智能网联汽车传感器技术 课件 项目8 智能网联汽车视觉传感

视觉传感器的认知视觉传感器的定义车载视觉传感器是指通过对摄像头拍摄到的图像进行图像处理，对目标进行检测，并输出数据和判断结果的传感器。视觉传感器在智能网联汽车或无人驾驶汽车上的应用是以摄像头出现，并搭载先进的人工智能算法，便于目标检测和图像处理。视觉传感器是人工智能的一个分支，起源于20世纪80年代的神经网络技术，通过使用光学系统和图像处理工具等来模拟人的视觉能力捕捉和处理场景的三维信息，理解并通过指挥特定的装置执行决策。视觉传感器的主要指标视觉传感器的主要参数有像素、帧率、靶面尺寸、感光度、信噪比和电子快门等。

（1）像素。像素即构成影像的最小单位，是图像传感器的最小感光单位，像素越多，则图像传感器上的光敏元件数目越多，就可以感测到更多的物体细节，因此，图像就越清晰。

（2）帧率。帧率代表单位时间内所记录或播放的图片数量。

（3）靶面尺寸。靶面尺寸就是图像传感器感光部分的大小。一般用英寸（in）来表示，通常这个数据指的是这个视觉传感器的对角线长度，如常见的有1/3in，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。

（4）感光度。感光度表示入射光线的强弱。感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越快。

（5）信噪比。信噪比是指信号电压对于噪声电压的比值，单位为dB。信噪比的典型值为45～55dB，信噪比越大说明对噪声的控制越好，图像质量越好。（6）电子快门。电子快门用来控制图像传感器的感光时间，电子快门越快，感光度越低，更适合在强光下拍摄。视觉传感器的类型及原理按照镜头和布置方式的不同，视觉传感器可以分为单目摄像头、双目摄像头、三目摄像头、环视摄像头。

三目摄像头环视摄像头双目摄像头单目摄像头视觉传感器的类型及原理（一）单目摄像头单目摄像头的优点是成本低廉，一般安装在前风窗玻璃上部，能够识别具体障碍物的种类，识别准确。它的视野完全取决于镜头。焦距短的镜头，视野广，但缺失远处的信息。近处的物体，需要用几百甚至上千个像素点描述；而处于远处的同一物体，可能只需要几个像素点即可描述出来。这种特性会导致越远的地方，一个像素点代表的距离越大。视觉传感器的类型及原理（二）双目摄像头双目视觉测距就像人用双眼观察事物一样，主要利用同一时刻不同摄像头之间的视差对目标的深度进行测量。相比于单目视觉测距，双目视觉测距的原理较为简单，不依赖于训练和学习，因此不需要庞大的训练集。双目视觉测距依靠不同摄像头同时获得的两幅图像，计算物体在两幅图上的视差就可以得到图像中的深度信息。双目视觉传感器优缺点：（1）距离、角度测量精度高；（2）对人工智能（AI）软件依赖程度较低；（3）易受雨雪天气影响；（4）应用成本较高。视觉传感器的类型及原理（三）三目摄像头由于单目摄像头和双目摄像头都存在某些缺陷，而三目摄像头感知范围更大，是三个不同焦距的单目车载视觉传感器的组合。很多智能网联汽车采用了三目视觉传感器方案。例如特斯拉使用的就是三目视觉传感器。三目摄像头外观如图所示。但同时要标定三个摄像头，工作量较大。三目摄像头视觉传感器的类型及原理（四）环视摄像头环视摄像头可实现360°环境感知，图像采集后经过图像拼接，可实现从车顶往下看的效果，其感知范围不大，环视摄像头主要用于车辆5～10m的障碍物检测、自主停车时的库位线识别，为了获得足够大的视野，一般都使用鱼眼摄像头，但鱼眼摄像头的图像畸变较为严重。环视摄像头一般至少由4个鱼眼摄像头组成，通常都朝向地面安装。环视摄像头外观如图所示。环视摄像头2023感谢您的聆听视觉传感器的标定如图当被测平面和像平面平行且成像模型为理想的小孔成像模型，设焦距为f，工作距离为d,则波测物OP和它的像OP’，关系可简单的表示为公式1：|OP|=|O’P’|×d/f视觉传感器的标定视觉传感器的标定但是在实际应用中并非如此，我们无法严格控制像平面和被测平面的位置，所用的镜头也不是严格的小孔模型。如果直接使用公式1计算将会产生极大的误差。因此，为了获取更高的测量精度，我们需要通过标定来实现坐标平面的转换以及图像的校正数据进行转换，使这些数据符合公式1式的使用条件。也就是将任意坐标平面通过旋转和平移映射到理想坐标平面上，对有畸变的图像进行校正，让它成为符合小孔成像模型的像平面。有了这种方法，我们只要确定转换算法、校正算法以及公式1式中的参数就可以实现三维空间中任意平面上尺寸与位置的测量。我们将这种确定参数的过程称之为标定。视觉传感器的标定在实际应用中，被测平面的不确定性以及镜头的畸变使我们已经无法简单的使用公式1计算出实际距离，但是我们可以将目前能够获得的2023感谢您的聆听视觉传感器的结构与原理视觉传感器的结构视觉传感器主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的原始图像。把光、摄像机、图像处理器、标准的控制与通信接口等集成一体的视觉传感器常称为一个智能图像采集与处理单元。摄像头主要由镜头、镜头座、影像传感器（主要是CCD/CMOS器件）、DSP等组成。视觉传感器的结构视觉传感器的结构（1）镜头镜头的组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般有塑胶透镜或玻璃透镜。通常摄像头用的镜头构造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透镜越多，成本越高。光学镜头我国企业占据全球市场的龙头地位舜宇全球车载摄像头出货量第一.视觉传感器的结构（2）镜头座镜头座是用来固定镜头的，镜头是螺旋在镜头座里面的，按照材质分类，镜头座常分为2类：塑胶镜头座：成本低，使用普遍。金属镜头座：成本高，散热性好（3）影像传感器（主要是CCD/CMOS器件）影像传感器中的成像芯片（CCD/CMOS器件），是摄像头的心脏，他们将光信号转变为电信号进行信息的传递。CCD图像传感器

CMOS图像传感器

CCD图像传感器CCD，也称为电荷耦合元件。CCD图像传感器主要由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵组成,CCD图像传感器的功能类似于胶片，上面有很多整齐排列的光电二极管，接收到光信号之后，可以将光信号装换为电信号，再经过采样放大，模/数转换电路变成数字图像信号。其上最小单元的光敏物质称为像素，一块CCD图像传感器上所包含的像素越多，感光后所得到的数字信号图像分辨率越高。CCD图像传感器的优点是体积小、成本低，所以它被广泛应用于扫描仪、数码相机及数码摄像机中。视觉传感器的结构

CMOS图像传感器CMOS，也称为互补性氧化金属半导体。COMS图像传感器是利用CMOS工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应，和CCD图像传感器的原理相同，其外形如图所示。视觉传感器的结构视觉传感器的结构（4）DSPDSP（DigitalSignalProcessing，数字信号处理），DSP芯片（如图所示）作用等同于个人计算机里的CPU（中央处理器），它的功能主要是通过一系列复杂的数学算法运算，对由CMOS传感器传来的数字图像信号进行优化处理，并把处理后的信号通过USB接口传到PC等设备上，是摄像头的核心设备。车载摄像头工作原理图像采集图像预处理图像特征提取图像模式识别结果传输①图像采集:图像采集主要是通过摄像头采集图像，如果是模拟信号，要把模拟信号转换为数字信号，并把数字图像以一定格式表现出来。根据具体研究对象和应用场合，选择性价比高的摄像头。②图像预处理:图像预处理包含的内容较多，有图像压缩、图像增强与复原、图像分制等，要根据具体实际情况进行选择。车载摄像头工作原理③图像特征提取:为了完成图像中目标的识别，要在图像分割的基础上,提取需要的特征，并将这些特征计算、测量、分类，以便于计算机根据特征值进行图像分类和识别。④图像模式识别:图像模式识别的方法很多，从图像模式识别提取的特征对象来看，图像识别方法可分为基于形状特征的识别技术、基于色彩特征的识别技术以及基于纹理特征的识别技术等。⑤结果传输:通过环境感知系统识别出的信息，传输到车辆其他控制系统或者传输到车辆周围的其他车辆，完成相应的控制功能。车载摄像头工作原理被摄物体经过镜头聚焦至CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件），CCD由多个X-Y纵横排列的像素点组成，每个像素都由一个光电二极管及相关电路组成，光电二极管将光线转变成电荷，收集到的电荷总量与光线强度成比例，所积累的电荷在相关电路的控制下，逐点移出，经滤波、放大，再经过DSP处理后形成视频信号输出，再通过I/O接口传输到电脑中进行处理后，再通过显示屏（DISPLAY）就可以看到图像了。车载摄像头工作原理2023感谢您的聆听视觉传感器的应用视觉传感器的应用视觉传感器是ADAS系统的主要视觉传感器，借由镜头采集图像后，有摄像头内的感光组件电路及控制组件对图像进行处理并转化为电脑能处理的数字信号，从而实现感知车辆周边的路况情况，实现前向碰撞预警，车道偏移报警和行人检测等ADAS功能。（1）视觉图像的信息量极为丰富，尤其是彩色图像。不仅包含有视野内物体的距离信息，而且还有该物体的颜色、纹理、深度和形状等信息.（2）在视野范围内可同时实现道路检测、车辆检测、行人检测、交通标志检测、交通信号灯检测等，信息获取面积大。（3）视觉信息获取的是实时的场景图像，环境适应性强。通过摄像头可以实现同时定位和建图。提供的信息不依赖于先验知识，比如GPS导航依赖地图信息，有较强的适应环境的能力。（4）与机器学习、深度学习等人工智能加快融合。（5）视觉传感器应用广泛，在智能网联汽车中可以用于前视、后视、侧视、内视、环视。视觉传感器的优点：视觉传感器的缺点：（1）受限于数据库；（2）无法识别没有具体轮廓的障碍物；（3）工作准确率与外部光线条件有关。视觉传感器的应用（1）车道偏离预警（LDW）车道偏离预警系统（LaneDetectingWaring）主要由HUD抬头显示器、摄像头、控制器以及传感器组成，当车道偏离系统开启时，摄像头（一般安置在车身侧面或后视镜位置）会时刻采集行驶车道的标识线，通过图像处理获得汽车在当前车道中的位置参数，当检测到汽车偏离车道时，传感器会及时收集车辆数据和驾驶员的操作状态，之后由控制器发出警报信号，整个过程大约在0.5秒完成，为驾驶者提供更多的反应时间。而如果驾驶者打开转向灯，正常进行变线行驶，那么车道偏离预警系统不会做出任何提示。视觉传感器的应用（2）盲点监测（BSD）视觉传感器的应用盲点检测系统（BlindSpotMonitoringSystem）通过侧方摄像头或雷达将车左右后视镜盲区内的影像显示在车内。（3）全景泊车（SVP）全景泊车停车辅助系统由安装在车身前后左右的四个超广角鱼眼摄像头，同时采集车辆四周的影像，经过图像处理单元畸变还原→视角转化→图像拼接→图像增强，最终形成一幅车辆四周无缝隙的360度全景俯视图。视觉传感器的应用（4）驾驶员注意力监测（DM）视觉传感器的应用驾驶员注意力监测系统通过监视驾驶员面对面部表情的方式来完成，也可以通过监视某些驾驶风格（例如：转向）来检测可能的睡意。（5）行人碰撞预警（PCW）行人碰撞预警（PedestrianCollisionWarning）是当车辆检测到与行人距离过近即将碰撞时，发出警报，提示车辆驾驶员及时调整车辆运行状态。视觉传感器的应用（6）车道保持辅助（LKA）视觉传感器的应用可以理解为LDW的加强版，当检测到车辆即将偏离车道线时，向转向电机发出指令，纠正车辆的行驶方向。（7）交通标志识别（TSR）通过特征识别算法对途径道路中的交通标志进行识别，提示预警或自动调整车辆运行状态，以此提高车辆行驶的安全性及合规性。视觉传感器的应用（8）前向碰撞预警（FCW）视觉传感器的应用汽车防撞预警系统（ForwardCollisionWarning）主要用于协助驾驶员避免高速、低速追尾，高速中无意识偏离车道，与行人