一种应用于汽车安全防范的远距离夜视仪系统设计

来源:用户上传      作者:邓祁军

　　摘要：本设计采用车速同步变焦摄像头配合红外激光补光，利用sony的ISP把全局曝光CCD采集到的图像输出给后端高性能处理芯片DSP安霸A12，后端A12通过AI行人识别算法识别图像中是否行人或车辆异常并进行语音和图像报警提示，实现提高驾驶人员的行车安全。该系统具有夜视距离远、节能、预警高效等优点。
　　关键词：夜视仪;行人识别;预警
　　中图分类号：TP311 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）01-0229-02
　　交通事故已成为社会安全的头号公敌。不仅国家、交通运输部、公安部以及运营单位关注，越来越多人也开始关注和研究如何防范车辆安全事故，据国家交通部门统计，在夜间、雨雪、雾霾、烟尘等恶劣天气环境下行车一般只占整个公路交通的25%左右，但是，发生死亡事故的数量却高达50%以上，其中，由于视线不良导致的事故则更是高达70%以上。正因如此，以汽车夜视仪系统、防碰撞系统等为代表的能够提高汽车驾驶安全性的ADAS（驾驶辅助系统）越来越受到重视。
　　在汽车安全防范方面，夜视仪已经成为汽车安全行驶重要辅助手段。正常情况下，汽车以120m/s时速行驶时，至少要给驾驶员3秒的应急处理时间。可是，汽车远光灯的有效可视距离仅60-80m，夜间行车时遇到突发障碍物很可能反应不及，酿成惨祸。然而现如今的汽车行业中，对汽车的安全性提出更高的要求，要预留出足够的反应时间。传统的夜视视频只有几十米给司机的反应时间，这就需要超远距离夜视也来实现。
　　然而常见的红外夜视摄像机使用的红外光源多为850nmLED光源，受光强度和散热水平限制，很难实现上述远距离的夜视补光，并且镜头也多为固定镜头不能实时根据车速的变化而监视不同距离。为了解决此问题，本文设计一种根据车速自动变焦的红外激光远距离夜视仪系统。
　　1远距离夜视仪系统的总体设计
　　本系统主要有五部分组成，既电源及控制模块，图像处理模块，变焦摄像头，红外激光模块，报警提示模块。系统总体设计图如图1所示。
　　该系摄像头采用的是索尼全局曝光CCD芯片ICX632、AFE芯片CXD5148及ISP芯片CXD4140方案，配备了自动变焦摄镜头，在进入高速行车阶段，通过自动匹配车速，换算安全车距实现智能变焦，变焦机芯根据汽车速度进行相应的变焦，捕捉清晰的图片，并且打开相应的激光模块进行补光，将拍摄的高清图像传输给图像处理模块，图像处理模块运行行人识别算法运算及判断路上是否有人及异常，如有异常，则给出报警提示并将视频存储在本地存储卡。模拟夜视仪与正常视觉效果对比图2所示。
　　2硬件模块设计
　　2.1电源及控制模块
　　该模块主要控制芯片为新塘MCUNUC230，控制芯片根据控制指令进行相应的控制。由于汽车供电由电池供电，其波形异常波动。所以需要经过电路滤波及电源稳压到机芯及激光所需要的电源电压，此电路由共模滤波和盯型差模滤波，可以滤除汽车电电源的主要干扰。滤波电路原理图如图3所示。
　　2.2图像处理模块
　　主芯片采用高性能图像处理芯片安霸A12处理芯片，外围搭配第三代DDR、flash和晶振、复位电路及TF卡存储电路。此模块可以对摄像头采集的视频进行行人识别。具体电路示意图如图4所示。
　　2.3变焦摄像头模块
　　该变焦摄像头采用高通光量的夜视镜头接收目标反射光成像，再用低照度的sony全局曝光CCD芯片ICX632。通过AFE转换芯片CXD5148给到ISP芯片CXD4140，然后输出视频给到安安霸A12处理芯片进行处理。其电路示意图如图5所示。
　　2.4红外激光模块
　　红外激光模块主要由大功率半导体激光器LD、驱动控制电路、光学扩束准直镜头。本次设计的激光模组有如下特点：
　　1）本产品的安全距离为4.6米，确保聚集到最小角度（3.5。左右）长时间直射人眼也是完全无伤害的。
　　2）光能利用率高，照明同等范围的情况下，本产品比同类激光产品节能50%以上。
　　3）采用时间积分匀化技术，全焦段补光均匀细腻，完全无散斑。
　　4）照明角度62°～1.5°连续可调，全焦段消除手电筒效应，完美实现单灯变焦。
　　5）补光距离是目前红外LED灯的3倍，达到300米左右，完全满足20倍左右高清一体化摄像机的夜间补光需求。其产品示意图如图6所示。
　　2.5报警提示模块
　　该报警提示模块由采用新塘MCU芯片NUC230，其获取FPGA的运算结果，通知由WT588D0驱动的喇叭及由HTl621B驱动的LCD显示屏显示报警异常信息。
　　3软件流程
　　电源與控制模块中的新塘MCU芯片NUC230作为整个系统的信息处理中心，负责与各个模块通信。通过can总线接口实时获取车速信息，通知激光模块根据车速做相应的变焦处理及打开激光模块。如果视频处理模块没有识别视频中有异常，进入循环获取车速信息状态。如果处理模块有识别视频中有异常，新塘MCU芯片NUC230根于异常信息通知报警提示模块进行语音及显示报警。其MCU软件流程如图7所示：
　　4测试结果
　　当车速达到100km/h时，夜视系统能匹配车速，自动换算出安全距离，智能变焦到前方100米以外的视野。当车速为30km/h时，夜视系统可智能变焦到可视前方30米以外的视野。其效果如图8所示。
　　当识别到行人及车辆异常时会进行异常提示，效果图如9所示：
　　5结束语
　　本设计采用车速同步变焦镜头配合红外激光补光，利用sony的ISP把全局曝光CCD采集到的图像输出给后端高性能处理芯片DSP安霸A12，后端A12通过AI行人识别算法识别图像中是否行人或者车辆异常并进行语音和图像报警提示，实现提高驾驶人员的行车安全。该系统具有夜视距离远、节能、预警高效等优点。通过实测，在夜间行车时，无论能见度高低，可视距离达150米-400米，给驾驶员带来更宽、更远的视野范围，可以让驾驶员提前3-6秒发现人、车辆或障碍物，将夜晚行车的安全系数提高2-3倍。
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