車載遠紅外夜視系統的設計及測試方法

王大興

（北京汽車集團越野車有限公司， 北京 101300）

1 車載遠紅外夜視系統的開發背景

隨著汽車車速的不斷提高，汽車交通事故經常發生，特別是在夜間、下雨、下雪、霧靄等低能見度的天氣下行駛，更是造成交通事故頻發的主要原因。據統計，雖然夜間行車在整個公路交通中只占1／4，但有55%的交通事故卻是在夜間發生的。當汽車以時速100km行駛時，如遇到突發事件需要緊急制動，汽車大約需要滑行110m才能完全停下來。然而夜間汽車遠光燈的照射范圍只有50m，以這樣速度，駕駛員無法對此做出及時的反應。因此引用紅外夜視技術到汽車駕駛上就成為必然，夜視系統采用紅外線傳感器可以使駕駛員視野擴大3~4倍，能幫助他們迅速辨別出這一范圍內的事物。

由于紅外具有晝夜無差別、可透煙／霧的特點，并且能夠與其他視覺技術一樣提供可視化信息進行事前告知、過程記錄和事后重現，因此國際上越來越多的汽車安全研究計劃和方案中開始涉及紅外。

此外，紅外技術還可用于車輛輔助引導、事故處理等由汽車、交通、運輸等行業引申出的配套服務行業中。

目前隨著紅外產品性能不斷提高，已經具備了在民用汽車上使用的條件。目前，在寶馬、凱迪拉克、奧迪等部分高端車型上已有實際應用。隨著價格的不斷下降，在車輛上安裝紅外輔助駕駛系統即將成為普遍現象。

2 車載紅外夜視系統的介紹

2.1 車載紅外夜視工作原理

一般所說的紅外線光譜波段，波長范圍為0.75~1000μm。紅外線波段通常可以進一步劃分為4個更小的波段，這4個波段是：近紅外線波段 （0.75~3μm）、中紅外線波段 （3~6μm）、遠紅外線波段 （6~15μm） 和極遠紅外線波段 （15~1000μm）。自然界中一切溫度高于絕對零度（即零下273℃）的物體均可向外輻射紅外線。通常溫度越高的物體其紅外輻射越強，典型的紅外輻射源包括人體、含有發動機的汽車、飛機等。紅外輻射不受晝夜的影響，同時由于紅外波長較可見光波長長，因此穿透煙、霧的能力遠遠強于可見光。圖1為紅外波段。

圖1 紅外波段

2.2 遠紅外夜視的優勢

在汽車上應用遠紅外技術，由于其原理的特性，遠紅外夜視的優勢明顯，在相同情況下，遠紅外夜視系統更夠更清晰地觀察到車輛前方的情況。遠紅外夜視觀察效果對比如圖2所示。

圖2 遠紅外夜視觀察效果對比

3 車載遠紅外夜視系統的設計

3.1 系統構架圖（圖3）

遠紅外夜視攝像頭內包含光學系統、探測器、處理電路、電源管理模塊與軟件系統，利用熱成像的工作原理將目標場景呈現在顯示系統上。當系統被應用在汽車上時，顯示系統一般為汽車儀表的液晶顯示屏或音響系統的顯示屏。當系統附加了一些報警功能時，例如行人保護，當檢測到車前有行人并可能發生碰撞時，系統會發出警告，提示駕駛員注意采取制動或者避讓等措施，警告的聲音可以使用汽車儀表內的蜂鳴器，也可以使用音響系統的揚聲器。另外，系統通常在外部會設置一個夜視系統開關，駕駛員可以根據使用需要進行系統的開啟與關閉。

圖3 系統構架圖

3.2 遠紅外夜視系統附加功能設計

3.2.1 行人保護功能

遠紅外夜視系統可以附加行人保護功能，包括行人和騎自行車識別的行人檢測和防撞警示。此系統功能主要是檢測車輛前面是否有行人的通過，系統會根據距離行人的遠近而給予駕駛員提示，輔助駕駛員駕駛。此功能能夠在駕駛員疲勞駕駛或者注意力不集中的情況下，對車輛前方的行人注意不到的情況下，輔助駕駛員，確保車輛和行人的安全，避免造成不必要的人身事故。

根據所探測到行人的遠近不同，分別用綠色、黃色、紅色將行人加方框標識，并在顯示屏幕上方用相同顏色的警示號提示駕駛員。圖4為行人保護報警界面示意圖。

圖4 行人保護報警界面示意圖

3.2.2 前車碰撞預警功能

遠紅外夜視系統可以附加前車碰撞預警功能，包括汽車和摩托車識別的前方防撞警示。此系統主要是檢查前方車輛對駕駛車輛之間的距離進行報警提示的一項功能，系統會檢查出安全、警示、危險距離并做出報警提示，提醒駕駛員安全駕駛，確保車輛的行車安全。

當探測到前方車輛距離較近時，屏幕上會出現紅色方框預警提示，如圖5所示。

圖5 前車碰撞預警界面示意圖

3.3 遠紅外夜視系統的個性化設置設計

遠紅外夜視系統可設計幾個可以進行個性化設置的選項，用于適應不同駕駛員的觀察習慣，給使用者帶來更好的使用體驗。當然這種個性化設置是可選的，在設計時可以任意進行排列組合。

1） 手動校正功能選項

在駕駛過程中，紅外圖像可能會出現模糊不清、雪花等，影響觀看體驗，駕駛員可進行手動校正，使圖像更加清晰。

2） 亮度調節選項

亮度調節可增加或者降低圖像的亮度，駕駛員可根據個人的觀看習慣和當前環境選擇合適的亮度。

亮度可以設計1~9擋亮度可選，亮度1擋最暗，9擋最亮。初次開機默認狀態下亮度可以設置為“5擋”，顯示屏上設置可以進行操作的實體按鈕或觸摸按鍵，通過手動操作進行調節。

3） 對比度調節選項

對比度調節可增加或者降低圖像的對比度，駕駛員可根據個人的觀看習慣和當前環境選擇合適的對比度。

對比度可以設計1~9擋對比度可選，對比度1擋最弱，9擋最強。初次開機默認狀態下對比度可以設置為“5擋”，顯示屏上設置可以進行操作的實體按鈕或觸摸按鍵，通過手動操作進行調節。

4） 圖像極性選擇選項

極性調節可使紅外圖像顯示成不同的色彩，方便駕駛員觀察識別目標。

白熱：場景中溫度相對較高的物體顯示為白色或淺灰色。

黑熱：場景中溫度相對較高的物體顯示為黑色或深灰色。

顯示屏上設置可以進行操作的實體按鈕或觸摸按鍵，通過手動操作進行調節。

5） 行車輔助線顯示與隱藏選項

系統可自帶行車輔助線，能夠給予駕駛員直觀的距離感。系統中設置能夠顯示與隱藏其的選項，并可以通過按鍵調節輔助線的位置。

4 遠紅外夜視系統的測試方法

4.1 測試工具

水平尺、標志線、對講機2部、照度計、激光測距儀、溫度計、可調溫熱源2個、移動電源、粉筆、自行車、攝像機、逆變器、便攜式熱源、電腦、圖像采集卡。

4.2 測試場地

平坦干燥的瀝青路面；隨機路試路段。

4.3 測試項目

測試項目詳見表1。

4.4 測試方法

4.4.1 靜態測試

1） 水平視角測試

利用水平尺及標志線對遠紅外夜視系統的水平視角進行測試，可以測試出實際的水平視角與其描述的技術參數表中是否一致，測試現場圖如圖6所示。

2） 分辨率測試

分辨率的測試采用相同的人與車輛作為參考物，在不同的距離觀察顯示器上呈現的視頻影像效果，例如30m、40m、50m、60m、70m、80m，6種不同距離時系統所呈現出的顯示效果。這是針對分辨率較好的系統，而相對較差的系統，其顯示效果圖像模糊不清，對比差異如圖7所示。

表1 測試項目

圖6 水平視角測試現場圖

圖7 圖像清晰度對比差異示意

4.4.2 動態測試

1） 本車靜止+行人移動

在本車靜止的情況下，在遠紅外夜視攝像頭不同的距離上，行人進行移動，測試系統是否可以很好地對行人進行識別。圖8為行人移動時顯示效果對比差異示意圖。

2） 本車靜止+自行車移動+行人移動

在本車靜止的情況下在距離遠紅外夜視攝像頭不同的距離上，行人與自動車進行移動，測試系統是否可以很好地對行人和自行車進行識別。圖9為行人與自行車移動時顯示效果對比差異示意。

圖8 行人移動時顯示效果對比差異示意

圖9 行人與自行車移動時顯示效果對比差異示意

3） 本車直行+自行車移動

安裝遠紅外夜視系統的車輛以不同的速度直行，速度可以選取10km／h、20km／h、30km／h、40km／h這4種，自行車可以相對車輛進行不同的移動，例如：左側同向移動、右側同向移動、左側反向移動、右側反向移動、左向右垂直移動、右向左垂直移動，此項測試可以對遠紅外夜視系統在移動過程中對運動物體的顯示是否清晰。圖10為本車直行自行車移動時顯示效果對比差異示意。

圖10 本車直行自行車移動時顯示效果對比差異示意

4） 本車調頭+行人移動安裝遠紅外夜視系統的車輛以10km／h的速度調頭行駛，行人可以相對車輛進行不同的移動，例如：左側同向移動、左側反向移動、右側反向移動、左向右垂直移動、右向左垂直移動，此項測試可以對遠紅外夜視系統在調頭過程中對行人的顯示是否清晰。圖11為本車調頭時行人移動時顯示效果對比差異示意。

圖11 本車調頭時行人移動時顯示效果對比差異示意

4.4.3 綜合路況測試

綜合路況測試中可以選取不同的路況進行測試，以模擬系統在實際使用中的真實表現，路況可以選取市中心道路、商業區道路、居住區／小市場道路、高速公路、坡道等。

通過此項測試，可以模擬駕駛員在行車過程中可能遇到的絕大多數路況，不同的路況下出現的物體目標在夜視系統視頻上所呈現的效果。另外，多種路況的測試還可以測試不同的環境是否會對視頻顯示效果產生影響，例如有高壓線附近的道路上，對系統的抗擾能力進行試驗，如果系統的抗擾能力低，所呈現的視頻可能會出現閃爍、波紋等現象。圖12為遠紅外夜視系統受干擾時的畫面示意效果圖。

圖12 遠紅外夜視系統受干擾時的畫面示意效果圖

5 總結

車載遠紅外夜視系統是一種可以提高駕駛員行車安全性的配置，特別是在霧、霾等天氣惡劣的情況下，可以成為駕駛員在黑夜中的另一雙眼睛。隨著車載配置率的提升，此套系統的價格隨之下降，同時隨著國內廠家技術與生產能力的提升，系統的關鍵元器件已經能夠國產，不依賴于國外進口，使其系統的價格進一步下降，更提高了其在車載上批量應用的可能性。