基于單目視覺的車輛離道預(yù)警系統(tǒng)

(1)設(shè)計(jì)意圖

隨著自動化和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)代交通輔助工具越來越智能化，GPS導(dǎo)航、興趣點(diǎn)提示、多功能輔助控制系統(tǒng)、甚至是無人駕駛，從軍用交通工具融入普及到家用型交通工具，特別是最普遍的家用轎車，已形成一種不可逆的智能化潮流。

在此背景下，本設(shè)計(jì)將基于Avnet Spartan-6 FPGA 工業(yè)視頻處理套件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)車輛離道的關(guān)鍵預(yù)警機(jī)制系統(tǒng)。

(2)設(shè)計(jì)思路

目前有數(shù)個(gè)國內(nèi)外汽車生產(chǎn)商已經(jīng)采用了不同的車道保持輔助系統(tǒng)(例如奧迪Q5、大眾高爾夫7代)，此類系統(tǒng)均建立在一個(gè)數(shù)字圖像視頻處理的基礎(chǔ)上，再通過檢測車道等信息進(jìn)行建模和預(yù)警。雖然投入商用的系統(tǒng)已經(jīng)很成熟完善，預(yù)警機(jī)制的邏輯判斷(啟動條件、提前預(yù)警)考慮較為周全，但幾乎都忽略了攝像頭因?yàn)槠囕d客不同和路面鋪設(shè)而發(fā)生傾斜的情況，在算法中加入這個(gè)因素的修正對于未來精確控制和輔助車輛行駛具有實(shí)際意義。

本項(xiàng)目針對這個(gè)未考慮的因素，加入三軸加速計(jì)對關(guān)于鏡頭傾斜后圖像處理的矯正，突破由于廣角攝像頭的光學(xué)特性的非線性變換問題，并建立一個(gè)簡化的基于單目視覺的車輛離道預(yù)警系統(tǒng)模塊對結(jié)果進(jìn)行探討，驗(yàn)證其精確度。由于整個(gè)項(xiàng)目側(cè)重于圖形算法方面，故只考慮車輛離道的準(zhǔn)確報(bào)警，忽略復(fù)雜的輔助駕駛系統(tǒng)邏輯，而是為其提供進(jìn)一步成熟完善的理論。

本項(xiàng)目在原始圖像上預(yù)處理為邊緣二值圖像后再采用Hough變換算法，魯棒性和抗干擾性較高，代替現(xiàn)有的DSP視頻處理芯片，更快速地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻處理。

考慮到軟硬件結(jié)合的靈活強(qiáng)大功能特性，本項(xiàng)目將基于EDK嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，以MicroBlaze處理器為核心，實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)文檔

(1)設(shè)計(jì)框圖

(2)工作原理

CCD攝像頭安裝在車盤中軸前方，其光軸與車盤平行;由于車軸中心距左右分車道有一定距離，根據(jù)透視投影的基本原理，攝像頭路面投影圖像中左右分道線會形成一個(gè)角度，這個(gè)角度會因車的位置變化而改變，當(dāng)車處于兩條分道線中間，所得圖像中兩條左右分道線的夾角最大(其斜率一正一負(fù)), 當(dāng)車輛偏移中線時(shí)，這個(gè)角度會逐漸變小，至離道存在一個(gè)最小夾角，但圖像中該角度信息小于這個(gè)最小夾角的時(shí)候，報(bào)警機(jī)制就會發(fā)出警報(bào)。

攝像頭攝入路面圖像數(shù)據(jù)，存儲到板內(nèi)RAM;通過畸變矯正，保證顯示的分車道盡可能實(shí)況;接著，通過三軸加速計(jì)水平矯正，使得圖像x軸與實(shí)際路面平行;最后通過閥值分隔、邊緣檢測以及Hough變換的算法，重新構(gòu)建出路面圖像并建立分道線角度數(shù)據(jù)傳送到預(yù)警邏輯狀態(tài)機(jī)。

非線性的畸變矯正是水平矯正的前提操作，也是該系統(tǒng)中最重要的算法之一，通過攝像頭參數(shù)和Matlab等軟件的仿真模擬得出的網(wǎng)格坐標(biāo)變換表，矯正廣角鏡頭所引起的邊角畸變，才可進(jìn)行正確的水平矯正。

(3)Figure 2 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖如下：

本項(xiàng)目中預(yù)警邏輯狀態(tài)機(jī)較為簡單，分三個(gè)狀態(tài)：未啟用，啟用，報(bào)警; 車輛剛啟動時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)處于未啟用狀態(tài)，一旦滿足預(yù)警啟動條件(車輛正常行駛在兩分道線中間并未打開轉(zhuǎn)向燈)后，警報(bào)系統(tǒng)切換到啟用狀態(tài);在啟用狀態(tài)下，如果車偏離車道，圖像處理運(yùn)算得到分道線角度數(shù)據(jù)滿足離道條件(圖像分道夾角小于警報(bào)最小夾角)，則進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，警報(bào)立即觸發(fā);警報(bào)觸發(fā)有一個(gè)較短的持續(xù)緩沖時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)汽車重新滿足預(yù)警啟動條件則警報(bào)系統(tǒng)重新進(jìn)入啟用狀態(tài)，如果依舊未檢測到滿足啟用狀態(tài)的分道線角度則進(jìn)入未啟用狀態(tài)。如果最近所得分道線的角度數(shù)據(jù)處于安全范圍內(nèi)時(shí)，即使有小范圍擺動，但認(rèn)為車未偏離車道，警報(bào)不會觸發(fā);或者，車要轉(zhuǎn)向，提前打開轉(zhuǎn)向燈，那么警報(bào)系統(tǒng)處于未啟用狀態(tài)。

(4) Figure3 FPGA內(nèi)處理圖像流程

攝像頭將攝入的原始灰度圖像(如圖1)傳入到FPGA內(nèi)部，最先通過閥值邊緣檢測，得到邊緣二值圖像(如圖2)數(shù)據(jù);當(dāng)車出現(xiàn)傾斜后，攝入的圖像會出現(xiàn)透視畸變，所以需要通過光學(xué)畸變矯正，得到矯正后與實(shí)況相符的邊緣二值圖像數(shù)據(jù);這時(shí)，安裝的陀螺儀會提供相應(yīng)參數(shù)，對圖像進(jìn)行傾角旋轉(zhuǎn)矯正，得到水平邊緣二值圖像(如圖3)數(shù)據(jù);在通過Hough算法轉(zhuǎn)化為參數(shù)平面(如圖4)數(shù)據(jù)，從中提取出分道線;隨著車行駛的實(shí)況，隨時(shí)對警報(bào)觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，出現(xiàn)離道，警報(bào)觸發(fā)條件滿足后，F(xiàn)PGA立馬將預(yù)警邏輯相關(guān)信息輸出，控制觸發(fā)警報(bào)