡區域融合過(guò)渡自然。

3 實(shí)際調試效果

　　經(jīng)過(guò)多年對本系統的實(shí)際裝車(chē)的調試和標定，系統運行時(shí)全景顯示圖像實(shí)時(shí)不丟幀，圖像拼接效果良好，圖像融合后的圖像拼接過(guò)渡自然，實(shí)際測試不存在任何盲區，每次裝車(chē)都能得到用戶(hù)滿(mǎn)意的效果。本系統的實(shí)際裝車(chē)效果如圖3所示。

　　本設計在于提供一種顯示效果更優(yōu)的全景泊車(chē)輔助系統，能夠更直觀(guān)地為駕駛員呈現真正安全的汽車(chē)周?chē)鸂顩r，避免盲區造成的泊車(chē)風(fēng)險，提高車(chē)輛泊車(chē)過(guò)程中的安全性和穩定性。

4 結論

　　本設計的創(chuàng )新觀(guān)點(diǎn)是對市面上普通存在的全景泊車(chē)產(chǎn)品有拼接盲區的現象，進(jìn)行了算法的優(yōu)化和改進(jìn)，綜合了多種機器視覺(jué)和數字圖像處理的算法，為駕駛員呈現真正的360度汽車(chē)四周的情況，避免了泊車(chē)中拼接盲區的危險，使汽車(chē)泊車(chē)過(guò)程具有更高的安全性和穩定性，便于大面積推廣應用。

　　參考文獻：

　　[1]周猛，喬瑞萍,王效鵬,等.基于DaVinciTM的360°全景泊車(chē)影像系統的設計與實(shí)現[J].電子應用技術(shù),2014

　　[2]徐杰.面向坦克的全景環(huán)視系統關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湘潭大學(xué),2013.

　　[3]李楠,劉永強,韓國華.直方圖均衡化在數字圖像處理中的應用[J].甘肅科技,2010.

　　[4]趙軍.圖像灰度變換的研究及實(shí)現[D].陜西科技大學(xué),2008.

　　[ 5 ]周立功.一種全景泊車(chē)輔助系統[P].中國, CN102045546A. 2011-05-04.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。