人眼視覺與汽車后視鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)

顧君杰

摘要：后視鏡是輔助車輛駕駛?cè)藛T對車輛后方以及兩側(cè)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行觀察的重要工具，在安全行駛中發(fā)揮著非常重要的作用。電動(dòng)后視鏡操作便捷，但在更換駕駛?cè)藛T時(shí)長需要多次調(diào)節(jié)以生成最佳后方視野。為了方便此項(xiàng)操作，本文在考慮人眼視覺的條件下，提出一種汽車后視鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合定位坐標(biāo)透視校正算法實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)校正，以達(dá)到駕駛?cè)藛T眼部最佳空間位置，并為汽車后視鏡角度轉(zhuǎn)換提供參考與支持，相關(guān)研究內(nèi)容需要引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與參考。

關(guān)鍵詞：汽車后視鏡;人眼視覺;設(shè)計(jì)

0? 引言

汽車后視鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過引入自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的方式滿足人眼視覺需求。通過對駕駛員人眼空間位置進(jìn)行定位的方式，計(jì)算汽車后視鏡的適宜角度，然后將調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)。在此過程中，如何達(dá)到精準(zhǔn)匹配的數(shù)據(jù)，是業(yè)內(nèi)人士高度重視的一項(xiàng)課題。本文即以此為研究背景，提出一種駕駛?cè)藛T人眼圖像定位矯正以及角度轉(zhuǎn)換的算法，通過攝像頭拍攝駕駛?cè)藛T圖像位置根據(jù)定位區(qū)域進(jìn)行選擇，并通過人眼識別的方式進(jìn)行人眼坐標(biāo)定位，可滿足圖像識別準(zhǔn)確率方面的要求，以下針對考慮人眼視覺條件下的汽車后視鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析。

1? 定位區(qū)域與攝像頭位置

駕駛?cè)藛T在駕駛汽車前需要調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)坐姿以確保車輛行駛的穩(wěn)定與安全，駕駛?cè)藛T身體需要與汽車方向盤保持對正關(guān)系，背部依靠駕駛座位且保持一定傾斜角度，以駕駛姿勢舒適為標(biāo)準(zhǔn)，角度保持豎直和110°，盡可能增加人體與座位靠椅間的接觸面積。正常行駛狀態(tài)下，駕駛?cè)藛T無需左右移動(dòng)身體，通過調(diào)節(jié)座椅前后距離的方式滿足駕駛需求。圖1為車輛駕駛?cè)藛T眼部移動(dòng)區(qū)域坐標(biāo)系統(tǒng)，在車輛內(nèi)部三維空間中，眼部僅在x軸、y軸方向發(fā)生變化，形成平面內(nèi)變化區(qū)域，因此駕駛?cè)藛T可以通過汽車后視鏡獲得最佳視野的眼部中心區(qū)域可以表達(dá)為（0，ymax）以及（xmax，0）。

為降低系統(tǒng)硬件成本，采用單個(gè)攝像頭對駕駛?cè)藛T進(jìn)行拍照，為確保眼部X軸以及y軸方向坐標(biāo)定位的精確性，在駕駛?cè)藛T前、右上方安裝攝像頭，與x軸，y軸均呈45°角，以最大限度控制誤差。本系統(tǒng)選用CMOS攝像頭工作模塊，假定安裝位置可確保采集圖像中覆蓋（0，ymax）以及（xmax，0）構(gòu)成區(qū)域的像素?cái)?shù)在70～100萬范圍內(nèi)，以80萬像素為例，假定采集圖像覆蓋區(qū)域?yàn)椋?，380mm）與（400mm，0），與之對應(yīng)圖像像素為985×812，則X軸向單個(gè)像素代表0.41mm，y軸向單個(gè)像素代表0.46mm，定位分辨率為0.46mm，不會對駕駛?cè)藛T汽車后視鏡調(diào)節(jié)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2? 定位坐標(biāo)透視校正算法

透視校正是根據(jù)所獲取圖像幾何結(jié)構(gòu)特征來定位圖像需矯正區(qū)域正視面的結(jié)構(gòu)特征。若單一對圖像進(jìn)行不同比例的縮放，則所生成圖像形態(tài)無法滿足透視校正的需求，還會導(dǎo)致原圖像中大量細(xì)節(jié)信息丟失。為解決該問題，就需要通過分析透視面與正視面的方式，探討變化所對應(yīng)的映射規(guī)律，以達(dá)到定位坐標(biāo)矯正處理的方式。因此，在考慮人眼視覺對汽車后視鏡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，最核心的問題就是將所給定標(biāo)準(zhǔn)采集圖像所對應(yīng)人眼定位區(qū)域轉(zhuǎn)換為真實(shí)移動(dòng)位置，通過P轉(zhuǎn)換的方式，轉(zhuǎn)換為有關(guān)圖像像素的坐標(biāo)變化問題。

在自P（x，y）轉(zhuǎn)換至■的過程當(dāng)中，當(dāng)人眼定位區(qū)域P初始位置產(chǎn)生改變時(shí)，該位置變化在真實(shí)移動(dòng)位置中同樣有相應(yīng)的改變，對該變化進(jìn)行建模，形成P以及所對應(yīng)的映射關(guān)系函數(shù)，即將每一個(gè)透視面I的點(diǎn)通過銀蛇關(guān)系函數(shù)形成與之對應(yīng)正視面的點(diǎn)，可以用■的方式進(jìn)行表示。利用這種方式，可以得到對于人員定位坐標(biāo)點(diǎn)x而言，至汽車駕駛?cè)藛T移動(dòng)空間位置坐標(biāo)點(diǎn)x′的映射關(guān)系，映射后點(diǎn)并非原始圖像中的像素點(diǎn)，而是在原始圖像采集范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換映射函數(shù)所生成的新像素點(diǎn)坐標(biāo)。對于透視面以及正視面而言，兩者間的映射關(guān)系是通過數(shù)字圖像中像素坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為另一離散圖像坐標(biāo)值的過程，在該情況下有較高的穩(wěn)定性，不會受到其他因素的影響。經(jīng)變換處理后，對于汽車駕駛?cè)藛T而言，人眼視覺范圍所定位的任意像素（x，y）而言，可以得到實(shí)際移動(dòng)空間內(nèi)所對應(yīng)的點(diǎn)位（x′，y′）。一般來說，在對原目標(biāo)坐標(biāo)位置進(jìn)行變化處理后，光柵點(diǎn)不處于對應(yīng)區(qū)域內(nèi)，源到目標(biāo)的變化情況如圖2所示。

結(jié)合上述分析可知，對于汽車駕駛?cè)藛T圖像而言，考慮人眼視覺情況下定位坐標(biāo)的變化能夠生成一個(gè)有效且真實(shí)的空間位置坐標(biāo)，且圖像連續(xù)，不會使離散像素位置映射而導(dǎo)致較大誤差，還確保了后視鏡視覺狀態(tài)的有效性。基于定位坐標(biāo)透視矯正算法的穩(wěn)定性高，信息連續(xù)完整，效果可靠。

3? 后視鏡角度轉(zhuǎn)換

考慮到汽車左右兩側(cè)后視鏡位置與車輛駕駛?cè)藛T的距離有所不同，因此在人眼視覺條件影響下，對汽車后視鏡的調(diào)節(jié)參數(shù)也存在一定的差異，獲得坐標(biāo)后視鏡調(diào)節(jié)關(guān)系也有所區(qū)別，但對后視鏡角度的計(jì)算方法是一致的，僅計(jì)算過程中引入系數(shù)有不同。以下對矯正后坐標(biāo)與汽車后視鏡角度關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，以汽車左側(cè)后視鏡駕駛?cè)藛T可得到最佳車外觀察視野為例。圖3所示為后視鏡鏡片內(nèi)外移動(dòng)范圍示意圖。結(jié)合圖3，在駕駛?cè)藛T眼部位置沿X軸向前或向后移動(dòng)時(shí)，所對應(yīng)后視鏡鏡片應(yīng)當(dāng)沿i軸中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)以后視鏡左側(cè)U點(diǎn)為基準(zhǔn)做向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)。在汽車后視鏡鏡片處于y=0情況下時(shí)，鏡片最外極限位置為0°，向內(nèi)旋轉(zhuǎn)至極限角度為a，此情況下駕駛?cè)藛T眼部位置向前移動(dòng)距離為xmax，因此駕駛?cè)藛T人眼視覺移動(dòng)距離與汽車后視鏡鏡片調(diào)節(jié)角度存在一定的相關(guān)性關(guān)系。

假定內(nèi)外調(diào)節(jié)參數(shù)為a，則有a=axmax。同時(shí)，在駕駛?cè)藛T眼部沿Y軸做上、下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏡片需要沿i軸中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，以V點(diǎn)位基準(zhǔn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)后視鏡鏡片在對應(yīng)x=0位置的情況下，后視鏡鏡片最上極限位置時(shí)設(shè)定為0°，極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度為β，則該條件下駕駛?cè)藛T眼部位置向上移動(dòng)距離為ymax。定義后視鏡鏡片上下調(diào)節(jié)參數(shù)為b，則有β=bymax。

4? 結(jié)束語

本文圍繞汽車后視鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，在考慮人眼視覺的條件下，通過對駕駛?cè)藛T在車輛內(nèi)移動(dòng)范圍的分析判斷人眼定位區(qū)域，并在單攝像頭方案下對拍攝所產(chǎn)生透視畸變進(jìn)行分析，引入定位坐標(biāo)透視校正算法對人眼定位坐標(biāo)進(jìn)行校正，算法具有良好的穩(wěn)定性，信息連續(xù)完整，效果可靠，通過算法得到正確的人眼空間位置坐標(biāo)，為汽車后視鏡角度轉(zhuǎn)換提供參考與支持。

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