詳解基于圖像處理技術(shù)的智能車(chē)載安全系統方案

1 引言

21世紀以來(lái)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)扮演了一個(gè)龍頭的角色，與此同時(shí)，電子設備在整車(chē)制造成本所占比例，由16%增至30%以上，2010 年汽車(chē)搭載汽車(chē)電子的比例亦將達40%，未來(lái)的汽車(chē)電子產(chǎn)品中，圍繞安全、節能、環(huán)保、舒適和娛樂(lè )等方面的元器件及其周邊產(chǎn)品將發(fā)展更快。在此背景下，本文設計開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于圖像處理技術(shù)的智能車(chē)載安全系統。

2 系統介紹

2.1 開(kāi)發(fā)平臺

本系統以EC5-1719CLDNA 開(kāi)發(fā)板為平臺，EC5-1719CLDNA 支持Intel CoreDuo/Celeron M 低功耗處理器，由Intel945GM 芯片組集成圖形處理核心，支持VGA、LVDS，DVI，TV-OUT 多種顯示及雙屏幕顯示， 有 1 個(gè)PCI-104、1 個(gè)PCIE×4擴展總線(xiàn)、4個(gè)USB2.0接口、2個(gè)SATA接口。

開(kāi)發(fā)板擴展了豐富的外圍硬件設備，使用圖像處理開(kāi)源代碼opencv 中強大的算法技術(shù)，結合信號處理技術(shù)，充分發(fā)揮了此開(kāi)發(fā)板高速的CPU 性能。

2.2 系統框架

此系統功能劃分為三大方面：安全、通訊、多媒體。安全包括車(chē)牌測距、激光測距、疲勞駕駛檢測、全景環(huán)視系統(AVM)、酒精濃度檢測和溫度檢測，通訊包括GPRS上網(wǎng)、GSM 通話(huà)、GPS 導航，多媒體，媒體播放器、包括車(chē)載娛樂(lè )系統、視頻采集。

系統框圖如圖1。

2.3 基本功能

系統實(shí)現功能有激光測距、疲勞檢測、酒精濃度檢測、GPS 定位、全景環(huán)視功能。

激光測距為測量汽車(chē)與其左右兩側可能存在的汽車(chē)之間的距離，確定是否安全，不安全則發(fā)出警報提醒。疲勞檢測為監視人眼閉合時(shí)間，超過(guò)一定時(shí)間認為駕駛員已疲勞，發(fā)出報警音。酒精濃度檢測為測試空氣中的酒精濃度，在酒精濃度超標的情況下，發(fā)出警報。GPS 定位將GPS系統嵌入本系統內，從而實(shí)現GPS 定位。

全景環(huán)視系統在車(chē)輛四周安裝4 個(gè)攝像頭，通過(guò)四個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)取景，將四個(gè)攝像頭所采集的圖像組合在一起顯示在駕駛室的顯示屏上，司機可以一眼了解到本車(chē)周?chē)娜壳闆r，提高汽車(chē)的綜合安全系數。

3 功能實(shí)現

3.1 激光測距的功能實(shí)現

原理圖如圖2，假設激光束與攝像頭的光軸完全平行，激光束的中心落點(diǎn)在攝像頭視域中為最亮點(diǎn)。當激光束照射到攝像頭視域中的跟蹤目標上時(shí)，攝像頭就可以捕捉到這個(gè)點(diǎn)。

易推導得距離D:

其中：Num是從圖像中心到落點(diǎn)的像素個(gè)數，Rop 是每個(gè)像素的弧度值，Offet 是弧度誤差。

算法流程為：首先，啟動(dòng)攝像頭，通過(guò)攝像頭采集視頻圖像，截取圖像;通過(guò)亮點(diǎn)檢測程序尋找激光所示的亮點(diǎn)，如果存在，測量其距圖像中心的像素個(gè)數Num ;最后，通過(guò)公式計算間距，通過(guò)與設定的安全距離的比較，確定是否安全，不安全則發(fā)出警報提醒。

3.2 疲勞駕駛檢測功能實(shí)現

研究表明，人在發(fā)生困倦的時(shí)候，眨眼速度變慢，眨眼持續時(shí)間變長(cháng)，本系統通過(guò)提取司機的閉眼持續時(shí)間的長(cháng)短來(lái)判斷是否有疲勞發(fā)生。

通過(guò)檢測人臉?lè )秶?，判斷人臉是否存在，如果不存在，定時(shí)器清零，返回;如果檢測到人臉，定時(shí)器啟動(dòng)，開(kāi)始計數;同時(shí)，通過(guò)面部特征識別，來(lái)定位兩眼;認為如果能在一定的時(shí)隙內定位到兩眼，證明駕駛員并非出于疲勞駕駛狀態(tài);此時(shí)定時(shí)器清零，返回;如果在5S 內無(wú)法定位到眼睛，則認為處于疲勞駕駛，此時(shí)發(fā)出警報提醒。

算法流圖見(jiàn)圖3。

3.3 酒精濃度檢測功能的實(shí)現

本系統利用酒精傳感器NAP-66E 來(lái)實(shí)現酒精濃度的測量。NAP-66E 具有良好的線(xiàn)性度，工作溫度范圍廣，可在各種惡劣的環(huán)境下正常工作，其輸出的最大電壓為10mV，因此為了獲取酒精度，必須先把酒精傳感器的輸出模擬量通過(guò)兩級放大器放大到和A/D轉換器TLC2543 匹配的電壓值，經(jīng)過(guò)A/D 轉換后，得到的數值在MCU 中進(jìn)行適當的處理，最后通過(guò)串口線(xiàn)和PC 機進(jìn)行通信，把測得的數據實(shí)時(shí)傳輸給PC 機，利用PC 機實(shí)現顯示、報警等功能。應用酒精檢測芯片，通過(guò)與單片機、A/D 芯片、運算放大器的硬件連接，構成了酒精檢測模塊。設計電路如圖4 所示。

3.4 GPS 定位功能的實(shí)現

本系統使用GARMIN 公司的GPS 接收機OEM 板— GPS 15H，采用RS-232輸出，接口協(xié)議采用NMEA0183 版本2.00或3.00(可選)的ASCII 碼語(yǔ)句，數據更新率為每秒一次，串行傳輸參數為：波特律= 9600，數據位= 8 位，停止位= 1位，無(wú)奇偶校驗。

在實(shí)現GPS數據的讀入時(shí)系統使用串口來(lái)接收數據，軟件實(shí)現原理如下：

采用先初始化，設置使用的串口，相應的波特律為9600，數據位為8 位，停止位為1 位。在用戶(hù)點(diǎn)擊接收按鈕后，采用查詢(xún)方式，從讀入1 0 2 4 個(gè)字節尋找GPRMC( Global Position RecomendedMinimum Specific ) 之后的一些字符串，在GPRMC 中包括了程序中最關(guān)心的數據有效位，緯度和經(jīng)度，數據格式如下：

$GPRMC,1>,2>,3>,4>,5>,6>,7>,8>,9>,10>,11>，12>,13>

1> 當前位置的格林尼治時(shí)間，格式為hhmmss

2> 狀態(tài)， A 為有效位置， V 為非有效接收警告，即當前天線(xiàn)視野上方的衛星個(gè)數少于3 顆。

3> 緯度， 格式為 ddmm.mmmm

4> 標明南北半球， N 為北半球、S為南半球

5> 徑度，格式為dddmm.mmmm

6> 標明東西半球，E 為東半球、W為西半球

7> 地面上的速度，范圍為0.0 到999.9

8> 以后的數據不使用。

為了接收數據方便，用相應的軟件屏蔽掉不需要的語(yǔ)句，只剩下GPRMC 語(yǔ)句。由于GPS 模塊上電后在露天的場(chǎng)合下大約90 秒左右得到有效數據，所以在找到GPRMC 中的G 后的第13 位為數據有效位。

當判斷到‘A’時(shí)，從數據段中的第17位起讀取后續9位作為緯度顯示，再從第29位起讀取后續10 位作為經(jīng)度顯示。然后將接收到的GPS 經(jīng)緯度通過(guò)適當的轉換自動(dòng)調用庫里的地圖，并在地圖上用紅色點(diǎn)表示當前所在的位置。

3.5 全景環(huán)視功能實(shí)現

全景環(huán)視系統在車(chē)輛的車(chē)頭前格柵、左右側面外后視鏡及尾門(mén)安裝了4 個(gè)攝像頭。攝像頭帶有廣角鏡頭，可進(jìn)行實(shí)時(shí)廣角攝影。軟件上采用DirectShow 開(kāi)發(fā)包進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用Di rectShow 開(kāi)發(fā)應用程序，可以很方便地從支持WDM驅動(dòng)模型的采集卡上捕獲數據，并且進(jìn)行相應的后期處理乃至存儲到文件中。