基于機(jī)器視覺的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　摘要：目前高速公路上由于車道偏離而導(dǎo)致的交通事故造成了巨大的損失，從而使得車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的研究成為了社會(huì)的一大熱點(diǎn)。本文基于DSP 計(jì)算和FPGA 計(jì)算，構(gòu)造出一套基于視覺的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)。本文給出了系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)以及硬件實(shí)現(xiàn)方式，并基于所提出的系統(tǒng)詳細(xì)研究了視覺系統(tǒng)中大容量數(shù)據(jù)的傳輸、存儲(chǔ)和處理等問題。最后，基于構(gòu)造的系統(tǒng)，通過一系列典型的視覺處理算法和應(yīng)用于車道跑偏決策的軟件算法，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1、引言

汽車駕駛是涉及駕駛員、汽車、道路三方面因素的動(dòng)作行為。駕駛員通過眼睛等一系列生理器官感受道路信息，通過對(duì)道路信息的理解和判斷，及對(duì)汽車行駛狀況的跟蹤，做出一系列的駕駛決策。但是由于駕駛員長時(shí)間駕駛、粗心大意等一系列因素及駕駛員對(duì)道路信息的感知和車輛狀況的了解存在一定的“盲區(qū)”，導(dǎo)致的交通事故越來越成為社會(huì)的一大主要安全隱患。本文從駕駛員、汽車、道路三方面入手，研究一套模擬人的駕駛行為來提高車輛行駛安全性的汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車道偏離預(yù)警等主動(dòng)安全技術(shù)。

　　在基于機(jī)器視覺的系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性一直是一個(gè)主要的問題，尤其是像車道偏離預(yù)警這樣的系統(tǒng)來說，要實(shí)現(xiàn)的算法更是覆蓋了從圖像預(yù)處理到高層視覺計(jì)算的整個(gè)視覺計(jì)算流程，既有底層的可高度并行實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)量的卷積、灰度變換等規(guī)整算法，也包含有中層的特征提取等模式識(shí)別算法及高層的一些視覺處理方法，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路的理解等。一直以來，嵌入式系統(tǒng)的通用性與效率一直是難以調(diào)和的一對(duì)矛盾[1]，如何構(gòu)造一套較通用的視覺處理系統(tǒng)，對(duì)于視覺各個(gè)層次的并行及串行算法，都具有較高的實(shí)現(xiàn)效率是本文要解決的一個(gè)問題，高速的DSP 處理芯片和大規(guī)模可重構(gòu)芯片的出現(xiàn)為我們提供了一個(gè)很好的解決方案。

　　大規(guī)模的可重構(gòu)芯片，諸如 FPGA 等，內(nèi)部集成了大容量的基于查找表結(jié)構(gòu)的門電路系統(tǒng)，非常適合構(gòu)造細(xì)粒度的SIMD 處理陣列或者流水線結(jié)構(gòu)，而這對(duì)于如圖2 所示的典型的底層圖像處理算法[1]，具有著天然的適應(yīng)性。TI 公司的C6000 系列的DSP 計(jì)算芯片，采用哈佛結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有8 個(gè)處理單元，還集成了專用的硬件乘法器，適合于完成一些串行的視覺處理算法，對(duì)于高層的數(shù)據(jù)量較少的但運(yùn)算過程較復(fù)雜的道路理解等，具有較好的實(shí)現(xiàn)效果。

　　基于上面的分析，本文結(jié)合高速的 DSP 計(jì)算芯片和可重構(gòu)的FPGA 芯片構(gòu)造一套高速的嵌入式視覺處理系統(tǒng)，F(xiàn)PGA 作為輔助邏輯控制和前端處理模塊，主要完成圖像的前期采集和一些類似直方圖統(tǒng)計(jì)、卷積等底層的高密度圖像處理工作，可在硬件結(jié)構(gòu)上靈活的配置，通過實(shí)現(xiàn)一系列的并行結(jié)構(gòu)或流水線結(jié)構(gòu)完成底層的算法，避免由DSP 完成這些細(xì)粒度的算法而造成資源的浪費(fèi)和時(shí)間上的損耗；DSP 作為主要的計(jì)算中心，完成高層的串行為主的視覺處理任務(wù)，諸如道路理解和解釋、車道跑偏決策等，DSP 的高速處理能力能較好的完成這些串行度高的算法。系統(tǒng)的基本框圖如圖2 所示。