基于ToF攝像頭組的汽車倒車系統設計

劉子蔚 常禹凡 古東 楊樂歡 姚亮

摘 要：基于ToF攝像頭技術，本文研究設計了一種新的倒車系統，采用ToF攝像頭組和車聯網技術，實現高精度、高清晰度和數據的實時采集，提高汽車倒車的安全性。

關鍵詞：攝像頭;車聯網;汽車倒車;安全性

中圖分類號：U467.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）34-0113-03

Design of Car Reversing System Based on ToF Camera

LIU Ziwei CHANG Yufan GU Dong YANG Lehuan YAO Liang

（School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation， Nanhang Jincheng College，Nanjing Jiangsu 210000）

Abstract： Based on the ToF camera technology， this study designed a new reversing system， using ToF camera and Internet of vehicles technology， to achieve high precision， high definition and real-time data acquisition， improve the safety of car reversing.

Keywords： camera;internet of vehicles;car reversing;safety

近年來，汽車技術不斷發展，人們越來越重視汽車安全問題。但是，市面上出現的倒車雷達和倒車影像由于清晰度不夠，精度不高，受外界環境影響大，容易造成安全事故。因此，本研究將基于ToF（Time of Flight，飛行時間）攝像頭組和車聯網技術，為司機設計一個安全可靠的倒車系統。

1 倒車影像攝像頭對比

1.1 傳統倒車影像攝像頭

傳統的倒車攝像頭原理如圖1所示。傳統的倒車攝像頭由鏡頭、C感光傳感器以及外圍處理電路組成。攝像頭的主要功能是將景物通過鏡頭所生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面，然后轉為電信號，經過模數轉換裝置轉換后，變為數字圖像信號，再傳送到數字信號處理芯片中進行加工處理，之后通過USB接口傳送給圖像處理單元，最后在顯示屏上顯示出圖像。

1.2 ToF倒車影像攝像

ToF攝像頭工作原理如圖2所示。ToF攝像頭組由發射二極管、接收二極管、調制模塊、解調模塊、處理器組成。調制模塊負責調制發射的紅外調制波，通過發射二極管將信號發射出去。解調模塊負責對二極管接收到的反射紅外波解調。處理器中包含ADC和數據處理：ADC是為了將模擬信號轉化為數字信號，具體是什么模擬信號下文將會詳細講述;數據處理是為了將測得的相位差換算成深度信息[1]。 ToF攝像頭組測量范圍不是一個點，是一個面，所以，接收模塊變成了點陣的光敏傳感器，通常使用的是CMOS傳感器。在傳感器前面和發射二極管前面多了光學鏡片，一個是為了紅外波的輻射范圍，一個是為了濾除850 nm以外的光線，這樣才能保證測量的精度，最后在顯示屏上顯示深度圖像[2]。

2 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統設計

2.1 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統硬件設計

在設計期間，研究團隊實驗了多種ToF攝像頭組，通過對比感光亮、清晰度和抗干擾等多個因素，最終采用了一個ToF深度攝像頭（型號為MLX750232），達到了120 klx的光照度，相當于撒哈拉沙漠正中午的光照強度，保證了在夜晚暗光甚至無光的環境下的成像。另外，研究者還采用了一顆支持EuroNCAP（AEB城市/城際/行人）及CLEPA、AEBS（ECE階段2）的攝像頭。該攝像頭擁有高于6.5°的目標分辨率以及0.2°探測精度，用于測量景物的深度信息、輪廓信息及物理表面紋理信息。研究者還采用了新的雷達紅外系統，使得測距更加精準，并且在顯示屏上的距離遠近會通過不同的顏色來表現，便于司機更好地判斷[3]。具體效果如圖3所示（該圖為從PMD官網下載的一只手的偽彩色3D圖像，根據ToF傳感去到手的距離將顏色映射到每個像素。）

2.2 基于ToF攝像頭的汽車倒車系統軟件設計

在汽車倒車過程中，主要利用ToF攝像頭組收集到的圖像數據和紅外雷達裝置采集到的距離信息。在應用車聯網技術時，首先需要在采集端配置物體的深度與置信度信息，這樣車聯網便可以自動識別出紅外與雷達裝置的距離信息并進行預處理，接著通過ToF攝像頭組采集到的圖像信息刪除一些錯誤的信息和圖像信息，由此完成對圖像在車聯網中的添加（具體如圖4所示）[4]。

2.3 距離信息預處理

在確定采集端的基礎上對紅外雷達裝置所采集到的距離信息進行預處理。在基于ToF攝像頭的汽車倒車影像系統設計中，距離信息的預處理是指將采集到的信息進行轉換之后變成可用于系統處理的數據采集的數字信號。其間，運用卷積神經網絡算法對圖像上的距離信息進行預處理。倒車時汽車與障礙物的距離為：

[L=Ct2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[L]表示待測距離：[C]表示光速;[t]表示光脈沖在待測距離上往返傳輸所需要的時間。將預處理過后的數據通過池化層進行處理，從而得到精確的倒車距離。