本實(shí)用新型涉及一種基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。
背景技術(shù):
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近年來,汽車進(jìn)入到越來越多的家庭當(dāng)中,汽車的普及帶來了出行便利的優(yōu)勢(shì),與此同時(shí)引起的交通事故也在逐年增長,汽車在行駛或者泊車的過程中,由于駕駛員沒有及時(shí)了解汽車周圍的環(huán)境可能會(huì)造成交通事故,后視鏡作為輔助駕駛員觀察后方及兩側(cè)情況的工具,它是安全行車和泊車時(shí)必不可少的。
電動(dòng)后視鏡作為取代傳統(tǒng)手動(dòng)后視鏡的新設(shè)備,它有便捷的優(yōu)勢(shì),但依然有不足之處,當(dāng)更換不同身材的駕駛員時(shí),駕駛員需要在車內(nèi)通過按鈕多次進(jìn)行調(diào)節(jié)以獲得認(rèn)為合適的后方視域,如果在駕駛過程中進(jìn)行調(diào)節(jié)將分散駕駛員的注意力,存在很大的危險(xiǎn)性,另外,有些駕駛員特別是新駕駛員,在調(diào)節(jié)后視鏡時(shí)并不掌握最佳后視鏡視野的調(diào)節(jié)原理,可能導(dǎo)致后視鏡視野范圍不合理,從而埋下行車的安全隱患。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
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本實(shí)用新型的目的是提供一種基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,用以解決上述問題。
上述的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,其組成包括:后視鏡本體,所述的后視鏡本體包括外殼體與鏡面,所述的外殼體與鏡面之間設(shè)置電路板,所述的鏡面上設(shè)置紅外攝像頭;
所述的紅外攝像頭安裝在在駕駛員右前上方的車內(nèi);
所述的電路板包括ARM9處理器,所述的ARM9處理器通過線路連接紅外攝像頭、存儲(chǔ)器、重新調(diào)整鍵、電源轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ,所述的電源轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接蓄電池,所述的蓄電池通過線路連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅰ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅱ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅲ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅳ,所述的步進(jìn)電機(jī)Ⅰ與步進(jìn)電機(jī)Ⅱ配合左后視鏡鏡片使用,所述的步進(jìn)電機(jī)Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)Ⅳ配合右后視鏡鏡片使用。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的紅外攝像頭型號(hào)為OV9655。
述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的ARM9處理器型號(hào)為S3C2440。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為28BYJ-48。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為L298N。
有益效果:
1.本實(shí)用新型采用一個(gè)重新調(diào)整按鍵一鍵式操作,駕駛員操作輕松、簡單、快速、方便。
2.本實(shí)用新型使用單個(gè)攝像頭對(duì)駕駛員眼部定位,可用軟件實(shí)現(xiàn)圖像矯正,成本低、定位準(zhǔn)確。
3.本實(shí)用新型采用步進(jìn)電機(jī)作為后視鏡片驅(qū)動(dòng),后視鏡片調(diào)節(jié)角度更加精確。
4.本實(shí)用新型采用紅外攝像頭使得夜間后視鏡片調(diào)節(jié)不受影響。
附圖說明:
附圖1是本實(shí)用新型的電路流程圖。
附圖2是本實(shí)用新型的車內(nèi)側(cè)視圖。
附圖3是本實(shí)用新型的駕駛員眼部的空間移動(dòng)區(qū)域
附圖4是本實(shí)用新型的透視投影模型A。
附圖5是本實(shí)用新型的透視投影模型B。
附圖6是本實(shí)用新型的坐標(biāo)區(qū)域矯正過程。
附圖7是本實(shí)用新型的后視鏡片內(nèi)外移動(dòng)范圍。
附圖8是本實(shí)用新型的后視鏡片上下移動(dòng)范圍。
具體實(shí)施方式:
一種基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,其組成包括:后視鏡本體,所述的后視鏡本體包括外殼體與鏡面,所述的外殼體與鏡面之間設(shè)置電路板,所述的鏡面上設(shè)置紅外攝像頭;
所述的紅外攝像頭安裝在在駕駛員右前上方的車內(nèi);
所述的電路板包括ARM9處理器,所述的ARM9處理器通過線路連接紅外攝像頭、存儲(chǔ)器、重新調(diào)整鍵、電源轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ,電源轉(zhuǎn)換模塊將汽車自身的蓄電池的直流12V電壓轉(zhuǎn)換為ARM9處理器所需的直流3.3V電源,所述的電源轉(zhuǎn)換模塊通過線路連接蓄電池,所述的蓄電池(汽車蓄電池)通過線路連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅰ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅰ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅱ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅱ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅲ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅲ,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Ⅳ通過線路連接步進(jìn)電機(jī)Ⅳ,所述的步進(jìn)電機(jī)Ⅰ與步進(jìn)電機(jī)Ⅱ配合左后視鏡鏡片使用,所述的步進(jìn)電機(jī)Ⅲ與步進(jìn)電機(jī)Ⅳ配合右后視鏡鏡片使用。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的紅外攝像頭型號(hào)為OV9655。
述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的ARM9處理器型號(hào)為S3C2440。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為28BYJ-48。
所述的基于人眼定位的汽車后視鏡自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置,所述的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為L298N。
本實(shí)用新型工作原理:
⑴定位區(qū)域與攝像頭位置選擇
圖2為駕駛員在車內(nèi)的側(cè)視圖,正常駕駛員在車內(nèi)駕駛的過程中并不需要左右移動(dòng)身體,所以,不同身材駕駛員在車內(nèi)的位置僅是沿著X、Y軸方向變化,圖中的原點(diǎn)為后視鏡片調(diào)整到最外最下極限位置時(shí),能夠正常觀測(cè)后視鏡的駕駛員雙眼的中心位置。
圖3為駕駛員眼部的空間移動(dòng)區(qū)域圖,雖然駕駛員處于車內(nèi)的立體三維空間中,但是由于正常情況下駕駛員在z軸方向并不會(huì)發(fā)生移動(dòng),因此,駕駛員眼部位置僅僅在x、y方向可能發(fā)生變化,這樣,駕駛員車內(nèi)的三維空間中的變化就可以簡化成一個(gè)平面內(nèi)的變化,即將車內(nèi)駕駛員人眼的三維空間定位簡化成為二維平面內(nèi)的定位。由(0,ymax)與(xmax,0)構(gòu)成的區(qū)域就是駕駛員在車內(nèi)通過后視鏡可以獲得的最佳后視視野的眼部中心的區(qū)域,一般的駕駛員在正常駕駛時(shí),眼部中心是不會(huì)超出這個(gè)區(qū)域。
為了減少定位運(yùn)算時(shí)間和降低系統(tǒng)硬件成本,本系統(tǒng)使用單個(gè)攝像頭對(duì)駕駛員進(jìn)行拍照,為了對(duì)駕駛員眼部X和Y方向的坐標(biāo)都能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位,將攝像頭安裝在駕駛員前的右上方,且與X、Y、Z軸均成45度角的位置。
紅外攝像頭OV9655為130萬像素,假定安裝攝像頭的位置使采集的圖像中覆蓋由(0,ymax)與(xmax,0)構(gòu)成的區(qū)域的像素?cái)?shù)為70~100萬像素之間(不同車型由于駕駛室內(nèi)空間的尺寸不同而略有不同),下面以80萬像素為例。
設(shè):xmax=400mm,ymax=380mm,對(duì)應(yīng)圖像像素約為985×812。
則:X方向每個(gè)像素代表0.41mm,Y方向每個(gè)像素代表0.46mm。圖像的定位分辨率為0.46mm,此分辨率不會(huì)對(duì)后視鏡調(diào)節(jié)結(jié)果造成影響。
⑵人眼定位坐標(biāo)的矯正
OpenCV作為開源的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫,可以運(yùn)行在Linux、Windows和MacOS操作系統(tǒng)上。因此本系統(tǒng)要在ARM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)人眼定位功能,可以交叉編譯在ARM-Linux平臺(tái)上移植OpenCV的函數(shù)庫。本文中采用的人眼定位方法是基于OpenCV的Haar_Like特征的Adaboost級(jí)聯(lián)分類器算法,通過使用OpenCV的“haarcascad_eye.xml”文件中的目標(biāo)檢測(cè)分類器對(duì)圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換,由于用的是類harr特征,因此將圖像轉(zhuǎn)化成灰度圖像,對(duì)人臉區(qū)域的2/5的部分進(jìn)行搜索并找到人眼區(qū)域,最后將檢測(cè)區(qū)域返回得到一個(gè)像素值矩形區(qū)域,通過計(jì)算得到該區(qū)域的中心位置,從而獲得人眼定位的坐標(biāo)(x,y)。
⑶定位坐標(biāo)矯正
攝像頭是在位于駕駛員斜上方45度的位置進(jìn)行拍攝,由于被拍照駕駛員與像平面不平行,則產(chǎn)生了非線性成像的透視畸變,因此,所得到的圖像與正面拍攝圖像存在一定的幾何畸變,由此定位所得到的坐標(biāo)不能直接映射坐標(biāo)的實(shí)際位置。拍攝得到的圖像與垂直x、y軸的圖像發(fā)生了幾何變化,即像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)與x、y實(shí)際距離之間的關(guān)系呈現(xiàn)為非線性。
透視投影模型A如圖4所示,視點(diǎn)即攝像頭拍攝點(diǎn),正視面為垂直于x、y軸拍攝的圖像畫面,而透視面則為拍攝點(diǎn)與x、y、z均成45度角拍攝的圖像畫面,正視圖的點(diǎn)到視點(diǎn)之間的直線與透視面會(huì)產(chǎn)生交點(diǎn),同時(shí),由于視點(diǎn)與正視面上目標(biāo)點(diǎn)的角度及距離關(guān)系,可能會(huì)使正視面的規(guī)則矩形的邊與透視面對(duì)應(yīng)邊的形狀發(fā)生了變化,因此可以看出如果正視面中的所有點(diǎn)都可以通過某種映射關(guān)系在透視面中獲得,則可得到正確的駕駛員眼部位置的坐標(biāo)。
根據(jù)透視投影模型B如圖5所示,透視矯正的目的是要通過改變圖像的幾何結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)圖像的變形。當(dāng)然簡單的將圖像縮放,或是將圖像的局部縮放,也可以產(chǎn)生所需的圖像形態(tài)變化,但是如此變化會(huì)丟失大量的圖像細(xì)節(jié),圖像中的線條平行關(guān)系、物體大小比例等變化改變了原圖像中元素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,雖然得到了易識(shí)別的規(guī)定圖形,但卻使識(shí)別結(jié)果出現(xiàn)了很大的誤差。正確的圖像矯正是參考現(xiàn)實(shí)物體在圖像中的成像規(guī)律,為原始圖像找出變換的映射關(guān)系,這樣既滿足了形狀的變化,真實(shí)物體在圖像中也可以客觀規(guī)律在圖像中呈現(xiàn),保證了識(shí)別結(jié)果的真實(shí)性。
矯正問題實(shí)際上就是將一個(gè)給定的標(biāo)準(zhǔn)圖像P變換成矯正圖像P′,轉(zhuǎn)化為圖像像素的坐標(biāo)變換:
P(x,y)→P′(x′,y′)
即圖像函數(shù)P中原來位于(x,y)處的值會(huì)發(fā)生位置移動(dòng),該位置變化使正視面中的坐標(biāo)為(x′,y′)。對(duì)于這個(gè)過程進(jìn)行建模,建立一個(gè)映射函數(shù):將每一個(gè)透視面I上的(x,y)映射到新圖像I′中相應(yīng)的目標(biāo)點(diǎn)(x′,y′)上,即
T:I:(x,y)→I′:(x′,y′)
為了找到任意實(shí)現(xiàn)點(diǎn)集(P1,P2,P3,P4)到點(diǎn)集(P′1,P′2,P′3,P′4)之間的映射(其中Pi=(xi,yi)表示原圖像I中的點(diǎn),P′i=(x′i,y′i)表示目標(biāo)圖像I′中的點(diǎn)),即為解決采集圖像時(shí)不只一個(gè)維度帶來的角度偏差,需要有8個(gè)自由度的支持,用齊次坐標(biāo)表示即為:
(x′,y′)為(x,y)變換后的像素坐標(biāo),注,h′為不等于0的任意值。
如圖5所示,直線被映射為直線,矩形被映射為四邊形。一般情況下,不會(huì)保持兩直線間的平行關(guān)系和距離比。在笛卡爾坐標(biāo)系下,得到的映射函數(shù):
很顯然它們的映射關(guān)系不是線性的,盡管如此,直線在這個(gè)變換的作用下還是直線。實(shí)際上,多數(shù)變換都會(huì)將2D下的直線映射為直線。它實(shí)際上將任意N次代數(shù)曲線映射為另一條N次代數(shù)曲線。特別地,圓和橢圓總是會(huì)被變換為另一個(gè)二次曲線(即圓錐曲線)。然而,與仿射變換不同的是,投影變換一般不會(huì)將平行直線映射為平行直線,也不會(huì)保持直線上點(diǎn)之間的距離比例。
為確定上式中8個(gè)未知變換參數(shù)a11…a32,可以通過解線性方程組來求得,需參照給定的四對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)(P1,P′1)…(P4,P′4)。帶入(2)、(3)式,可得到一對(duì)線性方程:
將得到的8個(gè)方程聯(lián)合起來用矩陣的形式表示為:
求解線性方程組即可。
本文提出的矯正算法,用單位正方形作為特征信息載體,實(shí)現(xiàn)待矯正坐標(biāo)所形成的區(qū)域轉(zhuǎn)化到規(guī)則的坐標(biāo)的區(qū)域。
圖6中是通過兩步投影映射可以實(shí)現(xiàn)從任意四邊形到規(guī)定矩形的變換。首先,通過逆映射函數(shù)T1-1將四邊形S1變換到單位正方形S0,由前一過程檢測(cè)出的畸變特征點(diǎn)提供映射的計(jì)算條件。然后,T2將單位正方形S1變換到目標(biāo)矩形S2,由三維世界中物體的實(shí)際比例確定映射的計(jì)算條件。完整的映射T可以分解為映射T1-1和T2,即
x=T(x′)=T2(T1-1(x′))
單位正方形到任意四邊形的表達(dá)方程可簡化為:
對(duì)于未知的變換參數(shù)a11…a32,該方程組有下述閉式解:
即得到x′到x的映射關(guān)系,但映射點(diǎn)有可能不是原圖像中某一像素點(diǎn),而是在4點(diǎn)圍成的區(qū)域內(nèi),通過距離比對(duì),選取距離更近的點(diǎn)的像素值作為變換之后的像素值。數(shù)字圖像中圖像元素的坐標(biāo)是離散的整數(shù)值,使用本方法將一幅離散圖像轉(zhuǎn)換為另一幅離散圖像時(shí)不會(huì)帶來質(zhì)量的下降,以保證后續(xù)定位的準(zhǔn)確性。
⑷矯正坐標(biāo)與后視鏡角度的關(guān)系
由于左右兩個(gè)后視鏡的位置與駕駛員的距離不同,因此,它們的調(diào)節(jié)參數(shù)也各不相同,同樣獲得的坐標(biāo)后視鏡調(diào)節(jié)關(guān)系也會(huì)有所區(qū)別,但是計(jì)算后視鏡角度的方法是相同的,僅僅只是系數(shù)不同而已,下面計(jì)算矯正后的坐標(biāo)與后視鏡角度的關(guān)系以左后視鏡駕駛員能夠觀察到車外最佳視野為例。
后視鏡片內(nèi)外移動(dòng)范圍如圖7所示,當(dāng)駕駛員的眼部位置沿著x軸向前(后)移動(dòng)時(shí),后視鏡鏡片需要沿i軸的中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng),相對(duì)于后視鏡的左邊沿的U點(diǎn)向內(nèi)(外)旋轉(zhuǎn)。
在當(dāng)后視鏡片對(duì)應(yīng)圖3中y=0位置時(shí),即圖5后視鏡片在最外的極限位置時(shí)設(shè)為0度角,后視鏡片向內(nèi)直至極限所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為α,此時(shí),對(duì)應(yīng)駕駛員眼部位置向前移動(dòng)的距離則為xmax,可以看出駕駛員眼部位置移動(dòng)的距離與后視鏡片調(diào)節(jié)的角度成一定的比例關(guān)系。
設(shè):內(nèi)外調(diào)節(jié)參數(shù)為a,可得到:
α=axmax (8)
后視鏡片上下移動(dòng)范圍如圖8所示,當(dāng)駕駛員的眼部位置沿著Y軸向上(下)移動(dòng)時(shí),后視鏡鏡片需要沿i軸的中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng),即相對(duì)于后視鏡上沿的V點(diǎn)向后(前)旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)后視鏡片在對(duì)應(yīng)圖3中x=0位置時(shí),即后視鏡片在最上的極限位置時(shí)設(shè)為0度角,后視鏡片向直至極限所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為β,此時(shí)對(duì)應(yīng)駕駛員眼部位置向上移動(dòng)的距離則為ymax。
設(shè):上下調(diào)節(jié)參數(shù)為b,可得到:
β=bymax (9)
如果通過圖像對(duì)駕駛員眼部定位的坐標(biāo)為(x,y),帶入式(2)、(3)矯正后得到駕駛員所在車內(nèi)實(shí)際位置坐標(biāo)為(x′,y′),則可以計(jì)算得到所需的后視鏡片內(nèi)外、上下調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度分別是:
其中:βk-1、βk分別為后視鏡所處角度和本次調(diào)節(jié)的角度,當(dāng)△α或△β值為正時(shí),控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)△α或△β值為負(fù)時(shí),控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。從而得到后視鏡從原點(diǎn)起所需內(nèi)外、上下分別調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度(△α,△β)。
⑸后視鏡旋轉(zhuǎn)角度與步進(jìn)電機(jī)脈沖值關(guān)系
28BYJ-48是四項(xiàng)八拍的步進(jìn)電機(jī),其步距角度為5.625/64度,該步進(jìn)電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)一圈需要4096個(gè)脈沖信號(hào),通過控制輸出脈沖數(shù)目,可以精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),從而達(dá)到精確地控制后視鏡片旋轉(zhuǎn)角度的目的。
設(shè):圖7中后視鏡片沿i軸旋轉(zhuǎn)1度時(shí)步進(jìn)電機(jī)組需要輸入n個(gè)脈沖,圖8中后視鏡片沿j軸旋轉(zhuǎn)1度時(shí)步進(jìn)電機(jī)組需要輸入m個(gè)脈沖(m、n分別為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與后視鏡片旋轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)換比率,同時(shí)不同結(jié)構(gòu)的后視鏡會(huì)導(dǎo)致m、n發(fā)生變化,其數(shù)值取決于后視鏡的機(jī)械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))。
則:當(dāng)駕駛員眼部定位的坐標(biāo)為(x′,y′)時(shí),需要給兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)分別為
式(12)中T表示圖7中后視鏡內(nèi)外旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)脈沖數(shù),L表示圖8中后視鏡的上下旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)。ARM9處理器通過得到的T、L兩個(gè)脈沖數(shù)值,發(fā)送信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。
當(dāng)然,上述說明并非是對(duì)本實(shí)用新型的限制,本實(shí)用新型也并不僅限于上述舉例,本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換,也應(yīng)屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。