基于DSP的紅外車載防撞系統(tǒng)

1、 Computer Knowledge and Technology 電腦知識(shí)與技術(shù)：唐一東第6卷第25期(2010年9月 基于DSP 的紅外車載防撞系統(tǒng)梁洪波（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230051）摘要：汽車主動(dòng)安全技術(shù)用以保證駕駛員及乘客能提前預(yù)知危險(xiǎn)，并作出相應(yīng)防范措施。利用紅外光源的數(shù)字成像技術(shù)，結(jié)合基于DSP 的圖像處理，目標(biāo)檢測(cè)和追蹤算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方車輛位置、方向、相對(duì)速度等參數(shù)指標(biāo)的實(shí)時(shí)獲取，經(jīng)處理后將參數(shù)輸入專家決策系統(tǒng)，最終產(chǎn)生對(duì)汽車乘員的視覺及聽覺預(yù)警報(bào)告，指導(dǎo)乘員作出應(yīng)對(duì)措施。由于紅外成像技術(shù)的廣泛適應(yīng)性，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的晝夜氣候狀況。關(guān)鍵詞：DSP ；汽

2、車安全；防撞中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(201025-7084-03Infrared Vehicle Collision Avoidance System Based on DSPLIANG Hong-bo(Schoolof Computer &Information , Hefei University of Technology ,Hefei 230009,ChinaAbstract:Active safety technology to ensure the driver and the passengers to anticipate d

3、anger and take appropriate precautionary mea -sures. Digital imaging using infrared light technology, combined with DSP-based image processing, target detection and tracking algorithm, realizing the front vehicle location, direction and relative speed indicator parameters such as real-time access, a

4、nd further parameters into expert collision avoidance system and eventually generate of the vehicle occupants with visual and auditory warning, guidance to the crew response. As the wide adaptability of infrared imaging technology, the system can be applied to complex weather conditions day and nigh

5、t. Key words:DSP; vehicle safety; collision avoidance現(xiàn)代社會(huì)中汽車已成為不可或缺的交通工具。隨著車速的不斷提高，汽車安全越來越重要。隨著汽車工業(yè)的高度發(fā)展，被動(dòng)防護(hù)的安全技術(shù)已逐漸普及，而能夠提供預(yù)警功能的汽車主動(dòng)安全技術(shù)正在興起?；诩t外光源的成像技術(shù)，可以在惡劣天氣狀況下提供給車載系統(tǒng)比人眼更遠(yuǎn)的視野，從而為霧天，雨雪，夜晚等天氣情況下的汽車防撞預(yù)警提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源。在基于DSP 的防撞預(yù)警系統(tǒng)中，DSP 數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)處理紅外成像數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析，判斷，識(shí)別，計(jì)算前方危險(xiǎn)物體的位置，相對(duì)速度及加速度信息，并提供給中央

6、處理器系統(tǒng)進(jìn)行顯示及預(yù)警。1防撞預(yù)警系統(tǒng)概述防撞預(yù)警系統(tǒng)總體上由紅外成像子系統(tǒng)，處理器子系統(tǒng)，顯示和預(yù)警子系統(tǒng)構(gòu)成。紅外成像子系統(tǒng)包括：紅外光源，普通黑白CCD 圖像傳感器，圖像視頻采集模塊組成。在系統(tǒng)開啟的情況下，該子模塊會(huì)向車輛前方發(fā)出多束紅外光線，紅外光線遇到前方物體后發(fā)生反射，CCD 圖像傳感器捕獲反射回來的紅外光線，由其后方的圖像采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供給處理器子系統(tǒng)。處理器子系統(tǒng)包含DSP 數(shù)字信號(hào)處理器和通用微處理器兩部分；在實(shí)際項(xiàng)目中，選擇德州儀器集成DSP 和ARM 的OMAP3530芯片，在物理上雖然是單個(gè)芯片，但在邏輯上，仍然是DSP 和通用微處理器兩部分構(gòu)成。DSP

7、將前端成像子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一方面進(jìn)行物體跟蹤算法處理，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用作微處理器部分的軟件邏輯數(shù)據(jù)來源；另一方面將數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)的校正，測(cè)溫和濾波處理后，傳遞給顯示子系統(tǒng)展現(xiàn)給用戶。微處理器模塊直接控制顯示和預(yù)警子系統(tǒng)。微處理器模塊中運(yùn)行有防撞系統(tǒng)的核心軟件：防撞擊專家決策分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以汽車防撞擊安全距離模型及汽車制動(dòng)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，將DSP 處理后的數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)過計(jì)算后，產(chǎn)生安全距離警示，并根據(jù)速度變化實(shí)時(shí)提前45秒進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警信息體現(xiàn)為顯示警戒距離及聲音報(bào)警?；贒SP 的紅外車載防撞系統(tǒng)組成如圖1所示。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1紅外成像子系統(tǒng)設(shè)計(jì)紅外成像部分，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭屑t外光源選擇了基于LED 的可

8、調(diào)功率發(fā)光組件。相對(duì)于鹵素?zé)簦琇ED 具備壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，利用散列方式排放的LED ，使收稿日期：2010-06-10基金項(xiàng)目：安徽省高等學(xué)校青年教師科研資助計(jì)劃（2008jql164）作者簡(jiǎn)介：梁洪波（1977-），女，安徽六安人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，DSP 算法，機(jī)器視覺等。圖1基于DSP 的紅外車載防撞系統(tǒng)組成圖1009-3044Computer Knowledge and Technology 電腦知識(shí)與技術(shù)第6卷第25期(2010年9月 用850nm 的波長(zhǎng)，可以做到100150米范圍內(nèi)的物體監(jiān)測(cè)，滿足車輛運(yùn)行的基本要求。通過調(diào)整LED 發(fā)光組件的功率，可 以提高其距

9、離。同時(shí)，由于該組件和CCD 模塊沒有必然聯(lián)系，在特殊的場(chǎng)合，可以配置成熟的鹵素?zé)艏t外照明方案。紅外光屬于不可見光。而黑白CCD 圖像傳感器具有更寬寬的感光光譜范圍，對(duì)波長(zhǎng)為7601100nm 、人眼不可見的近紅外光也有一定的光譜響應(yīng)。利用此特性，可以在夜間無可見光照明的情況下，利用物體對(duì)紅外光源照明的反射，可以使CCD 圖像傳感器清晰地成像。圖像和視頻采集模塊選用CPLD 和視頻編碼器SAA7114H 構(gòu)成。CCD 傳感器輸出的PAL 制模擬信號(hào)，通過視頻編碼器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過CPLD 轉(zhuǎn)換相應(yīng)的時(shí)序，接入到處理器的數(shù)字?jǐn)z像頭接口。2.2處理器及顯示子系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理器選擇了TI 公司

10、最新出品的OMAP3530芯片，該芯片具備600MHz 的contex -A8架構(gòu)的ARM 內(nèi)核和一個(gè)430MHz 的C64x DSP 。由于其超標(biāo)量的架構(gòu)設(shè)計(jì)，其主CPU 可以提供1200DMIPS 的運(yùn)算性能，同時(shí)該處理器集成2D 和3D圖形加速引擎，可以提供高速流暢的圖形顯示能力。其主體架構(gòu)如圖2所示。在基于OMAP3530的硬件子系統(tǒng)中，外部引出3個(gè)USB 主接口，用于為此系統(tǒng) 提供加載U 盤功能，軟件更新功能；引出3個(gè)串口，用于系統(tǒng)調(diào)試及外接GPS 等裝置的擴(kuò)展。同時(shí)，該芯片為微功耗設(shè)計(jì)，可以使用5V 的供電電路。OMAP3530內(nèi)置LCD 控制器，此處選用OLED 的7寸液晶屏作為

11、顯示終端，并配置支持多點(diǎn)觸控的電容觸摸屏。同時(shí)，引出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻接口，用以輸出告警音。2.3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選項(xiàng)，做的對(duì)外部事件和中斷的快速響應(yīng)，并保證圖形，聲音預(yù)警的及時(shí)播報(bào)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先初始化硬件外設(shè)，加載運(yùn)行參數(shù)及專家知識(shí)庫(kù)，顯示主菜單，等待用戶啟用預(yù)警系統(tǒng)。用戶通過菜單啟用預(yù)警系統(tǒng)后，系統(tǒng)通知紅外成像子系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行邏輯計(jì)算，最后由專家決策系統(tǒng)根據(jù)情況進(jìn)行判斷。其軟件運(yùn)行流程如圖3所示。圖形顯示部分，采用基于C+的跨平臺(tái)圖形庫(kù)Qt 來完成。該系統(tǒng)中的圖形繪制由統(tǒng)一的名為DisServer 的程序完成。DisServer 接受外部模塊傳入的參數(shù)和數(shù)據(jù)，命令，根據(jù)命令要求顯示不

12、同的數(shù)據(jù)，命令協(xié)議定義表1所示。3算法和決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1運(yùn)動(dòng)跟蹤的關(guān)鍵算法實(shí)現(xiàn) 該系統(tǒng)的算法包括圖像識(shí)別，過濾，區(qū)域分割，運(yùn)動(dòng)圖像跟蹤等技術(shù)。其中，運(yùn)動(dòng)圖像跟蹤是其中的要點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)圖像跟蹤，是通過對(duì)傳感器拍攝到的圖像序列進(jìn)行分析，在圖像中檢測(cè)出前方運(yùn)動(dòng)的車輛，并在隨后各圖像幀中估計(jì)目標(biāo)在圖像中的位置。在車輛預(yù)警系統(tǒng)中，重要的不僅是需要跟蹤車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，而且要監(jiān)測(cè)車輛的位置變化信息和速度信息。運(yùn)動(dòng)跟蹤首先應(yīng)該解決目標(biāo)的確認(rèn)問題，在此項(xiàng)目中即對(duì)車輛的特征識(shí)別。在機(jī)器視覺領(lǐng)域，模擬人力視覺的模型，需要對(duì)特征物體總結(jié)其特征模型，公路上行駛在前方的汽車具有的特征（后視）如下：1 大致為正梯形，寬度在1

13、米到2米之間，高度在1米到3米之間；2 紅外圖像中車牌，車身，保險(xiǎn)杠，后車窗呈現(xiàn)明顯的邊界特點(diǎn)；在實(shí)際項(xiàng)目中，我們借鑒了OpenCV 項(xiàng)目中一些成果，使用光流法來計(jì)算物體移動(dòng)的速度。光流指的是運(yùn)動(dòng)物體在觀測(cè)成像面上像素運(yùn)動(dòng)的瞬間速度。而光流場(chǎng)是指圖像灰度模式的表面運(yùn)動(dòng)。其原理要點(diǎn)是首先在一幀圖像中找到一些特征評(píng)估點(diǎn)，然后再后續(xù)圖像中找到相同的特征評(píng)估點(diǎn)：在采集的圖像P 1中，若存在有特征點(diǎn)x , y T ; 在其下一幀圖像P 2中，對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)為x +x , y +y T ，使最小，則有：圖2OMAP3530模塊框圖圖3軟件流程設(shè)計(jì)圖表1圖形部分的命令協(xié)議 7085Computer Knowl

14、edge and Technology 電腦知識(shí)與技術(shù)：唐一東第6卷第25期(2010年9月其中，x ，y 為紅外成像中像素點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)。根據(jù)此公式，結(jié)合DSP 進(jìn)行紅外圖像光流算法實(shí)現(xiàn)，就可以得到實(shí)際運(yùn)行汽車的速度信息。3.2道路及障礙物檢測(cè)算法系統(tǒng)中除需要對(duì)車輛進(jìn)行監(jiān)控外，也需要對(duì)道路和障礙物進(jìn)行檢測(cè)。障礙物可能包含靜止的車輛或其它物體。在項(xiàng)目中，確認(rèn)障礙物，其特征參考物為路面，所以首先需要根據(jù)特征識(shí)別法識(shí)別路面區(qū)域，主要的依據(jù)是：1 道路的顏色、紋理以及道路邊緣的方向和長(zhǎng)度；2 公路車道線的頻譜特征。運(yùn)用特征檢驗(yàn)方法，首先預(yù)測(cè)當(dāng)前的道路前方區(qū)域，然后使用Canny 邊緣檢測(cè)算法，Houg

15、h 參數(shù)的變換估計(jì)步驟，即可完成道路信息的提取。確定道路區(qū)域后，運(yùn)用光流法和區(qū)域特征算法對(duì)前方非道路區(qū)域進(jìn)行掃描計(jì)算，如果發(fā)現(xiàn)距離越來越近的物體靠近，可認(rèn)為為障礙物，并發(fā)出報(bào)警信息。3.3專家決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)專家決策系統(tǒng)是防撞預(yù)警系統(tǒng)的核心。DSP 經(jīng)過對(duì)道路、障礙物的檢測(cè)，以及對(duì)前方車輛速度的計(jì)算后，同時(shí)得到大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中包含的信息，必須經(jīng)過過濾和重疊的邏輯計(jì)算才能確認(rèn)是否需要告警，專家決策系統(tǒng)的主要功能就在于此。專家決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，存在許多先驗(yàn)知識(shí)，正是在這些先驗(yàn)知識(shí)的參考下，決策系統(tǒng)對(duì)采集和計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，確定告警內(nèi)容及級(jí)別。其中存在的先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)有如下內(nèi)容：1本車的制動(dòng)

16、過程數(shù)據(jù)，包括制動(dòng)時(shí)間，制動(dòng)方法，制動(dòng)距離計(jì)算等；2各種路面類型的信息，以及用戶對(duì)當(dāng)前路面的選擇設(shè)置，道路附著系數(shù)參數(shù)；3預(yù)置的各種天氣狀況，存放各種天氣數(shù)據(jù)，輸入項(xiàng)由用戶選擇或從車內(nèi)其它探測(cè)儀獲取而來；4 車輛類型數(shù)據(jù)，包含各種類型車輛的后視數(shù)據(jù)，長(zhǎng)寬及底盤高度等，用以作為前方車輛類型的判別依據(jù)，也可作為預(yù)警和提示駕駛動(dòng)作的依據(jù)；5 紅外光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，用以確定當(dāng)前紅外光源及CCD 鏡頭的性能和參數(shù)信息，作為預(yù)警提前量的參考數(shù)據(jù)。6 其它系統(tǒng)設(shè)置，用戶設(shè)置數(shù)據(jù)。4結(jié)論項(xiàng)目實(shí)踐證明，使用DSP 能夠很好解決防撞預(yù)警系統(tǒng)中的各種算法實(shí)現(xiàn)，特別是基于OMAP3530的多核架構(gòu)，能夠在極低的功耗條件下提供強(qiáng)大的運(yùn)算能力，保證了紅外圖像采