CN102303563A - 前车碰撞预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种前车碰撞预警系统，包括电连接的前车识别单元，距离测量单元和报警单元；其中前车识别单元包括至少一个摄像头，用于接收并传递前方车辆信号；距离测量单元与前车识别单元连接，计算车体与前方车辆之间的距离和碰撞时间，当碰撞时间小于设定的阈值时，通过报警单元发出前车碰撞报警信号。前车碰撞预警方法的实现包括以下步骤：步骤1标定摄像单元，以接收前方车辆信号；步骤2检测的有效区域；步骤3通过连通分量分析法获取水平和垂直边缘，并进行整合；步骤4验证有效区域内是否有车辆；步骤5计算车体和前方车辆之间的距离，并判断是否发出报警指令；步骤6根据报警指令发出报警信号。

Description

前车碰撞预警系统及方法

【技术领域】

本发明涉及一种前车碰撞预警系统及方法。

【技术背景】

目前驾驶员因疏忽、疲劳、瞌睡或状态不集中的状况下导致的车道偏离事故和汽车追尾事故约占整个公路交通事故的60％-70％，死亡人数约占70％。据美国联邦公路局的估计，利用能检测车辆运行时的横向位置的系统和能检测到车辆运行时前车距离的系统将能大大降低这些交通事故的发生，因此，防前车碰撞系统的研究引起了各个国家的高度重视。

前车检测系统主要有以下几种方法：基于特征的识别方法、基于模型的识别方法、基于模式识别的识别方法等。基于特征的识别方法是直接运用车辆的一些属性特征，如颜色、形状、对称性，在图像中通过寻找车辆的特征进行匹配来完成车辆的检测；基于模型的识别方法是通过为车辆建立二维或三维的模型，然后在图像中进行搜索匹配，完成车辆的检测；基于模式识别的识别方法是通过采集大量样本，然后进行特征提取和机器学习，在图像中提取特征并进行车辆检测。目前，世界上有些国家已成功研制出一些各具特色的前车防碰撞系统，如：Mobileye_AWS系统、GOLD系统等。这些系统通过预先给驾驶员以警告信息，提醒驾驶员采取正确的操作措施，达到防止这类事故或者降低这类事故的伤害程度的目的。

然而，由于道路环境复杂，车辆种类多样，前车防撞预警系统不仅要有良好的实时性，而且还要有较强的鲁棒性。而现有的系统还不能很好的满足这些方面的要求，本发明提出了一种有较好实时性和鲁棒性的系统。

【发明内容】

针对上述问题，本发明提出一种前车碰撞预警系统，主要用于防止正在行驶的车辆与前车发生碰撞，所述系统包括电连接的：

前车识别单元，包括至少一个摄像头，用于接收并传递前方车辆信号；

距离测量单元，与所述前车识别单元连接，接收所述前方车辆信号，通过所述摄像头的畸变校正参数和安装位置，以及前方车辆位置信息，计算车体与前方车辆之间的距离和碰撞时间，当碰撞时间小于设定的阈值时，发出前车碰撞报警指令；

报警单元，与所述距离测量单元连接，接收所述报警指令，并发出相应的报警信号。

本发明进一步包括一种实现前车碰撞预警系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1标定摄像单元，以接收并传递前方车辆信号；

步骤2根据车辆行驶状态设置前方车辆检测的有效区域；

步骤3通过连通分量分析法获取水平和垂直边缘，并进行边缘整合；

步骤4验证有效区域内是否有车辆；

步骤5计算车体和前方车辆之间的距离，并判断是否发出报警指令；

步骤6根据报警指令发出报警信号。

其中所述步骤3可进一步包括以下步骤：

步骤31根据灰度变化特性，在有效区域内计算车辆的水平和垂直边缘的二值化图像；

步骤32分别在水平二值化图像和垂直二值化图像中使用连通分量分析，查找所有符合条件的水平和垂直边缘；

步骤33对获得的水平和垂直边缘分别进行整合，把相邻的水平边缘合并在一起，相邻的垂直边缘合并在一起；

步骤34对整合后的相邻水平和垂直边缘再次进行整合，形成多个可能出现车辆的候选区域。

其中所述步骤4可进一步包括以下步骤：

步骤41根据候选区域的熵值去除部分干扰候选区域；

步骤42根据车辆尾部的形状特征和灰度对称特征进一步确认候选区域；

步骤43确认候选区域是否为车辆。

其中步骤42可采用似然度函数来进一步确认候选区域，所述似然度函数表示为：

SimilarRate＝A*SymmetryRate+B*ModelRate

所述SimilarRate是最终的相似度数值；所述SymmetryRate为车辆尾部灰度对称性测度，所述A为车辆尾部灰度对称性测度在相似度函数中所设置的权值，所述Mode l Rate为车辆尾部模型测度，所述B为车辆尾部模型测度在相似度函数中所设置的占权值。

当所述步骤43中的某一候选区域为车辆时，其参数需满足以下公式：EntropyRate＞EntropyTh && SimilarRate＞SimilarTh && RealWidth＞WidthTh && RealHeight＞HeightTh && RealWidth＜γ*RealHeight &&RealHeight＜γ*RealWidth

其中EntropyRate为候选区域的熵值，EntropyTh为所述熵值的阈值，SimilarRate为候选区域的相似度度量，SimilarTh为车辆相似度必须满足的阈值；RealWidth和RealHeight分别为车辆的真实高度和宽度，WidthTh和HeightTh分别为车辆高度和宽度的阈值，γ为车辆宽度与高度的比值阈值。

所述步骤5中计算车体与前方车辆的方法为：

D＝h/tan(α+β)，β＝arctan[(y0-y)/f]

其中D为车体到前方车辆的实际距离；h为所述摄像头距离地面的高度；α为摄像头的俯仰角度；y0为光轴与像平面的交点纵坐标；y为前方车辆底部一点在像平面上投影点的纵坐标；f为摄像头焦距。

本发明不仅有良好的实时性，而且有较强的鲁棒性。这些系统通过预先给驾驶员以警告信息，提醒驾驶员采取正确的操作措施，达到防止这类事故或者降低这类事故的伤害程度的目的。

【附图说明】

图1为本发明的前车碰撞预警系统连接示意图；

图2为本发明的前车碰撞预警方法的流程示意图；

图3为本发明的计算车体与前方车辆距离的摄像模型示意图；

图4为本发明的硬件连接电路示意图。

【具体实施方式】

参见图1，本发明提出一种前车碰撞预警系统，主要用于防止正在行驶的车辆与前车发生碰撞，所述系统包括电连接的前车识别单元1，距离测量单元2和报警单元3；前车识别单元1包括至少一个摄像头11，用于接收并传递前方车辆信号及路况影像，进行前车的检测和识别；距离测量单元2与所述前车识别单元1连接，接收所述前方车辆信号，通过所述摄像头11的畸变校正参数和安装位置，以及前方车辆位置信息，计算车体与前方车辆之间的距离和碰撞时间，当碰撞时间小于设定的阈值时，发出前车碰撞报警指令；报警单元3与所述距离测量单元2连接，接收所述报警指令，并发出相应的报警信号。报警信号可以是声光信号。

本发明同时公布了一种实现前车碰撞预警系统的方法，该方法包括6个步骤，详述如下：

步骤1标定摄像头11，以接收并传递前方车辆信号。

摄像头11标定的目的主要是为了求的摄像头11的内外参数，用这些参数来计算车体与前方车辆之间的距离，以及计算前方车辆的真实高度和宽度等。摄像头11标定的方法比较成熟，而且有大量的文献对其进行了深入的讲解，这里便不在详细介绍。

步骤2根据车辆行驶状态设置前方车辆检测的有效区域。

由于摄像头11拍摄的影像上半部分是天空，左右区域大部分是栏杆或树木等，对检测前方车辆作用不大，需要检测的只是此时行驶的车辆正前方向左右分别延伸一部分以内的车辆，所以可将检测的有效区域范围设置为：上限是天地相交线，下限为车体和路面相交线之内的一个梯形区域。

步骤3通过连通分量分析法获取水平和垂直边缘，并进行边缘整合。

在有效区域内根据所述摄像头11采集到的一些图像的灰度变化特性，比如车辆底部阴影比路面灰度低的特性以及车辆左右边界的灰度变化特性，求出车辆的水平和垂直边缘的二值化图像；然后，分别在水平二值化图像和垂直二值化图像中使用连通分量分析，查找所有符合条件的水平和垂直边缘；再者，对获得的水平和垂直边缘分别进行整合，把相邻的水平边缘合并在一起，相邻的垂直边缘合并在一起；最后，对整合后的相邻水平和垂直边缘再次进行整合，形成多个可能出现车辆的候选区域，可用矩形来描述这些区域，这些矩形就是所有可能出现车辆的位置，我们称这些区域为候选区域

步骤4验证有效区域内是否有车辆。

首先利用候选区域的熵值去除一些干扰候选区域，完成车辆确认的第一步；然后根据车辆尾部的特征，同时融合车辆尾部的形状特征和灰度对称特征对车辆的候选区域进行进一步确认。在使用形状特征和灰度对称性特征进行候选区域确认时，可设计一个似然度函数，其值由候选区域的模型匹配度和灰度对称性来确定，表示为：

SimilarRate＝A*SymmetryRate+B*ModelRate

其中SimilarRate是最终的相似度数值；SymmetryRate为车辆尾部灰度对称性测度，A为车辆尾部灰度对称性测度在相似度函数中所占权值，可以取为2；Mode l Rate为车辆尾部模型测度，B为车辆尾部模型测度在相似度函数中所占权值，可以取1.5。

最后，如果一个候选区域被认为是车辆，必须满足：

EntropyRate＞EntropyTh && SimilarRate＞SimilarTh && RealWidth＞WidthTh && RealHeight＞HeightTh && RealWidth＜γ*RealHeight &&RealHeight＜γ*RealWidth

其中EntropyRate为候选区域的熵值，EntropyTh为所述熵值的阈值，可以取3.5-4.5之间的实数；SimilarRate为候选区域的相似度度量，SimilarTh为车辆相似度必须满足的阈值，可以取1.2-2.0之间实数；RealWidth和RealHeight是车辆真实高度和宽度；WidthTh和HeightTh是车辆宽度和高度阈值，它们的大小随位置不同而不同；γ为车辆宽度与高度的比值阈值，可以取2.0左右的实数。

步骤5计算车体和前方车辆之间的距离，并判断是否发出报警指令。

检测到前方的车辆后，如果在车体前方左右某个范围区域内有车辆，那么根据图3所述的摄像头11的成像模型，点P为车辆后端位置在世界坐标系中位置，(x，y)为点P在图像平面映射坐标，在地平面水平的前提下，根据三角函数可得，摄像头距前方车辆的距离D为：

D＝h/tan(α+β)，

其中β＝arctan[(Cy-y)/Fy]

式中，h为所述摄像头距离地面的高度；α为摄像垂直安装的俯仰角，经过测量可以得到，以度为单位；Cy为摄像头成像的中心的纵坐标，由摄像头生产厂家或经过摄像机标定得到；Fy是垂直方向上镜头以像素为单位的焦距，Fy＝f/(PiexlH)，其中f为摄像头焦距，mm为单位，PiexlH为一个像素的高度，以mm为单位，由摄像头生产厂家提供。

所以距前车距离D’为：

D’＝D-d1

其中d1为摄像头11到车辆保险杠的距离。

当计算出车体和前方车辆之间的距离后，可以通过该距离进一步计算车体与前车的碰撞时间间隔，当碰撞时间间隔小于某一设定阈值时，发出报警指令。

步骤6根据报警指令发出报警信号。

报警信号可以声光信号等引起驾驶者注意的提示信号。

如图4所示的硬件连接电路图，该系统的核心单元为控制单元5，其与其它各单元电连接，且其内部设有距离测量单元2和测速单元51，控制单元51可由数字媒体处理器DM6437组成；前车识别单元1由摄像头11和视频转换芯片12组成，将接收到的摄像信号传递至控制单元5，控制单元5经过其内部的距离测量单元2计算车体与前方车辆的距离后，通过测速单元51计算与前方车辆的碰撞时间，当碰撞时间间隔小于某一设定阈值时，向报警单元3发出报警指令，报警单元3根据报警指令发出报警信号，报警单元3可由音频处理电路31和扬声器32组成。

该系统还可包括显示单元4，用于显示车体和前车距离、车速或碰撞时间间隔及合成后影像等信息，可由LCD显示屏组成。

该系统还可包括存储单元7，可采用DDR2或Flash等方式存储。

各个模块由系统电源6提供动力，并在控制单元5的协调下工作。

系统的程序可存放在存储单元7中，存储单元7中还可储存摄像头11的校正参数等信息。由摄像头11拍摄的路面模拟视频信号，经过视频转换芯片12后转换为数字信号输入到控制单元5中；控制单元5在图像数字信号中检测前方车辆，如果检测到车体前方有车辆，那么计算此时车体和前车的距离，进而计算发生碰撞的时间间隔，若该时间间隔小于设定阈值，产生一个前车碰撞报警指令；当系统检测到有任何报警指令产生时，通过报警单元3，发出声音提示驾驶者注意安全；同时相应的信息通过显示单元4显示出来。

本发明不仅有良好的实时性，而且有较强的鲁棒性。这些系统通过预先给驾驶员以警告信息，提醒驾驶员采取正确的操作措施，达到防止这类事故或者降低这类事故的伤害程度的目的。

Claims (10)

1.一种前车碰撞预警系统，其特征在于：所述系统包括电连接的：

前车识别单元，包括至少一个摄像头，用于接收并传递前方车辆信号；

距离测量单元，与所述前车识别单元连接，接收所述车辆信号，通过所述摄像头的畸变校正参数和安装位置，以及前方车辆位置信息，计算车体与前方车辆之间的距离和碰撞时间，当碰撞时间小于设定的阈值时，发出前车碰撞报警指令；

报警单元，与所述距离测量单元连接，接收所述报警指令，并发出相应的报警信号。

2.一种实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1标定摄像单元，以接收并传递前方车辆信号；

步骤2根据车辆行驶状态设置前方车辆检测的有效区域；

步骤3通过连通分量分析法获取水平和垂直边缘，并进行边缘整合；

步骤4验证有效区域内是否有车辆；

步骤5计算车体和前方车辆之间的距离，并判断是否发出报警指令；

步骤6根据报警指令发出报警信号。

3.如权利要求2所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述步骤3进一步包括以下步骤：

步骤31根据所述摄像头采集到的图像的灰度变化特性，在有效区域内计算车辆的水平和垂直边缘的二值化图像；

步骤32分别在水平二值化图像和垂直二值化图像中使用连通分量分析，查找所有符合条件的水平和垂直边缘；

步骤33对获得的水平和垂直边缘分别进行整合，把相邻的水平边缘合并在一起，相邻的垂直边缘合并在一起；

步骤34对整合后的相邻水平和垂直边缘再次整合，形成多个可能出现车辆的候选区域。

4.如权利要求3所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述步骤4进一步包括以下步骤：

步骤41根据候选区域的熵值去除部分干扰候选区域；

步骤42根据车辆尾部的形状特征和灰度对称特征进一步确认候选区域；

步骤43确认候选区域是否为车辆。

5.如权利要求4所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述步骤42采用似然度函数来进一步确认候选区域，所述似然度函数表示为：

SimilarRate＝A*SymmetryRate+B*Mode l Rate

其中SimilarRate是最终的相似度数值；SymmetryRate为车辆尾部灰度对称性测度，A为车辆尾部灰度对称性测度在相似度函数中所设置的权值，Mode l Rate为车辆尾部模型测度，B为车辆尾部模型测度在相似度函数中所设置的占权值。

6.如权利要求5所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述A设置为2，所述B设置为1.5。

7.如权利要求4所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述步骤43中的候选区域为车辆时，其参数满足以下公式：

EntropyRate＞EntropyTh && SimilarRate＞SimilarTh && RealWidth＞WidthTh && RealHeight＞HeightTh && RealWidth＜γ*RealHeight &&RealHeight＜γ*RealWidth

其中EntropyRate为候选区域的熵值，EntropyTh为所述熵值的阈值，SimilarRate为候选区域的相似度度量，SimilarTh为车辆相似度满足的阈值；RealWidth和RealHeight分别为车辆的高度和宽度，WidthTh和HeightTh分别为车辆高度和宽度的阈值，γ为车辆宽度与高度比值的阈值。

8.如权利要求7所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述EntropyTh为3.5～4.5之间的实数，所述SimilarTh为1.2～2.0之间实数。

9.如权利要求7所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述γ为1.0～3.0。

10.如权利要求2所述的实现前车碰撞预警的方法，其特征在于：所述步骤5中计算车体与前方车辆之间距离的方法为：

步骤51，计算参数β：β＝arctan[(Cy-y)/Fy]，其中Cy为所述摄像头成像中心的纵坐标；Fy为垂直方向上镜头以像素为单位的焦距；

步骤52，计算所述摄像头到前方车辆的距离：D＝h/tan(α+β)，其中h为所述摄像头距离地面的高度，α为所述摄像头垂直安装的俯仰角；

步骤53，计算车体到前方车辆的距离：D’＝D-d1，

其中d1为所述摄像头到车体保险杠的距离。

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