基于焦距状态与道路纵深分区的高速球机近红外分区补光及在线校准方法与流程

本发明涉及智能交通监控，具体涉及一种基于焦距状态与道路纵深分区的高速球机近红外分区补光及在线校准方法。

背景技术：

1、高速球机通常集成连续变焦机芯、云台机构和近红外补光组件，能够通过预置位巡航覆盖多个道路方向，并通过光学变焦观察不同距离的道路目标。高速球机由广角向长焦变焦时，视场角、主要观察距离和单位像素对应的道路范围同步变化，与之相匹配的近红外照射角、有效补光距离和光能分布也应相应改变。若不同焦距状态共用固定补光参数，广角状态容易出现近距离路面、护栏或绿化反射过亮，长焦状态又容易出现远距离车辆、行人和道路边界补光不足。

2、现有焦距联动补光通常根据变倍位置切换预设灯组或功率档位，部分设备还根据整幅图像平均亮度执行smart ir调节。该类方式通常未把云台预置位、道路空间纵深、区域成像质量及不同补光单元之间的交叉照明影响贯通起来。近距离区域在图像中占比较大，远距离目标面积较小，因而可能出现全局平均亮度正常但远距离道路仍欠曝的情况。

3、多个近红外补光单元通常具有不同照射角和有效距离，但其照明贡献并非彼此独立。宽角补光单元可能同时影响近区和中区，窄角补光单元也可能对中区产生贡献。道路坡度、球机俯角、防护罩透过率和路面反射率还会改变各补光单元的实际影响范围。若仅采用近区暗则增加近距灯、远区暗则增加远距灯的独立规则，容易产生通道耦合、反复调节或局部过曝。

4、此外，机芯曝光和增益变化会直接改变图像亮度统计结果；云台未完全到位、镜头正在变焦或聚焦、车辆经过、反光标识、雨雾散射及防护罩污染也会造成质量指标异常。如果前一步取得的焦距、云台、曝光、增益和补光状态未在后续步骤中继续使用，或质量指标仅被计算而未转换为实际补光控制误差，则无法形成可执行的控制链条。

技术实现思路

1、本技术为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：

2、本技术实施例提供了一种基于焦距状态与道路纵深分区的高速球机近红外分区补光及在线校准方法，包括：

3、按照统一时间戳获取高速球机当前的预置位、焦距、云台姿态、曝光增益参数、道路图像及各近红外补光单元的驱动状态，形成统一状态向量；

4、根据所述预置位和焦距，生成当前道路空间映射及基准参数，并利用所述云台姿态及焦距对当前映射参数进行更新，输出当前道路空间映射参数；

5、利用所述映射参数对当前道路有效区域进行确定，将道路有效区域划分为多个道路纵深区域，输出各道路纵深区域的区域掩膜和区域可信度；

6、根据所述曝光增益参数对道路图像进行归一化，结合所述区域掩膜和区域可信度对各纵深区域的成像质量指标进行计算，并与目标区间比较后生成有符号区域误差向量；

7、基于所述预置位和焦距加载各近红外补光单元对各纵深区域的照明影响关系，以所述有符号区域误差向量为控制目标，结合所述各近红外补光单元的驱动状态及安全约束，对各近红外补光单元的目标输出进行求解；

8、将所述目标输出转换为各近红外补光单元的驱动指令并下发执行，回读实际驱动状态后重新采集道路图像，并对补光调整后的成像质量进行比较，根据比较结果对本次补光调整作出反馈响应。

9、在一种可能的实现方式中，所述按照统一时间戳获取高速球机当前的预置位、焦距、云台姿态、曝光增益参数、道路图像及各近红外补光单元的驱动状态，形成统一状态向量，包括：

10、分别从机芯接口读取变倍编码位置、焦距状态、曝光时间和增益，从云台控制接口读取云台水平角、云台俯仰角、预置位编号和云台转动状态，从补光驱动接口读取各近红外补光单元的命令输出、实际电流和温度，从图像采集接口读取道路图像及对应帧时间戳；

11、以所述道路图像的帧时间戳为基准，对读取的各状态量进行时间匹配或线性插值，若任一状态量与所述帧时间戳的时间差超过允许阈值时，标记为无效；

12、将所述变倍编码位置转换为当前焦距，计算公式为：

13、

14、其中，为当前焦距，为当前变倍编码位置，和为焦距标定表中包围的相邻编码节点，和为编码节点对应的实测焦距；

15、将云台水平角、云台俯仰角、曝光时间、增益以及各近红外补光单元的命令输出、实际电流和温度统一转换后组合为统一状态向量。

16、在一种可能的实现方式中，根据所述预置位和焦距，生成当前道路空间映射及基准参数，并利用所述云台姿态及焦距对当前映射参数进行更新，输出当前道路空间映射参数，包括：

17、获取并记录球机光学中心相对于道路参考平面的安装高度、基准水平角和俯仰角、图像分辨率、镜头标定内参、可用预置位编号及各代表性焦距节点；

18、在每个预置位和代表性焦距节点下，在道路中心线、车道边界或道路侧边选取多个不共线地面标定点，获取各标定点的道路地面坐标或相对于球机的纵向距离，并记录在道路图像中对应的像素坐标；

19、根据所述道路地面坐标与图像像素坐标之间的对应关系，对预置位、焦距节点的单应性映射模型进行求解；

20、利用未参与求解的验证标定点，对单应性映射模型的重投影误差进行计算，公式为：

21、

22、其中，为映射模型在验证标定点上的重投影误差，为验证点数量，为第r个验证点的道路地面坐标，为实测图像像素坐标，表示齐次坐标归一化，为预置位p和焦距节点k对应的单应性映射模型；

23、当所述重投影误差小于预设阈值时，将映射模型与对应预置位和焦距节点关联保存至参数库；

24、根据当前预置位选择对应的参数单元，并判断当前焦距在参数库中的位置；若当前焦距位于相邻标定节点之间，则对相邻节点的映射模型进行插值，若当前焦距与标定节点重合，则直接使用标定节点的映射模型；

25、根据当前云台俯仰角与标定俯仰角的偏差，对映射模型进行姿态修正，并以修正后的映射模型作为当前道路空间映射参数。

26、在一种可能的实现方式中，若当前焦距位于相邻标定节点之间，则对相邻节点的映射模型进行插值的公式为：

27、

28、

29、其中，为当前焦距对应的初始映射模型，为焦距插值系数，为预置位p和焦距节点k+1对应的单应性映射模型，为当前焦距，和为编码节点对应的实测焦距。

30、在一种可能的实现方式中，利用所述映射参数对当前道路有效区域进行确定，将道路有效区域划分为多个道路纵深区域，输出各道路纵深区域的区域掩膜和区域可信度，包括：

31、以当前预置位和焦距为索引，从参数库加载基准道路掩膜、基准消失点、基准车道线或道路边界位置、固定参照物位置以及预设的近、中、远区域的实际距离阈值，作为当前道路有效区域确定的初始基准；

32、对道路图像进行边缘检测和直线段提取，结合基准道路掩膜约束获得候选车道线和道路边界，对固定参照物采用特征点匹配或模板匹配获得候选参照物位置；根据多条道路延伸方向直线的交点获得候选消失点，作为当前图像的结构特征；

33、将提取的当前结构特征与加载的基准结构特征建立对应关系，采用随机采样一致性或带鲁棒损失的最小二乘法剔除车辆、阴影和错误边缘产生的异常对应点，求取限定为小范围单应性、仿射或平移尺度变换的修正变换，公式为：

34、

35、其中，为当前帧相对于基准道路结构的修正变换，为第r个基准车道线端点、道路边界点或固定参照物特征坐标；为当前图像中匹配到的对应特征坐标；为匹配置信权重；为限制变换偏离单位变换i的正则系数，为优化过程中待求的候选几何变换，为二维坐标残差的欧氏范数平方，为矩阵的frobenius范数平方；

36、根据有效匹配数量、重投影误差、消失点偏移一致性、车道边界覆盖长度和连续帧稳定性对结构特征置信度进行计算，公式为：

37、

38、其中，为结构特征置信度，为将结果限制到0至1的单调映射；为稳健匹配后的内点数量，为候选匹配数量；为平均重投影误差；和分别为当前消失点和基准消失点；为图像对角线长度；为当前有效道路边界或车道线总长度，为基准长度，、、、分别为内点比例项、重投影误差惩罚项、消失点偏移惩罚项和道路边界覆盖比例项的权重系数；

39、将所述结构特征置信度与预设置信度阈值进行比较，当所述结构特征置信度低于所述预设置信度阈值时，保持加载的基准道路掩膜和基准纵深区域边界，并降低对应道路纵深区域的区域可信度；

40、当所述结构特征置信度达到或超过所述预设置信度阈值时，利用所述修正变换对基准道路掩膜和纵深边界进行更新；

41、利用修正后的当前道路空间映射参数，将预设的近、中、远区域的实际距离阈值分别映射到图像坐标系中，在确定的道路有效区域内部生成沿道路纵深方向排列的近距离、中距离和远距离区域中的多个区域，形成各道路纵深区域的区域掩膜；

42、根据计算的结构特征置信度及修正执行情况，为各道路纵深区域分别分配区域可信度。

43、在一种可能的实现方式中，根据所述曝光增益参数对道路图像进行归一化，结合所述区域掩膜和区域可信度对各纵深区域的成像质量指标进行计算，并与目标区间比较后生成有符号区域误差向量，包括：

44、以所述曝光增益参数为输入，调用预先标定的灰度响应函数对归一化系数进行计算后，对道路图像中每一像素的亮度值进行归一化处理，生成参考曝光和参考增益条件下的归一化图像，公式为：

45、

46、

47、其中，为归一化亮度，为当前图像像素亮度；为黑电平；和分别为曝光时间及增益对应的灰度响应函数；和为参数库中设定的参考曝光和参考增益；为图像最大灰度，为当前控制周期的曝光时间；为当前控制周期的增益；表示截断函数；

48、对所述归一化图像执行移动目标检测，采用帧间差分法识别当前道路图像中的移动目标，生成移动目标掩膜；

49、对所述归一化图像执行异常高亮检测，结合亮度阈值、低纹理特征、几何形状分析及时域稳定性判据，识别车辆灯光、反光标识及局部高反射路面，生成异常高亮掩膜；

50、根据所述移动目标掩膜、所述异常高亮掩膜、区域掩膜和区域可信度对各纵深区域的有效像素权重进行计算；

51、针对每一道路纵深区域，以所述有效像素权重为统计权重，对输出的归一化图像中各像素的亮度值进行加权统计，计算各区域的有效像素亮度加权中位数；

52、根据所述有效像素亮度加权中位数、有效像素权重和归一化图像，分别计算各道路纵深区域的欠曝比例和过曝比例；

53、同时利用所述有效像素权重和归一化图像对各道路纵深区域的纹理可见度和稳健局部对比度进行计算；

54、从参数库加载当前预置位和焦距节点对应的各区域目标质量区间，利用计算得到的各区域质量指标对各区域有符号补光误差进行确定；

55、将确定的各区域有符号补光误差组成区域误差向量。

56、在一种可能的实现方式中，根据所述移动目标掩膜、所述异常高亮掩膜、区域掩膜和区域可信度对各纵深区域的有效像素权重进行计算的公式为：

57、

58、其中，为第i个纵深区域像素权重；为区域掩膜；为区域可信度；为移动目标掩膜；为车辆灯光、反光标识和异常高反射区域掩膜；为根据纹理可靠性设置的附加权重。

59、在一种可能的实现方式中，基于所述预置位和焦距加载各近红外补光单元对各纵深区域的照明影响关系，以所述有符号区域误差向量为控制目标，结合所述各近红外补光单元的驱动状态及安全约束，对各近红外补光单元的目标输出进行求解，包括：

60、以当前预置位和焦距为索引，从参数库中读取相邻焦距节点的照明影响关系，并根据焦距插值系数生成当前照明影响矩阵，公式为：

61、

62、其中，为当前控制周期的照明影响矩阵；和为预置位p相邻焦距节点保存的影响矩阵，为焦距插值系数；

63、读取各补光单元当前输出、实际电流和温度，根据补光单元温度计算各补光单元温度降额后的单元输出上限，并结合驱动故障状态剔除不可用补光单元；

64、以所述有符号区域误差向量为控制目标，以所述当前照明影响矩阵作为预测模型，建立包含预测区域误差、输出调整幅度和相邻周期平滑性为目标的受约束优化目标函数，求取候选输出调整量，计算公式为：

65、

66、其中，为各补光单元候选输出调整量；为区域权重矩阵；为照明影响矩阵；为区域误差向量；为输出调整幅度正则项的权重系数；为相邻控制周期平滑项的权重系数；为优化变量；为上一个控制周期已接受的输出调整量。

67、在一种可能的实现方式中，读取各补光单元当前输出、实际电流和温度，根据补光单元温度计算各补光单元温度降额后的单元输出上限的计算公式为：

68、

69、

70、其中，为第j补光单元在温度下允许的输出上限；为额定输出；为温度降额系数；为开始降额温度，为强制关闭温度。

71、在一种可能的实现方式中，将所述目标输出转换为各近红外补光单元的驱动指令并下发执行，回读实际驱动状态后重新采集道路图像，并对补光调整后的成像质量进行比较，根据比较结果对本次补光调整作出反馈响应，包括：

72、根据各补光单元目标输出和当前温度，从预标定的驱动映射表中选取满足输出要求且量化误差最小的电流档位，并在所选电流档位下计算对应的pwm占空比；对电流档位变化和pwm占空比变化实施限幅及渐变后，通过驱动通信接口向各补光单元下发驱动指令；

73、等待预设电气和光学稳定时间后，通过驱动通信接口回读各补光单元的实际电流、温度和故障状态，根据回读的实际电流和温度估算实际等效输出；

74、若目标输出与估算实际输出偏差超过阈值，或出现过温、过流、开路、短路、通信超时，则将对应补光单元标记为不可用或降额，输出硬件异常标志，并使用剩余可用单元重新求解或切换安全参数；

75、若目标输出与估算实际输出偏差在预设范围内时，重新采集道路图像，按照确定道路有效区域及纵深分区，重新计算调整后的区域误差和综合成像质量；

76、将调整后的综合成像质量与计算的调整前综合成像质量进行比较，若综合成像质量改善且硬约束未被突破，则保持当前输出，并将连续稳定改善下的输出偏差用于生成在线校准候选版本；若综合成像质量未改善或硬约束被突破，则减小控制步长重新求解或恢复补光前输出。

77、与现有技术相比，本技术的有益效果为：

78、本技术通过统一状态向量和时序同步，使焦距、云台姿态、曝光、增益、补光命令、实际电流和温度均在后续步骤中具有明确用途，避免控制特征悬空。通过安装参数、道路地面标定点、映射模型验证和焦距插值，形成可重复获得的道路有效区域和纵深分区，而不是仅进行概括性区域划分。将亮度、欠曝、过曝、对比度、纹理和噪声统一转换为有符号区域误差，区域质量指标直接进入补光输出求解和反馈验证，形成明确数据闭环。

79、本技术利用照明影响关系处理多个近红外补光单元对近、中、远区域的交叉贡献，在功率、温度和变化速率约束下求解输出，区别于简单独立开关灯组或固定焦距功率表，将目标输出进一步转换为实际电流档位和pwm占空比，并读取电流、温度及故障状态，从而把算法计算结果落实到近红外led硬件并验证执行效果。补光后使用相同道路掩膜、归一化和质量评价流程重新计算综合质量，能够区分真实可见性改善与仅亮度升高、噪声或过曝增加的伪改善。