何晓昀

摘 要 针对目前倒车影像无法探知障碍物的三维空间距离的缺点，本文提出使用Kinect传感器代替传统的相机和倒车雷达。它采用光编码（light coding）技术，通过红外光源发射具有三维纵深的“体编码”探知障碍物的距离，形成含障碍物距离三维信息的深度图像，通过车载电脑合成障碍物的立体三维图。实验证明该技术对障碍物距离的测量有较高的精确度，即使在光照不足到的情况下也能够正常工作，完全适用于驾驶员倒车。

关键词 Kinect传感器；倒车影像；三维立体图

中图分类号 TP39 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）164-0084-01

随着社会不断发展，机动车的使用越来越频繁，人们对车辆的安全性要求越来越高，用于倒车时避开障碍物的倒车雷达和倒车影像系统已成为车辆的标准配置。由于技术限制，倒车雷达只能够提供最近障碍物距离信息，倒车影像技术只能提供障碍物图像信息，而且倒车影像技术在下雨和夜间的效果均不佳，最重要的是它们无法获取障碍物三维空间信息。

为了解决这个问题，国内外很多单位和企业也做了一些尝试，提出一些解决方案，例如，中国专利CN101900816A“含测距功能的倒车影像装置”[1]，公布了一种含测距功能的倒车影像装置，使用了一个不可见光光源、镜头组和显示器，通过光源投射一组网格到障碍物上，通过在采集到障碍物上网格的紧密度计算障碍物到车尾的距离，测算障碍物的三维距离，避免驾驶者对待障碍物位置的产生误判。该设计的问题是通过网格的紧密判断物体距离的深度图像分辨率不高，距离检测误差较大，实际使用的效果和目前已经成熟的超声波测距方式并区别不大。中国专利CN204131652U“一种带深度信息的倒车显像系统”[2]，提出的带深度信息的倒车显像系统，包括TOF深度相机、普通摄像头、芯片主控板和车载液晶显示屏等设备，设计通过深度相机负责距离信息，普通摄像头负责捕获汽车尾部的影像信息，两个相机将各自捕获的信息融合成一张具送到车载液晶显示屏上显示，使驾驶者可以清楚了解车后障碍物的距离信息，提升了汽车行驶的安全性能。但是该设计的问题是TOF深度相机目前尚不成熟，深度分辨率较低，需要使用DSP进行开发，成本较高，市场化较困难，同时在夜间无法提供清晰的倒车影像。

1 测量原理

对现有倒车影像技术的不足，本文设计了一种基于Kinect传感器的倒车影像系统，Kinect感应器是微软提供的集成了1080P高分辨率的彩色相机、红外发射器和红外相机的传感器，它拥有红外线探测功能和深度探测功能，解决了机动车倒车过程中三维空间信息获取和夜间光照不足情况下图像采集问题。

Kinect利用了光编码（light？coding）技术，通过红外光源发射具有三维纵深的“体编码”，对需要测量的空间图像进行编码，这种光源叫做激光散斑（laser？ speckle），是当激光照射到粗糙物体或穿透毛玻璃后形成的随机衍射斑点。激光散斑具有高度的随机性，会随着距离的不同而变换图案。红外接收器通过分析物体随机斑点的图案就可得到障碍物上被测点到传感器的距离，最后生成反映障碍物的深度信息的点云数据。点云数据和彩色相机的图像结合起来，即可合成含障碍物距离信息的深度图像。

具体做法如下：在汽车内安装Kinect传感器、车载电脑和显示器。倒车过程中安装在汽车尾部的Kinect传感器拍摄高清图像并发射红外结构光探测后方障碍物。车载电脑对Kinect传感器采集到的高清图像和红外图像进行分析，合成障碍物深度图像并绘制出后方障碍物的立体三维图。为了凸显出障碍物到车身之间的距离，让驾驶员更清楚了解障碍物到车身的实际距离，在合成立体三维图的过程中根据障碍物深度信息对图像进行着色，凸显出障碍物到车辆之间的距离。驾驶员通过这种合成三维立体图（图2）就可以很轻松判断各个障碍物距车身的距离。由于障碍物距离的深度图像是来源于对Kinect传感器主动发生的红外光图像的分析，红外光穿透率强，即使在夜间或者下雨环境下也能正常工作；另一方面，计算机根据Kinect传感器采集的深度图像，对障碍物距离进行分析，在显示器上实时显示车最近的障碍物的距离，一旦达到了警示范围就会立即报警提示。

2 实验和误差分析

为了验证系统的准确性和鲁棒性，本文在轿车后方加装了一台Kinect传感器，并光照不足的车库内放置障碍物，实测倒车影像系统效果。图2即为由Kinect传感器采集到的红外线图和根据深度信息进行着色后的立体三维图。其中暖色调表示距离比较远，冷色调表示距离相对比较近，部分区域存在“黑洞”，属于部分无法扫描的区域，部分区域颜色偏亮，主要是红外补光过度造成。由实验结果倒车影响的立体三维图（图2）可知，即时在光线较差的环境下，形成的立体三维图像仍然可以明显区分障碍物和车身之间的距离，驾驶员倒车时可以轻松避开障碍物。

为了测试距离误差，本文通过多组实验对障碍物距离进行测量。显示结果绝对误差和相对误差随测量距离的增加而增加，但2？000mm以内的测量的误差均小于50mm，这种误差范围对于驾驶员倒车是可以接受的。值得注意的是Kinect传感器在450mm以内或者8？000mm以外的距离无法测量，实验结果也证明障碍物在450mm以内是一个盲区，无有效数据返回，这段距离内需要驾驶员的经验或者使用倒车雷达进行判断。？

3 结论

综上所述，本文设计的基于Kinect传感器的倒车影像系统，即使在光照不足情况下也能合成后方障碍物的立体三维影像，有利于驾驶员判断后方障碍物位置。实验证明该技术对障碍物距离测量的精确度较高，能够满足驾驶员对倒车影像的需求。

参考文献

[1]许玄岳.含测距功能的倒车影像装置[P].中国发明专利.CN101900816A.2010-12-01.

[2]张彦会，马天驰.带深度信息的倒车显像系统[P].中国发明专利，CN204131652U. 2015-01-28.

[3]陈理.Kinect深度图像增强算法研究[D].长沙：湖南大学，2013.

[4]朱涛，芦利斌，金国栋.基于Kinect深度技术的障碍物在线快速检测算法[J].电子设计工程，2014（12）：176-179.

[5]张翠红.基于深度相机的室内三维场景重构[D].大连理工大学，2013.