基于裸眼3D技術(shù)的汽車室內(nèi)觀后鏡

賈大海

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

前言

汽車室內(nèi)觀后鏡對(duì)行車安全的重要性毋庸置疑，傳統(tǒng)鏡面式后視鏡在后排裝貨、惡劣環(huán)境下無法發(fā)揮作用，是交通安全中不可忽視的隱患。將裸眼3D技術(shù)和攝像頭技術(shù)結(jié)合起來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏡面式后視鏡則可大大消除這種隱患。

1 裸眼3D技術(shù)的發(fā)展

1.1 裸眼3D顯示裝置結(jié)構(gòu)

最常見的裸眼3D顯示器由光柵和2D顯示面板精密耦合而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括2D顯示面板10’、隔墊玻20’和光柵30’，通過隔墊玻璃將光柵和2D顯示面板隔開一定距離，從而實(shí)現(xiàn)裸眼3D效果。

圖1 裸眼3D顯示裝置

1.2 裸眼3D顯示裝置結(jié)構(gòu)

目前主流的裸眼3D技術(shù)有：狹縫是液晶光柵、柱狀透鏡、指向光源、主動(dòng)式背光。狹縫式液晶光柵的技術(shù)原理是在屏幕前加了一個(gè)狹縫式光柵后，應(yīng)該由左眼看到的圖像顯示在液晶屏幕上，不透明的條紋會(huì)遮擋右眼；同理，應(yīng)該由右眼看到的圖像顯示在液晶屏幕上時(shí)，不透明的條紋會(huì)遮擋左眼，通過將左眼和右眼的可視畫面分開，使觀看者看到3D影像。

2 設(shè)計(jì)方案的整體概述

在汽車室內(nèi)觀后鏡上用電子顯示屏幕代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鏡面式反光鏡，在車輛行駛過程中，獲取汽車后置攝像頭通過車載中央控制器所發(fā)送的所述車輛的實(shí)時(shí)后側(cè)影像。實(shí)時(shí)后側(cè)影像通過顯示裝置上的狹縫式液晶光柵來顯示3D效果。

車載中央控制器分別與后側(cè)攝像頭和室內(nèi)電子顯示裝置連接，還有將顯示裝置轉(zhuǎn)換成3D效果的狹縫式液晶光柵，車載中央控制器檢測(cè)到汽車處于點(diǎn)火狀態(tài)下，然后開始將后側(cè)攝像頭采集到的影像發(fā)送給車內(nèi)顯示裝置，車輛顯示裝置上的狹縫式液晶光柵將顯示畫面中的2D效果轉(zhuǎn)換成3D效果，使得駕駛員能夠以水平視線觀察所述車輛后側(cè)影像。車輛后側(cè)攝像頭和顯示裝置通過 CAN總線與所述車載中央控制器連接通信。在光柵和電子顯示面板之間設(shè)置距離調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，根據(jù)放置在顯示面板之上的經(jīng)過標(biāo)定的雙目攝像頭所獲取的人眼范圍調(diào)節(jié)所述光柵與顯示面板之間的距離，從而達(dá)到理想的3D效果。整體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 整體設(shè)計(jì)流程

3 裸眼3D顯示

3.1 3D顯示裝置的結(jié)構(gòu)

圖3是裸眼3D顯示裝置示意圖，該裸眼3D顯示裝置由相對(duì)設(shè)置的光柵30和顯示面板10組成，中間形成密封腔體22，在彈性密封層21上設(shè)置氣孔，通過氣孔改變密封腔體中的氣體量從而達(dá)到調(diào)節(jié)所述光柵與所述顯示面板之間的距離的目的。

圖3 顯示裝置示意圖

3.2 裸眼3D顯示屏幕的角度調(diào)整

在電子顯示屏前端安裝雙目攝像頭，并且標(biāo)定好雙目攝像頭的位置，得到雙目攝像頭采集到的同一時(shí)間的左、右兩幀圖像，再分別矯正左、右兩幀圖像，得到矯正后圖像。

圖4 雙目攝像頭的定位原理

圖4所示為雙目攝像頭的定位原理。測(cè)量兩個(gè)攝像頭之間的距離，也就是右邊的攝像頭相對(duì)于左邊的攝像頭的三維平移t和旋轉(zhuǎn)參數(shù)R，雙目攝像頭C1和C2與世界坐標(biāo)系相對(duì)位置的外部參數(shù)為旋轉(zhuǎn)矩陣R1和R2以及平移向量t1和t2，雙目攝像頭與世界坐標(biāo)系的相對(duì)位置為：

由此得到雙目攝像頭之間的位置關(guān)系：

兩個(gè)攝像頭之間的幾何關(guān)系：

然后計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)在左右視圖形成的視差，引進(jìn)極限約束降維，如圖5所示。

圖5 左右視圖視差

3.3 從矯正后的圖像中提取人臉范圍區(qū)域

在人臉范圍區(qū)域中提取人眼區(qū)域，對(duì)優(yōu)化后的人眼區(qū)域中檢測(cè)虹膜并計(jì)算相對(duì)空間位置，利用攝像頭和電子顯示屏的位置關(guān)系計(jì)算得到人眼相對(duì)電子顯示屏的空間位置。對(duì)矯正后的圖像進(jìn)行二值化處理，以二值化圖像的水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，然后確定人臉區(qū)域在X軸和Y軸方向的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)，得到人臉范圍。

首先，確定人臉區(qū)域在X軸方向的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)：

設(shè)定X=b，b=0：

獲取X=b時(shí)，二值化圖像中白點(diǎn)的個(gè)數(shù)記為SumTempx和所有點(diǎn)的個(gè)數(shù) Sum_p_c：設(shè)定閾值 argmax(g(t))，若 Sum Tempx和Sum_p_c的比值大于或者等于argmax(g(t))，則X=b作為人臉區(qū)域在X軸方向的起始點(diǎn)，即為人臉的左邊界X坐標(biāo)，記為 x_L。若 SumTempx和 Sum_p_c的比值小于argmax(g(t))，則對(duì)b加上步長x_p，重復(fù)以上步驟直到找到人臉的左邊界X坐標(biāo)。

同理可找到人臉的右邊界X坐標(biāo)x_R與人臉的上邊界y_U和下邊界y_D：

從人臉范圍區(qū)域中提取人眼區(qū)域的方法為：

其中，G（x，y）表示二值化圖像中坐標(biāo)（x，y）處的灰度值，Mh(x)表示二值化圖像中坐標(biāo)(x，y）處的灰度值在[x_L，x_R]區(qū)域的水平積分投影曲線：

3.4 人眼區(qū)域的處理

找到所述水平積分投影曲線中與人眼相對(duì)應(yīng)的波谷，利用與該波谷相鄰的兩個(gè)波峰點(diǎn)找到這兩個(gè)波峰點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Y軸坐標(biāo)k_1和k_2，令

得到y(tǒng)_1和y_2組成的人眼區(qū)域。

對(duì)得到的人眼區(qū)域進(jìn)行如下優(yōu)化：

①利用高斯濾波對(duì)人眼區(qū)域進(jìn)行特殊處理，得到平滑圖像；

②進(jìn)行梯度幅值和方向計(jì)算；

③進(jìn)行極大值抑制，得到非極大值抑制圖像。

④若高閾值邊緣圖像的邊緣出現(xiàn)斷點(diǎn)，則查找該斷點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于低閾值邊緣圖像中的像素點(diǎn)，尋找該像素點(diǎn)的八鄰域點(diǎn)中能夠連接高閾值邊緣圖像斷點(diǎn)的像素點(diǎn)，將該像素點(diǎn)連接至高閾值邊緣圖像的斷點(diǎn)處。

⑤重復(fù)上述步驟直至高閾值邊緣圖像的邊緣閉合，再采用最小外接矩形法估算出人眼區(qū)域的圓心和半徑，從而得到該人眼區(qū)域的參數(shù)方程。

對(duì)所述的參數(shù)方程在半徑范圍內(nèi)進(jìn)行Hough變換得到一個(gè)變換空間，任選所述變化空間中的一個(gè)圓作為當(dāng)前圓，遍歷變換空間中的所有圓，統(tǒng)計(jì)與該當(dāng)前圓圓心坐標(biāo)相同的圓的個(gè)數(shù)記為相同圓心數(shù)，并標(biāo)記該當(dāng)前圓，直至所述變換空間中所有圓都被標(biāo)記為當(dāng)前圓。

找到相同圓心數(shù)最多的當(dāng)前圓，該當(dāng)前圓的圓心坐標(biāo)即為虹膜坐標(biāo)，從而根據(jù)人眼的空間位置對(duì)裸眼3D汽車室內(nèi)觀后鏡顯示裝置進(jìn)行調(diào)整，使得當(dāng)前人眼位置處在最佳觀看區(qū)域。

4 結(jié)論

本課題將裸眼3D技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車室內(nèi)后視鏡，設(shè)計(jì)出一種基于狹縫式液晶光柵的裸眼3D室內(nèi)觀后鏡，在汽車啟動(dòng)時(shí)，車載中央控制器將汽車后側(cè)攝像頭采集的實(shí)時(shí)影像傳遞至中央顯示面板，通過光柵形成3D效果，此外通過雙目攝像頭識(shí)別人眼區(qū)域，再調(diào)整顯示面板形成最佳觀看效果。