建立眼点位置和后视镜角度关系数据库的系统及方法

1.本发明涉及汽车后视镜自动调节系统，特别涉及一种建立驾驶员眼点位置和后视镜角度关系数据库的系统及方法。


背景技术：

2.汽车后视镜是保证行车安全必不可少的部件，驾驶员在驾驶车辆的过程中，通过后视镜观察周围的情况，是安全驾驶的首要保证。后视镜的角度主要根据驾驶员眼点位置进行调节，而驾驶员眼点位置又由驾驶员体型、坐姿以及座椅的位置和角度等因素决定。因此不同的驾驶员开车前都必须调节侧后视镜的角度，这就需要对侧后视镜进行调节，使用极为不便。为此，人们发明很多汽车后视镜自动调节系统，其基本原理是利用传感器测量驾驶员眼点位置，利用驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系，由眼点位置可得出后视镜角度，进而控制电机调整后视镜至上述角度，以达到自动调节后视镜的目的。
3.但是，驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系与车辆的空间尺寸、后视镜位置等因素有关系，可以依据反射光原理推导得出解析式，这种方法需要知道汽车车辆的空间尺寸、后视镜位置等详细位置信息，这些信息有时候难以获得。另一种有效的方法是建立驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库，通过查询数据库可以由眼点位置信息得到后视镜角度。如何快速有效的建立眼点位置和后视镜角度关系数据库，成为实现后视镜自动调节系统的关键之一。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是针对上述后视镜自动调节系统中存在的问题，提出一种建立驾驶员眼点位置和后视镜角度关系数据库的系统及方法，保证后视镜自动调节系统能够方便的实现。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
6.本发明提供了一种自动建立驾驶员眼点位置和后视镜角度关系数据库的系统，包括三维运动机构、摄像头、处理器、左右后视镜控制器、左右外后视镜和左右标志点。摄像头置于三维运动机构上，可以在水平面上旋转，使之对准左右后视镜方向；摄像头拍摄后视镜图像，传输至处理器进行处理；在采集得到的图像上定义直角坐标系，以图像的左下点为直角坐标系的原点，坐标代表该像素在灰度图像中的行数和列数，假设灰度图像的总行数为n，总列数为m；处理器可以控制三维运动机构带动摄像头在三维空间中运动；处理器通过左右后视镜控制器调节左右外后视镜角度；左右标志点为相对汽车固定的特征点，摄像头可以拍摄到含有后视镜(左后视镜或者右后视镜)的图像，其中，后视镜镜面中含有左右标志点；三维运动机构布置在驾驶座位附近，可以在三维空间中运动。
7.本发明提供了一种自动建立驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库的方法，由于左后视镜与右后视镜左右对称，建立方法相同，下面以右后视镜为例进行说明，具体包括以下步骤：
8.s1旋转摄像头，使之朝向右后视镜方向。处理器发出命令，控制三维运动机构运动，带动摄像头运动至空间坐标为(x1,y1,z1)的位置。
9.s2处理器读取此时右后视镜角度(α0,β0)。
10.s3摄像头采集图像，传送图像至处理器进行处理，利用图像处理算法识别出后视镜镜面边框和镜中的标记点，计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值(δu,δv)，并利用阈值δtu和δtv来判定是否到达后视镜最佳角度，阈值δtu和δtv为人工设定的常数，取值范围为1～5。如果δu小于δtu，并且δv小于δtv，则记录此时的后视镜角度(α1,β1)，并跳到s5，否则到s4。
11.s4利用s3中得到的偏差值(δu,δv)，计算后视镜角度调整量(δa
α
,δa
β
)，然后通过后视镜控制器调节右外后视镜角度，调整后视镜角度为(α0+δa
α
,β0+δa
β
)，然后跳到s3。
12.s5将s1中的摄像头位置数据(x1,y1,z1)和s3中的后视镜角度数据(α1,β1)作为一组数据写入数据库。
13.s6控制三维运动机构运动，改变摄像头在空间中位置，遍历x1、y1和z1的取值范围的所有空间点，重复s1-s5，可以得到多组数据写入数据库，这样就自动完成了驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库的建立。
14.具体地，在步骤s3中，计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值的方法，又包含如下子步骤：
15.s3.1首先识别出镜面区域。
16.s3.2在此基础上计算镜面区域水平外接矩形，记水平外接矩形的左上顶点坐标为(u
l
,vu)，右下顶点坐标为(ur,vd)。
17.s3.3根据后视镜面基准位置和水平外接矩形顶点的相对位置关系可以求得后视镜面基准位置的坐标(ub,vb)。
18.s3.4在镜面边界内图像中识别出标记点，其坐标记为(u,v)。
19.s3.5计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值(δu,δv)，δu为水平偏差量，δv为垂直偏差值，计算方法如下：
[0020][0021]
具体地，对于s3.1中识别出镜面区域的方法，包括如下步骤：
[0022]
s3.1.1对图像进行二值化，二值化阈值采用最大类间方差法获得，得到二值图像；
[0023]
s3.1.2在二值图像中求连通区域dm；
[0024]
s3.1.3对于每个连通区域，计算下列几何特征：
[0025]
1)面积s
region
：面积使用连通区域中的像素数量表示；
[0026]
2)长宽比r
rect
：通过求连通区域的水平外接矩形，记水平外接矩形的左上顶点坐标为(u
l
,vu)，右下顶点坐标为(ur,vd)，长w＝|u
l-ur|，宽h＝|v
u-vd|，面积s
rect
＝w
·
h，长宽比r
rect
＝w/h；
[0027]
3)连通区域面积与水平外接矩形面积之比r
rr
＝s
region
/s
rect
。
[0028]
s3.1.4如果连通区域几何特征满足以下条件：
[0029][0030]
则该连通区域可能为镜面区域，跳到s3.1.5，否则，不可能为镜面区域，取下一个连通区域，跳到s3.1.3，直至找到所有可能为镜面的连通区域，得到所有可能的镜面连通区域集m＝{d
m,1
,d
m,2
,...,d
m,k
}，集合元素为可能为镜面的连通区域，m＝1,2,...,k,k为可能为镜面的连通区域的数量。其中，s
region,min
、s
region,max
、r
rect,min
、r
rect,max
、r
rr,min
和r
rr,max
的值为常数，由人工确定；
[0031]
s3.1.5对s3.1.1中得到的二值图像取反，利用人工确定另外一组常数s
region,min
、s
region,max
、r
rect,min
、r
rect,max
、r
rr,min
和r
rr,max
，然后进行s3.1.2-s3.1.4中的处理过程，得到可能为标记点的连通区域集s＝{d
s,1
,d
s，2
,...,d
s,l
}，集合元素为可能为标记点的连通区域，s＝1,2,...,l,l为可能为标记点的连通区域的数量；
[0032]
s3.1.6对于m中的任意一个可能的镜面连通区域dm，s中存在一个可能为标记点的连通区域ds，ds包含于dm之内，则该可能的镜面连通区域dm为镜面连通区域。
[0033]
具体地，所述步骤s3.1.6中，利用两个连通区域的水平外接矩形的顶点的关系来判断连通区域ds包含于dm之内，具体方法如下：
[0034]
求两个连通区域的水平外接矩形的左上顶点和右下顶点坐标分别为(u
s,l
,v
s,u
)、(u
s,r
,v
s,d
)和(u
m,l
,v
m,u
)、(u
m,r
,v
m,d
)。
[0035]
如果则连通区域ds包含于dm之内，否则连通区域ds不包含于dm之内。
[0036]
具体地，对于s4中利用s3中得到的水平偏差量δu1和垂直偏差量δv1，计算得到后视镜角度调整量(δa
α
,δa
β
)，又包含如下子步骤：
[0037]
s4.1先对水平偏差量δu和垂直偏差量δv进行二值化，得到布尔量水平偏差状态bu和垂直偏差状态bv，二值化方法如下：
[0038][0039]
s4.2后视镜角度水平调整量δa
α
＝bu·
α
t
，后视镜角度垂直调整量δa
β
＝bv·
β
t
。其中，α
t
为后视镜角度水平调节系数，β
t
为后视镜角度垂直调整系数，两个系数均为常数。
[0040]
具体地，对于s4.2中的后视镜角度水平调节系数α
t
和后视镜角度垂直调整系数β
t
，其特征在于，通过标定来确定α
t
和β
t
的值。标定后视镜角度水平调节系数α
t
和后视镜角度垂直调整系数β
t
的步骤一样，标定后视镜角度水平调节系数α
t
的步骤如下：
[0041]
s4.2.1手动调整后视镜，使得在摄像头采集的图像中，标记点位于后视镜面中，此时的后视镜角度记为(α0,β0)，i为正整数，初始值为1；
[0042]
s4.2.2按照s3.1-s3.3的方法，识别出后视镜面基准位置的坐标(ub,vb)；
[0043]
s4.2.3通过后视镜控制器控制后视镜角度为(α0+i
·
δαm,β0)，其中δαm为控制器
水平调节后视镜角度的分辨率，即最小调整角度；
[0044]
s4.2.4按照s3.1-s3.3的方法，识别出新的后视镜面基准位置的坐标(u'b,v'b)；
[0045]
s4.2.5如果|u'
b-ub|≥1，则后视镜角度水平调节系数结束标定后视镜角度水平调节系数α
t
值的过程；
[0046]
否则，如果|u'
b-ub|＜1，则i＝i+1，跳到s4.2.2，继续。
[0047]
本发明的有益效果为，提出了一种快速有效建立驾驶员眼睛位置和后视镜角度之间的关系数据库的系统及方法，是现有汽车后视镜自动调节系统不可缺少的组成部分，为实现汽车后视镜自动调节系统提供了保证，数据库的建立过程为自动完成，人工工作量小，效率高。
附图说明
[0048]
图1为汽车后视镜系统框图；
[0049]
图2为自动建立驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库的方法流程图；
[0050]
图3为汽车后视镜系统结构图；
[0051]
图4为本发明后视镜标记点和后视镜面基准位置之间的偏示意图。
具体实施方式
[0052]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0053]
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
[0054]
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0055]
本发明提供了一种自动建立驾驶员眼点位置和后视镜角度关系数据库的系统，包括三维运动机构、摄像头、处理器、左右后视镜控制器、左右外后视镜和左右标志点，如图1所示。摄像头置于三维运动机构上，可以在水平面上旋转，使之对准左右后视镜方向；摄像头拍摄后视镜图像，传输至处理器进行处理；处理器可以控制三维运动机构带动摄像头在三维空间中运动；处理器通过左右后视镜控制器调节左右外后视镜角度；左右标志点为相对汽车固定的特征点，摄像头可以通过左右后视镜拍到含有左右标志点的图像；三维运动机构布置在驾驶座位附近，可以在三维空间中运动。
[0056]
在此具体实施例中，如图2所示，以普通的三厢四门轿车为对象，在其驾驶座安装三维运动机构以及摄像头，摄像头对着后视镜方向拍摄采集图像，在图像上定义直角坐标系，以图像左上点为坐标系的原点，坐标代表该像素在图像中的行数和列数。在后视镜同侧的后门把手上粘贴颜色特征明显的圆点作为标志点。处理器通过后视镜控制器可以读取后视镜的角度和控制后视镜绕其中心轴单独作水平和垂直的角度调整。安装摄像头时，人工调整摄像头的角度，使后视镜处于摄像头视野范围中，并且地平线在摄像头采集到的图像
坐标系中处于水平位置。三维运动机构为三轴电动滑台，其三轴分别与汽车前进方向、平行于地面由驾驶位指向副驾驶位方向，垂直于地面向上方向平行。建立一个三维坐标系oxyz，其中y轴平行于汽车前进方向指向汽车前进方向，x轴平行于地面由驾驶位指向副驾驶位，z轴垂直于地面向上，原点o选择为驾驶位调至位置最前，靠背最陡时座位头枕中心位置。
[0057]
本发明提供了一种自动建立驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库的方法，我们以右后视镜为例进行说明(左后视镜与右后视镜左右对称，建立方法相同)，如图3所示，包括以下步骤：
[0058]
s1旋转摄像头，使之朝向右后视镜方向。处理器发出命令，控制三维运动机构运动，带动摄像头运动至空间坐标为(x1,y1,z1)的位置。
[0059]
在此具体实施例中，三维电动滑台的三轴与坐标系的三轴平行，处理器通过控制器控制三个滑台带动摄像头运动，从而改变摄像头在坐标系oxyz下的位置。记录该位置数据(x1,y1,z1)，x1、y1和z1的取值范围与驾驶员头的尺寸以及驾驶位座椅的调节范围有关。其中，x1的取值范围为[x
min
,x
max
]，y1的取值范围为[y
min
,y
max
]，z1的取值范围为[z
min
,z
max
]。通过查询成年人头部尺寸数据，本发明中x
min
取100mm，x
max
取200mm，y
max
的值为300mm，y
min
的值为(300-δyd)mm，δyd为驾驶员座椅前后调节距离,z
max
的值为100mm，z
min
的值为(-100-δzd)mm，δzd为驾驶员座椅高低调节高度值。
[0060]
s2处理器读取此时右后视镜角度，在此具体实施例中记为(α0,β0)。
[0061]
s3摄像头采集图像，传送图像至处理器进行处理，利用图像处理算法识别出后视镜镜面边框和镜中的标记点，计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值(δu,δv)，并利用阈值来判定是否到达后视镜最佳角度。如果δu小于δtu，并且δv小于δtv，则记录此时的后视镜角度(α1,β1)，并跳到s5，否则到s4。
[0062]
在此具体实施例中，对于普通的三厢四门轿车，标记点选择为后车门把手，基准位置设定为距离外接矩形下边1/4高和距离外接矩形左边1/4长处，如图4所示。其中，
“○”
为后视镜面基准位置，
“×”
为标记点，δu和δv为标记点和后视镜面基准位置之间的水平偏差量和垂直偏差值。δtu和δtv设为2像素。
[0063]
s4利用s3中得到的偏差值(δu,δv)，计算得到后视镜角度调整量(δa
α
,δa
β
)，然后通过后视镜控制器调节右外后视镜角度，调整后视镜角度为(α0+δa
α
,β0+δa
β
)，然后跳到s3。
[0064]
s5将s1中的摄像头位置数据(x1,y1,z1)和s3中的后视镜角度数据(α1,β1)作为一组数据写入数据库。
[0065]
s6控制三维运动机构运动，改变摄像头在空间中位置，遍历x1、y1和z1的取值范围的所有空间点，重复s1-s5，可以得到多组数据写入数据库，这样就自动完成了驾驶员眼点位置和后视镜角度之间的关系数据库的建立。
[0066]
具体到s3中，计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值的方法，又包含如下子步骤：
[0067]
s3.1首先识别出镜面区域。
[0068]
s3.2在此基础上计算镜面区域水平外接矩形，记水平外接矩形的左上顶点坐标为(u
l
,vu)，右下顶点坐标为(ur,vd)。
[0069]
s3.3根据后视镜面基准位置和水平外接矩形顶点的相对位置关系可以求得后视
镜面基准位置的坐标(ub,vb)。
[0070]
s3.4在镜面边界内图像中识别出标记点，其坐标记为(u,v)。
[0071]
s3.5计算标记点和后视镜面基准位置之间的偏差值(δu,δv)，δu为水平偏差量，δv为垂直偏差值，计算方法如下：
[0072][0073]
对于s3.1中识别出镜面区域的方法，包括如下步骤：
[0074]
s3.1.1对图像进行二值化，二值化阈值采用最大类间方差法获得，得到二值图像；
[0075]
s3.1.2在二值图像中求连通区域dm；
[0076]
s3.1.3对于每个连通区域，计算下列几何特征：
[0077]
1)面积s
region
：面积使用连通区域中的像素数量表示；
[0078]
2)长宽比r
rect
：通过求连通区域的水平外接矩形，记水平外接矩形的左上顶点坐标为(u
l
,vu)，右下顶点坐标为(ur,vd)，得到：长w＝|u
l-ur|，宽h＝|v
u-vd|，面积s
rect
＝w
·
h，长宽比r
rect
＝w/h；
[0079]
3)连通区域面积与水平外接矩形面积之比r
rr
＝s
region
/s
rect
。
[0080]
s3.1.4如果连通区域几何特征满足以下条件：
[0081][0082]
则该连通区域可能为镜面区域，跳到s3.1.5，否则，不可能为镜面区域，取下一个连通区域，跳到s3.1.3，直至找到所有可能为镜面的连通区域，得到所有可能的镜面连通区域集m＝{d
m,1
,d
m,2
,...,d
m,k
}，集合元素为可能为镜面的连通区域，m＝1,2,...,k,k为可能为镜面的连通区域的数量。其中，s
region,min
、s
region,max
、r
rect,min
、r
rect,max
、r
rr,min
和r
rr,max
的值为常数，由人工确定；在此具体实施例中，镜面连通区域中的s
region,min
＝100000、s
region,max
＝120000、r
rect,min
＝1、r
rect,max
＝1.5、r
rr,min
＝0.7和r
rr,max
＝0.85。
[0083]
s3.1.5对s3.1.1中得到的二值图像取反，利用人工确定另外一组常数s
region,min
、s
region,max
、r
rect,min
、r
rect,max
、r
rr,min
和r
rr,max
，然后进行s3.1.2-s3.1.4中的处理过程，得到可能为标记点的连通区域集s＝{d
s,1
,d
s，2
,...,d
s,l
}，集合元素为可能为标记点的连通区域，s＝1,2,...,l,l为可能为标记点的连通区域的数量；在此具体实施例中，标记点连通区域中的s
region,min
＝400、s
region,max
＝900、r
rect,min
＝0.8、r
rect,max
＝1.2、r
rr,min
＝0.7和r
rr,max
＝0.85。
[0084]
s3.1.6对于m中的任意一个可能的镜面连通区域dm，s中存在一个可能为标记点的连通区域ds，ds包含于dm之内，则该可能的镜面连通区域dm为镜面连通区域。
[0085]
具体地，步骤s3.1.6中，利用两个连通区域的水平外接矩形的顶点的关系来判断连通区域ds包含于dm之内，具体方法如下：
[0086]
求两个连通区域的水平外接矩形的左上顶点和右下顶点坐标分别为(u
s,l
,v
s,u
)、(u
s,r
,v
s,d
)和(u
m,l
,v
m,u
)、(u
m,r
,v
m,d
)。
[0087]
如果则连通区域ds包含于dm之内，否则连通区域ds不包含于dm之内。
[0088]
对于s4中利用s3中得到的水平偏差量δu1和垂直偏差量δv1，计算得到后视镜角度调整量(δa
α
,δa
β
)，又包含如下子步骤：
[0089]
s4.1先对水平偏差量δu和垂直偏差量δv进行二值化，得到布尔量水平偏差状态bu和垂直偏差状态bv，二值化方法如下：
[0090][0091]
s4.2后视镜角度水平调整量δa
α
＝bu·
α
t
，后视镜角度垂直调整量δa
β
＝bv·
β
t
。其中，α
t
为后视镜角度水平调节系数，β
t
为后视镜角度垂直调整系数，两个系数均为常数。
[0092]
对于s4.2中的后视镜角度水平调节系数α
t
和后视镜角度垂直调整系数β
t
，其特征在于，通过标定来确定α
t
和β
t
的值。标定后视镜角度水平调节系数α
t
和后视镜角度垂直调整系数β
t
的步骤一样，标定后视镜角度水平调节系数α
t
的步骤如下：
[0093]
s4.2.1手动调整后视镜，使得在摄像头采集的图像中，标记点位于后视镜面中，此时的后视镜角度记为(α0,β0)，i为正整数，初始值为1；
[0094]
s4.2.2按照s3.1-s3.3的方法，识别出后视镜面基准位置的坐标(ub,vb)；
[0095]
s4.2.3通过后视镜控制器控制后视镜角度为(α0+i
·
δαm,β0)，其中δαm为控制器水平调节后视镜角度的分辨率，即最小调整角度；
[0096]
s4.2.4按照s3.1-s3.3的方法，识别出新的后视镜面基准位置的坐标(u'b,v'b)；
[0097]
s4.2.5如果|u'
b-ub|≥1，则后视镜角度水平调节系数结束标定后视镜角度水平调节系数α
t
值的过程；
[0098]
否则，如果|u'
b-ub|＜1，则i＝i+1，跳到s4.2.2，继续。
[0099]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。