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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于實(shí)時(shí)彩色圖像融合的低能見(jiàn)度輔助駕駛系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品是在一種低能見(jiàn)度條件下的輔助駕駛系統(tǒng)，用于幫助直升機(jī)、船只、車輛等交通工具進(jìn)行安全駕駛。系統(tǒng)由探測(cè)器前端和融合電路兩部分組成。探測(cè)器前端在保證光軸平行度，滿足圖像配準(zhǔn)率95%以上的前提下采集紅外和微光圖像；融合電路實(shí)現(xiàn)降噪、融合、視頻輸出。輸出圖像采用了雙光譜彩色融合成像，兼具微光圖像分辨率高，層次感好和紅外圖像穿透煙霧能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)在微光圖像降噪、圖像配準(zhǔn)、彩色融合等方面也提出了獨(dú)到的技術(shù)與方法，在提高系統(tǒng)信噪比的同時(shí)，大大提高了圖像的清晰度，取得了令人十分滿意的效果。與市面上其它單獨(dú)采用紅外和微光成像的輔助駕駛系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有成像質(zhì)量高，適于人眼觀察等優(yōu)越性。這些優(yōu)越性使得該產(chǎn)品還可以應(yīng)用到海事搜救（安裝至直升機(jī)、船上，特別適合于夜間或極端天氣情況下的搜救工作），要害部門(mén)的安保監(jiān)控等領(lǐng)域。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品是在一種低能見(jiàn)度條件下的輔助駕駛系統(tǒng)，用于幫助直升機(jī)、船只、車輛等交通工具進(jìn)行安全駕駛。系統(tǒng)由探測(cè)器前端和融合電路兩部分組成。探測(cè)器前端在保證光軸平行度，滿足圖像配準(zhǔn)率95%以上的前提下采集紅外和微光圖像；融合電路對(duì)微光視頻進(jìn)行時(shí)空濾波降噪處理，以清除微光圖像中的閃爍噪聲。降噪后的微光視頻和紅外視頻將首先進(jìn)行圖像的配準(zhǔn)處理，配準(zhǔn)后的紅外和微光圖像將進(jìn)行基于YCbCr的彩色的傳遞的圖像融合，最后送至D/A轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)視頻后輸出。輸出圖像采用了雙光譜彩色融合成像，兼具微光圖像分辨率高，層次感好和紅外圖像穿透煙霧能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。克服了目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上單獨(dú)使用紅外或微光成像的輔助駕駛系統(tǒng)的缺點(diǎn)：微光圖像是反射圖像，高頻成分多，在一定照度下能反映場(chǎng)景的細(xì)節(jié)，但對(duì)比度較低；紅外圖像是輻射圖像，灰度由目標(biāo)與背景的溫差決定，不能反映真實(shí)的場(chǎng)景。本系統(tǒng)在微光圖像降噪、圖像配準(zhǔn)、彩色融合等方面的獨(dú)到的技術(shù)與方法，大大提高了系統(tǒng)的信噪比，使得輸出圖像有效地綜合和發(fā)掘了特征信息，增強(qiáng)場(chǎng)景理解，突出目標(biāo)，適合于人眼的觀察、分類和識(shí)別。本系統(tǒng)的優(yōu)越性使得該作品在海事搜救（安裝至直升機(jī)、船上，特別適合于夜間或極端天氣情況下的搜救工作），要害部門(mén)的安保監(jiān)控等領(lǐng)域都廣泛的用途。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計(jì)發(fā)明目的 資料表明，在夜間和雨霧冰雪等惡劣天氣下，能見(jiàn)度差是發(fā)生交通事故的重要原因。因此，本作品是為設(shè)計(jì)一種低能見(jiàn)度條件下的彩色視覺(jué)輔助駕駛系統(tǒng)，以幫助直升機(jī)、船只和車輛安全駕駛。 2.設(shè)計(jì)基本思路 首先我們加工設(shè)計(jì)了滿足光軸平行條件的光學(xué)前端，然后以高速DSP和FPGA為核心設(shè)計(jì)了圖像融合處理電路，最后設(shè)計(jì)了像素級(jí)配準(zhǔn)算法和高速偽彩色圖像融合法。 3.創(chuàng)新點(diǎn) 本作品設(shè)計(jì)雙光譜彩色融合成像系統(tǒng)，使其兼具微光像增強(qiáng)器分辨率高和紅外熱像儀穿透煙霧能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。我們首先研究出一種改進(jìn)型時(shí)空濾波器以濾除微光圖像閃爍噪聲；接著設(shè)計(jì)了新型仿射變換查表法配準(zhǔn)紅外和微光圖像；然后優(yōu)化了A.Toet色彩傳遞法的算法結(jié)構(gòu)，并基于其設(shè)計(jì)了易于硬件實(shí)現(xiàn)但性能相當(dāng)?shù)牟噬珗D像融合方法；最后，本作品支持NTSC、PAL制式輸出。 4.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)（技術(shù)指標(biāo)參見(jiàn)研究報(bào)告） （1）微光圖像降噪：設(shè)計(jì)合適的三維時(shí)空濾波器，對(duì)其采樣后信號(hào)濾波，消除微光圖像的閃爍噪聲，改善圖像的清晰度。 （2）圖像配準(zhǔn)：由于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和光軸調(diào)校誤差，因此須對(duì)兩種圖像進(jìn)行像素級(jí)的配準(zhǔn)，以使微光紅外圖像完全重合。 （3）彩色融合：設(shè)計(jì)合適算法，融合微光和紅外圖像得到偽彩色圖像，使其在兼具兩者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)擁有仿真色彩，更易于人眼識(shí)別。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- (1)解決了雙源圖像的實(shí)時(shí)配準(zhǔn)問(wèn)題 我們的方案中，以微光圖像為基準(zhǔn)，利用多源圖像配準(zhǔn)測(cè)試程序并設(shè)計(jì)雙線性數(shù)字插值法，把紅外圖像仿射到微光圖像的坐標(biāo)上，得到紅外圖像每個(gè)像素點(diǎn)經(jīng)仿射后的坐標(biāo)地址。這樣，通過(guò)查表的方式，直接調(diào)用紅外圖像仿射地址，獲得相應(yīng)像素灰度值，從而達(dá)到了快速配準(zhǔn)的目的。 (2)通過(guò)對(duì)A.Toet法進(jìn)行優(yōu)化，獲得了一種易于硬件實(shí)現(xiàn)的彩色圖像融合方法。 研究表明，在lαβ空間利用參考圖像的顏色統(tǒng)計(jì)信息作為基準(zhǔn)對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，能夠?qū)崿F(xiàn)將一幅圖像的顏色特性傳遞給另一幅圖像，使融合圖像獲得了具有類似自然光照的效果。我們優(yōu)化了此色彩傳遞方法，采用了YCbCr空間進(jìn)行色彩傳遞處理，獲得了類似的效果。由于YCbCr空間與RGB空間之間的轉(zhuǎn)換不涉及對(duì)數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算復(fù)雜性大為降低，被成功應(yīng)用到了我們的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中。 （3）系統(tǒng)硬件降噪 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方面，本作品增加了對(duì)微光圖像的去噪處理，通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的三維時(shí)空濾波器可以有效去除微光圖像的閃爍噪聲。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、錄像、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1.特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： (1)全天候觀察，不受天氣影響； (2)兼具微光像增強(qiáng)器分辨率高，紅外熱像儀穿透煙霧能力強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，且彩色融合圖像符合人眼視覺(jué)習(xí)慣； (3)實(shí)時(shí)性高，視頻流暢，無(wú)人眼可分辨延時(shí)； (4)體積小，功耗低，重量輕，使用簡(jiǎn)單。 2.適用范圍：可用于直升機(jī)、船只和車輛的輔助駕駛系統(tǒng)，幫助駕駛員安全駕駛，還可用于事故搜救、安防等。 3.市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 江蘇省09年第一季度發(fā)生車禍5872起，死亡1079人，經(jīng)濟(jì)損失2500萬(wàn)。其中夜間事故占42.96％。該系統(tǒng)投入市場(chǎng)后，將大大提高夜間和極端天氣情況的駕駛安全性，按照能夠挽救10%的生命財(cái)產(chǎn)損失計(jì)算，將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。目前中國(guó)汽車保有量已達(dá)6289萬(wàn)輛。2004年起，我國(guó)成為全球第二大新車市場(chǎng)，專家預(yù)測(cè)我國(guó)汽車市場(chǎng)在未來(lái)20年將持續(xù)增長(zhǎng)。該產(chǎn)品投入市場(chǎng)后，市場(chǎng)效益非常樂(lè)觀。該產(chǎn)品還可以用于海事搜救、要害部門(mén)安保監(jiān)控等領(lǐng)域。
同類課題研究水平概述
- 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展，飛機(jī)、船舶和汽車等各類交通工具迅速增加。與此同時(shí)，交通事故也在不斷增加，交通安全已成為日益嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。 夜間光照限制和惡劣天氣是交通事故發(fā)生的主要原因。其主要原因是夜間 “能見(jiàn)度”不佳，無(wú)法看清路況。 2008年汶川地震救災(zāi)過(guò)程中，我國(guó)直升機(jī)的失事也是因?yàn)橛龅搅舜笥晏鞖?，能?jiàn)度差，駕駛員無(wú)法看清楚近處的景物。國(guó)家民航總局對(duì)1997年“5.8”重大飛行事故調(diào)查報(bào)告中指出，“夜間飛行遇到大雨，能見(jiàn)度差，燈光效果不好，看地面不清楚”是導(dǎo)致飛機(jī)失事的重要原因。 機(jī)載、船載或車載輔助駕駛系統(tǒng)是交通安全保障技術(shù)之一，它旨在提高駕駛員視覺(jué)效能,通過(guò)改善視覺(jué)和駕駛行為的關(guān)系，使人—交通工具—路系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠,提高了車輛的主動(dòng)安全性。 目前輔助視覺(jué)技術(shù)已取得了一些成果。法國(guó)、美國(guó)、日本等均研制出了實(shí)用的輔助駕駛系統(tǒng)。法國(guó)研制了微光夜視輔助駕駛系統(tǒng)，在可見(jiàn)光和近紅外波段工作。駕駛員可以在夜間、天氣條件惡劣等能見(jiàn)度差的情況下，通過(guò)液晶顯示屏傳出的前方道路圖像進(jìn)行輔助車輛駕駛。 美國(guó)通用汽車公司研制的輔助駕駛系統(tǒng)利用長(zhǎng)波紅外熱釋電探測(cè)器，可以看清楚1000 m～1500 m外的車輛。日本學(xué)者研制出了紫外輔助駕駛系統(tǒng)，用紫外線照射涂有熒光材料的路標(biāo)，使路標(biāo)發(fā)出熒光，易于識(shí)別，從而有效地解決汽車車燈眩目的問(wèn)題。但是大氣對(duì)紫外吸收比較厲害，只能解決較短距離的觀察問(wèn)題。 我國(guó)華北光電技術(shù)研究所、西安應(yīng)用光學(xué)研究所等也開(kāi)發(fā)了類似的車輛輔助駕駛系統(tǒng)，傳感器采用紅外熱像儀或微光電視。 綜上可知，傳統(tǒng)的輔助駕駛系統(tǒng)均采用單一傳感器。但是任何一種傳感器都有各自的缺點(diǎn)。例如微光像增強(qiáng)器通過(guò)接收目標(biāo)反射的夜天微弱的可見(jiàn)光和近紅外光而成像，所成圖像和人眼的觀察習(xí)慣比較吻合，成像質(zhì)量較好，能提供更多的目標(biāo)細(xì)節(jié)，但是作用距離和觀察效果受氣候影響較大，穿透煙霧的能力較差。紅外熱像儀通過(guò)探測(cè)地球表面景物的自身熱輻射而成像，具有全天候成像的能力。紅外熱像儀具有比微光像增強(qiáng)器更強(qiáng)的穿透煙霧的能力，作用距離遠(yuǎn)，但其分辨率較低，細(xì)節(jié)分辨率差，對(duì)于溫度較低的背景也不能很好顯示。 本作品正是從圖像融合的角度出發(fā)，將紅外與微光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，有效地提升了低能見(jiàn)度條件下交通駕駛的安全性。
