水汽傳感器和風擋玻璃水汽檢測器的製作方法
2024-02-16 09:57:15 1
專利名稱：水汽傳感器和風擋玻璃水汽檢測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於自動檢測例如用於汽車的交通工具風擋玻璃的表面上存在的水汽的系統，以自動地激活交通工具的風擋刮水器和/或除霜器或除霧系統。
現有技術描述在常規的風擋刮水器系統中，該風擋刮水器是根據刮擦動作之間的時間間隔而激活的，而不是根據風擋玻璃外表上的水汽而激活。在相對連續地降雨的情況下，例如，該時間間隔可以被調節對應於雨水聚積到所需的可見程度的點時的時間量。不幸的是，降雨的速率可能在給定的時間內劇烈變化。另外，交通狀況也會造成落在風擋玻璃上的雨量的變化，例如卡車經過等情況。結果，在這種情況過程中，刮水器的時間間隔必須時常調節，這是非常麻煩的。
現在已有各種系統根據交通工具風擋玻璃上的水汽自動地控制風擋刮水器的刮擦動作之間的間隔。在一些已知的系統中，各種塗層被施加到該交通工具風擋玻璃上。這些塗層的電子測量被用於提供風擋玻璃上水汽含量的指示。不幸的是，這些方法需要相對昂貴的處理過程，這使得這樣的系統在商業是不可行的。還已有其它用於自動感應在交通工具風擋玻璃上的水汽含量的系統。例如，已有測量幹風擋玻璃與溼風擋玻璃的反射光的差別的光學系統。不幸的是，該光學方法容易受到來自外部光源的幹擾，因此不能提供合適的性能。其它已有系統必須附著到風擋玻璃上，這使風擋玻璃的更換複雜化。由於如此複雜，使得水汽傳感器很少出現交通工具上。
另一種用於自動檢測風擋玻璃上的水汽含量的系統公開與日本公開專利申請No.Hei＞(1995)-286130，其中描述了使用電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器來對交通工具風擋玻璃的部分進行成像，以檢測雨點。在此所述的系統計算每個像點與所有像點的平均值之間的差別。不幸的是，迎面而來的交通工具的前燈將在該圖像上產生一個亮點，該亮點難以被完全變模糊並且容易被認為是雨點。另外，為了使這一系統有效地工作，來自遠景的圖像必須完全模糊。否則，在遠景中將會有暗和亮的區域。儘管在該日本公開專利申請都沒有揭示用於實現該目的的光學系統，但是非常難以開發出一種完全使迎面而來的前燈變得模糊的光學系統。不能把迎面而來的前燈變得模糊則會造成公開於上述日本公告專利申請中的系統的錯誤啟動。
自動雨水檢測系統的另一個問題是該系統不能夠檢測風擋刮水器的操作。在一定的寒冷氣候條件下，風擋刮水器已知被凍在風擋玻璃上。在這種情況下，由於水汽沒有被該刮水器所除去，則即使刮水器被凍在風擋玻璃上，自動雨水檢測設備也將會持續地命令該刮水器啟動，這會潛在地破壞該風擋刮水器系統。
已有系統的另一個已知的問題是不能夠檢測在風擋玻璃內表和外表上的霧氣。由上述所述，象公開於上述公告的日本專利申請中那樣的自動水汽檢測系統是基於檢測風擋玻璃上的雨點的能力。當均勻的霧或水汽覆蓋在交通工具風擋玻璃上，則象公開與公告的日本專利申請中的系統那樣的系統不能夠感應在風擋玻璃外表上的這種水汽。結果，在這種情況下，風擋刮水器必須能人工啟動，從而部分地減弱了自動雨水傳感器和風擋刮水器控制系統的目的，這使得該特點非常令人不滿意。
在其他情況中，在風擋玻璃的內部上形成的水汽與風擋玻璃的外表上的水汽含量無關。在這種情況下，公開於公告的日本專利申請中的自動雨水感應系統在風擋玻璃的內表上的水汽被清除之前不能夠檢測在交通工具風擋玻璃外表上的水汽含量。在這種情況下，除霜器或除霧器系統必須人工激活，已除去風擋玻璃內表的水汽。直到在風擋玻璃內表上的水汽被充分清除為止，該自動雨水傳感器不能在這種情況中工作。
具有自動雨水檢測的要求是具有一種系統，使其在例如雨、雪和霧這樣的典型氣候條件中自動控制風擋刮水器。當該刮水器系統在這種典型的條件中必須人工操作時，這一特點不盡人意。
發明概述本發明的一個目的是提供一種現有技術的問題的系統。
本發明另一個目的是提供一種用於自動檢測在交通工具風擋玻璃上的水汽含量的系統。
本發明的另一個目的是提供一種用於在象雨、雪和霧這樣的通常氣候條件中自動檢測交通工具風擋玻璃上的水汽的系統。
本發明的又一個目的是提供一種用於自動檢測存在於風擋玻璃外表上的水汽的系統。
本發明另一個目的是提供一種用於自動檢測存在於風擋玻璃內表上的水汽的系統。
本發明又一個目的是提供一種用於自動感應橫在風擋玻璃的一部分上的風擋刮水器的系統。
簡而言之，本發明涉及一種用於自動檢測交通工具風擋玻璃上的水汽的系統。該自動水汽檢測系統包括用於把風擋玻璃的一部分成像到圖像陣列傳感器上的光學系統，例如CMOS活動像素傳感器。表示亮度級的每個像素的電壓被模數轉換器轉換為相應的灰度級數值。對應於圖像的灰度級數值被存儲在存儲器中。該灰度級數值的空間頻率成分被分析以確定存在的雨水量，以提供一個控制交通工具風擋刮水器的操作的控制信號，作為存在的水汽量的一個函數。該系統還是適合於檢測風擋玻璃內表和風擋玻璃外表上的水汽。通過提供一種用於自動檢測風擋玻璃內表和外表上的水汽存在的系統，可以消除已有自動雨水傳感器在典型的氣候條件中的嚴重性能局限性。
通過參照如下說明和附圖，本發明的這些目的將易於理解，其中圖1為示出說明根據本發明的系統的交通工具風擋玻璃和附著的後視鏡的實體圖。
圖2是用於感應根據本發明的風擋玻璃外表上的水汽的系統的一部分的放大視圖。
圖3是根據本發明的另一個實施例用於檢測水汽系統的實體圖，其中示出一束光投射到風擋玻璃上用於水汽檢測。
圖4a和4b分別是示出根據本發明的光學系統在潮溼和不潮溼條件中的性能的計算機模擬光點圖。
圖5是用於根據本發明的系統的流程圖。
圖6是根據本發明系統的方框圖。
本發明的具體描述根據本發明一種自動水汽感應系統能夠檢測交通工具風擋玻璃上的水汽，與自動控制交通工具的風擋刮水器、除霜器和/或除霧系統。用於自動感應交通工具風擋玻璃上的水汽的系統以商業上可行的成本消除了已有自動水汽感應系統的許多性能缺陷。如在此所用的，術語「水汽」用於表示在各種氣候條件中能夠在風擋玻璃上找到的各種類型的水汽和降落物，例如降雨、降雪、冰、霧，以及通常落在交通工具風擋玻璃上的其它物體，例如蟲子、灰塵等等。在相當常見的氣候條件中，例如在冰、霧和各種程度的降雨和降雪等等中，該系統能夠提供比其他已有系統更加優越的性能。
如下文中更加具體地描述，該風擋玻璃的一部分被成像到圖像陣列傳感器上。形成本發明的一部分的一個光學系統使得風擋玻璃上的雨點和其它水汽的來源被精確地聚焦，而風擋玻璃之外的遠處物體被在該圖像中嚴重地模糊化。該處理系統分析該圖像，找到由於雨水滴或者其它水汽的邊緣以及由於該水滴隨機地聚焦遠處物體而造成的明顯不連續情況。這些不連續表示空域高頻的成分。空域高頻成分的大小是可以用來自動控制交通工具風擋刮水器的交通工具上的雨水或其它水汽量的測量值。在本發明的另一個實施例中，該系統適合於感應在風擋玻璃內表和外表上的水汽，以避免自動水汽感應系統的誤操作。這樣，本發明消除了許多已有自動水汽感應系統的各種性能局限性。
在本發明的另一個實施例中，該系統能夠檢測風擋刮水器的操作，以避免誤操作和在風擋刮水器被卡住或凍在風擋玻璃上時對風擋刮水器系統的損壞。由上文所述，該系統分析風擋玻璃一部分的圖像，以找到具有相對較高的空間頻率成分的明顯不連續情況。這些空域高頻成分的幅度被用於表示風擋玻璃上的水汽或其它物質的測量值。因此，灰塵、蟲子和其它物質將被最初當作水汽。但是，由上文所述，該系統具有自動感應風擋刮水器葉片的操作的能力。因此，如果可能是冰、汙物、裂縫或其它物質的該物質不能夠被風擋刮水器所除去；在一次或多次刮擦之後還保留在風擋玻璃上，則根據本發明系統可以被設置為忽略這種物質，以避免交通工具風擋刮水器系統的進一步的誤操作。
參照圖1，根據本發明的自動水汽感應系統總體上用參考標號20表示。該自動水汽感應系統可以固定安裝在汽車後視鏡外殼24的安裝支架22上，或者安裝在後視鏡外殼24的背面上。自動水汽感應系統20包括一個圖像傳感器，例如安裝在交通工具風擋玻璃26後2至3英寸的位置，其具有基本與地面平行或與地面略成角度的光軸。在現代客車中的風擋玻璃26的角度約為27°。這種結構可以造成雨點和其它水汽與圖像傳感器具有不同的距離，這取決於該水汽相對於圖像傳感器的視野的位置。為了有助於補償這一問題，圖像傳感器可以約向風擋玻璃26形成10°，使得傳感器20的頂部被移為更接近風擋玻璃26。
自動水汽感應系統20有四個主要部件成像光學系統；發光二極體；圖像傳感器；以及處理器。成像光學系統在圖2中最佳地示出，而圖像傳感器在圖2和圖6中示出。用於微控制器的流程在圖5中示出。
成像光學系統總體上用參考標號30(圖2)所表示的成像光學系統被用於把風擋玻璃26的預定部分成像到圖像傳感器32上，使得在風擋玻璃26的附近距離上的物體被精確地聚焦在像面上，而在更遠距離處的物體被散焦並且模糊。被成像的風擋玻璃26的區域必須足夠大，使得在相對小的降雨條件中接受雨點的概率有意義。另外，風擋玻璃的成像區域必須在被風擋刮水器所刮擦的風擋玻璃區域中。
成像光學系統可以包括用作為成像透鏡的單個雙凸面鏡33。透鏡33可以具有6mm的直徑；對於每個表面的7mm的前後曲率半徑和2.5mm的中央厚度。透鏡33的前表面可以定位在與風擋玻璃26的外表面相距62mm的位置。成像透鏡33可以由機械透鏡框架34所支承，其直接在透鏡33的正面形成約5mm直徑的止塊36。圖像傳感器可以位於約與透鏡33的後表面相距8.55mm的位置，並且與上文所述略微傾斜約10°的角度。
可以使用更加精細的光學系統例如具有多個部件，非球面部件、或者折射物體(defractive objects)，特別是需要與風擋玻璃相距更短的距離的情況下。但是，由於收集的圖像不是用於照相的目的，因此在用於自動水汽檢測的應用中不需要這種光學質量。也可以用相對較低的成本使用聚丙烯或其他透明塑膠模製的單個透鏡。包括拍立得(Polaroid)和柯達(Kadak)公司在內的各種公司專門生產高性能的模製塑料光學器件。
圖4示出圖2中所示的成像系統的性能的計算機模擬。更具體來說，圖4a是來自在光軸上相對較遠的物體的接近平行光線成像到像面上的光點圖。圖4b為在風擋玻璃的外表面的距離處的光軸上的點的成像的光點圖。在圖4a和4b的光點圖的比較中，可以看出該光學系統能夠使來自遠處物體的光變得模糊，而聚焦來自風擋玻璃距離處的物體的光。
當交通工具開上山的情況下，該交通工具可能處於這樣的位置，使得陽光直接被該設備所成像。由於長時間對準陽光所造成的輻射過量可能破壞圖像傳感器32。為了減輕這種問題可以用一個電鍍鉻的濾光器來暫時從像面上消除大部分陽光。也可以使用其它光電或光學機械設備。
圖像傳感器圖像傳感器32可以是CMOS活動像素傳感器。在成像技術中，CMOS活動像素傳感器是最近獲得的突破，這使得能夠低成本高靈敏度地成像在一塊用CMOS工藝生產的晶片上。這種CMOS活動像素傳感器比其它傳感器具有幾個優點，包括低功耗、通用CMOS生產技術、低成本和能夠在相同的晶片上集成附加電路，可變讀出窗和可變光積分時間。這種CMOS活動像素傳感器可以從加利弗尼亞州的La Cresenta市的Photobit LLC公司購得。儘管CMOS活動像素傳感器具有明顯的優點，但是其它圖像傳感器也適合併且被考慮在本發明的範圍內。像素的尺寸和數目被確定為成像足夠大和足夠詳細的風擋玻璃的區域，以適當地檢測小於，而保持成本效率。例如，64×64的活動像素、40μm的像素尺寸陣列將成像標準客車風擋玻璃上約25mm×40mm的面積。
處理和控制自動水汽感應電路的方框圖在圖6中示出。如上文所述，風擋玻璃26的預定部分被成像到圖像陣列傳感器32中。在傳感器32中的每個像素的模擬電壓被通過模數轉換器轉換為數位化的灰度級數字。模數轉換器35在定時和控制電路37的控制下操作，該控制電路又由微控制器38所控制。定時和控制電路37公開於由Jon Bechtel和JosephStam所申請的名為「用於圖像陣列傳感器的控制電路」的美國專利申請第933,210號中。適當的微處理器38是摩託羅拉68HC08XL36型號的微處理器，但是，眾所周知，這種微處理器不包含足以存儲來自50×50像素的圖像傳感器的整個圖像的隨機存取存儲器(RAM)。在這種情況下，CMOS成像傳感器的窗口特性可以被用於交替成像和處理對於微控制器38的在片RAM來說足夠小的不同區域。
如上文所述，該系統分析數位化的灰度級數值，以通過分析空間高頻成分找到表示雨點或其它水汽的清晰邊界。空間高頻成分的幅度被用於控制風擋刮水器電機控制器40，使得風擋刮水器葉片的刮擦頻率(即，刮擦之間的時間間隔)被控制為風擋玻璃上水汽量的一個函數。如在下文中更加具體描述的那樣，該系統還能夠檢測在風擋玻璃內表和外表上的水汽。因此，該控制器38還可以被用於自動控制交通工具除霜器或除霧系統42。為了提供系統的靈敏度，可以提供一種驅動器開/關靈敏度控制電路44。該控制電路44可能用於特定的環境中，例如當該交通工具在自動汽車清洗器中時，以避免系統的誤操作。
一旦由圖像陣列傳感器32獲得一幅圖像，由模擬電壓所表示在每個像素上的亮度被模數轉換器35轉換為數字灰度級數值。這些數值被寫到存儲器中並且由微控制器38或替代的數位訊號處理器所處理，該存儲器可以在微控制器38上。
雨水是通過量化由風擋玻璃上雨點的尖銳邊緣而得的不連續性而檢測的。這些尖銳邊緣是由雨水或其它水珠的聚焦圖像以及由水珠或其它水汽對遠景物體隨機光學成像所造成的。如R.C.Gonolez和R.E.Woods在Addison-Wesely 1992中發表的「數字圖像處理」所討論的那樣，可以就空間頻率成分對該圖像進行分析。空間頻率成分分析類似於傅立葉分析，通常用於數字和模擬信號處理。取信號的傅立葉變換和確定其頻率成分的處理易於應用在二維信號上。當該二維信號是圖像時，通常使用「空間頻率」這個術語。圖像的空間頻率成分可以用圖像的二維傅立葉變換來估算。該變換由如下方程(1)給出(1)---F(y,x)=--f(x,y)e-jxxe-jyydxdy]]>其中f(x，y)是在位於像素x，y處的原始圖像的像素值；F(ωx，ωy)是在像素位置ωx，ωy處的圖像的傅立葉變換的數值；j是複數
方程(1)描述對於連續的無限二維信號的傅立葉變換。該功能可以易於適用在從數字圖像得到的離散、無限的二維信號。應用空間頻率分析技術，圖像的粗邊界或「粗糙性」可以被相對精確地量化。例如，傅立葉變換可以在非常模糊的圖像上進行。在這種分析中，對於空間頻率ωx，ωy的小ω幅值的F(ωx，ωy)的數值將為高，而在大幅值的ωx，ωy處的F(ωx，ωy)的數值將為低。在ωx，ωy都為0時，F(ωx，ωy)總是圖像的平均灰度級數值。
另外，具有許多邊緣的精確聚焦的圖像的傅立葉分析將導致對於大幅值的ωx，ωy的F(ωx，ωy)的數值為高。數字濾波器可以用於選擇特定的空間頻率區域。這種用於圖像處理的相對簡單的應用是用提供給3×3像素周圍的3×3矩陣，如下所示
可以形成一個新的圖像，它是把該濾波器應用到當前圖像的結果圖像。該圖像可以用環路方式對在由變量x和y所確定的位置處具有f(x，y)數值的每個像素進行處理。在上述矩陣中，係數E的位置對應於在x和y處的當前像素。在新的圖像中的位置x和y處的像素具有由如下方程(2)所給出的數值(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)常用的特定濾波器是拉普拉斯濾波器。拉普拉斯是由方程3所給出的二維函數f(x，y)的二級導數(3)---2f=2fy2+2fx2]]>拉普拉斯函數可以應用於使用上述3×3矩陣的離散空間，其具有如下係數E＝4；B、D、F和H＝-1，並且其它係數為0。其它係數組合也可以用於計算離散拉普拉斯的偏差，只要係數E為正數並且其餘係數為負數並且所有係數的和為0即可。任何3×3濾波器的空間頻率響應由如下方程(4)所確定(4)---H(y,x)=m=-11n=-11h(m,n)e-jxme-jyn]]>
其中H(ωx，ωy)是對於頻率ωx和ωy的濾波器的頻率響應；函數h(m，n)描述上述矩陣的係數；係數E是h(0，0)的數值，A是h(-1，-1)的數值，等等；j是複數
通過利用方程(4)分析離散3×3拉普拉斯濾波器的頻率響應，表明該離散3×3拉普拉斯濾波器是一個高通濾波器。通過改變係數，在濾波器的特定響應可以被調節。另外，5×5或者更大的濾波器可以用於對該響應的更加精確的控制。
雨點和其它水汽可以通過利用上述3×3拉普拉斯濾波器而檢測。每個像素被用循環方式和用於存儲檢測的「水汽」總量的變量來獨立檢驗。對於每個像素的拉普拉斯運算是利用具有拉普拉斯係數的用於上述g(x，y)的公式來計算的。
根據本發明的流程圖在圖5中示出。最初在步驟46中獲得風擋玻璃的圖像。如上文所述，根據本發明的光學系統用這樣一種方式成像，使得遠處物體被散焦，並且在風擋玻璃距離處該物體被聚焦。因此，如果在風擋玻璃上沒有水汽或其它物質，則將只獲得遠處物體的模糊圖像。模糊圖像將具有相對較低的高頻空間成分。因此，在這種情況下的拉普拉斯的數值將相對較低。如果在風擋玻璃上有雨水或其它水汽，則水珠將被聚焦，並且該圖像將包含相對較大的高頻成分。儘管由光學系統30使遠方物體模糊化，但是來自其它交通工具的迎面而來相對較亮的前燈可能造成明顯的高頻空間成分。為了把該成分濾除，可以忽略具有超過模數轉換器的飽和電平的灰度級數值的像素(即，具有255或接近255的灰度級數值的像素)。
在步驟48中，計算每個像素的拉普拉斯算子，並且存儲其結果。更具體來說，如果拉普拉斯算子的幅度大於給定閾值，該閾值表示足夠大的高頻空間成分以表示雨水或其它水汽，該數值被與其它像素的數值相加以表示與一閾值相比較的雨水或其它水汽的總數值，該閾值可以是在步驟50中所示的一個用戶設置閾值。如果每個像素的拉普拉斯算子的總和大於在步驟52中確定的閾值，則風擋刮水器在步驟54中啟動。否則，該系統循環回步驟46並獲得風擋玻璃的新圖像。
在步驟52中所示的閾值可以是一個固定閾值或者一個可變閾值。在使用可變閾值的應用中，該閾值可以是一個由具有電壓輸出的控制把手或滑塊所實現的用戶設置閾值。然後該電壓輸出被採樣並且轉換為一個數值，其被適當地縮放用於與表示雨水總量的像素和相比較。
為了避免系統的誤操作，在步驟56中檢測刮水器葉片的操作。更具體來說，可以選擇圖像陣列傳感器的一個小子窗，以允許每秒鐘處理更多的周期，以檢測相對快速運動的風擋刮水器。刮水器的圖像在步驟56中獲得。每個圖像用兩個一維的高通濾波器來處理；一個用於垂直方向，一個用於水平方向，如步驟58中所示。由於風擋刮水器在一幅圖像中將作為一條垂直線出現，因此在水平方向上的高頻成分明顯比垂直方向上的高頻成分更大。因此，垂直高通濾波器可以用上述的一個3×3矩陣來實現，其中係數E設為2、係數B和H設為-1、並且其它係數設為0。水平濾波器被實現，使得係數E設為2、係數D和F設為-1、並且其它係數設為0。每個成分的總和被按照用於計算上述拉普拉斯算子的相同方式來計算。在步驟60中，計算水平成分與垂直成分的比率。如果水平成分遠大於垂直成分，則假設在圖像中存在一條垂直線，表示風擋刮水器的存在。
如果汽車的刮水器被如此設置使得當其橫過雨水檢測區域時不會接近垂直，則上述濾波器可以被改變來適應這種結構。例如，也可以使用各種圖像處理技術中公知的各種其它邊緣檢測方法。另外，如果對於必須的曝光時間來說，交通工具風擋刮水器的刮水器速度太快使得它在圖像中略為模糊，則水平濾波器可以被改變為減去當前像素左右兩部分的像素，而不是減去緊挨著當前像素的像素。
在刮水器已經清理圖像感應區域之後，如步驟62中所示，在用於計算拉普拉斯算子的步驟64中獲得風擋玻璃的另一個圖像。該計算被用作為零點測量，直到下一次刮擦為止，可以從所有後續測量中消除該零點測量。按這種方式，在骯髒風擋玻璃、裂縫、刮痕和結冰的圖像中的長期高頻空間成分將不對檢測量起作用。
如果在給定時間範圍內沒有檢測到風擋刮水器，則系統認為出現故障，則可能是由於風擋刮水器被凍在風擋玻璃上而造成的，在這種情況下，根據本發明的水汽傳感器的操作被暫停一段時間，以使冰塊融化。如果可以獲得外部溫度信息，則可以考慮到寒冷的氣候條件以確定該刮水器是否由於機械故障或結冰而造成不能工作。
該系統還能夠自適應地改變光亮級。更具體來說，在選擇周期中，可以計算圖像的平均灰度級數值。如果該數值為高，表示曝光過度，在下一個周期中的圖像傳感器積分時間可以被減少以降低平均亮度。同樣，如果光亮級為低，則增加積分時間。在相對暗的情況下，一些圖像傳感器可能不能夠在合理的時間內接收足夠的光線來適當地對雨點這樣的水汽成像。在這種情況下，可以提供一個附加的照明燈來在攝取圖像時從背後短暫地照明目標區域。如果交通工具的風擋玻璃不高度地吸收紅外輻射，則只要波長在圖像傳感器的可檢測範圍內，可以使用近紅外照明燈。紅外照明燈具有人眼不可見的優點，因此不會使駕駛員分心。
水汽檢測器為了消除已知的水汽感應系統的許多操作缺點，根據本發明另一個實施例的系統包括用於檢測在風擋玻璃內表和外表上的水汽的系統。如圖2和3中所示，一個發光二級管(LED)可以用於檢測交通工具風擋玻璃26的內表和外表上的水汽。在此公開了水汽檢測系統的兩個不同實施例，它們兩個都依據在存在水汽時從風擋玻璃26反射的來自LED的光線中的差別。水汽檢測可以在與雨水檢測交替的處理周期中完成。更具體來說，由於風擋玻璃成霧較慢，在水汽檢測周期之間有許多周期可以用於的雨水和水汽檢測。在水汽檢測周期開始時，可以使用一個包含汙點的預期位置的窗口來獲得一個圖像。
在第一實施例中，可以使用高度對準或者聚焦到在風擋玻璃距離處的一點的光源。該光源可以根據風擋玻璃的吸收特性發射紅外線或可見光。由於紅外線不能被人眼所看見因此不會產生幹擾，所以最好採用紅外光源。紅外LED 66可以與焦距等於風擋玻璃距離的透鏡68一同使用，如圖2中所示。LED 66可以置於主光學組件上方幾毫米，並且傾斜使得圖3中所示的投射光指向風擋玻璃26上的主光軸的位置。LED 66最初關閉並且拍攝一幅圖像。然後，LED立即打開並且拍攝第二幅圖像。這些圖像之間的差別被用於汙點檢測。如果不存在水汽，則該光線將從風擋玻璃26以Snell(斯奈爾)角反射，該角度將使光線遠離圖像傳感器32的視野。如果存在水汽，則該光線將被蘭伯特反射，使得該水汽被成像為一個小點70(圖3)。由於風擋玻璃26和光源66的角度，外側的水汽產生的點70比由風擋玻璃26內表面的水汽所產生的點72更低。這些點70、72的位置被用於表示在風擋玻璃26上存在的內表和/或外表水汽。如果水汽存在於風擋玻璃內表上，則外表水汽的檢測是不可能的。但是，該限制是不重要的，因為無論如何視覺都會減弱。如下真值表表示從每個點的存在得出的結果<
在另一個實施例中，使用紅外或可見光(如果必要的話)LED。該LED必須相對較小或者用於與一個針孔相結合，並且對準使得來自LED的光線從風擋玻璃26反射並且以Snell角反射到圖像傳感器。在這種結構中，將出現兩次反射一次從風擋玻璃的內側反射，一次從風擋玻璃外表面鏡面反射。在該實施例中，如果不存在水汽，則該點被以Snell角反射，並且由該圖像傳感器所接收。如果在風擋玻璃26的外表面上有水汽，則將存在來自內表反射的光點，但是來自外表反射的點將是一個模糊光斑。對內表水汽分析不同圖像。最初，使用3×3拉普拉斯濾波器來產生一個新的圖像，其中僅包含原始圖像的高頻成分。按這種方式，指示來自水汽的模糊反射。該點是通過取在每個點的目標區域中的像素組的最大值而檢測的。可以使用一個略大於該光點的期望尺寸的組，以糾正輕微的失調，這是基於拉普拉斯算子將僅保留存在高頻成分的光點的邊緣的事實。並且輕微的水汽可能造成光點產生，但是可能沒有所要求的動作。對於每個光點，如果該數值明顯大於0，則確定存在水汽。如下真值表表示對於該另一個實施例的水汽檢測。<
如果檢測到外表水汽，則風擋刮水器將被啟動，以有助於除去水汽，或者如果需要的話可以用警示光來向駕駛員表明這種情況。內表水汽檢測可以用於自動激活交通工具除霜或除霧器系統，避免等到產生嚴重的水汽。更加複雜的處理方法可以包括通過計算光點的水平邊緣之間的距離而確定光點的尺寸，因此得到可以與一閾值相比較的在風擋玻璃上的水汽量的測量值。
顯然，在上述思想的引導下可以作出本發明的許多改進和變型。因此，應當理解，除了上文具體描述的之外，在所附權利要求的範圍內都可以實現本發明。
權利要求
1.一種用於檢測在表面上的水汽的系統包括圖像傳感器；光學系統，其有效地把該表面的一部分成像到該圖像傳感器上，以把在該表面上的物體聚焦到圖像傳感器上，並且使遠離該表面的物體模糊；以及與該圖像傳感器進行通信的處理器，該處理器有效確定該圖像的空間成分，從而一個信號可以根據所確定的空間成分而產生。
2.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該表面包括一個交通工具的窗口。
3.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該系統還包括一個置於該表面與成像光學系統之間的鍍鉻窗口，該鍍鉻窗口有效地減小由該圖像傳感器所成像的光量。
4.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該圖像傳感器包括一個CMOS活動像素傳感器。
5.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該圖像傳感器包括多個像素傳感器，每個像素有效地產生表示像素亮度級的一個模擬信號，該系統還包括一個用於從該亮度級確定灰度級的模數轉換器。
6.根據權利要求5所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該圖像傳感器具有可變積分時間，該系統有效地控制圖像傳感器的可變積分時間。
7.根據權利要求5所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該處理器通過一組灰度級數值的高通數字濾波，有效地確定圖像空間成分。
8.根據權利要求7所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，高通濾波是用一個拉普拉斯濾波器實現的。
9.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該系統還包括一個用於照明窗口的成像部分的照明燈。
10.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該交通工具具有用於沿著一條路徑刮擦該表面的刮水器，該刮水器由一個刮水器電機所驅動，該系統還包括與該處理器和刮水器電機進行通信的刮水器電機控制器，其中所產生的信號是基於用來控制該刮水器的所確定的空間成分。
11.根據權利要求10所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該表面的成像部分包括刮水器的路徑，並且該處理器還有效地利用所確定的空間成分判斷該刮水器是否處於該表面的成像部分中。
12.根據權利要求11所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該處理器還有效地(a)在刮水器已經清理該表面的成像部分之後獲得該表面的圖像；以及(b)利用在該刮水器以及清理該表面的成像部分之後獲得的圖像確定零點。
13.根據權利要求11所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該處理器還有效地在如果該刮水器沒有被在一段時間範圍內檢測時暫停該刮水器的操作。
14.根據權利要求10所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該系統還包括一個與該處理器進行通信的驅動器開/關靈敏度控制器。
15.根據權利要求1所述的用於檢測表面上的水汽的系統，該系統還包括與該處理器進行通信的光源，用於在與該處理器進行通信時把一個光點投射在該表面的成像部分上，該處理器還有效地打開光源，在光源打開時獲得該表面的第一圖像，關閉光源，在光源關閉時獲得該表面的第二圖像，以及利用第一和第二圖像確定在該表面上是否存在水汽。
16.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該水汽包括水汽和霜。
17.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源如此放置，使得當該表面上存在水汽時，該光點被反射到圖像傳感器的視野中。
18.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源如此放置，使得當該表面上不存在水汽時，該光點被反射到圖像傳感器的視野中。
19.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該表面包括一個窗口，該窗口具有內側和外側，該光源被放置使得，從內側反射到圖像傳感器視野內的光點與從外側反射的光點位於圖像傳感器上不同的位置，該處理器還有效地從在圖像傳感器輸出中的反射光點的位置確定在內側或外側上的水汽位置。
20.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該處理器還有效地產生包含該圖像傳感器輸出的高頻成分的濾波圖像。
21.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源包括可見光發光二極體。
22.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源包括紅外線發光二極體。
23.根據權利要求15所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該交通工具具有用於從該表面上除霜或除霧的裝置，該系統還包括與處理器和清除裝置進行通信的控制器，該處理器還有效地根據對表面上存在水汽的判斷控制水汽的清除。
24.一種用於清除窗口上的水汽的系統，該窗口具有內表面和外表面，該系統包括；把光斑投射到該窗口上的光源；圖像傳感器；有效地對該窗口的一部分成像的成像光學系統，該成像過程包括把光點投射到該圖像傳感器上，把窗口上的物體聚焦到該圖像傳感器上，並且使遠離該窗口的物體變得模糊，其中該光源如此放置，使得從內表面反射到圖像傳感器的視野中的光點與從外表面反射的光點位於圖像傳感器上不同的位置；以及與該圖像傳感器和光源通信的處理器。該處理器有效地確定水汽的存在，並且確定水汽的位置是在內表面或外表面上，從而可以根據確定水汽的存在和確定水汽的位置產生一個信號。
25.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，光源相對於窗口和成像光學系統定位，使得當水汽至少存在於內表面和外表面之一上時，光點從該窗口通過成像光學系統反射到該圖像傳感器上。
26.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，光源相對於窗口和成像光學系統定位，使得當水汽至少存在於內表面和外表面之一上時，光點從該窗口通過成像光學系統不反射到該圖像傳感器上。
27.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源包括可見光發光二極體。
28.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該光源包括紅外線發光二極體。
29.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該交通工具具有用於從該表面上除霜或除霧的裝置，該系統還包括與處理器和清除裝置進行通信的控制器，該處理器還有效地根據對表面上存在水汽的判斷控制水汽的清除。
30.根據權利要求24所述的用於檢測表面上的水汽的系統，其中，該處理器還有效地提取圖像傳感器輸出的空域高頻成分。
31.一種用於檢測表面上的水汽的方法，包括獲得該表面一部分的圖像，該圖像具有在該表面上聚焦的物體，和遠離表面被模糊化的物體；產生對應於所獲得的圖像的信號；確定該信號的空域高頻成分；以及利用空域高頻成分確定水汽。
32.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，產生信號包括對所獲得的圖像數位化。
33.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中還包括確定是否比一閾值更大的輻射量被成像；以及暫時地從該圖像減小比該閾值大的輻射量。
34.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中還包括確定由圖像傳感器在可變光積分時間中積分的光量；以及根據確定的積分光量控制圖像傳感器的可變積分時間。
35.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，確定數位化信號的空間高頻成分包括數位化信號的高通數字濾波。
36.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，高通數字濾波是利用拉普拉斯濾波器實現的。
37.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中還包括照明該表面的成像部分。
38.根據權利要求31所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，該交通工具包括用於沿著一條路徑刮擦表面的刮水器，該表面的成像部分包括刮水器的路徑，其中該方法還包括檢測在該表面成像部分中刮水器的存在。
39.根據權利要求38所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，檢測刮水器的存在包括判斷是否在刮水器經過表面成像部分的方向上有多個高頻成分大於垂直於刮水器經過表面的成像部分的方向上的多個高頻成分。
40.根據權利要求39所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中還包括根據表示水汽的確定信號控制刮水器的速率。
41.根據權利要求40所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中還包括，如果該刮水器沒有被在一個時間段內檢測到，則避免刮水器的進一步的操作。
42.一種用於檢測表面上的水汽的方法，該交通工具至少具有一個用於刮擦表面的刮水器，該交通工具包括一個圖像傳感器，它有效地成像由至少一個刮水器所覆蓋的區域中的表面，該方法包括獲得該表面的圖像，該圖像具有在該表面上聚焦的物體，和遠離表面被模糊化的物體；確定一個總和，該總和包括對每個像素的拉普拉斯運算；確定從該總和減去的零校準的差值；重複獲取圖像的步驟，確定該總和，並且確定該差值是否小於閾值，否則啟動至少一個刮水器；確定至少一個刮水器已經刮擦該表面的成像區域；以及確定在該表面的成像區域被刮擦之後所攝取的圖像的拉普拉斯運算作為零校準。
43.根據權利要求42所述的用於檢測表面上的水汽的方法，其中，確定至少一個刮水器已經刮擦該表面的成像區域的步驟包括獲取該表面的圖像，該圖像具有在該表面上聚焦的物體，和遠離表面被模糊化的物體；通過使該表面的圖像經過第一一維高通濾波器而確定第一濾波圖像，該一維的方向在刮水器通過表面的圖像的方向上；通過使該表面的圖像經過第二一維高通濾波器而確定第二濾波圖像，該一維的方向在與刮水器通過表面的圖像方向垂直的方向上；如果第一濾波圖像的數值的總和不大於第二濾波圖像的數值的總和，則重複獲取表面圖像的步驟，確定第一濾波圖像，以及確定第二濾波圖像，否則延遲一段時間，以使刮水器通過該表面的圖像。
全文摘要
一種用於自動檢測交通工具的風擋玻璃(26)上的水汽的控制系統(20)。該自動水汽檢測系統(20)包括:用於把風擋玻璃(26)的一部分成像到象CMOS活動像素傳感器這樣的圖像陣列傳感器(32)上的光學系統(30)。表示亮度級的每個像素的電壓被模數轉換器(35)轉換為相應的灰度級。該對應於圖像的灰度級被存儲在存儲器(38)中。該灰度級數值的空間頻率成分被分析以確定存在的雨量。提供一個控制交通工具的風擋刮水器(40)的操作的控制信號,作為存在的水汽量的函數。該系統還適於檢測在風擋玻璃(26)內表面和風擋玻璃(26)外表面上的水汽程度。通過提供一種用於自動檢測在風擋玻璃(26)內外表面上存在的水汽的系統,可以消除已知自動雨水傳感器的嚴重性能限制。
文檔編號H04N5/374GK1270560SQ98809155
公開日2000年10月18日 申請日期1998年9月10日 優先權日1997年9月16日
發明者J·S·斯塔姆, J·H·貝希特爾, J·K·羅伯茨 申請人:金特克斯公司