基于DSP的快速公交專(zhuān)用車(chē)道檢測(cè)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很多車(chē)道線檢測(cè)算法，主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于圖像特征的檢測(cè)方法，即特征驅(qū)動(dòng)法，是基于道路圖像的一些特征(如車(chē)道線顏色、寬度以及邊緣等特征)將圖像的所有點(diǎn)標(biāo)記為車(chē)道線點(diǎn)和非車(chē)道線點(diǎn)，這種機(jī)制要求道路的車(chē)道線顏色較為明顯，邊緣較為清晰，否則無(wú)法得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果;另一類(lèi)方法是基于模型的檢測(cè)方法，是根據(jù)提取的特征對(duì)預(yù)先定義好的車(chē)道線模型進(jìn)行匹配，將車(chē)道線的提取轉(zhuǎn)化為車(chē)道線模型中參數(shù)的計(jì)算問(wèn)題。模型的假設(shè)主要有直線模型和曲線模型兩種，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)噪音不敏感，能較好地處理圖像中物體局部被遮擋和覆蓋的情況。本文結(jié)合道路的紋理特征并建立模型進(jìn)行車(chē)道檢測(cè)，既充分利用圖像的信息，又在一定程度上保證了算法的魯棒性。

本文首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)圖像進(jìn)行Hough變換或者Gabor變換，得到車(chē)道線位置信息，判斷出車(chē)輛是否在車(chē)道內(nèi)行駛，如果不在則發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

1 圖像的預(yù)處理

圖像的預(yù)處理主要是對(duì)攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行前期處理，主要包括去除圖像的各種噪聲，并根據(jù)攝像機(jī)的位置調(diào)節(jié)算法中的一些參數(shù)提取圖像的感興趣區(qū)域(ROI)，以及進(jìn)行邊緣檢測(cè)等，目的是為了加強(qiáng)圖像的有用信息，抑制干擾。

標(biāo)定攝像頭以后，選取一定的區(qū)域作為車(chē)道線檢測(cè)區(qū)域，進(jìn)行平滑去噪，并對(duì)其邊緣進(jìn)行檢測(cè)。本文采用Canny邊緣檢測(cè)。圖1為拍攝的原始道路圖像，圖2為不同環(huán)境下(白天、陰天、夜晚)的檢測(cè)結(jié)果。

2 基于Hough 變換的車(chē)道線檢測(cè)

2.1 傳統(tǒng)Hough 變換原理

對(duì)于建立的車(chē)道線模型為直線的情況下，Hough 變換作為車(chē)道線檢測(cè)的一個(gè)方法， 廣泛用于車(chē)道線識(shí)別領(lǐng)域。Hough 變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)圖像進(jìn)行坐標(biāo)變換， 使變換的結(jié)果更易于識(shí)別和檢測(cè)。Hough 變換的表達(dá)式為：

其中， (x,y ) 表示圖像空間的某一點(diǎn)， ρ 是圖像空間中直線到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，θ 是直線與x 軸的夾角。傳統(tǒng)Hough 變換投票空間ρ 和θ 的選擇范圍通常為ρ∈(0,r)( 其中r 為圖像對(duì)角線長(zhǎng)度) ,θ∈(0,180 ) .(ρ ,θ)為坐標(biāo)變換后的參數(shù)空間某一點(diǎn)， 其將圖像空間(x-y ) 的點(diǎn)轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間(ρ-θ)， 可以證明圖像空間中同一直線上的點(diǎn)在參數(shù)空間中對(duì)應(yīng)的正弦曲線交于一點(diǎn)(ρ ,θ)。因此對(duì)圖像空間的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換投影到參數(shù)空間，通過(guò)統(tǒng)計(jì)參數(shù)空間的總投票次數(shù)較多的點(diǎn)， 即可找到圖像空間對(duì)應(yīng)的直線方程。

Hough變換作為一種經(jīng)典的車(chē)道線檢測(cè)算法，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，然而該算法較為耗時(shí)，當(dāng)車(chē)道線外在環(huán)境因素較為不清晰，或者受道路上一些其他因素的影響下，結(jié)果受干擾較大。Hough變換檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

2.2 基于ROI區(qū)域改進(jìn)的Hough變換的車(chē)道線檢測(cè)

針對(duì)圖像中道路的車(chē)道線一般分布在道路左右兩邊的情況，本文對(duì)傳統(tǒng)Hough變換的應(yīng)用進(jìn)行了改進(jìn)，限定其投票空間的范圍，也就是限定ρ和θ來(lái)調(diào)整其投票空間的范圍。限定其左右車(chē)道線的極角和極徑，調(diào)節(jié)好攝像頭，通過(guò)不斷的測(cè)試，得到目標(biāo)點(diǎn)的極角約束區(qū)域和極徑約束區(qū)域，也就得到感興趣區(qū)域(ROI)，如圖4所示，只檢測(cè)落在白色區(qū)域內(nèi)的車(chē)道線。

通過(guò)建立極角、極徑約束區(qū)域，可以有效地去除大量的干擾點(diǎn)，濾除旁邊車(chē)道以及路邊樹(shù)木建筑物的干擾，并能夠很大程度地提高算法的運(yùn)行速度。當(dāng)車(chē)道線的極角極徑在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地檢測(cè)車(chē)道線的位置;然而當(dāng)圖像在轉(zhuǎn)彎、變道或者攝像頭位置偏移時(shí)，車(chē)道線很容易超出檢測(cè)區(qū)域，使得結(jié)果出現(xiàn)很大的偏差。

3 基于Gabor濾波器的車(chē)道線檢測(cè)

針對(duì)道路車(chē)道線不清晰以及存在一些其他標(biāo)志干擾的情況，本文提出了改進(jìn)的車(chē)道線檢測(cè)算法，即基于Gabor濾波器的車(chē)道線檢測(cè)。通過(guò)Gabor找到圖像的消失點(diǎn)，即圖像中兩條車(chē)道線的交點(diǎn)位置，再對(duì)消失點(diǎn)進(jìn)行Hough變換，這樣不僅提高了算法的適用性，還提高了算法的實(shí)時(shí)性。

3.1 Gabor變換原理

Gabor濾波器與人眼的生物作用相仿，因此經(jīng)常用于紋理識(shí)別，并取得了較好的效果。Gabor濾波器是帶通濾波器， 它的單位沖激響應(yīng)函數(shù)(Gabor函數(shù))是高斯函數(shù)與復(fù)指數(shù)函數(shù)的乘積。它是達(dá)到時(shí)頻測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系下界的函數(shù)， 具有最好的兼顧信號(hào)在時(shí)頻域的分辨能力。高斯函數(shù)的局部性特征使得Gabor濾波器只在局部起作用， 即具有良好的尺度特性和方向特性。因此，Gabor濾波器被廣泛用于圖像處理和圖像分析領(lǐng)域。

本文通過(guò)對(duì)車(chē)轍印記以及車(chē)道線邊緣等一些紋理特征進(jìn)行分析，從而提取出道路的消失點(diǎn)以及車(chē)道線的信息。

Gabor濾波器的模板計(jì)算方程如式(2)所示，該模板分為實(shí)部(式(3))和虛部(式(4))兩部分。

通過(guò)建立K×K 大小的Gabor 模板，(x,y) 表示圖像空間的一點(diǎn)。其中，θ 表示模板的方向， 為確定最后的道路紋理方向， 這里選擇范圍為0~72 ;λ 表示路面的波長(zhǎng);σ表示噪聲容量， 本文取σ=K/9 .

3.2 消失點(diǎn)的求解

本文用不同方向的模板與圖像進(jìn)行卷積， 對(duì)于圖像任意一點(diǎn)， 即可得到某一個(gè)方向上的卷積的結(jié)果為最大值， 這個(gè)最大值為紋理方向?qū)?yīng)的能量， 該方向?yàn)榧y理的方向。

其中，α 表示模板對(duì)應(yīng)的方向， 對(duì)于圖像中的任意點(diǎn)I(x,y) 與α 方向的Gabor 模板進(jìn)行卷積， 得到不同的t(x,y)，求取其最大值， 將最大值對(duì)應(yīng)的方向作為圖像中(x,y)點(diǎn)的紋理方向， 同時(shí)將該最大值作為紋理方向上的紋理強(qiáng)度。

通 過(guò)計(jì)算可以得到圖像中每一點(diǎn)的紋理方向以及能量。為了計(jì)算出消失點(diǎn)， 對(duì)圖像中選取的點(diǎn)進(jìn)行投票，這里選擇圖像下方一定的區(qū)域點(diǎn)， 如圖5 所示。當(dāng)紋理能量大于設(shè)定閾值的點(diǎn)作為投票點(diǎn)，p 表示圖像中投票空間的點(diǎn)，θ (p) 表示p 紋理方向，v 表示消失點(diǎn)的候選點(diǎn)，a (p ,v) 表示p 點(diǎn)與v 點(diǎn)的夾角，n 為采用的Gabor 模板方向的個(gè)數(shù)，R 為定義的投票空間， 即圖6 對(duì)應(yīng)的方框區(qū)域， 通過(guò)vote (p,v) 來(lái)統(tǒng)計(jì)p 點(diǎn)對(duì)v 點(diǎn)的投票結(jié)果，votes (v ) 為對(duì)R 區(qū)域累加進(jìn)行投票的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，pvote 為最終被投票次數(shù)最多的點(diǎn)的坐標(biāo)， 即消失點(diǎn)。

圖6 中的框表示選取的投票區(qū)域， 即在該區(qū)域內(nèi)選取400 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Gabor 變換， 求出其紋理方及能量; 圓圈是求出的消失點(diǎn)位置。

3.3 車(chē)道線檢測(cè)

對(duì)于傳統(tǒng)的Hough 變換， 需要對(duì)每個(gè)點(diǎn)每個(gè)角度進(jìn)行遍歷， 這樣比較耗時(shí)。本文采用改進(jìn)的Hough 變換， 對(duì)消失點(diǎn)及其周?chē)挠邢迋€(gè)像素進(jìn)行Hough 變換， 求取左右車(chē)道線的兩個(gè)峰值點(diǎn)，并繪制出車(chē)道線。該方法能夠有效地抑制圖像的其他邊緣噪聲干擾，提高算法的實(shí)時(shí)性。車(chē)道檢測(cè)結(jié)果如圖7 所示。

3.4 車(chē)道線跟蹤

跟蹤分為消失點(diǎn)的跟蹤和車(chē)道線的跟蹤。

(1) 消失點(diǎn)的跟蹤： 消失點(diǎn)一般較遠(yuǎn)， 車(chē)輛在行進(jìn)過(guò)程中消失點(diǎn)范圍變化不是很大，而靠近車(chē)道線的道路兩邊由于車(chē)輛輪胎接觸較為頻繁， 紋理較為明顯， 對(duì)消失點(diǎn)的貢獻(xiàn)較大。因此， 隨機(jī)選取靠近車(chē)道線兩邊100 個(gè)點(diǎn)對(duì)消失點(diǎn)及其周?chē)娜舾蓚€(gè)點(diǎn)( 本文選取36 個(gè)點(diǎn)) 進(jìn)行投票，如圖8 所示。

(2)車(chē)道線跟蹤：根據(jù)上一幀測(cè)量的結(jié)果，限定角度在一定變化范圍內(nèi)(本文限制在10°范圍，如圖8(b)所示)進(jìn)行Hough變換，這樣大大減少了運(yùn)算速度。當(dāng)圖像檢測(cè)的消失點(diǎn)及車(chē)道線上的點(diǎn)少于所設(shè)定的閾值時(shí)，程序重新初始化。

4 車(chē)道識(shí)別

本文在應(yīng)用的基礎(chǔ)上對(duì)合肥以及沈陽(yáng)的BRT車(chē)道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其BRT車(chē)道相對(duì)其他車(chē)道具有如下特點(diǎn)：其左右車(chē)道線都為黃色，一般位于路的兩邊，道路的兩邊有欄桿或者路牙等特征?；诖颂攸c(diǎn)，本文實(shí)現(xiàn)了BRT車(chē)道的識(shí)別系統(tǒng)，結(jié)合GPS判斷其所在位置范圍內(nèi)有無(wú)BRT車(chē)道，若有則判斷車(chē)道線顏色是否為黃色，即建立顏色模型，對(duì)車(chē)道線上的每一點(diǎn)顏色進(jìn)行標(biāo)記，并綜合判斷其左右車(chē)道線是否是黃色車(chē)道線，對(duì)黃色進(jìn)行標(biāo)記，如圖9左圖所示。由于車(chē)道線長(zhǎng)期受到磨損有一定的失真，且在晚上黃光燈照射下不易準(zhǔn)確地識(shí)別顏色，本文結(jié)合其欄桿、路牙等特征識(shí)別車(chē)道，對(duì)檢測(cè)的車(chē)道線兩邊的一定區(qū)域(圖9右圖白色矩形區(qū)域)進(jìn)行對(duì)比，比較其顏色邊緣紋理等特征差別。通過(guò)大量的測(cè)試，本文得到了判斷其是否為BRT車(chē)道的先驗(yàn)閾值，當(dāng)矩形區(qū)域差別大于設(shè)定閾值時(shí)，則判斷為公交專(zhuān)用車(chē)道，從而準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)車(chē)道檢測(cè)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)現(xiàn)BRT 車(chē)道識(shí)別的具體流程如圖10 所示。

本文首先通過(guò)GPS采集車(chē)輛所在區(qū)域的經(jīng)緯度信息， 并建立道路經(jīng)緯度信息庫(kù)判斷車(chē)輛所在位置附近是否具備BRT專(zhuān)用車(chē)道，若有，則進(jìn)行車(chē)道線檢測(cè)，找到車(chē)輛所在車(chē)道的左右車(chē)道線，并判斷車(chē)道線上顏色信息以及車(chē)道線左右的邊緣亮度等信息，分析其是否具備BRT快速公交車(chē)道的特征，如具備，則可以作為監(jiān)控前方車(chē)輛是否違規(guī)駛?cè)隑RT車(chē)道的一個(gè)依據(jù)。

6 改進(jìn)應(yīng)用

該模型不僅適用于公路等有車(chē)道線的結(jié)構(gòu)化道路，也可適用于車(chē)轍痕跡較為清晰的鄉(xiāng)間土路、沒(méi)有車(chē)道線的柏油路等非結(jié)構(gòu)化道路， 能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)道路的消失點(diǎn)。當(dāng)車(chē)輛行進(jìn)方向偏離其消失點(diǎn)時(shí)， 提醒司機(jī)采取相應(yīng)的措施， 從而實(shí)現(xiàn)了車(chē)道偏離預(yù)警， 可以有效地抑制事故的發(fā)生。圖12 為對(duì)白色區(qū)域進(jìn)行Gabor 卷積運(yùn)算， 將卷積結(jié)果較大( 即能量較大) 的點(diǎn)的方向繪制出來(lái)， 如圖12 右圖所示?？梢钥闯觯?方向基本指向道路的消失點(diǎn)。圖13 為復(fù)雜道路的消失點(diǎn)， 其中圓圈表示消失點(diǎn)投票結(jié)果。

本文對(duì)合肥公交專(zhuān)用車(chē)道進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法具有很強(qiáng)的適用性，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到車(chē)輛所在車(chē)道的車(chē)道線，并對(duì)其車(chē)道作出正確的判斷。車(chē)道識(shí)別結(jié)果如圖11所示。

本文提出了基于道路紋理特征的車(chē)道線檢測(cè)方法，將直線模型算法成功移植到DM6437開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)采集道路圖像(25 S/s,圖像大小為720×576)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)車(chē)道線信息，并在城市道路上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，平均每幀圖像的算法耗時(shí)控制在50 ms以?xún)?nèi)，能夠較為準(zhǔn)確地檢測(cè)出車(chē)道線的位置，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。