摘 要 針對目前倒車影像無法探知障礙物的三維空間距離的缺點，本文提出使用Kinect傳感器代替傳統的相機和倒車雷達。它采用光編碼（light coding）技術，通過紅外光源發射具有三維縱深的“體編碼”探知障礙物的距離，形成含障礙物距離三維信息的深度圖像，通過車載電腦合成障礙物的立體三維圖。實驗證明該技術對障礙物距離的測量有較高的精確度，即使在光照不足到的情況下也能夠正常工作，完全適用于駕駛員倒車。
關鍵詞 Kinect傳感器；倒車影像；三維立體圖
中圖分類號 TP39 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0084-01
隨著社會不斷發展，機動車的使用越來越頻繁，人們對車輛的安全性要求越來越高，用于倒車時避開障礙物的倒車雷達和倒車影像系統已成為車輛的標準配置。由于技術限制，倒車雷達只能夠提供最近障礙物距離信息，倒車影像技術只能提供障礙物圖像信息，而且倒車影像技術在下雨和夜間的效果均不佳，最重要的是它們無法獲取障礙物三維空間信息。
為了解決這個問題，國內外很多單位和企業也做了一些嘗試，提出一些解決方案，例如，中國專利CN101900816A“含測距功能的倒車影像裝置”[1]，公布了一種含測距功能的倒車影像裝置，使用了一個不可見光光源、鏡頭組和顯示器，通過光源投射一組網格到障礙物上，通過在采集到障礙物上網格的緊密度計算障礙物到車尾的距離，測算障礙物的三維距離，避免駕駛者對待障礙物位置的產生誤判。該設計的問題是通過網格的緊密判斷物體距離的深度圖像分辨率不高，距離檢測誤差較大，實際使用的效果和目前已經成熟的超聲波測距方式并區別不大。中國專利CN204131652U“一種帶深度信息的倒車顯像系統”[2]，提出的帶深度信息的倒車顯像系統，包括TOF深度相機、普通攝像頭、芯片主控板和車載液晶顯示屏等設備，設計通過深度相機負責距離信息，普通攝像頭負責捕獲汽車尾部的影像信息，兩個相機將各自捕獲的信息融合成一張具送到車載液晶顯示屏上顯示，使駕駛者可以清楚了解車后障礙物的距離信息，提升了汽車行駛的安全性能。但是該設計的問題是TOF深度相機目前尚不成熟，深度分辨率較低，需要使用DSP進行開發，成本較高，市場化較困難，同時在夜間無法提供清晰的倒車影像。
1 測量原理
對現有倒車影像技術的不足，本文設計了一種基于Kinect傳感器的倒車影像系統，Kinect感應器是微軟提供的集成了1080P高分辨率的彩色相機、紅外發射器和紅外相機的傳感器，它擁有紅外線探測功能和深度探測功能，解決了機動車倒車過程中三維空間信息獲取和夜間光照不足情況下圖像采集問題。
Kinect利用了光編碼（light？coding）技術，通過紅外光源發射具有三維縱深的“體編碼”，對需要測量的空間圖像進行編碼，這種光源叫做激光散斑（laser？ speckle），是當激光照射到粗糙物體或穿透毛玻璃后形成的隨機衍射斑點。激光散斑具有高度的隨機性，會隨著距離的不同而變換圖案。紅外接收器通過分析物體隨機斑點的圖案就可得到障礙物上被測點到傳感器的距離，最后生成反映障礙物的深度信息的點云數據。點云數據和彩色相機的圖像結合起來，即可合成含障礙物距離信息的深度圖像。
具體做法如下：在汽車內安裝Kinect傳感器、車載電腦和顯示器。倒車過程中安裝在汽車尾部的Kinect傳感器拍攝高清圖像并發射紅外結構光探測后方障礙物。車載電腦對Kinect傳感器采集到的高清圖像和紅外圖像進行分析，合成障礙物深度圖像并繪制出后方障礙物的立體三維圖。為了凸顯出障礙物到車身之間的距離，讓駕駛員更清楚了解障礙物到車身的實際距離，在合成立體三維圖的過程中根據障礙物深度信息對圖像進行著色，凸顯出障礙物到車輛之間的距離。駕駛員通過這種合成三維立體圖（圖2）就可以很輕松判斷各個障礙物距車身的距離。由于障礙物距離的深度圖像是來源于對Kinect傳感器主動發生的紅外光圖像的分析，紅外光穿透率強，即使在夜間或者下雨環境下也能正常工作；另一方面，計算機根據Kinect傳感器采集的深度圖像，對障礙物距離進行分析，在顯示器上實時顯示車最近的障礙物的距離，一旦達到了警示范圍就會立即報警提示。
2 實驗和誤差分析
為了驗證系統的準確性和魯棒性，本文在轎車后方加裝了一臺Kinect傳感器，并光照不足的車庫內放置障礙物，實測倒車影像系統效果。圖2即為由Kinect傳感器采集到的紅外線圖和根據深度信息進行著色后的立體三維圖。其中暖色調表示距離比較遠，冷色調表示距離相對比較近，部分區域存在“黑洞”，屬于部分無法掃描的區域，部分區域顏色偏亮，主要是紅外補光過度造成。由實驗結果倒車影響的立體三維圖（圖2）可知，即時在光線較差的環境下，形成的立體三維圖像仍然可以明顯區分障礙物和車身之間的距離，駕駛員倒車時可以輕松避開障礙物。
為了測試距離誤差，本文通過多組實驗對障礙物距離進行測量。顯示結果絕對誤差和相對誤差隨測量距離的增加而增加，但2？000mm以內的測量的誤差均小于50mm，這種誤差范圍對于駕駛員倒車是可以接受的。值得注意的是Kinect傳感器在450mm以內或者8？000mm以外的距離無法測量，實驗結果也證明障礙物在450mm以內是一個盲區，無有效數據返回，這段距離內需要駕駛員的經驗或者使用倒車雷達進行判斷。？
3 結論
綜上所述，本文設計的基于Kinect傳感器的倒車影像系統，即使在光照不足情況下也能合成后方障礙物的立體三維影像，有利于駕駛員判斷后方障礙物位置。實驗證明該技術對障礙物距離測量的精確度較高，能夠滿足駕駛員對倒車影像的需求。
參考文獻
[1]許玄岳.含測距功能的倒車影像裝置[P].中國發明專利.CN101900816A.2010-12-01.
[2]張彥會，馬天馳.帶深度信息的倒車顯像系統[P].中國發明專利，CN204131652U. 2015-01-28.
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[4]朱濤，蘆利斌，金國棟.基于Kinect深度技術的障礙物在線快速檢測算法[J].電子設計工程，2014（12）：176-179.
[5]張翠紅.基于深度相機的室內三維場景重構[D].大連理工大學，2013.