基于裸眼3D技术的汽车室内观后镜

贾大海

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

汽车室内观后镜对行车安全的重要性毋庸置疑，传统镜面式后视镜在后排装货、恶劣环境下无法发挥作用，是交通安全中不可忽视的隐患。将裸眼3D技术和摄像头技术结合起来代替传统的镜面式后视镜则可大大消除这种隐患。

1 裸眼3D技术的发展

1.1 裸眼3D显示装置结构

最常见的裸眼3D显示器由光栅和2D显示面板精密耦合而成，其结构如图1所示，包括2D显示面板10’、隔垫玻20’和光栅30’，通过隔垫玻璃将光栅和2D显示面板隔开一定距离，从而实现裸眼3D效果。

图1 裸眼3D显示装置

1.2 裸眼3D显示装置结构

目前主流的裸眼3D技术有：狭缝是液晶光栅、柱状透镜、指向光源、主动式背光。狭缝式液晶光栅的技术原理是在屏幕前加了一个狭缝式光栅后，应该由左眼看到的图像显示在液晶屏幕上，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏幕上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过将左眼和右眼的可视画面分开，使观看者看到3D影像。

2 设计方案的整体概述

在汽车室内观后镜上用电子显示屏幕代替传统的镜面式反光镜，在车辆行驶过程中，获取汽车后置摄像头通过车载中央控制器所发送的所述车辆的实时后侧影像。实时后侧影像通过显示装置上的狭缝式液晶光栅来显示3D效果。

车载中央控制器分别与后侧摄像头和室内电子显示装置连接，还有将显示装置转换成3D效果的狭缝式液晶光栅，车载中央控制器检测到汽车处于点火状态下，然后开始将后侧摄像头采集到的影像发送给车内显示装置，车辆显示装置上的狭缝式液晶光栅将显示画面中的2D效果转换成3D效果，使得驾驶员能够以水平视线观察所述车辆后侧影像。车辆后侧摄像头和显示装置通过 CAN总线与所述车载中央控制器连接通信。在光栅和电子显示面板之间设置距离调节结构，根据放置在显示面板之上的经过标定的双目摄像头所获取的人眼范围调节所述光栅与显示面板之间的距离，从而达到理想的3D效果。整体设计流程如图2所示。

图2 整体设计流程

3 裸眼3D显示

3.1 3D显示装置的结构

图3是裸眼3D显示装置示意图，该裸眼3D显示装置由相对设置的光栅30和显示面板10组成，中间形成密封腔体22，在弹性密封层21上设置气孔，通过气孔改变密封腔体中的气体量从而达到调节所述光栅与所述显示面板之间的距离的目的。

图3 显示装置示意图

3.2 裸眼3D显示屏幕的角度调整

在电子显示屏前端安装双目摄像头，并且标定好双目摄像头的位置，得到双目摄像头采集到的同一时间的左、右两帧图像，再分别矫正左、右两帧图像，得到矫正后图像。

图4 双目摄像头的定位原理

图4所示为双目摄像头的定位原理。测量两个摄像头之间的距离，也就是右边的摄像头相对于左边的摄像头的三维平移t和旋转参数R，双目摄像头C1和C2与世界坐标系相对位置的外部参数为旋转矩阵R1和R2以及平移向量t1和t2，双目摄像头与世界坐标系的相对位置为：

由此得到双目摄像头之间的位置关系：

两个摄像头之间的几何关系：

然后计算目标点在左右视图形成的视差，引进极限约束降维，如图5所示。

图5 左右视图视差

3.3 从矫正后的图像中提取人脸范围区域

在人脸范围区域中提取人眼区域，对优化后的人眼区域中检测虹膜并计算相对空间位置，利用摄像头和电子显示屏的位置关系计算得到人眼相对电子显示屏的空间位置。对矫正后的图像进行二值化处理，以二值化图像的水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，然后确定人脸区域在X轴和Y轴方向的起始点和结束点，得到人脸范围。

首先，确定人脸区域在X轴方向的起始点和结束点：

设定X=b，b=0：

获取X=b时，二值化图像中白点的个数记为SumTempx和所有点的个数 Sum_p_c：设定阈值 argmax(g(t))，若 Sum Tempx和Sum_p_c的比值大于或者等于argmax(g(t))，则X=b作为人脸区域在X轴方向的起始点，即为人脸的左边界X坐标，记为 x_L。若 SumTempx和 Sum_p_c的比值小于argmax(g(t))，则对b加上步长x_p，重复以上步骤直到找到人脸的左边界X坐标。

同理可找到人脸的右边界X坐标x_R与人脸的上边界y_U和下边界y_D：

从人脸范围区域中提取人眼区域的方法为：

其中，G（x，y）表示二值化图像中坐标（x，y）处的灰度值，Mh(x)表示二值化图像中坐标(x，y）处的灰度值在[x_L，x_R]区域的水平积分投影曲线：

3.4 人眼区域的处理

找到所述水平积分投影曲线中与人眼相对应的波谷，利用与该波谷相邻的两个波峰点找到这两个波峰点对应的Y轴坐标k_1和k_2，令

得到y_1和y_2组成的人眼区域。

对得到的人眼区域进行如下优化：

①利用高斯滤波对人眼区域进行特殊处理，得到平滑图像；

②进行梯度幅值和方向计算；

③进行极大值抑制，得到非极大值抑制图像。

④若高阈值边缘图像的边缘出现断点，则查找该断点坐标对应于低阈值边缘图像中的像素点，寻找该像素点的八邻域点中能够连接高阈值边缘图像断点的像素点，将该像素点连接至高阈值边缘图像的断点处。

⑤重复上述步骤直至高阈值边缘图像的边缘闭合，再采用最小外接矩形法估算出人眼区域的圆心和半径，从而得到该人眼区域的参数方程。

对所述的参数方程在半径范围内进行Hough变换得到一个变换空间，任选所述变化空间中的一个圆作为当前圆，遍历变换空间中的所有圆，统计与该当前圆圆心坐标相同的圆的个数记为相同圆心数，并标记该当前圆，直至所述变换空间中所有圆都被标记为当前圆。

找到相同圆心数最多的当前圆，该当前圆的圆心坐标即为虹膜坐标，从而根据人眼的空间位置对裸眼3D汽车室内观后镜显示装置进行调整，使得当前人眼位置处在最佳观看区域。

4 结论

本课题将裸眼3D技术应用于传统汽车室内后视镜，设计出一种基于狭缝式液晶光栅的裸眼3D室内观后镜，在汽车启动时，车载中央控制器将汽车后侧摄像头采集的实时影像传递至中央显示面板，通过光栅形成3D效果，此外通过双目摄像头识别人眼区域，再调整显示面板形成最佳观看效果。