[发明专利]汽车偏离车道线角度和距离的视觉计算及预警方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用图像处理和计算机视觉技术，根据车载摄像头获取的路面图像，实时计算汽车偏离车道线的角度和距离的快速计算及安全预警方法。首先对路面图像进行车道线检测，得到局部车道线的直线方程；以摄像头为原点建立三维坐标系，记录摄像头的安装高度和俯角；对其焦距进行定标，然后依据针孔摄像机模型计算汽车相对车道线的偏转角和垂直距离，估计驶离车道的时间，为汽车驾驶中的安全预警或智能控制提供有效信息。

背景技术

近年来,汽车自主驾驶技术飞速发展,并逐渐取得进步。各个研究机构研制的自主驾驶系统已经可以在结构化道路上(高速公路)高速自主驾驶,并具备了各种智能化功能。在庞大而复杂的现代交通系统中,保证行车安全是首要目标,汽车主动安全技术就是通过对车辆运行的各种参数进行监测、调节与控制来达到辅助驾驶的目的,而车道跑偏告警系统正是其中主要技术之一。

研究车道跑偏告警系统的目的是对车辆即将驶出车道的危险情况给出警报,这种危险状况大多是由于驾驶员精神不够集中或困倦、疲劳等原因引起的,属于无意识的偏离车道。因此,车道跑偏告警系统从根本上说是对驾驶员的不良驾驶状态给出警告，其中计算机视觉测量方法因为其直观、易用和可靠性成为一个主流的研究方向。该方法融合了人、车、路3个系统,通过研究车—路关系,进而反推得到人的状态。

车道跑偏告警系统直接依赖于汽车的行驶速度、方向和与车道线之间的距离。其中行驶速度容易直接从车上的电子系统提取，而行驶方向和与车道线的距离不易获得。吉林大学郭孔辉教授提出的单点预瞄最优曲率模型，利用车辆转向时的Ackerman几何关系和稳态转向时横垂面内力的平衡分别确定目标转向角和目标侧倾角，采用ADAMS软件建立了驾驶员—车辆闭环动力学模型，并按双移线和蛇行两种典型行驶工况进行仿真，所建立的驾驶员模型适用于单轨车辆人—车闭环控制模型的动力学仿真研究。 

由于目前基于图像分析的车道检测技术已经非常成熟，学者们提出了多种车道检测算法，即使在城市道路等复杂环境下，车道检测都具有良好的效果。由于在局部范围内，车道分布可近似为直线，本发明利用图像分析技术进行车道检测，得到车道线方程，并以摄像头为原点建立三维坐标系；结合摄像头安装的空间信息，依据针孔摄像机模型计算汽车相对车道线的偏转角和垂直距离，以车—道关系为依据获得汽车跑偏的预警信息，成为智能交通系统及自主驾驶中保障行车安全的重要技术环节。

发明内容

针对现有汽车跑偏预警方法模型复杂、计算量大、环境依赖性强的不足，本发明的目的是提供一种汽车偏离车道线角度和距离的视觉计算及预警方法，该方法利用图像分析技术完成车道检测，采用视觉计算方法得到汽车相对路面车道线的空间位置和行驶方向，作为智能驾驶中汽车跑偏的预警信息。

本发明包含以下步骤

a)将CCD视频摄像头沿汽车正前方向安装在车内或车顶，调整俯角和焦距使其对前方50m内路面清晰成像，记录摄像头的安装高度h和俯角θ；

b)由摄像头对路面进行连续拍摄采集到的路面图像序列，通过DSP的数字视频高速通道实现数据采集；

c)对路面图像中的车道线进行检测，包括：

图像边沿检测。利用两个5×5模板分别对图像进行乘—加运算，得到对应于水平和垂直方向的两幅梯度图像，由这两幅图像求出原图的边沿图像。边沿图像将凸显图像的轮廓特征，尤其是车道线的边沿信息；

图像的二值化。对边沿图像采用Otsu算法计算出自适应阈值，依据该阈值对图像进行黑白两色二值化处理；

③去除水平轮廓：为了减少白点数量从而降低后续处理计算量，依据车道线在画面中不会出现水平走向的特点，对水平边沿点进行合并，即对水平方向连续出现的白点只保留最左边第一个白点，从而删除水平边沿，降低白点数量，同时又不对车道检测效果产生影响；

④应用约束条件去点。根据实际车道线分布的亮度、宽度和连续性特征设定约束条件，进一步去除干扰点；

⑤得到车道线方程。经过上面一系列处理后，有效降低了白点数量。Hough变换是一种广泛采用的直线检测手段，它通过“投票”方式决定最可能的直线位置，本发明中用来实现车道线检测。在检测过程中再次引入约束条件，并设定最低票数，在满足票数条件的直线超过4条时，保留票数最高的4条直线作为车道候选线，最终得到0～4条车道线的直线方程；

d)对摄像头的焦距参数f进行标定。将安装好摄像头的车辆停在与车道线成已知角度的方向上，依据检测出的车道线方程计算出焦距f,用于后续车辆行驶过程中对偏转角和垂直距离的计算；