阅读说明：本技术 车载抬头显示虚像距离测量方法 (Vehicle-mounted head-up display virtual image distance measuring method ) 是由 刘显明 冉舒文 章鹏 雷小华 陈伟民 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了车载抬头显示虚像距离测量方法,包括以下步骤：1)搭建虚像距离测量系统；2)调节相机在眼动范围内的位置,扫描并计算出虚像宽度W；3)调节相机在眼动范围内的位置,扫描并计算出虚像高度H；4)通过图像处理算法计算出虚像在图像中的宽p；5)计算出虚像在相机的感光元件上的大小P；6)利用相机成像的相似三角形关系,计算出虚像距离L；本发明利用相机本身的光轴,采取扫描的方式获取虚像的大小,从而将单目视觉测距的原理成功应用到虚像测量领域,基于常规单目测距的原理,解决了测量设备要求高的问题。(The invention discloses a vehicle-mounted head-up display virtual image distance measuring method, which comprises the following steps: 1) constructing a virtual image distance measuring system; 2) adjusting the position of the camera within the eye movement range, scanning and calculating the width W of the virtual image; 3) adjusting the position of the camera within the eye movement range, scanning and calculating the virtual image height H; 4) calculating the width p of the virtual image in the image through an image processing algorithm; 5) calculating the size P of the virtual image on a photosensitive element of the camera; 6) calculating a virtual image distance L by using a similar triangular relation imaged by a camera; the invention utilizes the optical axis of the camera and adopts a scanning mode to obtain the size of the virtual image, thereby successfully applying the principle of monocular vision distance measurement to the field of virtual image measurement.)

车载抬头显示虚像距离测量方法

技术领域

本发明属于抬头显示虚像测量领域，具体涉及一种车载抬头显示虚像距离测量方法。

背景技术

车载抬头显示技术(HUD，Head Up Display)的作用在于将行车过程中的驾驶信息投影在驾驶员视野范围内，通过专门的反射屏或挡风玻璃，将从像源发出的图像光线反射到人眼，在驾驶员视野前方形成虚像，图像与外界环境虚实结合的效果。抬头显示器作为一种显示虚像的显示设备，虚像距离的测量至关重要。虚像距离是指虚像面到驾驶员眼动范围平面的距离，它直接反应了虚像的空间位置，直接影响到抬头显示器的显示效果和使用者的感受。

目前在抬头显示测量领域，主要以单目离焦法原理和双目立体视觉原理来实现对HUD虚像距离的测量。其中，双目立体视觉方法利用立体视线的辐辏角来计算虚像距离，对双目系统的搭建具有较高要求。单目的离焦法，利用相机清晰成像是所满足的物像关系，计算出虚像的距离。这种方法在使用时对调焦的准确性和辨别图片的清晰程度的准确性要求较高，要求高性能的设备来完成。

发明内容

本发明的目的是提出一种车载抬头显示虚像距离测量方法，快速准确的实现对抬头显示虚像大小的测量和对虚像距离的计算。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，车载抬头显示虚像距离测量方法，包括如下步骤：

1)搭建虚像距离测量系统。所述虚像距离测量系统包括抬头显示器、相机、参考板和终端。

所述抬头显示器布置在汽车挡风玻璃下方。所述相机通过三维位移支架布置在驾驶员眼动范围内。所述参考板布置在挡风玻璃前方。所述终端连接相机。所述终端能够将相机拍摄到的图像进行实时处理和计算。

2)调节相机在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像宽度W。

3)调节相机在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像高度H。

4)通过图像处理算法计算出虚像在图像中的宽Q。

5)计算出虚像在相机的感光元件上的大小P：

式中(1)中，a为相机2中虚像宽Q所在方向的分辨率参数，m为相机2中虚像宽Q所在方向的感光元件尺寸参数。

6)利用相机成像的相似三角形关系，计算出虚像距离L：

式中(1)中，f为相机的焦距。

进一步，在步骤2)中，扫描并计算出虚像宽度W包括如下步骤：

2.1)调节相机在眼动范围内的位置，使得虚像的左边缘位于相机拍摄照片的中心。记录相机的位置S₁和虚像左边缘在参考板上投影位置P₁。

2.2)沿虚像宽度方向移动相机，确保相机光轴不发生偏转。

2.3)在终端中观察拍摄到的图像，当虚像右边缘位于相机拍摄照片的中心时，停止移动相机，记录相机位置S₂和虚像右边缘在参考板上投影位置P₂。

2.4)计算相机沿虚像宽度方向移动的距离W，W＝S₂-S₁＝P₂-P₁。

进一步，在步骤3)中，扫描并计算出虚像高度H包括如下步骤：

3.1)调节相机在眼动范围内的位置，使得虚像的上边缘位于相机拍摄照片的中心。记录相机位置S₃，和虚像上边缘在参考板上投影位置P₃。

3.2)沿虚像高度方向移动相机，确保相机光轴不发生偏转。

3.3)在终端中观察拍摄到的图像，当虚像下边缘位于相机拍摄照片的中心时，停止移动相机，记录相机位置S₄和虚像下边缘在参考板上投影位置P₄。

3.4)计算相机沿虚像高度方向移动的距离H，H＝S₄-S₃＝P₄-P₃。

进一步，所述参考板上设置有刻度和标记。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，常规的单目视觉测距原理上需要预先知道测量目标的大小，而由于虚像的特殊性质，无法通过常规的手段测量虚像的大小。本发明利用相机本身的光轴，采取扫描的方式获取虚像的大小，从而将单目视觉测距的原理成功应用到虚像测量领域。本发明基于常规单目测距的原理，解决了测量设备要求高的问题。

附图说明

图1为虚像距离测量系统示意图；

图2为测量虚像宽度的示意图；

图3为测量虚像高度的示意图；

图4为虚像距离测量的基本原理图。

图中：抬头显示器1、相机2、参考板3和挡风玻璃4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种车载抬头显示虚像距离测量方法，包括如下步骤：

1)搭建虚像距离测量系统。参见图1，所述虚像距离测量系统包括抬头显示器1、相机2、参考板3和计算机。

根据车辆内部的实际环境，或者模拟车辆内的坐标放置抬头显示器1。本实施例中，所述抬头显示器1安装在汽车挡风玻璃4下方。所述相机2为工业相机，所述相机2安装在三维位移支架上，三维位移支架固定在汽车内部，确保相机2能够在驾驶员眼动范围内对虚像进行拍摄。在挡风玻璃4前方放置带有刻度和标记的参考板3。所述计算机连接相机2。所述计算机能够将相机2拍摄到的图像进行实时处理和计算。

对虚像大小的测量如图2和3所示。通常车载抬头显示系统虚像是矩形形状，利用相机2扫描矩形虚像宽(即X轴方向长度)和高(即Y轴方向长度)的方式完成对虚像大小的测量。参考板3上的刻度和标记作为虚像大小测量辅助手段。

2)调节相机2在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像宽度W。具体地，包若如下步骤：

2.1)通过三维位移支架调节相机2在眼动范围内的位置，使得虚像的左边缘位于相机2拍摄照片的中心，即整幅图片的中心位置。记录相机2的位置S₁，同时记录下虚像左边缘在参考板3上投影位置P₁。

2.2)通过三维位移支架沿虚像宽度(X轴)方向移动相机，确保相机2光轴不发生偏转。

2.3)在计算机中观察拍摄到的图像，当虚像右边缘位于相机2拍摄照片的中心时，停止移动相机2，记录相机2位置S₂和虚像右边缘在参考板3上投影位置P₂。

2.4)计算相机2沿虚像宽度方向移动的距离W，W＝S₂-S₁＝P₂-P₁，W即为所测虚像的宽。

3)调节相机2在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像高度H。具体地，包若如下步骤：

3.1)通过三维位移支架调节相机2在眼动范围内的位置，使得虚像的上边缘位于相机拍摄照片的中心。记录相机2位置S₃和虚像上边缘在参考板3上投影位置P₃。

3.2)通过三维位移支架沿虚像高度方向移动相机，确保相机2光轴不发生偏转。

3.3)在终端中观察拍摄到的图像，当虚像下边缘位于相机2拍摄照片的中心时，停止移动相机2，记录相机2位置S₄和虚像下边缘在参考板3上投影位置P₄。

3.4)计算相机2沿虚像高度方向，即Y轴方向移动的距离H，H＝S₄-S₃＝P₄-P₃，H即为所测虚像的宽。抬头显示虚线的大小测量完毕。

值得注意的是，参考板3上的标记和刻度作为虚像大小测量的补充，必须移动相机2观察，虚像边缘在图像中心时，才可以记录下虚像边缘投影到参考板3上的位置。单个位置拍摄到的照片中，虚像边缘投影在参考板3上的大小不等于虚像的大小。

值得注意的是，由于抬头显示虚像位置通常设计在驾驶员视野的左下方，与驾驶员人眼位置存在下视角和左视角，因此在相机2水平放置时，相机2所拍摄到的虚像不会位于图片的正中心，而是在图片的下方。为了便于说明，我们使用图片中心作为参考点，但是实际测量时，可以使用图片任意位置的任意点作为参考，只需要是虚像的左右边缘、上下边缘位于参考位置，并记录下移动距离即可。

测量出虚像的大小之后，可以由单目测距原理实现对虚像距离的测量。

4)已知工业相机的焦距f、分辨率为a×b、感光元件尺寸为m×n等参数，根据已测量得到虚像宽度W，利用相机2拍摄到的完整的虚像图像，通过计算机的图像处理算法计算出虚像在图像中的宽Q，Q即为虚像宽所占据的像素个数，Q的单位为像素。

具体地，图像处理算法计算出虚像在图像中的宽Q流程为：将相机2拍摄到的图像用python-OpenCV进行处理，依次对三通道rgb图像进行灰度化、二值化得到双通道的二值图像，此时二值图像中的虚像为黑色，背景为白色。使用opencv中轮廓提取函数找出虚像轮廓角点坐标，得到虚像边长像素个数，即得到虚像宽所占据的像素个数Q。

5)利用分辨率和感光元件尺寸计算出虚像在相机2的感光元件上的大小P：

转换得：

P的单位为毫米,式中(1)中，a为相机2中虚像宽Q所在方向的分辨率参数，m为相机2中虚像宽Q所在方向的感光元件尺寸参数。

6)参见图4，利用相机2成像的相似三角形关系，计算出虚像距离L：

转换得：

式中(2)中，f为相机2的焦距。

由于常规的单目视觉测距原理上需要预先知道测量目标的大小，而由于虚像的特殊性质，无法通过常规的手段测量虚像的大小。本实施例公开的车载抬头显示虚像距离测量方法，利用相机本身的光轴，采取扫描的方式获取虚像的大小，从而将单目视觉测距的原理成功应用到虚像测量领域，解决了测量设备要求高的问题。

实施例2：

本实施例提供一种较为基础的实现方式，一种车载抬头显示虚像距离测量方法，包括如下步骤：

1)搭建虚像距离测量系统。参见图1，所述虚像距离测量系统包括抬头显示器1、相机2、参考板3和终端。

根据车辆内部的实际环境，或者模拟车辆内的坐标放置抬头显示器1。本实施例中，所述抬头显示器1安装在汽车挡风玻璃4下方。所述相机2为工业相机，所述相机2安装在三维位移支架上，三维位移支架固定在汽车内部，确保相机2能够在驾驶员眼动范围内对虚像进行拍摄。在挡风玻璃4前方放置带有刻度和标记的参考板3。所述终端连接相机2。所述终端能够将相机2拍摄到的图像进行实时处理和计算。

对虚像大小的测量如图2和3所示。通常车载抬头显示系统虚像是矩形形状，利用相机2扫描矩形虚像宽(即X轴方向长度)和高(即Y轴方向长度)的方式完成对虚像大小的测量。参考板3上的刻度和标记作为虚像大小测量辅助手段。

2)调节相机2在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像宽度W。

3)调节相机2在眼动范围内的位置，扫描并计算出虚像高度H。

测量出虚像的大小之后，可以由单目测距原理实现对虚像距离的测量。

4)已知工业相机的焦距f、分辨率为a×b、感光元件尺寸为m×n等参数，根据已测量得到虚像宽度W，利用相机2拍摄到的完整的虚像图像，通过计算机的图像处理算法计算出虚像在图像中的宽Q，Q即为虚像宽所占据的像素个数，Q的单位为像素。

具体地，图像处理算法计算出虚像在图像中的宽Q流程为：将相机2拍摄到的图像用python-OpenCV进行处理，依次对三通道rgb图像进行灰度化、二值化得到双通道的二值图像，此时二值图像中的虚像为黑色，背景为白色。使用opencv中轮廓提取函数找出虚像轮廓角点坐标，得到虚像边长像素个数，即得到虚像宽所占据的像素个数Q。

5)利用分辨率和感光元件尺寸计算出虚像在相机2的感光元件上的大小P：

转换得：P的单位为毫米,式中(1)中，a为相机2中虚像宽Q所在方向的分辨率参数，m为相机2中虚像宽Q所在方向的感光元件尺寸参数。

6)参见图4，利用相机2成像的相似三角形关系，计算出虚像距离L：

转换得：式中(2)中，f为相机2的焦距。

由于常规的单目视觉测距原理上需要预先知道测量目标的大小，而由于虚像的特殊性质，无法通过常规的手段测量虚像的大小。本实施例公开的车载抬头显示虚像距离测量方法，利用相机本身的光轴，采取扫描的方式获取虚像的大小，从而将单目视觉测距的原理成功应用到虚像测量领域，解决了测量设备要求高的问题。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤2)中，扫描并计算出虚像宽度W包若如下步骤：

2.1)通过三维位移支架调节相机2在眼动范围内的位置，使得虚像的左边缘位于相机2拍摄照片的中心，即整幅图片的中心位置。记录相机2的位置S₁，同时记录下虚像左边缘在参考板3上投影位置P₁。

2.2)通过三维位移支架沿虚像宽度(X轴)方向移动相机，确保相机2光轴不发生偏转。

2.3)在终端中观察拍摄到的图像，当虚像右边缘位于相机2拍摄照片的中心时，停止移动相机2，记录相机2位置S₂和虚像右边缘在参考板3上投影位置P₂。

2.4)计算相机2沿虚像宽度方向移动的距离W，W＝S₂-S₁＝P₂-P₁，W即为所测虚像的宽。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例2，进一步，在步骤3)中，扫描并计算出虚像高度H包若如下步骤：

3.1)通过三维位移支架调节相机2在眼动范围内的位置，使得虚像的上边缘位于相机拍摄照片的中心。记录相机2位置S₃和虚像上边缘在参考板3上投影位置P₃。

3.2)通过三维位移支架沿虚像高度方向移动相机，确保相机2光轴不发生偏转。

3.3)在终端中观察拍摄到的图像，当虚像下边缘位于相机2拍摄照片的中心时，停止移动相机2，记录相机2位置S₄和虚像下边缘在参考板3上投影位置P₄。

3.4)计算相机2沿虚像高度方向，即Y轴方向移动的距离H，H＝S₄-S₃＝P₄-P₃，H即为所测虚像的宽。抬头显示虚线的大小测量完毕。

值得注意的是，参考板3上的标记和刻度作为虚像大小测量的补充，必须移动相机2观察，虚像边缘在图像中心时，才可以记录下虚像边缘投影到参考板3上的位置。单个位置拍摄到的照片中，虚像边缘投影在参考板3上的大小不等于虚像的大小。

值得注意的是，由于抬头显示虚像位置通常设计在驾驶员视野的左下方，与驾驶员人眼位置存在下视角和左视角，因此在相机2水平放置时，相机2所拍摄到的虚像不会位于图片的正中心，而是在图片的下方。为了便于说明，我们使用图片中心作为参考点，但是实际测量时，可以使用图片任意位置的任意点作为参考，只需要是虚像的左右边缘、上下边缘位于参考位置，并记录下移动距离即可。