车载红外夜视系统

汽车最新科技之车载红外夜视系统(组图)

https://www.360docs.net/doc/ef12750828.html, 2009年04月05日 18:35 新浪汽车

图为奔驰S级上面的夜视系统

新浪汽车讯夜间行车对于驾驶者来说是最危险的，因为夜间驾驶者的能见度差，汽车灯光的照射范围和明亮度都有限，因此各大车厂纷纷研发如何在黑暗中看清前方的技术。

图为奔驰E级车上所搭载的夜视系统

源自军用设备的夜视仪应运而生，这套主动安全技术可以高亮度显示出前方的行人的细节。车前面安装着一个红外线大灯，大灯发射出不可见的红外线，当发出的红外线遇到障碍后会反射回来，反射回来的红外线被特制摄像机接收到，车内显示屏上所产生效果就像无声黑白电影一样。

图为宝马新7系所搭载的夜视系统

并且有些车辆还具有生物识别功能，根据生命体热量比背景热量更高的特点，会自动用红色的框框显示出生命体的位置并用声音提醒驾驶者前方有行人，对于驾驶者有很大帮助，未来这一显示技术还将显示出生命体的前进方向和速度等参数，如果距离车辆过近，或者有可能和车辆发生冲撞怎会报警提醒。最大限度地避免因视觉盲区造成的交通事故。

图为红旗盛世所搭载的夜视系统

目前搭载夜视技术的车型有宝马的新7系和奔驰的S级以及新E级，日本车厂的丰田和本田也有相应的设备，其原理与奔驰和宝马所搭载的基本相同。我国的自主品牌红旗的盛世上面亦有夜视显示系统。

图为宝马7系所搭载的车载夜视系统的前视红外摄像头

一、汽车夜视系统概述：

汽车夜视系统的用途很广，以前因为价格太高，主要是军事用途，如坦克和装甲运输车辆，雷达车辆等等。近年来，随着科技进步，价格越来越低。汽车夜视系统是一个典型的军事装备转化民用产品的例子

20世纪50年代，为了提高坦克的夜间机动能力，把具有夜间视觉能力的设备仪器安装在坦克上，可以让坦克在夜间行动自如。进入21世纪，全世界各个大的汽车公司纷纷把夜视设备安装上高档的小汽车车上，为了在夜间及恶劣天气情况下，保证驾驶员、乘客及第三方的安全已经安装了汽车夜视系统。1999年6月在上海及2000年6月在北京举行的国际汽车展中，美国的凯迪拉克汽车已经将汽车夜视系统首先推向中国汽车市场。

目前国内已经有进口国外名牌汽车配备夜视仪的车辆，实践表明，配备了夜视仪的车辆对于驾驶员、乘客及第三方的安全系数明显增加了，汽车夜视系统是汽车工业安全理念的发展趋势。

二、汽车夜视系统分类

按照用途分：民用，pol.ice用和军事用途。

a. 按照技术分类：近红外，即 CCD 技术，微光技术（TTI 微光放大），和远红外技术（TIS 热成像）。

b. 技术特点：CCD 技术成熟，批量性好。但是灵敏度不高，所以只能适用于普通民用市场。微光TTI 放大技术产品目前仍是军用主流。红外热成像 TIS 技术产品特点突出，可以穿透大雾观察。

c. 价格特点：使用 CCD 技术的汽车夜视系统价格最低，微光放大的技术已经使用了近50年，但是由于基本理论没有突破，且寿命的问题没有解决好，所以价格不低。红外热成像技术趋于成熟，现在仍然在发展阶段，需要在清晰度和灵敏度方面做很多工作，全球市场被极少数厂家垄断，所以价格极高。民用的产品基本上都是 CCD，如奔驰汽车。

d. 使用寿命：CCD 的寿命最长，可达到10000 小时，微光管的夜视仪寿命最短，只有3000小时。热成像管大约在8000小时左右。

三、为什么汽车上要用夜视系统？

目前国内各地区的省道、国道、高速或准高速公路以及各地正在大批兴建的高速或准高速公路，都没有照明设备——路灯，由于汽车速度高，汽车本身的照明又非常近，这就给夜间行车安全带来隐患，汽车夜视系统能够使黑夜{即使没有任何灯光照明的情况—F)也能象白天那样，可以清晰准确地观察到路面情况，它是通过红外成像技术在黑暗中辨认物体。它既可以看到前方道路内人眼难以观察到的危险，也可以看到前大灯照射不到的区域。汽车夜视系

统系统能够观察到比普通汽车前大灯远3倍至5倍的距离，甚至可以达到10倍以上的距离。尤其是在或雾、或雨、或雪天气的条件下，利用汽车夜视系统系统，可以非常清楚地观察前方路面情况汽车夜视系统系统将大大提高汽车驾驶员、乘客及第三方的安全性。作为主动安全防护设备的汽车夜视系统系统，它将科学技术的最新发展和突破应用于产品中，体现了汽车工业的科学技术以人为本的理念，和对驾驶员、乘客及第三方的尊重、服务的精神。

四、国内汽车夜视系统市场背影

2005年中国汽车的保有量己超过6500万辆。其中城市家庭汽车保有量已超过1500万辆。在未来十几年里，随着汽车保有量的飞速增长，相关的服务市场将会空前的繁荣壮大。

目前，汽车产品市场发展迅速，大量新技术的应用，尤其是电子技术广泛应用于汽车产品中，电子产品在整车中的成本由八十年代初的10％逐步提高到现在的30％左右。在欧美一些发达国家和地区的汽车，把驾驶员、乘客及第三方的安全排在了首位，为了在夜间及恶劣天气情况下，保证驾驶员、乘客及第三方的安全已经安装了汽车夜视系统。

汽车夜视系统系统将大大提高汽车驾驶员、乘客及第三方的安全性。作为主动安全防护设备的汽车夜视系统系统，它将科学技术的最新发展和突破应用于产品中，体现了汽车工业的科学技术以人为本的理念，和对驾驶员、乘客及第三方的尊重、服务的精神。

1999年6月在上海及2000年6月在北京举行的国际汽车展中，美国的凯迪拉克汽车已经将汽车夜视系统首先推向中国汽车市场。

现在，欧美一些发达国家和地区的汽车，为了在夜间及恶劣天气情况下，保证驾驶员、乘客及第三方的安全，在很多车辆上都已经安装了汽车夜视系统。诸如奔驰、宝马、卡迪拉克、美洲虎、丰田等，

美国《时代》杂志公布2006年十大最时尚的高科技产品。梅赛德斯----奔驰S550夜视仪。新款梅赛德斯-奔驰S550(Mercedes-BenzS550)已经装备了真正意义上的夜视仪。其“夜间观察助手”由一个最远可观察到150米距离的红外线头灯和驾驶舱内安装的成黑白图像的液晶显示器构成。即使是在漆黑的夜晚，驾驶员也可以清晰地看到前边的道路状况。现已上市，售价85400美元。

汽车夜视系统系统，是针对各种类型的机动车研制开发的。通过对企、事业单位，长途客、货运输以及私人汽车的广泛调查，汽车夜视系统受到广大单位领导与驾驶员的关注和认可。尤其是国防、安全、公共安全专家、交通、新闻采访等一些特种行业对此项技术尤为关注。由于我国地域广阔，地理、气象情况复杂，某些省区在一年当中经常遭受或雾、或雨、或雪的天气情况侵袭，汽车驾驶员饱受恶劣天气情况困扰，汽车业主单位也因此蒙受巨大的经济损失。

目前国内已经有进口国外名牌汽车配备夜视系统的车辆，实践表明，配备了夜视仪的车辆对于驾驶员、乘客及第三方的安全系数明显增加了，汽车夜视系统是汽车工业安全理念的发展趋势，

现在汽车市场已有的汽车夜视系统车型：悍马H2、H3，奔驰S系全系车、新E系部分车，宝马七系全系、X系高端，丰田新里程、欧宝、本田、凌志、红旗、凯迪拉克。

汽车夜视系统夜视效果图片：

长久以来，夜间驾驶都被人们视为最危险的驾驶状态之一，特别是在道路情况比较复杂，光照较差的路面上行驶尤其如此。因此，在一些高档轿车上，夜视系统也就首先成为了一项必不可少的主动安全装备，比较典型的有宝马7系标配的基于远红外线技术的夜视系统。夜视系统最早于2000年应用于凯迪拉克2000款DeVille上，然而，许多消费者对此并不感兴趣，以至于凯迪拉克在2005年以后的车型中停止了这一功能配置。但是，世界汽车名厂奔驰和宝马公司确信他们能够将夜视系统这一现代化先进技术融合进他们的安全系统中。在宝马的高档汽车中，同时使用夜视系统和车前灯，在转弯时司机的视野更加开阔了。据相关的对比试验显示，夜视系统能使驾驶员辨别出距离210米左右路旁身着浅色衣服的试验假人，比氙气大灯要提早41米左右。而在行人身着黑色衣服时，可提早92米左右。这意味着采用夜视辅助系统可以将夜间行车安全性提高125%以上。夜视系统能帮助驾驶员迅速辨别出这

一范围内的事物，因为通过夜视系统看到的行人会比路面和树木更明亮，所以司机能够立即注意到周围的行人。因此可以说，红外线夜视系统让夜间驾驶更加安全了。

目前虽然只有在奔驰、宝马这样的豪华车上才装备红外线夜视系统，但以开发ESP而著名的博世公司也进入到了该系统的研发和生产之中，相信未来几年，对夜间行车安全有着重大意义的红外线夜视系统将在更多的中高级家庭用车中普及，引领安全用车的新标准。但是，也并非所有的汽车消费者都认为车上需要安装夜视系统，哪怕是它的价格已经很合理、性能非常的优良，毕竟许多的驾驶员会以控制车速的方法来保证安全。汽车的夜视系统有近红外和远红外两大类，奔驰S级采用近红外技术，使用红外线最靠近可见光的波段。特殊的灯泡被安装在紧挨着普通车前灯的位置，目的是作为汽车的远光灯，但它们不会妨碍驾驶员的视线，因为人类的眼睛对红外线不敏感。位于后视镜背后的夜视摄像头能捕捉被物体反射回来的红外线，并将其转换为数字信号。接着，数字信号被传送到图像处理器转换成影像并显示在车内的液晶显示器上。

宝马以及本田等日本厂商则选择了远红外技术，靠热感应来检测更远处的物体。这种远红外夜视系统不需要特别的光源，也不以普通数码相机的像素来表示。它使用的是特殊照相机，能产生一个温度图谱，每秒刷新30次，信号处理器再把温度图谱的数据转换为显示器能够显示的图像。例如，宝马采用iDriver控制系统的中央控制板上液晶显示器，而本田Legend 的夜视图像会显示在仪表板上。

汽车制造厂商要配置远红外系统，每辆车需花费超过1200美元左右，而近红外系统只需要花费300美元左右。而且，远红外系统的特殊照相机有一本书那么大，相比之下近红外系统的摄像头却小得多，只有邮票那么小。对于较大的特殊照相机，车厢内必须要留有足够的空间。而近红外系统的夜视摄像头就没有那么多的限制，它被安装在后视镜或挡风玻璃顶端附近。目前宝马使用的系统只能检测到300米远，但比奔驰S级和雷克萨斯LX470的近红外系统150～200米的可视范围要远许多了。

一般的中高级轿车要使用上夜视系统，路途还比较遥远，但是由于它是一种主动安全系统，因此是一个发展方向，会逐步地被广大汽车消费者所接受。目前，国内还没有汽车厂商配置夜视系统，也没有专业厂商生产这一系统，我们只能盼望它早日来到我们的面前，去体会和感受夜视系统带给我们更完整，更先进的主动安全。

摘要：红外夜视系统可以有效地减少夜间事故的发生，提高行车安全性。本文介绍了主动红外夜视系统的结构组成，重点分析了主动红外夜视系统中的红外灯设计和图像分析两个关键技术，并提出较好的解决方案。

关键词：夜视系统，红外灯，图像增强

1.引言

尽管汽车照明系统已经取得前所未有的成果，如氙气大灯的使用，但夜间行驶时发生交通事故的风险仍高于白天。据美国国家公路交通安全管理局统计，汽车夜间行驶的时间只占总驾驶时间的25%，却有50%的重大交通事故发生在夜间。2005年我国在夜间发生的交通事故和死亡人数占总交通事故和死亡人数的39.4%和48.2%。

行车时的驾驶信息90%来源于视觉，在夜间由于光照不足、视野小，尤其是会车时的远光灯会使驾驶员产生眩目，形成盲区，缩小了驾驶员的可视距离，影响了夜间的行车安全。采用红外成像、图像处理及图像显示技术的红外夜视系统，使驾驶员在低可见度或黑暗中清楚观察到车辆前方的信息，也可以看见汽车前照灯照射不到的区域、强光阴影中的行人、车辆，并对可能出现的危险情况发出报警。

按照成像原理，红外夜视系统分为被动红外夜视系统和主动红外夜视系统。被动红外夜视系统利用热成像相机接受人、动物等发热物体发出的不同的红外辐射（远红外线）影射不同的图像，进行放大和处理后输出到显示装置上。行人等发热物体在图像中特别突出，图像对比度高，但是详细的道路信息，如车道标线和边界，由于是“无生命”的冷目标而探测不到。此外，由于汽车前挡风玻璃不能传输长波的远红外线，相机必须安装在车外，需要经常清洁，并且当汽车前端碰撞时易受损伤。主动红外夜视系统采用红外光源发出的近红外线主动照射目标，红外CCD或CMOS探测器接受目标反射的红外光线，通过ECU处理后输出到显示装置上，成像清晰、自然，能显示道路的详细信息（如行人、车辆、车道标志线、交通信号、道路上散落的物体等），即使不发热的物体也能清晰可见。

本文针对小型轿车和商务车开发出了一款适用性强、可靠性高的主动红外夜视系统。

2.系统结构

主动夜视系统是通过增加驾驶员在夜间的视野范围提高驾驶安全的，因此系统的探测区域比较大（纵向探测距离大于100m），适用性强，能在夜间的任何光照环境下工作，包括本车前照灯使用不当、迎面有强光或红外光照射、穿过无外界灯光的黑暗道路以及前方道路未知等情况。

图1是系统的结构框图，包括红外灯、红外相机、中央处理器ECU以及人机接口。其中红外相机采用动态范围高且对近红外敏感的CMOS图像传感器。人机接口为基于车载LCD的中央仪表盘，当车辆白天行驶或夜间红外系统关闭时，以圆盘方式显示车速信息，当启动夜视系统时，则显示前方道路图像，车速以速度条的方式显示在图像的下方。这种设计可以缩短驾驶员眼睛离开道路的时间，提高行驶安全性。

图1. 主动夜视系统结构框图

3红外灯设计

红外灯是夜视系统的关键部分，其好坏直接影响到整个系统的性能，目前常用的近红外灯有两种，卤素红外灯和红外发光二极管（LED）。

卤素红外灯是卤素灯加红外滤光片，吸收可见光，只发出近红外光。汽车照明中最常用的光源是卤素灯，它发出的光线是包含可见光和近红外的连续光谱，并且近红外光的输出量比较大，约占总能量的1/3，可根据需要选用不同波长的红外滤光片得到不同波长和不同带宽的红外线，目前主动汽车夜视系统中大都采用卤素光源作为汽车红外灯光源，它具有照射距离远，辐射均匀，连续波长，体积小等优点，缺点是寿命短，约为8000个小时。

红外LED是由红外发光二级管矩阵组成的发光体，采用红外辐射效率比较高的材料GaAs 制成的，产生单色光源，其光谱功率分布为中心波长830～950nm，半峰带宽约20nm左右的窄带分布，为红外敏感传感器可感应的范围，夜视系统常用中心波长是850nm。它一个显著的优点是可以实现脉冲频闪，进而实现LED的辐射脉冲与相机的曝光窗口同步。主动夜视系统的一个重要问题是两辆都装有近红外光源的车辆相向行驶时，会使对方产生暂时的盲区，而脉冲式LED红外灯可以与本车相机的曝光窗口同步，就不会出现暂时盲区的现象。

由于LED红外灯的寿命比较长，稳定性高，又可脉冲式操作，是比较理想的红外照明系统，本系统选用LED红外灯，并实现其脉冲辐射与相机曝光同步。图2，图3，图4是红外灯打开和关闭时采集的夜间图像。

在无路灯的道路上，本车车灯的辐射范围有限，远处的道路和目标都不清楚，并且整个视野内图像相对比较暗，如图2(a)，而在本系统的红外灯和红外相机的配合下，可将更宽更远的道路图像清晰地影射到显示器上，并且图像清晰，明暗均匀，行人更加突出，对比度好，如图2(b)；对面车辆打开近光灯，红外图像中的行人比普通图像中的行人更清晰，如图3；两车会灯时，车辆前方道路比较暗，大灯附近比较亮，灯光阴影中的行人被强光遮挡，而打开红外灯后，车辆前方道路清晰，可视距离远，并且灯光阴影中的行人突出，清晰可见，如图4。

图2 无环境灯光时图像

图3 对面车辆打开近光灯时图像

图4 会车时图像

4．图像增强

由于夜间驾驶的周围光照环境比较复杂，明暗变化比较大以及红外光源的局限性，致使源图像的信噪比和对比度比较差，为了后续的图像处理和显示，需要首先对红外图像进行增强。

对比度低和灰度级数少是近红外图像最重要的两个特征，常采用灰度拉伸对红外图像进行增强，提高图像对比度，它对灰度调整的策略是灰度级低的像素进一步降低其灰度值，灰度级高的像素进一步增加其灰度值，并均衡图像的灰度分布，从而提高图像的对比度。图5，图6，图7是增强图像与原始图像的对比。可见，增强后的图像在感官上更加清晰，层次也更分明，图像中的行人和车道线也更亮，易于观察和探测。比较增强图像的直方图和原图的直方图，可以看出增强后图像灰度分布趋于均匀。

图5 无环境灯光时图像

图6 外界灯光较弱时图像

图7 车辆行驶时图像

5.结论与展望

汽车夜视系统作为预防夜间事故发生的一个有效的主动安全系统，已成为汽车主动安全应用领域的研究热点，众多的汽车制造商，汽车零部件商以及研发单位投身其中。目前国外已有一些红外夜视产品上市，但只是作为一些高档车的选装件，并且价格昂贵，如奔驰的主动红外夜视系统售价是1925欧元，宝马的被动红外夜视系统则为1950欧元。本文从提高产品的性价比出发针对中档小型轿车和商务车开发的主动红外夜视系统，采用脉冲式LED红外灯解决两辆都装有主动红外夜视系统的车辆相向行驶时，使对方产生暂时盲区的问题。采用

灰度拉伸算法对源红外图像进行增强，增加图像对比度，便于驾驶员理解红外图像，同时也易于后续的行人识别。

在夜间，行人是最大的受害者，在后续的工作中，将增加行人识别，并根据本车的车速和行人相对本车的位置进行危险性判断，对可能出现的危险发出声光报警，以提示驾驶员注意行驶安全。

随着汽车车速的不断提高，汽车交通事故经常发生，特别是在夜间、下雨、下雪、有雾等能见度低的天气下行驶，更是造成交通事故频发的主要原因。据美国国家公路交通安全管理据统计，虽然夜间行车在整个公路交通中只占四分之一，但有55%的交通事故却是在夜间发生的。

通用汽车公司也曾对驾驶员进行了问卷调查，对于汽车上的三四十种电子装置，让他们依据自己的喜好程度的打分，调查结果表明，绝大多数驾驶员对汽车夜视系统情有独钟，希望他们的汽车上能装有这项设备。究其原因是因为像安全气囊和ABS只有在汽车发生紧急情况下才能起作用，而夜视系统属于主动安全设备，能够提早防患于未然，大大提高汽车在特殊天气行驶的安全性，因此，越来越多的汽车厂家开始开发车载夜视系统。

我们知道，车载夜视系统是根据红外成像原理工作的。白色的太阳光是由多种彩色光混合而成的，各种彩色光除了色彩不同外，其热效应也都大不相同，科学实验表明，光的热效应是由紫光到红光逐渐增大的，而热效应最大的位于红光的外面，科学家称之为“红外光”或“不可见光”。当物质遇到外来的刺激或干扰时会改变物质内部的运动状态，其内部不停运动的原子和分子会释放出能量，而能量释放最常见的方式是发射电磁波，把多余的能量以光子的形式带走，这就形成了红外光，即红外辐射。由于自然界的一切景物的温度都搞于绝对零度，凡是绝对温度大于零度的物体都会产生红外辐射，并且温度越高，红外线波长越短，同时，红外线是一种电磁波，它的传播不受黑暗、风沙、雨雪雾的阻挡。因此，如果能接受并处理红外辐射，就能“看”清周围的物体。

红外成像技术最初应用可以追述到第二次世界大战，并且在最近的伊拉克及阿富汗战争中，美军的坦克和飞机也大量运用了这种技术。红外成像技术分为主动式红外成像技术和被动式红外成像技术，而应于汽车上的车载夜视系统属于被动式红外成像技术。它并不发出任何信号，而是通过一般放在汽车前格栅的后面安装的，一个起摄影机作用的传感器来探测前方物体热量，热能被集中到一个可以通过各种红外线波长的探测器，由探测器的众多红外线敏感元件所吸收，而每个敏感元件都是一个与温度有关的电容器，其电容大小随所接受的红外线的多少而变化，电容将辐射变换为电信号，再将该信号数字化，,再通过HUD抬头显示装置或车内显示屏显示给驾驶者，目前，车载夜视系统有黑白显示屏和彩色显示屏两种显示方式。

显而易见，车载夜视系统给驾驶者带来了极大的安全感。据实验表明，一般汽车等只能照射100m左右，而夜视系统至少可看到450m以外的路况信息，耗电量却是前照灯的四分之一。如果汽车行驶前方有一个成年型人，一个视力好的司机用近光灯可以在距他88m处看到他，用远光灯可达到164m，而用夜视系统却能在458m外发现前方的行人，尽管它在屏幕上只是一个小发光点。另一方面，即使打开汽车前灯也不影响图像的显示，迎面驶来汽车的强烈车灯光也不会使夜视系统致盲。此外，夜视系统是全天候的电子眼，在雨雪、浓雾天气公路上的物体及路旁的一切也都能尽收眼底，大大提高汽车行驶的安全性。

目前，越来越多的汽车厂家开始开发和使用车载夜视系统，这不仅能够提高驾驶安全性，还能够提高其豪华程度。但由于价格的原因，国外各大车厂只是在其顶级豪华车型中使用了车载夜视系统，像汉马H2 SUT、宝马七系列轿车、奔驰全新S级轿车、卡迪拉克帝威、本田新里程等。但据专家预测，在不久的将来随着科技的发展和夜视系统生产成本的降低，车载夜视系统将会全面普及。