一款超清夜視行車(chē)記錄儀的設(shè)計(jì)

潘朝猛 劉毅 劉施文 江蘇大學(xué)機(jī)械學(xué)院

1.概述

隨著我國(guó)的發(fā)展，人們的出行基本離不開(kāi)汽車(chē)，但是汽車(chē)數(shù)量的迅速 增長(zhǎng)，亦帶來(lái)了許多問(wèn)題，目前車(chē)載行車(chē)記錄儀市場(chǎng)上有遠(yuǎn)程監(jiān)控、導(dǎo) 航儀、實(shí)時(shí)路況等工具來(lái)緩解路況，但是收效甚微。首先是因?yàn)閷?dǎo)航也 具有延時(shí)性，信息不夠及時(shí)接收，尤其是對(duì)駕駛員眼前的實(shí)時(shí)路況，行車(chē)記錄儀不能較好應(yīng)對(duì)反應(yīng)突發(fā)事故。

其次，這些設(shè)備反映的是小范 圍的路況，對(duì)于一些支路或是近距離的事故不能詳細(xì)得到路況信息。無(wú)法實(shí)時(shí)地向駕駛員傳送路面的情況，沒(méi)有針對(duì)個(gè)人路線進(jìn)行的實(shí)時(shí)路況分析。目前大部分設(shè)備都無(wú)法給駕駛員帶來(lái)滿(mǎn)意的幫助，很多原有的功能都亟待改善來(lái)滿(mǎn)足現(xiàn)在情況的出行需要。特別是人們對(duì)監(jiān)控時(shí)的清晰度和夜間效果要求提高，為了提高清晰度需要提升技術(shù)，推出新產(chǎn)品，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款夜視效果比較理想的超清夜視行車(chē)記錄儀。項(xiàng)目研究采用廣角端全動(dòng)態(tài)變焦系統(tǒng)和無(wú)紅暴LED燈結(jié)合，得到范圍較大的實(shí)景圖像。利用主動(dòng)的紅外照明光源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的補(bǔ)光，以便達(dá)到攝像機(jī)的夜間監(jiān)控要求。

2.其組件基本內(nèi)容

（一）廣角端連續(xù)變焦鏡頭：廣角鏡因?yàn)殓R頭非常短,所以投射的底片上的景物就變小,除可拍攝更多景物，更能在狹窄的環(huán)境下拍攝出寬闊角度的影像; 所謂的廣角鏡就是焦距較短、視角較大的鏡頭。 使用廣角鏡頭的目的是為了可以達(dá)到更加開(kāi)闊的視野，以及宏偉壯觀的藝術(shù)效果。廣角鏡頭可以產(chǎn)生前景大遠(yuǎn)景小的效果，用廣角鏡頭產(chǎn)生的畫(huà)面變形，令到前景的物體得到夸張地放大，且不影響行車(chē)記錄儀成像效果，更加突出前景物體。變焦鏡頭至少有一組變倍組元是可以移動(dòng)的，通常有兩組可以移動(dòng)--變倍組、補(bǔ)償組，變倍組的移動(dòng)視線焦距的縮放，而補(bǔ)償組是用來(lái)補(bǔ)償像差，通過(guò)移動(dòng)這連個(gè)組元可以實(shí)現(xiàn)焦距的變化和視野的變化，從而實(shí)現(xiàn)圖像的放大和縮小。

（二）無(wú)紅暴LED燈：是為各種抓拍或檢測(cè)車(chē)牌系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的輔助光源，LED紅外補(bǔ)光燈可確保攝像機(jī)在夜間準(zhǔn)確識(shí)別車(chē)牌并進(jìn)行拍照與錄像。

紅外光源補(bǔ)光燈優(yōu)點(diǎn)：

a、在完全無(wú)環(huán)境光照明的情況下，可令攝像系統(tǒng)拍攝到清晰的車(chē)牌圖像在完全無(wú)環(huán)境光照明的情況下，可令攝像系統(tǒng)拍攝到清晰的車(chē)牌圖像；

b、功耗低，效率高，壽命長(zhǎng)，可晝夜常亮；

c、帶可調(diào)光感開(kāi)關(guān)，可以設(shè)置不同暗度下開(kāi)啟補(bǔ)光；

d、固定使用，可方便與攝像機(jī)、防護(hù)罩構(gòu)成一體化裝置；

e、安裝調(diào)試方便，可與多種CCD相機(jī)匹配。

3.行車(chē)記錄儀設(shè)計(jì)原理及試驗(yàn)方法

3.1 設(shè)計(jì)組件優(yōu)化及結(jié)構(gòu)

廣角端連續(xù)變焦鏡頭：得到較大范圍的實(shí)景圖像。優(yōu)化：在采用機(jī)械全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)像面穩(wěn)定、高畫(huà)質(zhì)的成像的基礎(chǔ)上，在鏡頭兩側(cè)各安裝一個(gè)無(wú)紅暴LED燈。連續(xù)變焦鏡頭是可以改變某些鏡頭組之間的間隔，以實(shí)現(xiàn)鏡頭的所有焦距變化，并且在某個(gè)鏡頭組移動(dòng)過(guò)程中，必然會(huì)造成圖像平面不穩(wěn)定，需要通過(guò)機(jī)械全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法補(bǔ)償圖像平面的漂移。并且在能見(jiàn)度低的條件下，變焦鏡頭兩側(cè)安裝的紅外燈自動(dòng)打開(kāi)，對(duì)監(jiān)控實(shí)況進(jìn)行補(bǔ)光，在黑暗條件下真正實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的效果。連續(xù)變焦鏡頭是通過(guò)推拉可移動(dòng)鏡片使其沿變焦軌道運(yùn)動(dòng)，或通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡頭使其沿凸輪螺旋前進(jìn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡頭焦距連續(xù)變換的，并且變焦鏡頭任何一個(gè)狀態(tài)焦距與其相同焦距的定焦鏡頭的功能和用途是一樣的，但變焦鏡頭不會(huì)限制用戶(hù)具體使用哪一級(jí)焦距，任何焦距狀態(tài)都能用來(lái)觀察和拍攝，以滿(mǎn)足不同的用戶(hù)需求，因而在使用上比定焦鏡頭要更加的方便和靈活。

采用連續(xù)變焦鏡頭是在一定范圍內(nèi)可以變換焦距、從而得到不同寬窄的視場(chǎng)角，不同大小的影像和不同景物范圍的照相機(jī)鏡頭。變焦鏡頭在不改變拍攝距離的情況下，可以通過(guò)變動(dòng)焦距來(lái)改變拍攝范圍，因此非常有利于畫(huà)面構(gòu)圖。在鏡頭兩側(cè)各加一個(gè)無(wú)紅暴LED燈，夜間或光線不佳的情況下，紅外燈自動(dòng)打開(kāi)可以錄制下發(fā)生在夜間的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)研究思路及方法

項(xiàng)目研究采用廣角端全動(dòng)態(tài)變焦系統(tǒng)和無(wú)紅暴LED燈結(jié)合，得到范圍較大的實(shí)景圖像。利用主動(dòng)的紅外照明光源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的補(bǔ)光，以便達(dá)到攝像機(jī)的夜間監(jiān)控要求。

3.3 試驗(yàn)方法

本項(xiàng)目創(chuàng)新性突出體現(xiàn)在使用了廣角全動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與無(wú)紅暴LED等結(jié)合，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的視場(chǎng)性和清晰度，降低了不良道路環(huán)境對(duì)駕駛員的危害，同時(shí)結(jié)合紅外光源，提升夜間監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收效果，可以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

采用900nm以上的紅外LED燈光照明，提升鏡頭夜間看清物體的能力，提高采集圖片的質(zhì)量。將外接光源與鏡頭組合，檢測(cè)檢測(cè)效果，并進(jìn)行適度的參數(shù)調(diào)整，搭建起硬件平臺(tái)。

隨著變焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的新型化，要求不斷提高，變焦鏡頭向著多元組和全組元結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，這樣可以發(fā)揮每個(gè)組元變焦和分散的功能，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，小型化使得廣泛使用，現(xiàn)在全動(dòng)態(tài)變焦系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于變焦手機(jī)鏡頭，便攜式攝像機(jī)。根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程的分析，找到相關(guān)專(zhuān)利結(jié)合光學(xué)軟件就可以設(shè)計(jì)全動(dòng)型變焦系統(tǒng)的攝影方面。

a.機(jī)械變焦系統(tǒng)一般原理

b.機(jī)械補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)

根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)曲線，形式變焦系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分量以更復(fù)雜的方式移動(dòng)，以便在圖像平面的尺寸和位置保持恒定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦距的連續(xù)變化。變焦系統(tǒng)的機(jī)械補(bǔ)償模式是連續(xù)變焦過(guò)程，經(jīng)常需要精確調(diào)整凸輪，以準(zhǔn)確地改變運(yùn)動(dòng)部件的位置，因此應(yīng)用更廣泛。機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)分為傳統(tǒng)機(jī)械補(bǔ)償，雙作用補(bǔ)償和全動(dòng)態(tài)補(bǔ)償類(lèi)型。我們采用的是全動(dòng)型變焦系統(tǒng)，下圖分別是雙作用補(bǔ)償系統(tǒng)和全動(dòng)型變焦系統(tǒng)的原理圖

（a）雙作用補(bǔ)償原理

（b）全動(dòng)型補(bǔ)償原理

c.變焦結(jié)構(gòu)形式的選取

考慮成本等因素的基礎(chǔ)上，選擇比較最恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。下表給出了各種變焦系統(tǒng)在像質(zhì)、機(jī)械式構(gòu)造方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

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由圖可以看出，我們選擇的全動(dòng)型結(jié)構(gòu)不僅像面穩(wěn)定，而且系統(tǒng)長(zhǎng)度短。在設(shè)計(jì)補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)還可以根據(jù)對(duì)照表做相應(yīng)調(diào)試，具有較高靈活性。

用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件透鏡圖形的模擬可以由 CODEV 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，最后得到變焦鏡頭系統(tǒng)在廣角位置變焦位置平面結(jié)構(gòu)圖如下所示：

d.成像分析

繼而在變焦鏡頭的兩側(cè)各加一個(gè)900nm無(wú)紅暴LED燈，讓其在照明條件變化時(shí)組合實(shí)現(xiàn)成像。在一般情況下,廣角端變焦鏡頭在白天使用可見(jiàn)光成像,在晚上使用近紅外光像。近紅外光的使用提供了一個(gè)優(yōu)勢(shì),比如成像時(shí)散射的影響小于可見(jiàn)光和低能見(jiàn)度的濃霧。因此，實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)范圍到近紅外范圍的寬波長(zhǎng)像差在行車(chē)記錄儀中的變焦透鏡，讓行車(chē)記錄儀的顯示屏上成像實(shí)現(xiàn)超清化，具有大視場(chǎng)，有很好的夜視功能。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的發(fā)展，車(chē)輛擁堵現(xiàn)象難免造成一些車(chē)輛碰擦，一些碰瓷現(xiàn)象，在夜間行駛不便，雨霧天氣能見(jiàn)度很低等種種常見(jiàn)現(xiàn)象下，有一款超清夜視行車(chē)記錄儀能記錄下你的行車(chē)行程，必要時(shí)候的取證手段，幫助司機(jī)駕駛及時(shí)提醒各種駕駛路況是多么重要。大幅度提高行車(chē)記錄儀在夜間、雨霧天氣、照明條件不佳和能見(jiàn)度低的條件下的可見(jiàn)距離和圖像清晰度，無(wú)紅暴LED燈捕捉夜晚光線，滿(mǎn)足相差條件，能夠提高夜間監(jiān)控接收效果擴(kuò)大司機(jī)行車(chē)視野，降低視野盲區(qū)，提升駕駛安全系數(shù)，有效的降低了駕駛事故發(fā)生率。