Системы ночного видения в автомобиле

Системы ночного видения в автомобиле

Системы ночного видения в автомобиле – это системы, направленные на обнаружение и предупреждение водителя о препятствиях в ночное время. Системы ночного видения уже давно и активно используются на военной технике. На гражданские автомобили это оборудование попало совсем недавно и применяется оно в системе безопасности автомобиля.

 

 

В темное время суток следующие два фак­тора накладывают ограничение на зритель­ные способности водителя. Во-первых, несмотря на современные источники осве­щения такие, как галогенные или ксеноновые лампы, освещенная зона остается достаточно ограниченной. Например, дальность освеще­ния от обычной фары ближнего света состав­ляет всего 40-50 м. Хотя включение дальнего света позволяет увеличить дальность обзора до 120-150 м, дорожная ситуация (ослепле­ние фарами встречных машин) не позволяет пользоваться им слишком часто.

Во-вторых, цвет и контраст объектов в темноте и при дневном свете различны, а способность различать объекты в темноте часто значительно уменьшена. Пешехода в темной одежде, например, обычно трудно за­метить, даже, если он находится в пределах дальности ближнего света фар. Поэтому си­стемы ночного видения помогают повысить безопасность дорожного движения.

 

 

Системы дальней инфракрасной области спектра

 

Принцип действия

 

Сравнение систем дальней и ближней инфракрасной области спектраСистемы ночного видения, работающие в дальней инфракрасной области спектра (FIR) используются в военной области уже многие годы. В области гражданского автомоби­лестроения они впервые были применены в 2000 году в США. В них используется ин­фракрасная камера, которая обнаруживает тепловое излучение объектов в диапазоне длин волн 7-12 мкм (рис. «Сравнение систем дальней и ближней инфракрасной области спектра, а» ). Таким обра­зом, это — пассивные системы, не требующие дополнительных источников излучения для подсвечивания объектов.

Пироэлектрическая инфракрасная камера или микроболометрическая камера (камера, обнаруживающая сердечные сокращения) чувствительна только в диапазоне длин волн 7-12 мкм. Поскольку ветровое стекло непро­зрачно для этих длин волн, камера должна быть установлена снаружи автомобиля.

В инфракрасных камерах используются рассеиватели на основе германия. В настоя­щее время в разработке находится стекло марки «ТеХ» с высоким содержанием герма­ния и соответствующей дальностью передачи излучения.

Имеющиеся на данный момент камеры имеют разрешающую способность QVGA (четвертичная логическая матрица видеогра­фики, 320 х 240 пикселов). Сигналы, посту­пающие от камеры, обрабатываются в ЭБУ. Получаемый видеосигнал переда­ется на дисплей, установленный, например, в комбинации приборов; на нем можно увидеть тепловое изображение.

Видеодисплей

 

Тепловые объекты показываются на изобра­жении в виде световых контуров на темном (холодном) фоне, причем, кон­трастность увеличивается в зависимости от температурной разницы между объектом и окружающим воздухом. Однако изображе­ние на видеодисплее выглядит довольно не­типично, т.к. отличается от обычной картины, видимой глазами.

Системы ближней инфракрасной области спектра

 

Системы ближней инфракрасной области спектра (NIR) измеряют тепловое излучение с длинами волн, близкими к видимому спектру. Однако, объекты не производят излучения в этом диапазоне длин волн. Поэтому применяется подсветка инфракрасными фарами. Таким образом, такие системы являются активными. Инфракрасная камера воспринимает изображение, т.е. инфракрас­ное излучение, отраженное от объектов. Изо­бражение передается в ЭБУ, откуда, в свою очередь, обработанное изображение отправ­ляется на дисплей (например, на приборной панели). Водитель видит изображение теку­щей дорожной обстановки.

Системы на основе NIR впервые были вне­дрены в 2003 году в Японии, с упрощенным изображением на видеодисплее и с использо­ванием традиционных технологий ПЗС-камер (CCD). В 2005 году система ночного видения на основе NIR со значительно улучшенными характеристиками была впервые установлена на автомобилях марки «Mercedes S-Class» (система ночного видения).

 

 

Принцип работы

 

Системы ночного видения в ближней инфра­красной области спектра используют раз­личие в спектральной чувствительности че­ловеческого глаза и электронной камеры на кремниевой основе. Спектральная чувстви­тельность человеческого глаза описывается кривой V(λ) (рис. «Спектральная чувствительность» ) и действует в диапазоне длин волн от 380 нм. (фиолетовый) до 780 нм. (красный). Максимальная чувствитель­ность проявляется на длине волны 550 нм. (зеленый). По сравнению с этим, спектраль­ная чувствительность камеры простирается гораздо дальше в сторону длинных волн, вплоть до 1000 нм.

 

Спектральная чувствительность

 

Инфракрасные фары

 

Дальность действия системы ночного виденияГалогенные лампы, обычно используемые в автомобильных фарах, имеют высокую долю инфракрасного излучения. Оно простирается от пределов видимого спектра (380-780 нм) до длин волн 2000 нм и выше, с максимумом между 900 и 1000 нм. Верхний предел чув­ствительности кремниевых элементов видео­камеры -1100 нм.

Обычные галогенные фары дальнего света используются в качестве инфракрасных фар. На них устанавливается дополнительный фильтр на пути луча, который задерживает видимый свет, не сильно уменьшая полез­ную инфракрасную составляющую (рис. «Спектральная чувствительность» ). Человеческий глаз не видит такое излучение.

Такие инфракрасные фары имеют сход­ную дальность и углы освещения также как у обычных фар дальнего света; таким обра­зом, достигается сходная дальность обзора, но при этом свет не слепит других участников движения (рис. «Дальность действия системы ночного видения» ).

Принципиальная схема системы ночного виденияК выбору характеристик фильтра предъ­являются противоречивые требования. Спек­тральная чувствительность камеры умень­шается с увеличением длины волны. Чтобы суметь использовать ее рабочий диапазон, край фильтра для малых длин волн должен находиться близко к линии края видимого луча света. С другой стороны, для того чтобы фары не были красного цвета (что запрещено нормативно), край фильтра должен быть сдвинут к большим длинам волн. Можно удо­влетворить обоим требованиям, тщательно выбирая интенсивность излучения в видимом диапазоне, положение края фильтра и угол его наклона.

Инфракрасные фары либо встраиваются в модуль фар, либо устанавливаются от­дельно, например, на переднем бампере ав­томобиля (рис. «Принципиальная схема системы ночного видения» ).

 

 

Камеры

 

Неблагоприятные условия освещенности с высокими контрастами — темнота и очень яркий свет, например, от фар встречного транспорта — предъявляют очень высокие требования к защитным свойствам рассеи­вателя камеры, а также к самой камере. Чув­ствительность камеры в темноте определяет дальность действия системы обзора; дина­мика чувствительности в значительной мере определяется устойчивостью к ослеплению.

Чипы CCD (ПЗС: прибор с зарядовой свя­зью) имеют очень хорошую чувствительность в темноте, но, как правило, обладают недо­статочной динамикой светочувствительности без применения дополнительных мер. Имею­щиеся чипы CMOS (КМОП: комплементарный метало-оксидный полупроводник) имеют немного меньшую чувствительность, зато их динамика светочувствительности достигает 100 дБ и выше. Благодаря регулируемым кривым с нелинейным характеристиками, эти камеры легко настраиваются для изме­няющихся условий освещенности.

Подсвечивание дороги излучением в диапазоне длин волн между 700 и 1000 нм (инфракрасное излучение) дает для камеры полезный сигнал, зависящий от интенсивно­сти освещения и спектральной отражатель­ной способности окружающей обстановки.

Принцип включения инфракрасных фар

 

Один из важных аспектов работы камеры — это автоматическое включение инфракрас­ных фар. Они излучают свет высокой интен­сивности, слишком яркий для человеческого глаза; в лучшем случае, человеческий глаз может воспринимать его в течение очень не­продолжительного времени. Чтобы уберечь глаза от внезапного включения света на близ­ком расстоянии, автоматическое включение инфракрасных фар происходит только, на­чиная с определенной скорости в дополнение к фарам ближнего света, которые уже вклю­чены. Если скорость падает ниже заданного порога, они автоматически выключаются. При этом исключается критическая комбина­ция длительного воздействия света и близо­сти к его источнику. В дополнение к этому, инфракрасные фары включаются только в том случае, если фары ближнего света тоже включены. Таким образом, задействуется рефлекс моргания при взгляде на фары, что значительно уменьшает вред для глаз.

 

 

Характеристики системы системы ближней инфракрасно области

 

Системы, использующиеся до настоящего времени, выдают обработанное изображение с камеры (и в дальней, и в ближней инфра­красной области спектра) на монитор, имею­щий достаточные графические возможности, установленный на приборной панели или на центральной консоли. В японских автомоби­лях также принято передавать изображение в индикационный блок на ветровом стекле.

При установке монитора в автомобиле важно найти такое место, чтобы он находился как можно ближе к ветровому стеклу или не слишком далеко от нормального поля зрения водителя, чтобы водителю не приходилось отвлекаться от дороги слишком надолго. В отношении последнего соображения, наи­лучшее положение монитора — на приборной панели.

Новые методики обработки изображений позволяют идентифицировать пешеходов по типичным очертаниям (область головы и плеч). Поэтому возможно высветить изо­бражение пешехода на мониторе и облегчить водителю выявление опасной ситуации. Это особенно важно для систем дальней инфра­красной области спектра, поскольку изо­бражение на них, в силу своей необычности, труднее интерпретировать, чем изображение с камеры в ближней инфракрасной области спектра. Это важно еще и потому, что боль­шинство тяжелых аварий случается ночью. Таким образом, эти системы могут помочь значительно снизить количество ночных ава­рий с участием пешеходов. Такие системы с возможностью идентификации пешеходов, основанные на обеих технологиях (ближней и дальней инфракрасной области спектра), теперь устанавливаются в стандартной ком­плектации на автомобилях, производимых в Германии.

Перспективы дальнейшего развития

 

В будущем способность систем ночного виде­ния идентифицировать и классифицировать объекты будет улучшаться, так что станет возможно обойтись без видеодисплея и по­давать предупреждения водителю только относительно препятствий, находящихся на полосе движения или поблизости.

Без сомнения, наилучший способ подачи информации от систем ночного видения — трансляция на ветровое стекло, поскольку водитель может считывать информацию от­туда, не отрывая взгляд от дороги. Однако индикация на лобовом стекле не должна быть перегружена информацией, т.е. там не должно быть видеоизображений. Проекция предупредительного символа, специфиче­ского для той или иной дорожной ситуации, на ветровое стекло — это, вероятно, опти­мальное решение.

Система диапазона NIR имеет то преиму­щество, что с ее помощью можно реали­зовать дополнительные функции помощи водителю на основе видеоинформации, а также обеспечения безопасности дорожного движения; не требуется устанавливать других устройств, чем те, которые уже используются в системе ночного видения. В будущем это позволить значительно снизить стоимость внедрения тех или иных функций.

В следующей статье я расскажу о регистрирующей аппаратуре в автомобиле.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *