紅外夜視系統(tǒng)可以有效地減少夜間事故的發(fā)生，提高行車安全性。本文介紹了主動紅外夜視系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，重點(diǎn)分析了主動紅外夜視系統(tǒng)中的紅外燈設(shè)計和圖像分析兩個關(guān)鍵技術(shù)，并提出較好的解決方案。

1.引言
    盡管汽車照明系統(tǒng)已經(jīng)取得前所未有的成果，如氙氣大燈的使用，但夜間行駛時發(fā)生交通事故的風(fēng)險仍高于白天。據(jù)美國國家公路交通安全管理局統(tǒng)計，汽車夜間行駛的時間只占總駕駛時間的25%，卻有50%的重大交通事故發(fā)生在夜間。2005年我國在夜間發(fā)生的交通事故和死亡人數(shù)占總交通事故和死亡人數(shù)的39.4%和48.2%。

    行車時的駕駛信息90%來源于視覺，在夜間由于光照不足、視野小，尤其是會車時的遠(yuǎn)光燈會使駕駛員產(chǎn)生眩目，形成盲區(qū)，縮小了駕駛員的可視距離，影響了夜間的行車安全。采用紅外成像、圖像處理及圖像顯示技術(shù)的紅外夜視系統(tǒng)，使駕駛員在低可見度或黑暗中清楚觀察到車輛前方的信息，也可以看見汽車前照燈照射不到的區(qū)域、強(qiáng)光陰影中的行人、車輛，并對可能出現(xiàn)的危險情況發(fā)出報警。

    按照成像原理，紅外夜視系統(tǒng)分為被動紅外夜視系統(tǒng)和主動紅外夜視系統(tǒng)。被動紅外夜視系統(tǒng)利用熱成像相機(jī)接受人、動物等發(fā)熱物體發(fā)出的不同的紅外輻射（遠(yuǎn)紅外線）影射不同的圖像，進(jìn)行放大和處理后輸出到顯示裝置上。行人等發(fā)熱物體在圖像中特別突出，圖像對比度高，但是詳細(xì)的道路信息，如車道標(biāo)線和邊界，由于是“無生命”的冷目標(biāo)而探測不到。此外，由于汽車前擋風(fēng)玻璃不能傳輸長波的遠(yuǎn)紅外線，相機(jī)必須安裝在車外，需要經(jīng)常清潔，并且當(dāng)汽車前端碰撞時易受損傷。主動紅外夜視系統(tǒng)采用紅外光源發(fā)出的近紅外線主動照射目標(biāo)，紅外CCD或CMOS探測器接受目標(biāo)反射的紅外光線，通過ECU處理后輸出到顯示裝置上，成像清晰、自然，能顯示道路的詳細(xì)信息（如行人、車輛、車道標(biāo)志線、交通信號、道路上散落的物體等），即使不發(fā)熱的物體也能清晰可見。

    本文針對小型轎車和商務(wù)車開發(fā)出了一款適用性強(qiáng)、可靠性高的主動紅外夜視系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    主動夜視系統(tǒng)是通過增加駕駛員在夜間的視野范圍提高駕駛安全的，因此系統(tǒng)的探測區(qū)域比較大（縱向探測距離大于100m），適用性強(qiáng)，能在夜間的任何光照環(huán)境下工作，包括本車前照燈使用不當(dāng)、 迎面有強(qiáng)光或紅外光照射、穿過無外界燈光的黑暗道路以及前方道路未知等情況。

    圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，包括紅外燈、紅外相機(jī)、中央處理器ECU以及人機(jī)接口。其中紅外相機(jī)采用動態(tài)范圍高且對近紅外敏感的CMOS圖像傳感器。人機(jī)接口為基于車載LCD的中央儀表盤，當(dāng)車輛白天行駛或夜間紅外系統(tǒng)關(guān)閉時，以圓盤方式顯示車速信息，當(dāng)啟動夜視系統(tǒng)時，則顯示前方道路圖像，車速以速度條的方式顯示在圖像的下方。這種設(shè)計可以縮短駕駛員眼睛離開道路的時間，提高行駛安全性。

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3.紅外燈設(shè)計
    紅外燈是夜視系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能，目前常用的近紅外燈有兩種，鹵素紅外燈和紅外發(fā)光二極管（LED）。

    鹵素紅外燈是鹵素?zé)艏蛹t外濾光片，吸收可見光，只發(fā)出近紅外光。汽車照明中最常用的光源是鹵素?zé)?，它發(fā)出的光線是包含可見光和近紅外的連續(xù)光譜，并且近紅外光的輸出量比較大，約占總能量的1/3，可根據(jù)需要選用不同波長的紅外濾光片得到不同波長和不同帶寬的紅外線，目前主動汽車夜視系統(tǒng)中大都采用鹵素光源作為汽車紅外燈光源，它具有照射距離遠(yuǎn)，輻射均勻，連續(xù)波長，體積小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是壽命短，約為8000個小時。

    紅外LED是由紅外發(fā)光二級管矩陣組成的發(fā)光體，采用紅外輻射效率比較高的材料GaAs制成的，產(chǎn)生單色光源，其光譜功率分布為中心波長830～950nm，半峰帶寬約20nm左右的窄帶分布，為紅外敏感傳感器可感應(yīng)的范圍，夜視系統(tǒng)常用中心波長是850nm。它一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)脈沖頻閃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED的輻射脈沖與相機(jī)的曝光窗口同步。主動夜視系統(tǒng)的一個重要問題是兩輛都裝有近紅外光源的車輛相向行駛時，會使對方產(chǎn)生暫時的盲區(qū)，而脈沖式LED紅外燈可以與本車相機(jī)的曝光窗口同步，就不會出現(xiàn)暫時盲區(qū)的現(xiàn)象。

    由于LED紅外燈的壽命比較長，穩(wěn)定性高，又可脈沖式操作，是比較理想的紅外照明系統(tǒng)，本系統(tǒng)選用LED紅外燈，并實(shí)現(xiàn)其脈沖輻射與相機(jī)曝光同步。圖2，圖3，圖4是紅外燈打開和關(guān)閉時采集的夜間圖像。

    在無路燈的道路上，本車車燈的輻射范圍有限，遠(yuǎn)處的道路和目標(biāo)都不清楚，并且整個視野內(nèi)圖像相對比較暗，如圖2(a)，而在本系統(tǒng)的紅外燈和紅外相機(jī)的配合下，可將更寬更遠(yuǎn)的道路圖像清晰地影射到顯示器上，并且圖像清晰，明暗均勻，行人更加突出，對比度好，如圖2(b)；對面車輛打開近光燈，紅外圖像中的行人比普通圖像中的行人更清晰，如圖3；兩車會燈時，車輛前方道路比較暗，大燈附近比較亮，燈光陰影中的行人被強(qiáng)光遮擋，而打開紅外燈后，車輛前方道路清晰，可視距離遠(yuǎn)，并且燈光陰影中的行人突出，清晰可見，如圖4。

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4．圖像增強(qiáng)
    由于夜間駕駛的周圍光照環(huán)境比較復(fù)雜，明暗變化比較大以及紅外光源的局限性，致使源圖像的信噪比和對比度比較差，為了后續(xù)的圖像處理和顯示，需要首先對紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)。

    對比度低和灰度級數(shù)少是近紅外圖像最重要的兩個特征，常采用灰度拉伸對紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)，提高圖像對比度，它對灰度調(diào)整的策略是灰度級低的像素進(jìn)一步降低其灰度值，灰度級高的像素進(jìn)一步增加其灰度值，并均衡圖像的灰度分布，從而提高圖像的對比度。圖5，圖6，圖7是增強(qiáng)圖像與原始圖像的對比?？梢?，增強(qiáng)后的圖像在感官上更加清晰，層次也更分明，圖像中的行人和車道線也更亮，易于觀察和探測。比較增強(qiáng)圖像的直方圖和原圖的直方圖，可以看出增強(qiáng)后圖像灰度分布趨于均勻。

5.結(jié)論與展望
    汽車夜視系統(tǒng)作為預(yù)防夜間事故發(fā)生的一個有效的主動安全系統(tǒng)，已成為汽車主動安全應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，眾多的汽車制造商，汽車零部件商以及研發(fā)單位投身其中。目前國外已有一些紅外夜視產(chǎn)品上市，但只是作為一些高檔車的選裝件，并且價格昂貴，如奔馳的主動紅外夜視系統(tǒng)售價是1925歐元，寶馬的被動紅外夜視系統(tǒng)則為1950歐元。本文從提高產(chǎn)品的性價比出發(fā)針對中檔小型轎車和商務(wù)車開發(fā)的主動紅外夜視系統(tǒng)，采用脈沖式LED紅外燈解決兩輛都裝有主動紅外夜視系統(tǒng)的車輛相向行駛時，使對方產(chǎn)生暫時盲區(qū)的問題。采用灰度拉伸算法對源紅外圖像進(jìn)行增強(qiáng)，增加圖像對比度，便于駕駛員理解紅外圖像，同時也易于后續(xù)的行人識別。

    在夜間，行人是最大的受害者，在后續(xù)的工作中，將增加行人識別，并根據(jù)本車的車速和行人相對本車的位置進(jìn)行危險性判斷，對可能出現(xiàn)的危險發(fā)出聲光報警，以提示駕駛員注意行駛安全。