技术领域
[0001] 本
发明涉及行车安全辅助技术领域，具体涉及一种车道偏离预警方法及预压车道时间估算方法。
背景技术
[0002] 车道偏离报警（Lane Departure Warning,简称：LDW）系统是高级驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems，简称：ADAS）的其中一种，是一项
汽车驾驶安全辅助系统。当传感元件侦测到车辆偏离车道时，若驾驶者因疲劳或疏忽而未打下转换车道的方向灯讯号，系统会发出警示讯号以提醒驾驶者返回车道。车道偏离报警（LDW）系统目前以摄像头为主要
传感器，基于
机器视觉技术探测并
跟踪车道线，结合驾驶员特性判断车辆是否有偏离出车道的危险，危险时为驾驶员提供声音、灯光及震动警示。 [0003] 由于道路环境复杂多变，现有的基于
图像处理技术的车道偏离预警方法仍面临许多挑战，还存在不足和需要改进的地方：不同的天气状况，白天黑夜光照差异，以及阴影等因素影响光线变化，给图像处理增加困难；隔离带、护栏、车道箭头及车辆的干扰，影响车道线检测的准确性。因此，车道偏离预警系统工作可靠性有待提高，需降低虚警率和漏警率，并需提高估计预压车道时间的准确性，以给出有效的车道偏离预警。
[0004] 并且，目前车道偏离时间(Time to Lane Crossing，简称：TLC)的计算方法一般是先计算车辆
偏航距离和偏航
角，通过偏航角和车速计算车辆侧向偏航速度，再通过偏航距离和侧向偏航速度估算出车辆预压车道时间，但在工程应用中，车辆在行驶过程中不能保持绝对平稳，车载摄像头难免会出现抖动现象，这直接会影响偏航角的计算，由于车辆是高速行驶的，两三度的偏航角误差都可能会导致TLC的计算误差超过允许范围，因此，这种方法在实际应用中不太可靠。
发明内容
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种车道偏离预警方法，可提高车道偏离报警的抗噪声和抗干扰的能
力，使车道偏离预警可靠性提高，降低虚警率和漏警率，并提高估计预压车道时间的准确性，以给出有效的车道偏离预警。
[0006] 本发明提供一种车道偏离预警方法，包括：
[0007] I.视频采集装置安装和参数标定步骤，具体包括：
[0008] (i)在汽车横向中央
位置安装摄像头，记录视频采集装置的外部参数：摄像头与
水平地面高度D、摄像头到汽车左右两侧的垂直距离dl和dr、摄像头俯角θ°； [0009] (ii)标定视频采集装置内部参数，确定图像
坐标系和世界坐标系的映射关系； [0010] II.图像预处理步骤，包括采集
检测区域的彩色图像、确定检测区域、对图像进行灰度化处理和中值滤波去噪；
[0011] 其特征在于，还包括：
[0012] III.
边缘检测步骤，包括采用局部最大差值法提取图像边缘梯度、采用最大类间方差法对
边缘图像进行二值化处理、对二值化后的边缘图像进行细化、噪点去除处理； [0013] IV.车道线识别步骤，通过Hough变换检测出多条直线，
选定符合要求的车道线； [0014] V.车道偏离预警时间确定步骤，具体包括：
[0015] (i)车辆偏航距离计算步骤：根据视频采集装置标定的外部参数、内部参数和坐标变换关系计算出车辆偏航距离；
[0016] (ii)预压车道时间估算步骤，具体包括：
[0017] ①获取车辆偏航距离点序列：当车辆开始偏离非报警区时，每处理一
帧图像，获得该时刻的车辆偏航距离；
[0018] ②分析车辆偏航距离点序列，其短时间内点分布近似直线，当车辆偏航距离达到预设偏航
阈值时，开始循环获取车辆偏航距离点序列；
[0019] ③根据获取的设定时间段内的偏航距离点序列，建立偏航距离点序列趋势模型，估算预压车道时间；
[0020] （iii）车道偏离判断步骤：设定车道偏离时间阈值，当所述预压车道时 间小于车道偏离时间阈值时，进行车道偏离预警。
[0021] 作为本发明的改进方案，所述I.视频采集装置安装和参数标定步骤将图像坐标系和世界坐标系的映射关系确定为：
[0022]
[0023]
[0024] 其中，定义摄像机内部参数a=f×Ny，b=Ny÷Nx，设Nx，Ny分别表示两个坐标方向的比例系数；f是摄像头焦距；（xc，yc）为图像坐标系，(Xw,Yw,Zw)为世界坐标系； [0025] 所述v.车道偏离预警时间确定步骤中的(i)车辆偏航距离计算步骤具体为： [0026] 图像坐标系下的车道线坐标方程为：
[0027] x=ky+b’
[0028] 世界坐标系下的车道线坐标方程为：
[0029] Xw=KYw+B,Zw=0
[0030] 根据图像坐标系和世界坐标系的映射关系计算得出：
[0031]
[0032]
[0033] 在世界坐标系中，K和cosθ趋向0，则摄像头到车道线距离：d≈B=Dkb； [0034] L、W为计算机图像横向和纵向大小，k，b’为图像坐标系下的直线方程斜率和截距；
[0035] 由此，计算出车体左侧到左侧车道线的距离Ll=d-dl，右侧Lr=d-dr。 [0036] 作为本发明的改进方案，所述III.边缘检测步骤中采用局部最大差值法提 取图像边缘梯度，具体为：采用纹理
滤波器检测图像的边界，设置模板大小，输出模板邻域内最大值与最小值之差。
[0037] 作为本发明的改进方案，所述III.边缘检测步骤中对二值化后的边缘图像进行细化的具体步骤为：以图像垂直中线为界，将检测图像分为左半边图像和右半边图像；对左半边图像从水平和垂直方向进行逐
像素扫描，当遇到白点时，如果后一点也是白点就将该点删除，否则保留，每行的最后一个像素点不做判断，像素值直接设为0；对右半边图像从水平和垂直方向进行逐像素扫描，若遇到白点，如果前一点也是白点就将该点删除，否则保留，每行的第一个像素直接设为黑点。
[0038] 作为本发明的改进方案，所述III.边缘检测步骤中图像噪点去除处理的具体步骤为：通过连通计数法去除噪点，对细化后的图像边缘进行
自下而上行扫描，当发现白点时，以该点为起点进行生长，并记录连通白点数，如果连通白点数小于3，认为是散点噪声，去除白点，保留连通像素点数大于等于3的白点连通边缘。
[0039] 本发明还提供一种基于偏航距离的预压车道时间估算方法，其特征在于，包括： [0040] ①获取车辆偏航距离点序列：当车辆开始偏离非报警区时，每处理一帧图像，获得该时刻的车辆偏航距离；
[0041] ②分析车辆偏航距离点序列，其短时间内点分布近似直线，当车辆偏航距离达到预设偏航阈值时，开始循环获取车辆偏航距离点序列；
[0042] ③根据获取的设定时间段内的偏航距离点序列，建立偏航距离点序列趋势模型，估算预压车道时间。
[0043] 本发明通过采用局部最大差值法提取图像边缘梯度、对边缘图像进行二值化处理、对二值化后的边缘图像进行细化、噪点去除处理，提高车道偏离报警的抗噪声和抗干扰的能力，使车道偏离预警可靠性提高，降低虚警率和漏警率，并通过预压车道时间估算方法提高估计预压车道时间的准确性，以给出有效的车道偏离预警。
附图说明
[0044] 图1是本发明的车道偏离预警方法的流程示意图；
[0045] 图2是本发明的车道偏离预警方法中的预压时间估算步骤的流程示意图； [0046] 图3是本发明中确定的图像检测区域的示意图；
[0047] 图4是本发明中的采用局部最大差值法提取图像边缘梯度的计算过程示意图； [0048] 图5是本发明中的预压车道时间估算方法的循环读帧数据示意图； [0049] 图6是本发明中的预压车道时间估算方法的偏航距离点序列趋势模型示意图； [0050] 图7示出了本发明提供的车道偏离预警方法的整体实施流程示意图； [0051] 图8-1至图8-3示出了在不同的路况环境下，使用本发明提供的车道偏离预警方法检测车道线的效果示意图。
具体实施方式
[0052] 下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明
专利保护范围的限制。
[0053] 如图1、2所示，本发明
实施例提供一种车道偏离预警方法，包括： [0054] I.视频采集装置安装和参数标定步骤，具体包括：
[0055] (i)在汽车横向中央位置安装摄像头，记录视频采集装置的外部参数：摄像头与水平地面高度D、摄像头到汽车左右两侧的垂直距离dl和dr、摄像头俯角θ°；在本实施例中，将视频采集摄像头安装在汽车挡
风玻璃后，靠近车辆
后视镜，尽量保证摄像头处于汽车横向中央位置，且摄像方向与车体纵向平行，以便于视频采集和车道偏离的计算； [0056] (ii)标定视频采集装置内部参数，确定图像坐标系和世界坐标系的映射关系； [0057] II.图像预处理步骤，包括采集检测区域的彩色图像、确定检测区域、对图像进行灰度化处理和中值滤波去噪；
[0058] 图3示出了图像检测区域。把汽车引擎盖以上和道路可视尽头水平线以下之间的图像区域作为车道线检测区域，以减少天空、树枝、高山及交通指示图像对车道线检测的干扰。区域的确定可在装置标定时，在
软件界面上进行人工 设置。
[0059] 本发明实施例提供的车道偏离预警方法还包括：
[0060] III.边缘检测步骤，包括采用局部最大差值法提取图像边缘梯度、采用最大类间方差法对边缘图像进行二值化处理、对二值化后的边缘图像进行细化、噪点去除处理；在本发明的实施例中，用最大类间方差法（OTSU）二值化处理，白点取值255，黑点取值0。 [0061] IV.车道线识别步骤，通过Hough变换检测出多条直线，选定符合要求的车道线； [0062] V.车道偏离预警时间确定步骤，具体包括：
[0063] (i)车辆偏航距离计算步骤：根据视频采集装置标定的外部参数、内部参数和坐标变换关系计算出车辆偏航距离；
[0064] (ii)预压车道时间估算步骤，具体包括：
[0065] ①获取车辆偏航距离点序列：当车辆开始偏离非报警区时，每处理一帧图像，获得该时刻的车辆偏航距离；
[0066] ②分析车辆偏航距离点序列，其短时间内点分布近似直线，当车辆偏航距离达到预设偏航阈值时，开始循环获取车辆偏航距离点序列；
[0067] ③根据获取的设定时间段内的偏航距离点序列，建立偏航距离点序列趋势模型，估算预压车道时间；
[0068] （iii）车道偏离判断步骤：设定车道偏离时间阈值，当所述预压车道时间小于车道偏离时间阈值时，进行车道偏离预警。
[0069] 作为本发明的改进方案，摄像机成像是把真实的三维世界投影到二维相机平面，要获得车辆在真实世界的运动信息，需要确定真实世界和图像的坐标变换关系。 [0070] 所述I.视频采集装置安装和参数标定步骤将图像坐标系和世界坐标系的映射关系确定为：
[0071]
[0072]
[0073] 其中，定义摄像机内部参数a=f×Ny，b=Ny÷Nx，设Nx，Ny分别表 示两个坐标方向的比例系数，是由相机的不确定图像尺度因子，CCD感光距离等内部参数共同决定；a，b的值可以通过背景图像的道路标记先验值和坐标变换关系反推出来。f是摄像头焦距；计算机图像
分辨率为L×W，（xc，yc）为图像坐标系，(Xw,Yw,Zw)为世界坐标系； [0074] 所述v.车道偏离预警时间确定步骤中的(i)车辆偏航距离计算步骤具体为： [0075] 图像坐标系下的车道线坐标方程为：
[0076] x=ky+b’
[0077] 世界坐标系下的车道线坐标方程为：
[0078] Xw=KYw+B,Zw=0
[0079] 根据图像坐标系和世界坐标系的映射关系计算得出：
[0080]
[0081]
[0082] 在世界坐标系中，K和cosθ趋向0，则摄像头到车道线距离：d≈B=Dkb； [0083] L、W为计算机图像横向和纵向大小，k，b’为图像坐标系下的直线方程斜率和截距；
[0084] 由此，计算出车体左侧到左侧车道线的距离Ll=d-dl，右侧Lr=d-dr。 [0085] 在本实施例中，所述III.边缘检测步骤中采用局部最大差值法提取图像边缘梯度，具体为：采用纹理滤波器检测图像的边界，设置模板大小，输出模板邻域内最大值与最小值之差。局部最大差值法的计算过程如图4所示，默认模板大小为3×3，每个数值取邻域内周边8个数字中的最大值Nmax与最小值Nmin之差。
[0086] 从边缘梯度
图像分割出来的二值化图像，得到的边缘比较粗，噪点也比较多，不利于下一步的直线检测，本发明分别对边缘进行了细化和去噪处理。
[0087] 在本发明的实施例中，所述III.边缘检测步骤中对二值化后的边缘图像进 行细化的具体步骤为：以图像垂直中线为界，将检测图像分为左半边图像Img_Left和右半边图像Img_Right；对左半边图像Img_Left自下而上，从左到右进行逐像素扫描，当遇到白点时，如果后一点也是白点就将该点删除，否则保留，每行的最后一个像素点不做判断，像素值直接设为0；对右半边图像Img_Right自下而上，从左到右进行逐像素扫描，若遇到白点，如果前一点也是白点就将该点删除，否则保留，每行的第一个像素直接设为黑点。 [0088] 在本发明的实施例中，所述III.边缘检测步骤中图像噪点去除处理的具体步骤为：通过连通计数法去除噪点，对细化后的图像边缘进行自下而上行扫描，当发现白点时，以该点为起点进行生长，并记录连通白点数，如果连通白点数小于3，认为是散点噪声，去除白点，保留连通像素点数大于等于3的白点连通边缘。为了防止重复计算，将判断为连通边缘的白点取值设为100，以区分未处理的边缘，当遍历完一帧检测图像后，可以再将连通边缘设值为255。
[0089] 本发明还提供一种基于偏航距离的预压车道时间估算方法，无需知道偏航角，包括：
[0090] ①获取车辆偏航距离点序列：当车辆开始偏离非报警区时，每处理一帧图像，获得该时刻的车辆偏航距离；
[0091] ②分析车辆偏航距离点序列，其短时间内点分布近似直线，当车辆偏航距离达到预设偏航阈值时，开始循环获取车辆偏航距离点序列；图5为循环读帧数据示意图(帧数据包括时间t和摄像头到车道线距离d)，当数据个数小于n时，依次将数据存入栈中，当数据大于n，依次移位更新，用n组数据完成对偏航角的估算，实现实时检测； [0092] ③根据获取的设定时间段内的偏航距离点序列，建立偏航距离点序列 [0093] 趋势模型，估算预压车道时间。图6为车辆边侧到车道线的距离d和时间t的坐标关系，用直线对点序列进行拟合。也可用
精度更高的曲线模型进行拟合，但在实际工程应用中，直线模型能够满足要求，计算、实现比较简单。
[0094] 得出了距离点序列趋势模型，就可以求得t坐标轴交点t’，设定阈值thr，当预压车道时间t’
[0095] 图7示出了本发明提供的车道偏离预警方法的整体实施流程示意图。 [0096] 图2所示的预压车道时间估算步骤即为本发明提供的基于偏航距离的预压车道时间估算方法的流程示意图。
[0097] 图8-1至图8-3示出了在不同的路况环境下，使用本发明提供的车道偏离预警方法检测车道线的效果示意图。图8-1至图8-3分别示出了三种路况环境下的车道线检测效果图，路况环境为：白天-前方有车、晚上-有
路灯、晚上-无路灯。
[0098] 以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例，不能以此来限定本发明的权利保护范围，因此依本发明
申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
