引言
隨著我國(guó)道路交通事業(yè)發(fā)展迅猛，汽車(chē)保有量已超過(guò)1.5億輛，并且保持繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。道路交通運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展為我國(guó)的運(yùn)輸事業(yè)提供了強(qiáng)有力的支撐，但同時(shí)也帶來(lái)了巨大的交通安全" title="安全">安全隱患。道路交通事故已成為各種事故之首，是建立交通運(yùn)輸安全可持續(xù)發(fā)展的交通體系的重大阻礙。因此，通過(guò)技術(shù)" title="技術(shù)">技術(shù)手段建立道路交通安全保障" title="保障">保障系統(tǒng)以減少交通事故是是當(dāng)務(wù)之急。本文在剖析駕駛過(guò)程中駕駛員視覺(jué)" title="視覺(jué)">視覺(jué)功能的基礎(chǔ)上，對(duì)基于車(chē)載" title="車(chē)載">車(chē)載機(jī)器" title="機(jī)器">機(jī)器視覺(jué)的各種汽車(chē)安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹與分析，并展望該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
1 駕駛過(guò)程描述
根據(jù)人行為的刺激—機(jī)體一反應(yīng)經(jīng)典模式，駕駛汽車(chē)的行為可分為三個(gè)階段，如圖1所示，即感知階段、判斷決策階段和操作階段。在感知階段，駕駛員對(duì)實(shí)時(shí)的交通狀態(tài)信息進(jìn)行獲取和初步理解，通過(guò)感覺(jué)器官感知汽車(chē)的運(yùn)行環(huán)境條件；在判斷決策階段，駕駛員結(jié)合駕駛經(jīng)驗(yàn)和技能，通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)分析判斷，確定有利于汽車(chē)安全行駛的措施；在操作階段，駕駛員依據(jù)判斷決策，通過(guò)運(yùn)動(dòng)器官作出實(shí)際反應(yīng)和行動(dòng)。汽車(chē)行駛時(shí)，駕駛行為是這三個(gè)階段所組成的一個(gè)不斷往復(fù)進(jìn)行的信息處理過(guò)程，也就是感知作用于判斷決策從而影響到操作。感知階段是保證安全駕駛的基礎(chǔ)。如果沒(méi)有感知到準(zhǔn)確和及時(shí)的環(huán)境信息，極有可能導(dǎo)致判斷決策和動(dòng)作的失誤，釀成交通事故。在感知階段獲取信息主要靠視覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，其中80%以上是通過(guò)駕駛員視覺(jué)獲取信息的。駕駛視覺(jué)直接影響感知信息量的廣度、深度和準(zhǔn)確性，因此，駕駛員的視覺(jué)特性與行車(chē)安全有直接的聯(lián)系?；谲?chē)載機(jī)器視覺(jué)的汽車(chē)安全輔助駕駛技術(shù)旨在提高駕駛員視覺(jué)效能，通過(guò)改善視覺(jué)和駕駛行為的關(guān)系，并輔助駕駛以減少因視覺(jué)原因帶來(lái)不當(dāng)操作，從而使人-車(chē)-路系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，提高車(chē)輛的主動(dòng)安全性。
2 車(chē)輛外部信息的機(jī)器視覺(jué)輔助駕駛技術(shù)
人眼的作用能力是有限的，獲得通過(guò)一系列車(chē)輛外部信息的機(jī)器視覺(jué)輔助駕駛技術(shù)可以提高視覺(jué)適應(yīng)性、增加視覺(jué)范圍、增強(qiáng)視覺(jué)理解深度。從車(chē)輛操作過(guò)程來(lái)劃分，車(chē)輛外部信息的機(jī)器視覺(jué)輔助駕駛技術(shù)的研究包括：駕駛環(huán)境的視覺(jué)增強(qiáng)與擴(kuò)展和駕駛環(huán)境的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別。
2.1 駕駛環(huán)境的視覺(jué)增強(qiáng)與擴(kuò)展及顯示
2.1.1 視覺(jué)增強(qiáng)
視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)中先進(jìn)車(chē)輛控制技術(shù)之一，能夠提供在不同氣候（霧天，雨天，沙塵）、一天中不同的時(shí)間的增強(qiáng)駕駛員視覺(jué)。一般有兩種增強(qiáng)方法：①通過(guò)傳感器感知系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控道路交通環(huán)境，處理信息而得到實(shí)時(shí)道路交通狀況，并將相關(guān)的視覺(jué)信息提供給駕駛員，從而達(dá)到智能視覺(jué)增強(qiáng)的目的；②通過(guò)改善駕駛員的視覺(jué)環(huán)境，提高駕駛員視覺(jué)效果。主要是除去擋風(fēng)玻璃上的雨水和霜、提高汽車(chē)前照燈的智能化等，達(dá)到增強(qiáng)低能見(jiàn)度、低照度等不利條件下的駕駛員視覺(jué)目的。
利用人眼的視覺(jué)特性，采用CCD、紅外傳感器、車(chē)速傳感器、GPS及毫米波雷達(dá)等傳感器獲取道路信息，進(jìn)行信息處理和融合，提取低能見(jiàn)度、低照度下交通環(huán)境的有用信息并剔除噪聲，并以圖像的形式提供給駕駛員。低能見(jiàn)度視覺(jué)增強(qiáng)系統(tǒng)最早應(yīng)用在飛機(jī)著陸中，二十世紀(jì)80年代末期至90年代初期，人們提出了視景系統(tǒng)（VisionSystem）概念。采用不同手段和不同綜合方法構(gòu)成的視景系統(tǒng)分為：
?。?）傳感器視景系統(tǒng)（SensorVS）
前視傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)到的駕駛艙外視見(jiàn)景象，可以由單傳感器生成或多傳感器綜合，其視景接近真實(shí)世界的自然景象。
?。?）合成視景系統(tǒng)（SVS）
由地形數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的地形模型構(gòu)建的虛擬視景稱(chēng)為合成視景（SV）。
（3）增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）
傳感器視景和合成視景的疊合稱(chēng)為增強(qiáng)視景（Enhancedvision）。既有實(shí)時(shí)探測(cè)到的自然視景，也有數(shù)據(jù)庫(kù)生成的虛擬視景，兩者匹配疊合，即利用虛擬視景的深刻輪廓線去增強(qiáng)模糊視景，包括了SensorVS和SVS兩個(gè)系統(tǒng)，它們?cè)趷毫拥臍庀髼l件下可以增強(qiáng)窗外視景的可見(jiàn)性[1]。
2.1.2 視覺(jué)擴(kuò)展
視覺(jué)擴(kuò)展是對(duì)駕駛員視覺(jué)進(jìn)行補(bǔ)償，運(yùn)用視覺(jué)等傳感器擴(kuò)展駕駛員視野范圍，如福特公司的CamCar，采用多個(gè)微小的攝像機(jī)和三個(gè)可切換的視頻顯示屏為駕駛員提供了前、后視線，方便停車(chē)時(shí)的操作，提高在擁擠的交通中行駛的安全性。CamCar的技術(shù)特點(diǎn)包括：
?。?）前向攝像機(jī)系統(tǒng)。
裝在汽車(chē)的兩側(cè)，提供繞過(guò)障礙物的視野。覆蓋角可達(dá)22°，在300m的距離上相當(dāng)于116m寬的視場(chǎng)。
（2）增強(qiáng)的側(cè)面視野。
CamCar攝像機(jī)系統(tǒng)的第二個(gè)部分由兩臺(tái)后向攝像機(jī)組成，這兩臺(tái)攝像機(jī)不間斷地提供相鄰車(chē)道的后向視野。其覆蓋范圍比傳統(tǒng)的后視鏡寬廣得多。這樣，駕駛員在換道前就能對(duì)后面駛來(lái)的車(chē)輛加以監(jiān)測(cè)。這種后向視野事實(shí)上沒(méi)有盲點(diǎn)。后向攝像機(jī)裝在汽車(chē)側(cè)面，和側(cè)視鏡差不多。其鏡頭可以提供一個(gè)較廣闊的視野，每側(cè)攝像機(jī)的覆蓋角為49°。
?。?）車(chē)后全景視圖。
CamCar的后向視野是通過(guò)精確設(shè)計(jì)安裝在車(chē)后的4個(gè)微型攝像機(jī)得到加強(qiáng)。4個(gè)攝像機(jī)呈扇形展開(kāi)，以4個(gè)分開(kāi)的圖像，來(lái)捕獲車(chē)后一個(gè)很寬的區(qū)域內(nèi)的路面情況。這些圖像被送入一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序中進(jìn)行比較和疊加，然后合成一個(gè)無(wú)縫的全景視圖，總覆蓋角可達(dá)160°。
2.1.3 顯示技術(shù)
道路環(huán)境圖像顯示和道路環(huán)境報(bào)警設(shè)備是駕駛員和車(chē)輛間交互的接口，其設(shè)計(jì)應(yīng)具有良好的人因特性。目前車(chē)載的信息顯示設(shè)備主要有兩種：低頭顯示器（headdowndisplay）和抬頭顯示器（head-updisplay），其中低頭顯示器主要應(yīng)用在車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)和多媒體系統(tǒng)中，其設(shè)計(jì)與應(yīng)用比較成熟。如福特公司的CamCar的儀表板上設(shè)有三個(gè)視頻顯示屏，一個(gè)中心顯示屏和兩個(gè)側(cè)面附加顯示屏。顯示的圖像可以根據(jù)具體情況加以改變，以便為駕駛員提供最重要的信息。而抬頭顯示器多用于汽車(chē)安全輔助駕駛顯示系統(tǒng)中，可便于駕駛員在汽車(chē)高速行駛時(shí)，快速瀏覽屏幕上的道路環(huán)境與警示信息，其設(shè)計(jì)尚處于開(kāi)發(fā)、完善階段。
2.2 駕駛環(huán)境的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別
駕駛環(huán)境的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別是更高一級(jí)的汽車(chē)安全輔助駕駛技術(shù)，通過(guò)圖像傳感器識(shí)別道路環(huán)境參數(shù)并判別行車(chē)的安全性，主要包括：車(chē)道檢測(cè)、車(chē)輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、道路標(biāo)志檢測(cè)等。
2.2.1 車(chē)道檢測(cè)
目前車(chē)道檢測(cè)多通過(guò)道路標(biāo)線、道路邊緣的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，在車(chē)道檢測(cè)中典型的駕駛安全輔助系統(tǒng)有車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)（LaneDepartureWarningSystem）和轉(zhuǎn)彎減速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)由攝像機(jī)、速度傳感器、信息處理系統(tǒng)、方向盤(pán)調(diào)節(jié)器、報(bào)警系統(tǒng)等組成。車(chē)輛一旦有偏離車(chē)道的傾向，便會(huì)通過(guò)指示燈及蜂鳴器向駕駛員報(bào)警。當(dāng)根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)向燈操作斷定為有意識(shí)地進(jìn)行車(chē)道變更時(shí)，便會(huì)暫時(shí)停止報(bào)警?？汕袛嘞到y(tǒng)開(kāi)關(guān)，但車(chē)輛再次起動(dòng)時(shí)系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)開(kāi)始工作。車(chē)道偏離報(bào)警系統(tǒng)多采用單目攝像機(jī)探測(cè)道路標(biāo)線圖像，為增加系統(tǒng)檢測(cè)道路標(biāo)線的可靠性，日本汽車(chē)研究所ITS中心探索利用雙目CCD攝像機(jī)和實(shí)時(shí)差分GPS系統(tǒng)檢測(cè)運(yùn)行車(chē)輛偏離道路標(biāo)線情況。
2.2.2 車(chē)輛檢測(cè)
車(chē)輛檢測(cè)是利用各種傳感器探測(cè)前方、側(cè)方、后方的車(chē)輛的信息，包括前后方車(chē)輛速度、位置以及障礙物的大小位置等。與此相關(guān)的汽車(chē)駕駛安全輔助支持系統(tǒng)有自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC，adaptivecruisecontrolsystem）、前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（FCW，F(xiàn)orwardCollisionWarning）、橫向碰撞預(yù)警系統(tǒng)（LDW，LateralDriftWarning），泊車(chē)輔助系統(tǒng)（ParkingAssistanceSystem）。在ACC和FCW中采用77GHZ微波雷達(dá)或攝像機(jī)采集道路前方信息，并融合道路幾何線形、電子地圖數(shù)據(jù)作為汽車(chē)巡航控制的輸入信號(hào)或顯示給駕駛員。在LDW中采用攝像機(jī)、前方探測(cè)雷達(dá)、側(cè)向探測(cè)雷達(dá)采集本車(chē)前向和側(cè)向信息，并融合道路寬度等數(shù)據(jù)，作為L(zhǎng)DW系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)。在泊車(chē)輔助系統(tǒng)中采用超聲傳感器或雷達(dá)探測(cè)本車(chē)后方與側(cè)方的障礙物信息，并顯示給駕駛員。在日本的ASV（AdvancedSafetyVehicle）、美國(guó)的IVI（IntelligentVehicleInitiative）、歐洲的e-Safety項(xiàng)目中ACC、FCW、LDW、泊車(chē)輔助系統(tǒng)等均有研究。
2.2.3 交通標(biāo)志的探測(cè)
道路交通標(biāo)志為重要的道路交通安全附屬設(shè)施，可向駕駛員提供各種引導(dǎo)和約束信息。
駕駛員實(shí)時(shí)地正確地獲取交通標(biāo)志信息，可保障行車(chē)更加安全。在汽車(chē)安全輔助駕駛系統(tǒng)中交通標(biāo)志的探測(cè)是通過(guò)圖像識(shí)別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。戴姆勒·克萊斯勒公司目前正開(kāi)展新一代圖像識(shí)別系統(tǒng)研究，該系統(tǒng)在道路標(biāo)志方法上首先對(duì)形狀進(jìn)行判斷，然后再讀取上述形狀中的文字和圖形信息，以做出最終判斷。在難以對(duì)標(biāo)志進(jìn)行判斷時(shí)，駕駛員也可利用事先記錄的道路標(biāo)識(shí)相關(guān)電子地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。寶馬公司在ADAS（AdvancedDriverAssistanceSystems）項(xiàng)目研究中，也利用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了交通標(biāo)志的研究，此外日本豐田公司也積極進(jìn)行交通標(biāo)志自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的研發(fā)。國(guó)外，許多研究人員在交通標(biāo)志圖像識(shí)別算法研究中進(jìn)行了多方面的探索。交通標(biāo)志圖像識(shí)別包括交通標(biāo)志定位（即確定感興趣區(qū)域）、分類(lèi)器設(shè)計(jì)等幾個(gè)過(guò)程。交通標(biāo)志與背景的顏色以及交通標(biāo)志的形狀在交通工程標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定，因此可根據(jù)交通標(biāo)志顏色和形狀進(jìn)行定位研究。由于交通標(biāo)志種類(lèi)多，拍攝交通標(biāo)志圖像環(huán)境影響因素多，在交通標(biāo)志模式分類(lèi)器設(shè)計(jì)研究中多為非線性分類(lèi)器。交通標(biāo)志形態(tài)骨架，并利用匹配算法識(shí)別交通標(biāo)志。
2.2.4 行人檢測(cè)技術(shù)
車(chē)輛輔助駕駛系統(tǒng)中基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的行人檢測(cè)是指利用安裝在運(yùn)動(dòng)車(chē)輛上的攝像機(jī)獲取車(chē)輛前面的視頻信息，然后從視頻序列中檢測(cè)出行人的位置。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的行人檢測(cè)系統(tǒng)一般包括ROIs分割和目標(biāo)識(shí)別兩個(gè)模塊。ROIs分割的目的是快速確定行人可能出現(xiàn)的區(qū)域，縮小搜索空間，目前常用的方法是采用立體攝像機(jī)或雷達(dá)的基于距離的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于速度比較快。目標(biāo)識(shí)別的目的是在ROIs中精確檢測(cè)行人的位置，目前常用的方法是基于統(tǒng)計(jì)分類(lèi)的形狀識(shí)別方法，其優(yōu)點(diǎn)在于比較魯棒。由于它在行人安全方面的巨大應(yīng)用前景，歐盟從2000年到2005年連續(xù)資助了PROTECTOR和SAVE-U項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)了兩個(gè)以計(jì)算機(jī)視覺(jué)為核心的行人檢測(cè)系統(tǒng)；意大利Parma大學(xué)開(kāi)發(fā)的ARGO智能車(chē)也包括一個(gè)行人檢測(cè)模塊；以色列的MobilEye公司開(kāi)發(fā)了芯片級(jí)的行人檢測(cè)系統(tǒng)；日本本田汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)了基于紅外攝像機(jī)的行人檢測(cè)系統(tǒng)；在國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)也在該領(lǐng)域做了許多研究工作。
3 車(chē)輛內(nèi)部信息的機(jī)器視覺(jué)輔助駕駛技術(shù)
車(chē)輛內(nèi)部信息的機(jī)器視覺(jué)輔助駕駛技術(shù)是通過(guò)車(chē)載的視像機(jī)判別駕駛員的狀態(tài)、位置等信息，實(shí)施必要的安全保障措施，包括駕駛員視線調(diào)節(jié)以及駕駛疲勞檢測(cè)等。
3.1 視線調(diào)節(jié)
駕駛員的視線調(diào)節(jié)是使每位駕駛員的眼睛處于同樣的相對(duì)高度上，保證提供一個(gè)對(duì)路面和周?chē)?chē)道的無(wú)阻礙視野和最好的視見(jiàn)度，從而保障駕駛安全。該技術(shù)包括：
（1）眼位傳感器可以測(cè)定駕駛員眼睛的位置，然后據(jù)此確定、調(diào)節(jié)座椅的位置；
?。?）電機(jī)將座椅自動(dòng)升降到最佳高度上，為駕駛員提供能夠掌握路面情況的最佳視線；
?。?）電機(jī)自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)向盤(pán)、踏板、中央控制臺(tái)甚至地板高度，提供盡可能舒適的駕駛位置。在一些高檔轎車(chē)上視線調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)得到應(yīng)用，如沃爾沃視線調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由位于風(fēng)窗上飾板內(nèi)的一個(gè)視頻攝像機(jī)掃描駕駛員的座椅區(qū)域以查找一個(gè)代表駕駛員臉部的模式，進(jìn)而對(duì)駕駛員臉部進(jìn)行掃描以確定其眼睛的位置，然后再找出各眼的中心，完成這三步工作時(shí)所需要的時(shí)間不到1s。
3.2 疲勞與分神檢測(cè)
由于疲勞駕駛是重大交通事故主要原因，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展該領(lǐng)域的研究。疲勞的與清醒的駕駛相比，較有特異性的指標(biāo)是：方向盤(pán)的微調(diào)，頭部前傾，眼瞼的眨動(dòng)、甚至閉合。在目前駕駛疲勞檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中，多采用車(chē)載機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人體姿態(tài)和操作行為信息，判別疲勞狀態(tài)。在歐洲的e-Safety項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)了AWAKE駕駛診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用視覺(jué)傳感器和方向盤(pán)操縱力傳感器實(shí)時(shí)獲取駕駛員信息，并利用人工智能算法判斷駕駛員的狀態(tài)（清醒、可能打瞌睡、打瞌睡）。當(dāng)駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，通過(guò)聲音、光線、振動(dòng)等刺激駕駛員，使其恢復(fù)清醒狀態(tài)。文獻(xiàn)[34]通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用照相機(jī)、腦電圖儀和其他儀器來(lái)精確測(cè)量頭部運(yùn)動(dòng)、瞳孔直徑變化和眨眼頻率，用以研究駕駛疲勞問(wèn)題。研究結(jié)果表明：
一般情況下人們眼睛閉合的時(shí)間在0.12～0.13s之間，駕駛時(shí)若眼睛閉合時(shí)間達(dá)到0.15s就很容易發(fā)生交通事故。
4 結(jié)語(yǔ)
駕駛員80%以上信息通過(guò)視覺(jué)獲得，針對(duì)駕駛員視覺(jué)的不足，開(kāi)發(fā)基于車(chē)載機(jī)器視覺(jué)的汽車(chē)安全輔助駕駛系統(tǒng)一直是智能交通的研究熱點(diǎn)之一，文中對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，結(jié)論如下：
1）分析駕駛操作過(guò)程，并對(duì)駕駛操作的三個(gè)階段進(jìn)行描述；
2）根據(jù)信息獲取范圍將汽車(chē)安全輔助駕駛分為：外部信息的機(jī)器視覺(jué)與內(nèi)部信息的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)。外部信息的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分為：視覺(jué)增強(qiáng)、視野擴(kuò)展、道路環(huán)境理解，內(nèi)部信息的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分為：視線跟蹤與駕駛疲勞監(jiān)測(cè)，綜述汽車(chē)安全輔助駕駛系統(tǒng)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究現(xiàn)狀；
3）分析了汽車(chē)安全輔助駕駛系統(tǒng)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)當(dāng)前研究不足，指出：低能見(jiàn)度駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)方法、道路環(huán)境理解信息融合以及駕駛疲勞檢測(cè)等技術(shù)需進(jìn)一步開(kāi)展研究。