偏振片在智能車攝像頭道路識(shí)別中的應(yīng)用

唐 猛 肖 鑫 葉天明 康志遠(yuǎn) 王風(fēng)麗

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

偏振片在智能車攝像頭道路識(shí)別中的應(yīng)用

唐 猛 肖 鑫 葉天明 康志遠(yuǎn) 王風(fēng)麗

（同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

本文研究了大范圍環(huán)境光照強(qiáng)度對(duì)攝像頭采集道路信息能力的影響，解決了攝像頭智能車因光照過(guò)強(qiáng)而迷失方向的問(wèn)題.攝像頭前加入兩塊線偏振片，減弱了進(jìn)入攝像頭光強(qiáng)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)兩塊線偏振片的偏振夾角，也調(diào)制了進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng).研究表明:攝像頭在早晨和中午時(shí)段可有效采集道路信息的條件是兩塊偏振片的偏振化方向夾角分別為0～60°和40°～65°；傍晚時(shí)段，增加偏振片后，提高了道路識(shí)別比例參數(shù).合理利用偏振片，可有效提高攝像頭的工作范圍，拓展了攝像頭智能車的使用范圍，在加深物理光學(xué)知識(shí)的同時(shí)，提高了學(xué)生的綜合、創(chuàng)新實(shí)踐能力.

智能車；攝像頭；光強(qiáng)；偏振片；道路識(shí)別

近年來(lái)，在中學(xué)生、大學(xué)生中都有不同類型的智能車競(jìng)賽.智能車競(jìng)賽的規(guī)模和影響力越來(lái)越大，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力有著積極重要的作用［1］.攝像頭智能車的優(yōu)點(diǎn)是攝像頭采集的信息量大、前瞻性強(qiáng).缺點(diǎn)是圖像處理算法較復(fù)雜、運(yùn)算量大，同時(shí)周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度對(duì)攝像頭采集信息的影響大.雖然微機(jī)控制和圖像處理算法的發(fā)展已解決了前面兩個(gè)問(wèn)題［2-4］，但是一般攝像頭在設(shè)計(jì)加工時(shí)就已經(jīng)確定了其正常工作的光照強(qiáng)度范圍，外界光強(qiáng)變化較大時(shí)，攝像頭就失去了其性能.所以攝像頭智能車對(duì)使用環(huán)境的光強(qiáng)有較大的依賴.光照太低，則采集到的圖像亮度太低，稱之為“黑屏”，在智能車上增加照明可以解決這個(gè)問(wèn)題.光照太強(qiáng)，圖像亮度太高，分辨不出道路的邊界，稱之為“白屏”，如果光照強(qiáng)度變化大，則不易解決.在攝像頭前增加兩塊線偏振片，減弱了進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng).根據(jù)馬呂斯定律［5-7］，通過(guò)調(diào)節(jié)兩塊線偏振片的偏振夾角，可調(diào)制進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng)，從而拓寬了智能車的有效工作范圍.太陽(yáng)光在一天的不同時(shí)段光強(qiáng)不同，而且對(duì)同一個(gè)位置的攝像頭的照射角度也有所變化，所以攝像頭的工作性能也會(huì)受到影響.本文研究了上海夏天同一天的早晨、中午和傍晚3個(gè)時(shí)段，智能車系統(tǒng)在有、無(wú)偏振片時(shí)采集道路信息的能力，為智能車的使用提供技術(shù)基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與問(wèn)題

自行組裝了一輛帶攝像頭的三輪車模型，以基于Windows系統(tǒng)的微型控制板作為智能車控制核心，使用數(shù)字?jǐn)z像頭采集道路信息，將攝像頭安裝在小車的前端，高度超過(guò)車頂約10cm處.攝像頭采集一幀圖片大小為480×640像素.用長(zhǎng)90cm、寬60cm的木板作為道路，兩側(cè)使用紅色電工膠帶作為道路邊界.用C語(yǔ)言編寫程序，對(duì)攝像頭采集的圖像作二值化處理，識(shí)別出道路邊界，據(jù)此控制小車的直線行駛、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作［8，9］.圖1為室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置實(shí)物圖，包括智能車、偏振片、道路等.智能車在道路上行駛時(shí)，用攝像頭實(shí)時(shí)采集前方道路的圖像，控制核心進(jìn)行圖像處理后獲得道路信息，控制智能車安全行駛在道路上.

圖1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

對(duì)于攝像頭采集到的每一幀圖片，取圖片各像素點(diǎn)的RGB值中的R和G值，并定義該像素點(diǎn)的顏色值C為

選取一定的閾值T，若某像素點(diǎn)的C＞T，該像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)道路邊界，賦值為1；若C≤T，則該像素點(diǎn)不屬于道路邊界，賦值為0，從而對(duì)采集到的圖像進(jìn)行二值化處理，識(shí)別出道路邊界，并用二值化圖像表示，其中白色表示道路邊界.圖2為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈光照明下未加偏振片時(shí)攝像頭采集的道路圖像（a）和二值化處理結(jié)果圖（b）.由圖可見，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光照強(qiáng)度合適，攝像頭能正確地采集道路圖像，經(jīng)圖像處理后能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出道路邊界，從而為智能車的動(dòng)作控制提供可靠的信號(hào).

圖2 （a）室內(nèi)未加偏振片條件下攝像頭采集的道路圖像；（b）相應(yīng)的二值化處理結(jié)果

然而，相同的道路在室外強(qiáng)烈太陽(yáng)光（中午的陽(yáng)光）照射下，攝像頭采集的圖像出現(xiàn)白屏，如圖3（a）所示.在二值化處理過(guò)程中，不管怎樣選取閾值T，所得圖像幾乎是全黑的，分辨不出道路的邊界，如圖3（b）所示.這表明，當(dāng)環(huán)境光照比較強(qiáng)時(shí)，攝像頭不能采集到正確的道路圖像，因而無(wú)法通過(guò)圖像處理識(shí)別道路邊界，獲得準(zhǔn)確的道路信息.這是設(shè)計(jì)攝像頭智能車時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮的一個(gè)重要問(wèn)題.

圖3 （a）室外強(qiáng)光下未加偏振片時(shí)攝像頭采集的道路圖像；（b）相應(yīng)的二值化處理結(jié)果

2 改進(jìn)方法

為了消除攝像頭采集圖像時(shí)出現(xiàn)的白屏現(xiàn)象，一般的做法就是使用光學(xué)元件減弱進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng)，如衰減片、線偏振片等.衰減片可以減弱光強(qiáng)，但在強(qiáng)度變化的條件下，只能通過(guò)增加或減少衰減片的個(gè)數(shù)，適用性弱.一塊線偏振片可以把自然光的強(qiáng)度減半，但不能調(diào)制光強(qiáng).使用兩塊線偏振片，根據(jù)馬呂斯定律，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)偏振片偏振化方向的夾角，在減弱光強(qiáng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)調(diào)制光強(qiáng)的大小.為了表征加入線偏振片對(duì)攝像頭采集圖像識(shí)別道路的影響，引入識(shí)別比例參數(shù)Rp，定義為

其中N0為在室內(nèi)并且未加入光學(xué)元件時(shí)攝像頭識(shí)別出對(duì)應(yīng)于道路邊界的像素點(diǎn)數(shù)，在我們的實(shí)驗(yàn)中N0取10212，N為加入光學(xué)元件后識(shí)別出道路邊界的像素點(diǎn)數(shù).Rp越接近于1，說(shuō)明道路識(shí)別得越準(zhǔn)確.假定室內(nèi)不加光學(xué)元件時(shí)，攝像頭識(shí)別道路的準(zhǔn)確度最高.

3 結(jié)果與討論

使用相同的實(shí)驗(yàn)裝置，在室外早、中、晚三個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.圖4（a）給出的是早中晚三個(gè)時(shí)段，利用識(shí)別比例參數(shù)Rp分析使用不同偏振片個(gè)數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中偏振片個(gè)數(shù)為2的Rp值是改變兩塊偏振片的偏振化方向夾角所能得到的最大Rp值.早晨和中午，陽(yáng)光強(qiáng)烈，不使用或僅使用1塊偏振片是無(wú)法識(shí)別道路信息的，使用2塊偏振片，通過(guò)調(diào)節(jié)其偏振化方向的夾角，識(shí)別比例可以達(dá)到1，與室內(nèi)一般照明時(shí)的效果相同；傍晚時(shí)分，太陽(yáng)光相對(duì)較弱，使用偏振片后提高了道路識(shí)別比例參數(shù).圖4（b）給出的是不同時(shí)段下使用2塊偏振片時(shí)，識(shí)別比例參數(shù)Rp隨偏振化方向夾角θ變化的關(guān)系.早晨和傍晚時(shí)段的Rp-θ曲線的趨勢(shì)比較接近，都是當(dāng)θ小于某一臨界值時(shí)，Rp都接近于1，大于臨界值時(shí)，Rp快速減小至零.θ在早晨和傍晚臨界值的取值分別為60°和50°，由此可見傍晚陽(yáng)光相對(duì)較弱，攝像頭有效工作時(shí)偏振夾角范圍比早晨的小.而中午時(shí)段，由于光照強(qiáng)度很大，識(shí)別比例參數(shù)Rp僅在40°～65°范圍內(nèi)接近1.因此，需要根據(jù)環(huán)境光照條件的變化，適時(shí)調(diào)整偏振片的夾角，從而保證攝像頭能夠正常地采集信息.圖4（c）和圖4（d）給出了中午時(shí)段，無(wú)偏振片和使用2塊偏振片且偏振夾角為60°時(shí)攝像頭采集到的圖像.所以光照過(guò)強(qiáng)時(shí)，增加偏振片，不僅減弱了進(jìn)入攝像頭的光，保證攝像頭采集到有用的道路圖像，而且通過(guò)調(diào)節(jié)2塊偏振片的夾角對(duì)進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng)進(jìn)行了調(diào)制，使攝像頭的有效工作范圍得到拓展.

圖4 不同時(shí)段實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中（a）為識(shí)別比例參數(shù)Rp與偏振片個(gè)數(shù)的關(guān)系，（b）為識(shí)別比例參數(shù)Rp與兩塊偏振片偏振化方向夾角θ的關(guān)系.（c）和（d）分別為中午時(shí)段未使用偏振片和使用2塊偏振片且θ為60°時(shí)攝像頭采集到的圖像

4 結(jié)語(yǔ)

利用馬呂斯定律，在攝像頭前增加2塊偏振片，通過(guò)調(diào)節(jié)2塊偏振片的偏振夾角調(diào)節(jié)了進(jìn)入攝像頭的光強(qiáng).研究了早、中、晚3個(gè)時(shí)段不同太陽(yáng)光強(qiáng)照射下攝像頭采集圖像信息識(shí)別道路的情況，結(jié)果表明:在早晨和中午時(shí)段光強(qiáng)較強(qiáng)，沒有偏振片或僅有1塊偏振片下，攝像頭不能正常工作，使用2塊偏振片，偏振夾角分別為0～60°和40°～65°范圍內(nèi)攝像頭可有效地采集道路信息；傍晚時(shí)分，使用偏振片后，提高了道路識(shí)別比例參數(shù).由此解決了因光照過(guò)強(qiáng)產(chǎn)生的“白屏”問(wèn)題，拓展了攝像頭智能車的有效使用范圍.

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THE APPLICATION OF THE POLARIZERS IN THE CAMERABASED SMART CAR TO DISTINGUISH ROAD

Tang Meng Xiao Xin Ye Tianming Kang Zhiyuan Wang Fengli
（School of Physics Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092）

The performance of the camera-based smart car is studied to collect path information outdoor at different time in summer.The intensity of sunlight is too strong for camera to acquire the effective path information in the morning and at noon.Two linear polarizers are equipped in front of the camera to reduce the intensity of light into the camera.According to Malus law，the light intensity can be modulated simultaneously by adjusting the angle of the two polarizers’polarization direction.The experimental results show that the camera can acquire correct path information with the angle in range of 0～60°in the morning and 40°～65°at noon；and the parameter of recognizing the path is improved using the polarizers in the evening.The camera can work well in the day using polarizers properly，and the application range of the camera-based smart car is expanded.

smart car；camera；intensity；polarizer；distinguish road

2015-12-07

同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革研究與建設(shè)項(xiàng)目（《光電實(shí)驗(yàn)》課程建設(shè)）.

唐猛，男，博士研究生，主要從事磁性材料、自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究.1tm@tongji.edu.cn

王風(fēng)麗，wangfengli@tongji.edu.cn

唐猛，肖鑫，葉天明，等.偏振片在智能車攝像頭道路識(shí)別中的應(yīng)用［J］.物理與工程，2016，26（4）:69-71.