CN1116187C - 水汽传感器和风挡玻璃水汽检测器 - Google Patents

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Abstract

一种用于自动检测交通工具的风挡玻璃(26)上的水汽的控制系统(20)。该自动水汽检测系统(20)包括:用于把风挡玻璃(26)的一部分成像到象CMOS活动像素传感器这样的图像阵列传感器(32)上的光学系统(30)。表示亮度级的每个像素的电压被模数转换器(35)转换为相应的灰度级。该对应于图像的灰度级被存储在存储器(38)中。该灰度级数值的空间频率成分被分析以确定存在的雨量。提供一个控制交通工具的风挡刮水器(40)的操作的控制信号,作为存在的水汽量的函数。该系统还适于检测在风挡玻璃(26)内表面和风挡玻璃(26)外表面上的水汽程度。通过提供一种用于自动检测在风挡玻璃(26)内外表面上存在的水汽的系统,可以削除已知自动雨水传感器的严重性能限制。

Description

水汽传感器和风挡玻璃水汽检测器
                          技术领域
本发明涉及一种用于自动检测例如用于汽车的交通工具风挡玻璃的表面上存在的水汽的系统,以自动地激活交通工具的风挡刮水器和/或除霜器或除雾系统。
                        现有技术描述
在常规的风挡刮水器系统中,该风挡刮水器是根据刮擦动作之间的时间间隔而激活的,而不是根据风挡玻璃外表上的水汽而激活。在相对连续地降雨的情况下,例如,该时间间隔可以被调节对应于雨水聚积到所需的可见程度的点时的时间量。不幸的是,降雨的速率可能在给定的时间内剧烈变化。另外,交通状况也会造成落在风挡玻璃上的雨量的变化,例如卡车经过等情况。结果,在这种情况过程中,刮水器的时间间隔必须时常调节,这是非常麻烦的。
现在已有各种系统根据交通工具风挡玻璃上的水汽自动地控制风挡刮水器的刮擦动作之间的间隔。在一些已知的系统中,各种涂层被施加到该交通工具风挡玻璃上。这些涂层的电子测量被用于提供风挡玻璃上水汽含量的指示。不幸的是,这些方法需要相对昂贵的处理过程,这使得这样的系统在商业是不可行的。还已有其它用于自动感应在交通工具风挡玻璃上的水汽含量的系统。例如,已有测量干风挡玻璃与湿风挡玻璃的反射光的差别的光学系统。不幸的是,该光学方法容易受到来自外部光源的干扰,因此不能提供合适的性能。其它已有系统必须附着到风挡玻璃上,这使风挡玻璃的更换复杂化。由于如此复杂,使得水汽传感器很少出现交通工具上。
另一种用于自动检测风挡玻璃上的水汽含量的系统公开与日本公开专利申请No.Hei>(1995)-286130,其中描述了使用电荷耦合器件(CCD)图像传感器来对交通工具风挡玻璃的部分进行成像,以检测雨点。在此所述的系统计算每个像点与所有像点的平均值之间的差别。不幸的是,迎面而来的交通工具的前灯将在该图像上产生一个亮点,该亮点难以被完全变模糊并且容易被认为是雨点。另外,为了使这一系统有效地工作,来自远景的图像必须完全模糊。否则,在远景中将会有暗和亮的区域。尽管在该日本公开专利申请都没有揭示用于实现该目的的光学系统,但是非常难以开发出一种完全使迎面而来的前灯变得模糊的光学系统。不能把迎面而来的前灯变得模糊则会造成公开于上述日本公告专利申请中的系统的错误启动。
自动雨水检测系统的另一个问题是该系统不能够检测风挡刮水器的操作。在一定的寒冷气候条件下,风挡刮水器已知被冻在风挡玻璃上。在这种情况下,由于水汽没有被该刮水器所除去,则即使刮水器被冻在风挡玻璃上,自动雨水检测设备也将会持续地命令该刮水器启动,这会潜在地破坏该风挡刮水器系统。
已有系统的另一个已知的问题是不能够检测在风挡玻璃内表和外表上的雾气。由上述所述,象公开于上述公告的日本专利申请中那样的自动水汽检测系统是基于检测风挡玻璃上的雨点的能力。当均匀的雾或水汽覆盖在交通工具风挡玻璃上,则象公开与公告的日本专利申请中的系统那样的系统不能够感应在风挡玻璃外表上的这种水汽。结果,在这种情况下,风挡刮水器必须能人工启动,从而部分地减弱了自动雨水传感器和风挡刮水器控制系统的目的,这使得该特点非常令人不满意。
在其他情况中,在风挡玻璃的内部上形成的水汽与风挡玻璃的外表上的水汽含量无关。在这种情况下,公开于公告的日本专利申请中的自动雨水感应系统在风挡玻璃的内表上的水汽被清除之前不能够检测在交通工具风挡玻璃外表上的水汽含量。在这种情况下,除霜器或除雾器系统必须人工激活,已除去风挡玻璃内表的水汽。直到在风挡玻璃内表上的水汽被充分清除为止,该自动雨水传感器不能在这种情况中工作。
具有自动雨水检测的要求是具有一种系统,使其在例如雨、雪和雾这样的典型气候条件中自动控制风挡刮水器。当该刮水器系统在这种典型的条件中必须人工操作时,这一特点不尽人意。
                        发明概述
本发明的一个目的是提供一种现有技术的问题的系统。
本发明另一个目的是提供一种用于自动检测在交通工具风挡玻璃上的水汽含量的系统。
本发明的另一个目的是提供一种用于在象雨、雪和雾这样的通常气候条件中自动检测交通工具风挡玻璃上的水汽的系统。
本发明的又一个目的是提供一种用于自动检测存在于风挡玻璃外表上的水汽的系统。
本发明另一个目的是提供一种用于自动检测存在于风挡玻璃内表上的水汽的系统。
本发明又一个目的是提供一种用于自动感应横在风挡玻璃的一部分上的风挡刮水器的系统。
简而言之,本发明涉及一种用于自动检测交通工具风挡玻璃上的水汽的系统。该自动水汽检测系统包括用于把风挡玻璃的一部分成像到图像阵列传感器上的光学系统,例如CMOS活动像素传感器。表示亮度级的每个像素的电压被模数转换器转换为相应的灰度级数值。对应于图像的灰度级数值被存储在存储器中。该灰度级数值的空间频率成分被分析以确定存在的雨水量,以提供一个控制交通工具风挡刮水器的操作的控制信号,作为存在的水汽量的一个函数。该系统还是适合于检测风挡玻璃内表和风挡玻璃外表上的水汽。通过提供一种用于自动检测风挡玻璃内表和外表上的水汽存在的系统,可以消除已有自动雨水传感器在典型的气候条件中的严重性能局限性。
                         附图说明
通过参照如下说明和附图,本发明的这些目的将易于理解,其中:
图1为示出说明根据本发明的系统的交通工具风挡玻璃和附着的后视镜的实体图。
图2是用于感应根据本发明的风挡玻璃外表上的水汽的系统的一部分的放大视图。
图3是根据本发明的另一个实施例用于检测水汽系统的实体图,其中示出一束光投射到风挡玻璃上用于水汽检测。
图4a和4b分别是示出根据本发明的光学系统在潮湿和不潮湿条件中的性能的计算机模拟光点图。
图5是用于根据本发明的系统的流程图。
图6是根据本发明系统的方框图。
                    本发明的具体描述
根据本发明一种自动水汽感应系统能够检测交通工具风挡玻璃上的水汽,与自动控制交通工具的风挡刮水器、除霜器和/或除雾系统。用于自动感应交通工具风挡玻璃上的水汽的系统以商业上可行的成本消除了已有自动水汽感应系统的许多性能缺陷。如在此所用的,术语“水汽”用于表示在各种气候条件中能够在风挡玻璃上找到的各种类型的水汽和降落物,例如降雨、降雪、冰、雾,以及通常落在交通工具风挡玻璃上的其它物体,例如虫子、灰尘等等。在相当常见的气候条件中,例如在冰、雾和各种程度的降雨和降雪等等中,该系统能够提供比其他已有系统更加优越的性能。
如下文中更加具体地描述,该风挡玻璃的一部分被成像到图像阵列传感器上。形成本发明的一部分的一个光学系统使得风挡玻璃上的雨点和其它水汽的来源被精确地聚焦,而风挡玻璃之外的远处物体被在该图像中严重地模糊化。该处理系统分析该图像,找到由于雨水滴或者其它水汽的边缘以及由于该水滴随机地聚焦远处物体而造成的明显不连续情况。这些不连续表示空域高频的成分。空域高频成分的大小是可以用来自动控制交通工具风挡刮水器的交通工具上的雨水或其它水汽量的测量值。在本发明的另一个实施例中,该系统适合于感应在风挡玻璃内表和外表上的水汽,以避免自动水汽感应系统的误操作。这样,本发明消除了许多已有自动水汽感应系统的各种性能局限性。
在本发明的另一个实施例中,该系统能够检测风挡刮水器的操作,以避免误操作和在风挡刮水器被卡住或冻在风挡玻璃上时对风挡刮水器系统的损坏。由上文所述,该系统分析风挡玻璃一部分的图像,以找到具有相对较高的空间频率成分的明显不连续情况。这些空域高频成分的幅度被用于表示风挡玻璃上的水汽或其它物质的测量值。因此,灰尘、虫子和其它物质将被最初当作水汽。但是,由上文所述,该系统具有自动感应风挡刮水器叶片的操作的能力。因此,如果可能是冰、污物、裂缝或其它物质的该物质不能够被风挡刮水器所除去;在一次或多次刮擦之后还保留在风挡玻璃上,则根据本发明系统可以被设置为忽略这种物质,以避免交通工具风挡刮水器系统的进一步的误操作。
参照图1,根据本发明的自动水汽感应系统总体上用参考标号20表示。该自动水汽感应系统可以固定安装在汽车后视镜外壳24的安装支架22上,或者安装在后视镜外壳24的背面上。自动水汽感应系统20包括一个图像传感器,例如安装在交通工具风挡玻璃26后2至3英寸的位置,其具有基本与地面平行或与地面略成角度的光轴。在现代客车中的风挡玻璃26的角度约为27°。这种结构可以造成雨点和其它水汽与图像传感器具有不同的距离,这取决于该水汽相对于图像传感器的视野的位置。为了有助于补偿这一问题,图像传感器可以约向风挡玻璃26形成10°,使得传感器20的顶部被移为更接近风挡玻璃26。
自动水汽感应系统20有四个主要部件:成像光学系统;发光二极管;图像传感器;以及处理器。成像光学系统在图2中最佳地示出,而图像传感器在图2和图6中示出。用于微控制器的流程在图5中示出。
成像光学系统
总体上用参考标号30(图2)所表示的成像光学系统被用于把风挡玻璃26的预定部分成像到图像传感器32上,使得在风挡玻璃26的附近距离上的物体被精确地聚焦在像面上,而在更远距离处的物体被散焦并且模糊。被成像的风挡玻璃26的区域必须足够大,使得在相对小的降雨条件中接受雨点的概率有意义。另外,风挡玻璃的成像区域必须在被风挡刮水器所刮擦的风挡玻璃区域中。
成像光学系统可以包括用作为成像透镜的单个双凸面镜33。透镜33可以具有6mm的直径;对于每个表面的7mm的前后曲率半径和2.5mm的中央厚度。透镜33的前表面可以定位在与风挡玻璃26的外表面相距62mm的位置。成像透镜33可以由机械透镜框架34所支承,其直接在透镜33的正面形成约5mm直径的止块36。图像传感器可以位于约与透镜33的后表面相距8.55mm的位置,并且与上文所述略微倾斜约10°的角度。
可以使用更加精细的光学系统例如具有多个部件,非球面部件、或者折射物体(defractive objects),特别是需要与风挡玻璃相距更短的距离的情况下。但是,由于收集的图像不是用于照相的目的,因此在用于自动水汽检测的应用中不需要这种光学质量。也可以用相对较低的成本使用聚丙烯或其他透明塑胶模制的单个透镜。包括拍立得(Polaroid)和柯达(Kadak)公司在内的各种公司专门生产高性能的模制塑料光学器件。
图4示出图2中所示的成像系统的性能的计算机模拟。更具体来说,图4a是来自在光轴上相对较远的物体的接近平行光线成像到像面上的光点图。图4b为在风挡玻璃的外表面的距离处的光轴上的点的成像的光点图。在图4a和4b的光点图的比较中,可以看出该光学系统能够使来自远处物体的光变得模糊,而聚焦来自风挡玻璃距离处的物体的光。
当交通工具开上山的情况下,该交通工具可能处于这样的位置,使得阳光直接被该设备所成像。由于长时间对准阳光所造成的辐射过量可能破坏图像传感器32。为了减轻这种问题可以用一个电镀铬的滤光器来暂时从像面上消除大部分阳光。也可以使用其它光电或光学机械设备。
图像传感器
图像传感器32可以是CMOS活动像素传感器。在成像技术中,CMOS活动像素传感器是最近获得的突破,这使得能够低成本高灵敏度地成像在一块用CMOS工艺生产的芯片上。这种CMOS活动像素传感器比其它传感器具有几个优点,包括低功耗、通用CMOS生产技术、低成本和能够在相同的芯片上集成附加电路,可变读出窗和可变光积分时间。这种CMOS活动像素传感器可以从加利弗尼亚州的La Cresenta市的Photobit LLC公司购得。尽管CMOS活动像素传感器具有明显的优点,但是其它图像传感器也适合并且被考虑在本发明的范围内。像素的尺寸和数目被确定为成像足够大和足够详细的风挡玻璃的区域,以适当地检测小于,而保持成本效率。例如,64×64的活动像素、40μm的像素尺寸阵列将成像标准客车风挡玻璃上约25mm×40mm的面积。
处理和控制
自动水汽感应电路的方框图在图6中示出。如上文所述,风挡玻璃26的预定部分被成像到图像阵列传感器32中。在传感器32中的每个像素的模拟电压被通过模数转换器转换为数字化的灰度级数字。模数转换器35在定时和控制电路37的控制下操作,该控制电路又由微控制器38所控制。定时和控制电路37公开于由Jon Bechtel和JosephStam所申请的名为“用于图像阵列传感器的控制电路”的美国专利申请第933,210号中。适当的微处理器38是摩托罗拉68HC08XL36型号的微处理器,但是,众所周知,这种微处理器不包含足以存储来自50×50像素的图像传感器的整个图像的随机存取存储器(RAM)。在这种情况下,CMOS成像传感器的窗口特性可以被用于交替成像和处理对于微控制器38的在片RAM来说足够小的不同区域。
如上文所述,该系统分析数字化的灰度级数值,以通过分析空间高频成分找到表示雨点或其它水汽的清晰边界。空间高频成分的幅度被用于控制风挡到水器电机控制器40,使得风挡刮水器叶片的刮擦频率(即,刮擦之间的时间间隔)被控制为风挡玻璃上水汽量的一个函数。如在下文中更加具体描述的那样,该系统还能够检测在风挡玻璃内表和外表上的水汽。因此,该控制器38还可以被用于自动控制交通工具除霜器或除雾系统42。为了提供系统的灵敏度,可以提供一种驱动器开/关灵敏度控制电路44。该控制电路44可能用于特定的环境中,例如当该交通工具在自动汽车清洗器中时,以避免系统的误操作。
一旦由图像阵列传感器32获得一幅图像,由模拟电压所表示在每个像素上的亮度被模数转换器35转换为数字灰度级数值。这些数值被写到存储器中并且由微控制器38或替代的数字信号处理器所处理,该存储器可以在微控制器38上。
雨水是通过量化由风挡玻璃上雨点的尖锐边缘而得的不连续性而检测的。这些尖锐边缘是由雨水或其它水珠的聚焦图像以及由水珠或其它水汽对远景物体随机光学成像所造成的。如R.C.Gonolez和R.E.Woods在Addison-Wesely1992中发表的“数字图像处理”所讨论的那样,可以就空间频率成分对该图像进行分析。空间频率成分分析类似于傅里叶分析,通常用于数字和模拟信号处理。取信号的傅里叶变换和确定其频率成分的处理易于应用在二维信号上。当该二维信号是图像时,通常使用“空间频率”这个术语。图像的空间频率成分可以用图像的二维傅里叶变换来估算。该变换由如下方程(1)给出: ( 1 ) - - - - F ( ω y , ω x ) = ∫ - ∞ ∞ ∫ - ∞ ∞ f ( x , y ) e - j ω x x e - j ω y y dxdy 其中:f(x,y)是在位于像素x,y处的原始图像的像素值;F(ωx,ωy)是在像素位置ωx,ωy处的图像的傅里叶变换的数值;j是复数
Figure C9880915500132
方程(1)描述对于连续的无限二维信号的傅里叶变换。该功能可以易于适用在从数字图像得到的离散、无限的二维信号。应用空间频率分析技术,图像的粗边界或“粗糙性”可以被相对精确地量化。例如,傅里叶变换可以在非常模糊的图像上进行。在这种分析中,对于空间频率ωx,ωy的小ω幅值的F(ωx,ωy)的数值将为高,而在大幅值的ωx,ωy处的F(ωx,ωy)的数值将为低。在ωx,ωy都为0时,F(ωx,ωy)总是图像的平均灰度级数值。
另外,具有许多边缘的精确聚焦的图像的傅里叶分析将导致对于大幅值的ωx,ωy的F(ωx,ωy)的数值为高。数字滤波器可以用于选择特定的空间频率区域。这种用于图像处理的相对简单的应用是用提供给3×3像素周围的3×3矩阵,如下所示:
    A     B     C
    D     E     F
    G     H     I
可以形成一个新的图像,它是把该滤波器应用到当前图像的结果图像。该图像可以用环路方式对在由变量x和y所确定的位置处具有f(x,y)数值的每个像素进行处理。在上述矩阵中,系数E的位置对应于在x和y处的当前像素。在新的图像中的位置x和y处的像素具有由如下方程(2)所给出的数值:
(2)   g(x,y)=A·f(x-1,y-1)+B·f(x,y-1)+C·f(x+1,y-1)+D·f(x-1,y)+E·f(x,y)+F·f(x+1,y)+G·f(x-1,y+1)+H·f(x,y+1)+I·f(x+1,y+1)
常用的特定滤波器是拉普拉斯滤波器。拉普拉斯是由方程3所给出的二维函数f(x,y)的二级导数: ( 3 ) - - - ▿ 2 f = ∂ 2 f ∂ y 2 + ∂ 2 f ∂ x 2
拉普拉斯函数可以应用于使用上述3×3矩阵的离散空间,其具有如下系数:E=4;B、D、F和H=-1,并且其它系数为0。其它系数组合也可以用于计算离散拉普拉斯的偏差,只要系数E为正数并且其余系数为负数并且所有系数的和为0即可。任何3×3滤波器的空间频率响应由如下方程(4)所确定: ( 4 ) - - - - H ( ω y , ω x ) = Σ m = - 1 1 Σ n = - 1 1 h ( m , n ) e - j ω x m e - j ω y n
其中:
H(ωx,ωy)是对于频率ωx和ωy的滤波器的频率响应;函数h(m,n)描述上述矩阵的系数;系数E是h(0,0)的数值,A是h(-1,-1)的数值,等等;j是复数
通过利用方程(4)分析离散3×3拉普拉斯滤波器的频率响应,表明该离散3×3拉普拉斯滤波器是一个高通滤波器。通过改变系数,在滤波器的特定响应可以被调节。另外,5×5或者更大的滤波器可以用于对该响应的更加精确的控制。
雨点和其它水汽可以通过利用上述3×3拉普拉斯滤波器而检测。每个像素被用循环方式和用于存储检测的“水汽”总量的变量来独立检验。对于每个像素的拉普拉斯运算是利用具有拉普拉斯系数的用于上述g(x,y)的公式来计算的。
根据本发明的流程图在图5中示出。最初在步骤46中获得风挡玻璃的图像。如上文所述,根据本发明的光学系统用这样一种方式成像,使得远处物体被散焦,并且在风挡玻璃距离处该物体被聚焦。因此,如果在风挡玻璃上没有水汽或其它物质,则将只获得远处物体的模糊图像。模糊图像将具有相对较低的高频空间成分。因此,在这种情况下的拉普拉斯的数值将相对较低。如果在风挡玻璃上有雨水或其它水汽,则水珠将被聚焦,并且该图像将包含相对较大的高频成分。尽管由光学系统30使远方物体模糊化,但是来自其它交通工具的迎面而来相对较亮的前灯可能造成明显的高频空间成分。为了把该成分滤除,可以忽略具有超过模数转换器的饱和电平的灰度级数值的像素(即,具有255或接近255的灰度级数值的像素)。
在步骤48中,计算每个像素的拉普拉斯算子,并且存储其结果。更具体来说,如果拉普拉斯算子的幅度大于给定阈值,该阈值表示足够大的高频空间成分以表示雨水或其它水汽,该数值被与其它像素的数值相加以表示与一阈值相比较的雨水或其它水汽的总数值,该阈值可以是在步骤50中所示的一个用户设置阈值。如果每个像素的拉普拉斯算子的总和大于在步骤52中确定的阈值,则风挡刮水器在步骤54中启动。否则,该系统循环回步骤46并获得风挡玻璃的新图像。
在步骤52中所示的阈值可以是一个固定阈值或者一个可变阈值。在使用可变阈值的应用中,该阈值可以是一个由具有电压输出的控制把手或滑块所实现的用户设置阈值。然后该电压输出被采样并且转换为一个数值,其被适当地缩放用于与表示雨水总量的像素和相比较。
为了避免系统的误操作,在步骤56中检测刮水器叶片的操作。更具体来说,可以选择图像阵列传感器的一个小子窗,以允许每秒钟处理更多的周期,以检测相对快速运动的风挡刮水器。刮水器的图像在步骤56中获得。每个图像用两个一维的高通滤波器来处理;一个用于垂直方向,一个用于水平方向,如步骤58中所示。由于风挡刮水器在一幅图像中将作为一条垂直线出现,因此在水平方向上的高频成分明显比垂直方向上的高频成分更大。因此,垂直高通滤波器可以用上述的一个3×3矩阵来实现,其中系数E设为2、系数B和H设为-1、并且其它系数设为0。水平滤波器被实现,使得系数E设为2、系数D和F设为-1、并且其它系数设为0。每个成分的总和被按照用于计算上述拉普拉斯算子的相同方式来计算。在步骤60中,计算水平成分与垂直成分的比率。如果水平成分远大于垂直成分,则假设在图像中存在一条垂直线,表示风挡刮水器的存在。
如果汽车的刮水器被如此设置使得当其横过雨水检测区域时不会接近垂直,则上述滤波器可以被改变来适应这种结构。例如,也可以使用各种图像处理技术中公知的各种其它边缘检测方法。另外,如果对于必须的曝光时间来说,交通工具风挡刮水器的刮水器速度太快使得它在图像中略为模糊,则水平滤波器可以被改变为减去当前像素左右两部分的像素,而不是减去紧挨着当前像素的像素。
在刮水器已经清理图像感应区域之后,如步骤62中所示,在用于计算拉普拉斯算子的步骤64中获得风挡玻璃的另一个图像。该计算被用作为零点测量,直到下一次刮擦为止,可以从所有后续测量中消除该零点测量。按这种方式,在肮脏风挡玻璃、裂缝、刮痕和结冰的图像中的长期高频空间成分将不对检测量起作用。
如果在给定时间范围内没有检测到风挡刮水器,则系统认为出现故障,则可能是由于风挡刮水器被冻在风挡玻璃上而造成的,在这种情况下,根据本发明的水汽传感器的操作被暂停一段时间,以使冰块融化。如果可以获得外部温度信息,则可以考虑到寒冷的气候条件以确定该刮水器是否由于机械故障或结冰而造成不能工作。
该系统还能够自适应地改变光亮级。更具体来说,在选择周期中,可以计算图像的平均灰度级数值。如果该数值为高,表示曝光过度,在下一个周期中的图像传感器积分时间可以被减少以降低平均亮度。同样,如果光亮级为低,则增加积分时间。在相对暗的情况下,一些图像传感器可能不能够在合理的时间内接收足够的光线来适当地对雨点这样的水汽成像。在这种情况下,可以提供一个附加的照明灯来在摄取图像时从背后短暂地照明目标区域。如果交通工具的风挡玻璃不高度地吸收红外辐射,则只要波长在图像传感器的可检测范围内,可以使用近红外照明灯。红外照明灯具有人眼不可见的优点,因此不会使驾驶员分心。
水汽检测器
为了消除已知的水汽感应系统的许多操作缺点,根据本发明另一个实施例的系统包括用于检测在风挡玻璃内表和外表上的水汽的系统。如图2和3中所示,一个发光二级管(LED)可以用于检测交通工具风挡玻璃26的内表和外表上的水汽。在此公开了水汽检测系统的两个不同实施例,它们两个都依据在存在水汽时从风挡玻璃26反射的来自LED的光线中的差别。水汽检测可以在与雨水检测交替的处理周期中完成。更具体来说,由于风挡玻璃成雾较慢,在水汽检测周期之间有许多周期可以用于的雨水和水汽检测。在水汽检测周期开始时,可以使用一个包含污点的预期位置的窗口来获得一个图像。
在第一实施例中,可以使用高度对准或者聚焦到在风挡玻璃距离处的一点的光源。该光源可以根据风挡玻璃的吸收特性发射红外线或可见光。由于红外线不能被人眼所看见因此不会产生干扰,所以最好采用红外光源。红外LED66可以与焦距等于风挡玻璃距离的透镜68一同使用,如图2中所示。LED66可以置于主光学组件上方几毫米,并且倾斜使得图3中所示的投射光指向风挡玻璃26上的主光轴的位置。LED66最初关闭并且拍摄一幅图像。然后,LED立即打开并且拍摄第二幅图像。这些图像之间的差别被用于污点检测。如果不存在水汽,则该光线将从风挡玻璃26以Snell(斯奈尔)角反射,该角度将使光线远离图像传感器32的视野。如果存在水汽,则该光线将被兰伯特反射,使得该水汽被成像为一个小点70(图3)。由于风挡玻璃26和光源66的角度,外侧的水汽产生的点70比由风挡玻璃26内表面的水汽所产生的点72更低。这些点70、72的位置被用于表示在风挡玻璃26上存在的内表和/或外表水汽。如果水汽存在于风挡玻璃内表上,则外表水汽的检测是不可能的。但是,该限制是不重要的,因为无论如何视觉都会减弱。如下真值表表示从每个点的存在得出的结果:
    外部(较低)反射点     内部(较高)反射点     结果
    有     ------     外部水汽
    -----     有     内部水汽
    没有     没有     无水汽
在另一个实施例中,使用红外或可见光(如果必要的话)LED。该LED必须相对较小或者用于与一个针孔相结合,并且对准使得来自LED的光线从风挡玻璃26反射并且以Snell角反射到图像传感器。在这种结构中,将出现两次反射:一次从风挡玻璃的内侧反射,一次从风挡玻璃外表面镜面反射。在该实施例中,如果不存在水汽,则该点被以Snell角反射,并且由该图像传感器所接收。如果在风挡玻璃26的外表面上有水汽,则将存在来自内表反射的光点,但是来自外表反射的点将是一个模糊光斑。对内表水汽分析不同图像。最初,使用3×3拉普拉斯滤波器来产生一个新的图像,其中仅包含原始图像的高频成分。按这种方式,指示来自水汽的模糊反射。该点是通过取在每个点的目标区域中的像素组的最大值而检测的。可以使用一个略大于该光点的期望尺寸的组,以纠正轻微的失调,这是基于拉普拉斯算子将仅保留存在高频成分的光点的边缘的事实。并且轻微的水汽可能造成光点产生,但是可能没有所要求的动作。对于每个光点,如果该数值明显大于0,则确定存在水汽。如下真值表表示对于该另一个实施例的水汽检测。
    外部(较高)反射点     内部(较低)反射点     结果
    有     有     无水汽
    没有     有     外部水汽
    没有     没有     内部水汽
如果检测到外表水汽,则风挡刮水器将被启动,以有助于除去水汽,或者如果需要的话可以用警示光来向驾驶员表明这种情况。内表水汽检测可以用于自动激活交通工具除霜或除雾器系统,避免等到产生严重的水汽。更加复杂的处理方法可以包括通过计算光点的水平边缘之间的距离而确定光点的尺寸,因此得到可以与一阈值相比较的在风挡玻璃上的水汽量的测量值。
显然,在上述思想的引导下可以作出本发明的许多改进和变型。因此,应当理解,除了上文具体描述的之外,在所附权利要求的范围内都可以实现本发明。

Claims (55)

1.一种用于检测在表面上的水汽的系统包括:
图像传感器;
光学系统,其用于把该表面的一部分成像到该图像传感器上,以把在该表面上的物体聚焦到图像传感器上,并且使远离该表面的物体模糊;以及
与该图像传感器相联接的处理器,该处理器用于检测水汽的边缘,从而基于所检测的边缘产生一个信号。
2.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,该表面包括一个交通工具的窗口。
3.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,该系统还包括一个置于该表面与成像光学系统之间的镀铬窗口,该镀铬窗口用于减小由该图像传感器所成像的光量。
4.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,该图像传感器包括一个CMOS活动像素传感器。
5.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,图像传感器包括多个用于产生一个指示信号光亮级的信号的像素传感器。
6.根据权利要求5所述的用于检测表面上的水汽的系统,该处理器通过一组灰度级数值的高通数字滤波,用于确定图像空间成分。
7.根据权利要求6所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,高通滤波是用一个拉普拉斯滤波器实现的。
8.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,该系统还包括一个用于照明窗口的成像部分的照明灯。
9.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该表面的成像部分包括刮水器的路径,并且该处理器还用于利用所确定的空间成分判断该刮水器是否处于该表面的成像部分中。
10.根据权利要求9所述的用于检测表面上的水汽的系统,该系统还包括一个与该处理器相联接的驱动器开/关灵敏度控制器。
11.根据权利要求1所述的用于检测表面上的水汽的系统,该系统还包括与该处理器相联接的光源,用于在与该处理器相联接时把一个光点投射在该表面的成像部分上,该处理器用于:
打开光源,
在光源打开时获得该表面的第一图像,
关闭光源,
在光源关闭时获得该表面的第二图像,以及
利用第一和第二图像确定在该表面上是否存在水汽。
12.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该水汽包括水汽和霜。
13.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该光源如此放置,使得当该表面上存在水汽时,该光点被反射到图像传感器的视野中。
14.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该光源如此放置,使得当该表面上不存在水汽时,该光点被反射到图像传感器的视野中。
15.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该表面包括一个窗口,该窗口具有内侧和外侧,该光源被放置使得,从内侧反射到图像传感器视野内的光点与从外侧反射的光点位于图像传感器上不同的位置,该处理器还用于从在图像传感器输出中的反射光点的位置确定在内侧或外侧上的水汽位置。
16.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该处理器还用于产生包含该图像传感器输出的高频成分的滤波图像。
17.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该光源包括可见光发光二极管。
18.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该光源包括红外线发光二极管。
19.根据权利要求11所述的用于检测表面上的水汽的系统,其中,该交通工具具有用于从该表面上除霜或除雾的装置,该系统还包括与处理器和清除装置相联接的控制器,该处理器还用于根据对表面上存在水汽的判断控制水汽的清除。
20.根据权利要求1所述的系统,其中,该表面包括一个窗口,该窗口内表面和外表面,该系统还包括;
-把光斑投射到该窗口上的光源;
其中
-该光源如此放置,使得从内表面反射到图像传感器的视野中的光点与从外表面反射的光点位于图像传感器上不同的位置;以及
-该处理器用于确定水汽的存在,并且确定水汽的位置是在内表面或外表面上。
27.权利要求1的系统,其中,该处理器交替地处理来自图像传感器的不同子窗口的图像,该子窗口比图像传感器小。
28.权利要求27的系统,其中,该处理器在一个采样期间接收仅仅来自图像传感器的一个子窗口的像素信息。
29.权利要求28的系统,其中,该处理器包括一个存储器,该存储器存储与所接收的该图像传感器的子窗口有关的像素信息。
30.权利要求29的系统,其中,该存储器具有小于存储整个图像传感器的像素信息所要求的空间的空间。
31.权利要求1的系统,其中,该图像传感器包括一个用于交替地对小于图像传感器的整个成像区域的图像传感器的不同区域成像的开窗特性。
32.权利要求1的系统,其中,该处理器通过检测边缘来确定空域成分。
33.权利要求32的系统,其中,该处理器通过检测空域高频分量来确定空域成分。
34.权利要求1的系统,其中,图像传感器与该表面成一个角度,其中,图像传感器的一端比其另一端更接近该表面。
35.权利要求1的系统,其中,该图像传感器的灵敏度在高的环境光条件下减少,而在低的环境光条件下增加。
36.权利要求35的系统,其中,该图像传感器的灵敏度通过改变在传感器中的像素的积分期间而变化。
37.权利要求35的系统,其中,环境光的度量作为至少一部分像素的灰度级值的函数来测量。
38.权利要求37的系统,其中,环境光的度量为至少一部分像素的灰度级值的函数。
39.权利要求1的系统,其中,该图像传感器为一个具有多个像素的低解析度图像传感器。
40.权利要求39的系统,其中,该图像传感器包括小于大约64行像素。
41.权利要求39的系统,其中,该图像传感器包括小于大约64列像素。
42.权利要求39的系统,其中,该图像传感器包括大约50至64行和列像素。
43.权利要求39的系统,其中,由该图像传感器成像的表面区域小于大约1000mm2
44.权利要求39的系统,其中,像素数目与以平方毫米为单位的成像区域大小的比值大约为4至1。
45.权利要求39的系统,其中,该图像传感器包括大约为40μm大小的像素。
46.权利要求39的系统,其中,以μm为单位的像素大小与以平方毫米为单位的成像区域大小的比值大约为40至1。
47.权利要求8的系统,其中,该处理器在低环境光条件下控制照明器的开启。
48.权利要求47的系统,其中,当在前一电流周期中所测量的光级别小于一个阈值,则所提供的照明器开启一个电流周期。
49.权利要求48的系统,其中,所测量的光级别为图像传感器的至少一部分的像素在前一周期中的平均级别。
50.权利要求47的系统,其中,照明器产生在可见光波长范围内的光。
51.权利要求58的系统,其中,照明器产生在红外波长范围内的光。
52.权利要求1的系统,其中,该处理器还用于鉴别在所成像表面上的长期空域分量。
53.权利要求52的系统,其中,所述处理器在分析一个图像以检测水汽时,减去长期分量。
54.权利要求1的系统,其中,该处理器忽略在图像传感器中的具有高于阈值的灰度级的像素。
55.权利要求54的系统,其中,该处理器包括一个用于将像素级转换为数字信号的模数转换器。
56.权利要求55的系统,其中,该阈值为该模数转换器的饱和级。
57.权利要求2的系统,其中,该处理器比对图像传感器其他区域更频繁地分析图像传感器的一个子窗口以监测一个条件。
58.权利要求1的系统,还包括一个刮水器系统,其中,该处理器紧接着水汽去除系统的启动之后检测到水汽的去除。
59.权利要求58的系统,其中,该处理器监测刮水器在紧接着水汽去除系统的启动之后的一个周期内的运动路径。
60.权利要求59的系统,其中,该处理器监测一个图像的垂直分量与该图像的水平分量的比值。
61.权利要求60的系统,其中,当该水平分量远大于该垂直分量时,该处理器监测一个风挡刮水器。
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