基于图像识别和5G 传输的智能汽车道路安全联网系统设计

赵 洁

（山西交通职业技术学院 车辆工程系，山西 晋中 030619）

1 引言

随着智能化城市的不断发展，汽车作为市民出行的必要工具，使其朝着智能化、清洁化、安全的方向发展成为目前研究领域的热点[1]。当然，为了提升驾驶员和乘坐人员的安全性、舒适性以及便捷性，基于物联网和计算机技术的传感器被充分的开发与应用[2]。目前，智能车辆的所搭载的传感器已经能够完成环境识别、路径规划、自主导航等功能，这些功能的发展为车辆的交通安全问题提供了切实可行的解决方案[3-4]。本文基于图像处理以及5G 等前沿技术，设计了一种智能汽车道路安全联网系统，旨在进一步提升车辆安全的基础上，实现车辆的高度智能化。

2 系统总体设计

本文所设计的是一种融合多种学科的高科技技术综合体，其基于图像识别和5G 传输等前沿科技，同时运用模式识别、通信、计算机和智能控制技术，打造功能于一体的多功能综合系统[5]。图1 展示了基于图像识别和5G 传输的智能汽车道路安全联网系统。在本系统中，我们使用车载点对点网络对车辆进行联网，并结合布置在车内的电子镜、视觉增强型平视显示器以及整车内室全感雷达实现对车辆的全智能感知。

图1 基于图像识别和5G 传输的智能汽车道路安全联网系统

该系统主要包含车内网络架构和车外网络架构。其中车内网络中的汽车采用“控制器局域网+本地互连网络+面向媒体的系统传输”的总线协议。在车外网络中，汽车上的无线传感模组可以通过Internet 与基础设施节点进行5G 通信。远程家庭服务和远程车辆服务提供商为汽车用户提供特定的服务。这种车载网络和5G 架构可以实现车内所有智能传感器、执行器和其他控制单元的协同调配。

首先从车辆对车辆的角度来讲，当驾驶司机遇到任何危险情况时，可以立即向控制中心报警求助。此外，当看到另外车辆遇险时，也可以立即发送警报通知控制中心，控制中心的工作人员可以通知警察提取不安全车辆GPRS 信号。这不仅可以用于车辆安全的求助，也可以用于犯罪人员的抓捕。正如图1 所示，系统架构基于5G 技术，依托当地遥测系统，所有车辆的位置信息由高速的5G 网络进行全面连接和互通。为了选择确定准确的求助车辆，控制中心的人员需要根据上下文信息进行选择，包括车的速度和方向，从而过滤掉距离较远或来自相反方向的车。

3 车内安全系统

3.1 视觉增强型平视显示器

目前，在极端天气下，驾驶员的视线受到一定的阻碍，这时就需要一定的视觉增强技术对其进行有效的调节，也就是说，布置一定的视觉增强型平视显示器可以增强驾驶员在能见度降低和危险情况下的视力。在驾驶员的前视场内，汽车平视显示屏距离焦平面更远，可以避免驾驶员分心并减少工作量。其先进性在于提高汽车的驾驶性能。从车辆内部布置的传感器中收集到的信号被传输到车载核心处理器上，首先对信息进行处理，并将其与预先编译好的安全极限数值进行比较。车辆速度、发动机温度、引擎速度、燃料容量、行人和车辆警告、避障引导等这些必要信号在平视显示器上进行显示，并通过车辆音频系统以声音信号的形式传递给驾驶员。如果遇到十分危险的情况，如大雾、大雨、大雪等天气，可以直接如图1 所示上传至控制中心，并分享给附近车辆，提醒注意躲避。

3.2 基于图像捕捉的电子后视镜

本文设计的基于图像捕捉的电子后视镜，其本质是多视频传感器的电子后视系统，该系统如图2 所示。

图2 基于图像捕捉的电子后视镜系统

不同于传统的门和内镜，基于图像捕捉的电子后视镜有更高级的数字图像处理能力。该系统包含两个侧面摄像机，一个中心摄像机，一个倒车摄像机。由中心摄像机捕捉到的图像作为正常行驶中的主要图像来源，目的是分析前方路况，捕捉的图像经过处理可以消除盲点，结合两个侧面摄像机的图像，经过合并与修正在前方的平视显示器上进行显示。倒车摄像机只有驾驶员倒车时才会主动开启，用于倒车安全建议。这些摄像机的布置首先可以为司机提供一个更好的视野，其次也可以为司机提供合理的驾驶建议。

3.3 整车内室三维场景视觉感知

前文讨论的几款技术都是尽可能地防止交通事故的发生，但是，据相关报道，车内布置的安全气囊可以有效地降低事故发生时的伤害与死亡率，也就是说，当车辆在发生灾难性事故时，安全气囊将被充气，并且可以有效地保护乘客与驾驶员。曾有报告指出，当发生碰撞时，一些儿童背会挤压到缝隙中，并被安全气囊伤害，为了避免这种气矿，需要结合车内三维图像对安全气囊进行有效的调整。本文提出基于立体视觉原理的原理，将矩阵传感器红外结构光发射器相结合结合提出整车内室三维感知方案。

如图3 所示，是整车内室三维场景视觉感知系统。它的原理是利用脉冲光发射器将光投到车内场景中，结合脉冲感光传感器，可以有效地分析场景中包含的物体的变形形变，之后基于立体视觉原理和三角剖分技术，有重建一个三维图像的场景。该技术具有低实时约束和没有光功率限制的优点和特色。以驾驶员面部的三维感知为例，如图4 所示，利用整车室内三维感知视觉系统在车内在未控制的环境下提取出完整的面部轮廓特征，这表现出良好的鲁棒性。

图3 整车内室三维场景视觉感知系统（结合脉冲光发射器提供场景的三维图像）

图4 整车内室三维场景视觉感知系统提取的完成面部特征

在测试中，整车室内三维感知视觉系统的效率取决于脉冲光发射器和脉冲感光传感器的分辨率、脉冲光发射器和脉冲感光传感器之间的间隙、校准精度、脉冲光发射器光束的亮度、在驾驶舱中的位置等特性。也就是说，整车室内三维感知视觉系统中脉冲光发射器和脉冲感光传感器的间距要尽可能远一些，我们测试两者相距2.5 米较好。其次，考虑到脉冲光发射器和脉冲感光传感器的分辨率和精度对系统效果的影响，我们在实际过程中，应该尽可能地选择分辨率较高的设备。也就是说应该能够完整地分辨人体各部分身体特征。脉冲光发射器的布置如图3 所示，一般在实际过程中，布置的光束阵列的位置是经过优化的，采用8×8 的阵列较好，光源波长为780nm，脉冲持续时间为120 μs，允许功率增加1/3。虽然该系统在实际工作中表现良好，但是也面临了一些问题需要在未来的操作过程中完善，一个是脉冲光发射器和脉冲感光传感器的视角要非常宽，第二个是由于车内空间的紧凑性导致在利用传统图像处理技术时，必须要考虑车椅靠背的阴影重叠。在今后，考虑到驾驶员的生理和心理状态，面部表情在影响交通安全的功能中发挥着重要的作用。所提出的整车内室三维场景视觉感知可以用于分析驾驶员的驾驶状态，并评估驾驶员的安全性能，从而为自动智能化驾驶提供一定的策略。

4 结论

综上所述，为了进一步提升车辆的智能化水平，本文基于图像处理以及5G 等前沿技术，设计了一种智能汽车道路安全联网系统，该技术包含旨视觉增强型平视显示器、基于图像捕捉的电子后视镜以及整车内室三维场景视觉感知，实现了提升车辆安全的基础上，增强车辆的智能化水平。