車(chē)道偏離報警(ldw)系統技術(shù)簡(jiǎn)介

汽車(chē)安全性受到人們更多的關(guān)注，高科技在汽車(chē)中的應用層出不窮，車(chē)道偏離報警(ldw)系統就是一例。專(zhuān)家指出，約有50%的汽車(chē)事故是偏離正常行駛的車(chē)道引起的，究其原因主要是駕駛員心神煩亂、注意力不集中或疲勞駕駛。ldw系統會(huì )在車(chē)輛高速行駛時(shí)提醒駕駛員，汽車(chē)正在偏離正常行駛的車(chē)道，讓駕駛員及時(shí)糾正行車(chē)路線(xiàn)。這是繼安全帶、安全汽囊后，在汽車(chē)內安裝的又一項安全裝置。

系統概要

圖1是ldw系統的示意圖。一個(gè)面向前方安裝的攝像機監測車(chē)輛行駛的道路，作用距離可達50-70尺。通常，一個(gè)或多個(gè)cmos圖像傳感器提供道路的多帖圖像，這些傳感器連接至處理器的多個(gè)視頻端口。這里視頻基信號處理取代了模擬信號鏈，這種處理方法不僅提高了系統的精度，還可以節省系統的材料費用開(kāi)銷(xiāo)。

圖1 ldw系統與外部連接示意圖

數據進(jìn)入系統后，它被實(shí)時(shí)地變換成可處理的格式，在處理器內部，首先進(jìn)行預處理，過(guò)濾掉圖像捕獲期間混入的噪聲。然后探測車(chē)輛相對于車(chē)行道標志線(xiàn)的位置。道路圖像的輸入信息流被變換為一系列畫(huà)出道路表面輪廓的線(xiàn)條。在數據字段內尋找邊緣就能發(fā)現車(chē)道標志線(xiàn)。這些邊緣事實(shí)上形成了車(chē)輛向前行駛應保持的邊界。處理器則要時(shí)刻跟蹤這些標志線(xiàn)，以確定行車(chē)路線(xiàn)是否正常。一旦發(fā)現車(chē)輛無(wú)意間偏離車(chē)行道，處理器作出判斷后輸出一個(gè)信號驅動(dòng)報警電路，讓駕駛員立即糾正行車(chē)路線(xiàn)。報警形式可以是蜂鳴器或喇叭，也可以用語(yǔ)言提示，還有用振動(dòng)坐椅來(lái)提醒駕駛員。

ldw系統還要考慮到汽車(chē)正常使用的制動(dòng)裝置和轉向裝置。這些裝置會(huì )影響ldw的工作，使系統復雜化。因此，在慢速行駛或制動(dòng)、正常轉向時(shí)，ldw系統是不工作的。

工作流程

圖2更詳細地描述了處理器內部的工作流程?？傮w說(shuō)，ldw系統要具備兩大功能，即發(fā)現邊緣和跟蹤，前者用來(lái)確定行車(chē)道的標志線(xiàn);后者讓車(chē)輛沿著(zhù)正常的車(chē)道行駛。在進(jìn)行數字處理之前，首先要平滑濾波。由于圖像傳感器都不是理想的，氣象條件、環(huán)境溫度、車(chē)輛運動(dòng)以及電磁干擾都會(huì )在圖像采集過(guò)程中引入噪聲，噪聲使圖像變得模糊，更確切地說(shuō)，在原始圖像中原本處于同一個(gè)灰度值的像素，在噪聲圖像中卻處于不相同的灰度值。

除了噪聲，還有量化誤差的影響，量化誤差會(huì )使邊緣的邊界落在多個(gè)像素上，同樣使邊界變得不那么清晰。噪聲和量化誤差是無(wú)法控制的，因此要對輸入視流進(jìn)行濾波和平滑，不實(shí)行這一步，要想發(fā)現清晰的道路標志是十分困難的。對數字視頻流進(jìn)行平滑濾波還應考慮到，視頻流是按規定速率變化的真實(shí)圖像序列，圖像濾波器的工作速度應足夠快，保證能跟上輸入圖像的連續接收。因此，圖像濾波器內核對最少可能處理器周期數優(yōu)化執行是至關(guān)重要的。一個(gè)有效的濾波手段是采用基本的兩維卷積運算。

圖2 ldw系統內部圖像處理算法流程

接下來(lái)要進(jìn)行的是邊緣檢測。所謂邊緣就是指圖像局部亮度變化最為顯著(zhù)的部分。對于數字圖像，圖像灰度值變化可用梯度來(lái)表示，sobel算子是常用的邊緣檢測算法。發(fā)現的邊緣則可確定車(chē)行道的標志。這一過(guò)程又要涉及hough變換。它是圖像處理中識別幾何形狀的基本方法之一。最基本的hough變換是從黑白圖像中檢測直線(xiàn)。它將圖像平面上的像素點(diǎn)映射到參考平面(即一個(gè)緩沖區)上的點(diǎn)，通過(guò)統計特性來(lái)確定直線(xiàn)的參數。

hough變換對輸入圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)要計算一條正弦狀曲線(xiàn)，因而計算工作量很大，需借助技巧來(lái)加速計算。首先，某些計算結果是可以提前進(jìn)行計算的，因此可以通過(guò)查找表作為參考值使用。其次，對輸入圖像中的車(chē)行道標志的位置和性質(zhì)作一些合理的假設，即如果僅對潛在的車(chē)行道標志的那些點(diǎn)進(jìn)行計算，就可以避免大量的、不必要的運算，從而簡(jiǎn)化計算并提高質(zhì)量。

hough變換的輸出是一組直線(xiàn)，其中某些直線(xiàn)可能就是車(chē)道標志線(xiàn)。由于很多高速公路系統的車(chē)行道標志線(xiàn)是標準化的，確定的一組規定能從候選的車(chē)道標志線(xiàn)中排除掉某些直線(xiàn)，最后，這一組可能的車(chē)道標志線(xiàn)用來(lái)確定車(chē)輛的位置。

車(chē)道跟蹤

車(chē)道信息來(lái)自一輛汽車(chē)內多種可能的信息源，這些信息源與測得的相關(guān)參數(如速度、加速度等)相結合有助于車(chē)道跟蹤。根據測量結果，車(chē)道系統進(jìn)行智能判斷，即是否發(fā)生了無(wú)意間的車(chē)行路線(xiàn)偏離。在更高級系統中，其它參數，諸如時(shí)間、路況和駕駛員警覺(jué)度也可以模型化。

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預測車(chē)道幾何形狀是一個(gè)棘手的問(wèn)題，常常用kalman濾波器預測道路的曲率來(lái)加以解決。kalman濾波器能預測未來(lái)的狀態(tài)，再用它來(lái)計算下一帖的參數，以減少hough變換中的計算負荷。

一旦處理框架確立后，系統設計人員即可在處理線(xiàn)程中每一個(gè)判斷步驟中增加自己的ip。最簡(jiǎn)單的系統應在判斷過(guò)程中考慮到車(chē)輛的屬性。例如，在轉向或使用制動(dòng)器時(shí)抑制車(chē)道改變的報警。換句話(huà)說(shuō)，系統應能判別出車(chē)道改變是有意的還是無(wú)意的。更復雜的系統還能涉及gps坐標數據、行 駛路線(xiàn)、時(shí)間、氣候以及其它參數。

應用情況

iteris公司是最早研制ldw系統幾家公司之一。它的autovue ldw系統是一套可自行安裝的套件，包括接線(xiàn)束、喇叭、開(kāi)關(guān)、連接器和電纜等零件。據說(shuō)在一般情況下三小時(shí)內就可安裝完畢。它適用于北美使用的絕大多數丁 ——1930數據總線(xiàn)的8類(lèi)載重汽車(chē)。歐洲三大制造商evobus gmhh、mercedes-benz omni busse以及man busse亦已認同了這個(gè)產(chǎn)品。

infiniti研制了一種新的ldw系統，采用安裝在前擋風(fēng)玻璃上的小型攝像頭，速度傳感器、指示器和聲響報警器。公司計劃將它裝備在流行的fx越野suv車(chē)上。公司還準備在下一代豪華的m45性能sedan車(chē)中配置ldw系統。

mobileye的ldw系統使用單眼圖像處理器來(lái)確定道路的車(chē)道標志線(xiàn)，測量車(chē)輛相對于標志線(xiàn)的位置。它的特點(diǎn)是能檢測各類(lèi)標志線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)的、虛線(xiàn)的、箱式的和貓眼的。在沒(méi)有標志線(xiàn)的場(chǎng)合，系統則利用道路邊界線(xiàn)來(lái)確定位置。系統擬合橫向距離、斜率和曲率三個(gè)道路模型參數，以提高報警的可靠性。該系統還可在雨天和夜晚下工作。