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紅外技術(shù)及其在夜視和DMS的應(yīng)用研究

2019-04-08 15:31:33·  來源：佐思《2019紅外技術(shù)及其在夜視和DMS的應(yīng)用研究報(bào)告》  
　
紅外線是一種不可見光線，又稱紅外熱輻射，波長(zhǎng)介于微波與可見光之間的電磁波，波長(zhǎng)在0.76 至 1,000 微米之間。所有溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）的物質(zhì)都不斷地輻
紅外線是一種不可見光線，又稱紅外熱輻射，波長(zhǎng)介于微波與可見光之間的電磁波，波長(zhǎng)在0.76 至 1,000 微米之間。所有溫度高于絕對(duì)零度（-273℃）的物質(zhì)都不斷地輻射紅外線，紅外線能量的大小與物體表面的溫度和材料特性直接相關(guān)，溫度越高，紅外線能量就越大。
一般將紅外線再分為：近紅外波段 1～3微米，中紅外波段 3～5微米，遠(yuǎn)紅外波段 5～1000微米。
基于遠(yuǎn)紅外波段，用來探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像的產(chǎn)品叫做紅外熱像儀。
紅外熱像儀中的探測(cè)器是最核心器件，也是技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)。紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及研發(fā)涉及到材料、集成電路設(shè)計(jì)、制冷和封裝等多個(gè)學(xué)科，技術(shù)難度很大，目前全球僅有美國(guó)、法國(guó)、以色列、中國(guó)等少數(shù)國(guó)家能夠掌握非制冷紅外探測(cè)器核心技術(shù)。
紅外熱成像儀在電力、建筑、執(zhí)法、消防、車載等行業(yè)有廣泛的應(yīng)用。由于其探測(cè)距離遠(yuǎn)，能夠穿透煙霧沙塵，不受光線影響，白天夜晚均可使用，因此成為汽車夜視系統(tǒng)的主要技術(shù)方案。唯一的缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。
據(jù) NHTSA 測(cè)算，夜間行車只占公路交通量的 1/4，但死亡事故卻占了 1/2。紅外夜視系統(tǒng)能拓寬夜間行車可視距離至 300 米以上（夜間依靠車燈的可視距離僅為 80m），給予司機(jī)更充裕的反應(yīng)時(shí)間，顯著提升行車安全。因此從2000年起，主要豪華車品牌都開始嘗試裝配夜視系統(tǒng)。那時(shí)一套夜視系統(tǒng)一般需要2500美元，現(xiàn)在下降到約1000美元。在中國(guó)，2014年奧迪夜視系統(tǒng)選裝價(jià)格為3萬元，2019年標(biāo)致508L夜視系統(tǒng)選裝價(jià)為8000元。
目前全球已經(jīng)有8萬多臺(tái)汽車使用了遠(yuǎn)紅外熱成像傳感器。
如同對(duì)待激光雷達(dá)，各廠家有截然不同的態(tài)度一樣，各廠家對(duì)夜視系統(tǒng)也看法不一。
Mobileye副總裁高維斯認(rèn)為，夜視系統(tǒng)并不是一個(gè)真正需要的東西，因?yàn)楣鈱W(xué)相機(jī)在夜間可以很好地工作，并且還有不受光線影響的雷達(dá)系統(tǒng)作為備用。
一直有夜視產(chǎn)品的博世認(rèn)為：隨著技術(shù)的演進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)夜視的需求在慢慢減弱。因?yàn)橐环矫鎴D像傳感技術(shù)的提升，普通攝像頭在夜間的表現(xiàn)已經(jīng)非常好了，另一方面隨著車燈技術(shù)的發(fā)展， LED車燈的視野已經(jīng)可以達(dá)到100-200米了。因此博世已經(jīng)不把夜視方案作為一個(gè)重點(diǎn)了。
而Seek Thermal副總裁Tim LeBeau反駁道，現(xiàn)在自動(dòng)駕駛汽車使用的光學(xué)雷達(dá)并不能探測(cè)物體熱量以確定這些物體是否是活物。價(jià)格方面，隨著熱傳感器的廣泛應(yīng)用，它的成本一年內(nèi)下降了20%。
 
痛恨遠(yuǎn)光的人們也認(rèn)為，使用照射距離200米的遠(yuǎn)光燈嚴(yán)重干擾其他司機(jī)的視線，近光燈+被動(dòng)夜視（紅外熱像）系統(tǒng)才是最佳選擇。
 
夜視系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛的其他傳感器一樣，既有好處也有弊端。熱成像傳感技術(shù)還需要克服成本、視野和耐用性的挑戰(zhàn)，來滿足主動(dòng)安全的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。
 
汽車夜視市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊Veoneer(原奧托立夫) 仍在不斷改進(jìn)升級(jí)夜視系統(tǒng)。Veoneer第三代夜視系統(tǒng)，具有行人和動(dòng)物檢測(cè)功能。同時(shí)夜視系統(tǒng)還整合了隨動(dòng)轉(zhuǎn)向LED前大燈，在系統(tǒng)探測(cè)到前方物體時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)燈光自動(dòng)轉(zhuǎn)向照亮前方物體所在方向。
 
傳統(tǒng)夜視系統(tǒng)對(duì)于直立行走和站立的行人的識(shí)別率很高，當(dāng)行人不在直立狀態(tài)時(shí)就很可能識(shí)別失敗，比如打傘、大幅度彎腰等等。因此夜視系統(tǒng)也需要加入深度學(xué)習(xí)能力，以便于處理更多行人和騎車人場(chǎng)景。
 
新興公司正在致力于完善傳統(tǒng)夜視系統(tǒng)的不足，其中包括來自以色列的AdaSky。
 
AdaSky的熱成像夜視系統(tǒng)叫Viper，以每秒60幀的速度連續(xù)工作，并且能夠以0.05°（熱靈敏度）從幾百米遠(yuǎn)的物體收集熱信號(hào)（行人檢測(cè)距離在200米左右）。Viper采用基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)有算法對(duì)障礙進(jìn)行分類，并在駕駛艙的顯示屏上顯示障礙物體，提示駕駛員注意。這種預(yù)警方法比使用普通可見光傳感器的預(yù)警方法提前幾秒，甚至比人眼預(yù)警還快。
 
2018年11月，Adasky宣布獲得2000萬美元融資。
        
夜視系統(tǒng)更多的進(jìn)步還包括：在HUD上高亮顯示動(dòng)物和行人，和AEB系統(tǒng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)遇到危險(xiǎn)主動(dòng)剎車或減速，等等。
近紅外光廣泛應(yīng)用于人臉識(shí)別和DMS（駕駛員狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）等領(lǐng)域。
駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)式DMS和主動(dòng)式DMS。被動(dòng)式DMS借助轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、電容式觸碰（觸碰方向盤）或前置攝像頭LDW數(shù)據(jù)來“推斷”駕駛員是否疲勞或分心。
主動(dòng)式DMS采用近紅外技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員頭部、面部等表情及動(dòng)作，針對(duì)駕駛員疲勞和分神狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，預(yù)警狀態(tài)包括閉眼、低頭、打哈欠、左顧右盼、抽煙、打電話等，此外系統(tǒng)還支持駕駛員身份識(shí)別。即便在夜間、逆光等高挑戰(zhàn)性光照環(huán)境下也能提供高品質(zhì)的成像質(zhì)量。此外，由于紅外光可以穿透墨鏡鏡片，被遮擋的眼部信息也能夠正常成像，很好地解決了駕駛員眼鏡反光或佩戴墨鏡的問題。
 
因此，主動(dòng)式DMS代表著未來發(fā)展方向。芯片廠商開始推出DMS專用圖像傳感器。
 
2018年12月，ST推出了VG5661和VG5761兩款全新的駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全局快門影像傳感器。該傳感器可以控制攝像機(jī)補(bǔ)光燈拍攝場(chǎng)景影像，避免太陽光、路燈等無法預(yù)測(cè)的外界因素影響畫質(zhì)，尤其在使用波長(zhǎng)940nm的近紅外光源補(bǔ)光時(shí)靈敏度更高，并且可以評(píng)估駕駛員注意力、乘客舒適度或兒童行為。
 
從2020年開始，想要獲得歐盟五星安全認(rèn)證的車輛就必須具備駕駛員監(jiān)測(cè)功能。
 
中國(guó)商用車方面，對(duì)DMS的列裝也有一定的法規(guī)要求。因此商用車DMS市場(chǎng)發(fā)展很快。
 中國(guó)乘用車方面，具備DMS功能的車型占全部新推車型的比例在10%左右，目前仍以被動(dòng)式DMS為主，主動(dòng)式DMS還有很大發(fā)展空間。 
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