致力于提高汽車(chē)安全性能的通過(guò)高級駕駛員輔助系統

汽車(chē)已成為現代社會(huì )不可缺少的一部分，為全球貨物及人員運輸提供了一種低成本的交通方式。不幸的是，每天都會(huì )因車(chē)輛駕駛而出現大量的事故與傷亡事件。據世界衛生組織統計，1998年全球交通事故死亡人數高達120萬(wàn)；1990年交通事故是全球導致人類(lèi)死亡的第九大原因，預計到2020年它將進(jìn)一步上升為第三大致死原因。

鑒于上述原因，汽車(chē)原始設備制造商(OEM)及其供應商合作伙伴，以及全球政府機構一直在努力開(kāi)發(fā)并推廣主動(dòng)安全與高級駕駛員輔助系統(ADAS)，其設計旨在降低事故發(fā)生率并減少碰撞的嚴重程度。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)界分析師認為，到2010年，ADAS將成為頂級新技術(shù)，其不僅可以幫助駕駛員提前意識到潛在的危險，而且還可通過(guò)車(chē)道偏離警告系統(LDWS)、睡意檢測及夜視系統等技術(shù)潛在地延長(cháng)駕駛員的反應時(shí)間?！　?/p>

隨著(zhù)消費者對ADAS的深入了解，得知其能夠提供更高的安全性，預計他們將更容易接受該技術(shù)，從而推動(dòng)市場(chǎng)對這一需求的增長(cháng)。ADAS已應用于豪華轎車(chē)，隨著(zhù)技術(shù)的成熟，其將逐漸進(jìn)入大眾市場(chǎng)，應用到普通車(chē)輛中，同時(shí)產(chǎn)量的提高將大幅降低產(chǎn)品成本。就汽車(chē)OEM廠(chǎng)商而言，鑒于目前被動(dòng)安全系統快速成為汽車(chē)的標準技術(shù)，主動(dòng)安全與ADAS技術(shù)還將有助于實(shí)現與眾不同的特色化產(chǎn)品。

ADAS概覽

ADAS的設計方案并不是要控制車(chē)輛，而是向駕駛員提供車(chē)輛周?chē)h(huán)境及車(chē)輛運行狀況等相關(guān)信息，提醒駕駛員注意潛在危險，從而提高行車(chē)安全性?！　?/p>

ADAS應用采用多種傳感器來(lái)收集有關(guān)車(chē)輛及車(chē)輛周?chē)h(huán)境的物理數據。收集相關(guān)數據后，ADAS系統將采用目標檢測、識別與跟蹤等處理技術(shù)來(lái)評估危險性。我們不妨舉兩個(gè)應用實(shí)例來(lái)說(shuō)明，一是車(chē)道偏離警告系統(檢測到車(chē)道無(wú)意偏離，立即提醒駕駛員)，二是交通標志識別。啟用車(chē)道偏離警告系統時(shí)，系統會(huì )根據車(chē)輛位置檢測并跟蹤車(chē)道情況，在車(chē)輛越線(xiàn)進(jìn)入相鄰車(chē)道時(shí)通知駕駛員。就交通標志識別而言，系統能識別交通標志并告訴駕駛員當前最高限速，或通知駕駛員目前行駛的具體區段?！　?/p>

不同系統通常要求采用不同類(lèi)型的傳感器來(lái)收集環(huán)境信息。我們不妨舉幾個(gè)實(shí)例，如車(chē)道偏離警告系統采用CMOS攝像頭傳感器，夜視系統采用紅外傳感器，自適應巡航控制系統(ACC)通常采用雷達技術(shù)，而停車(chē)輔助系統則采用超聲波技術(shù)。盡管不同應用的技術(shù)細節各有差異，但技術(shù)處理過(guò)程通常都包括數據采集、預處理及后處理等三個(gè)階段。預處理階段執行全圖像處理功能，數據工作強度較大，結構也較為常規化，具體包括圖像的變換、穩定性、特征信號增強、噪聲降低、顏色轉換、運動(dòng)分析等。后處理階段則進(jìn)行特征跟蹤、場(chǎng)景解釋、系統控制及決策制定等工作(見(jiàn)圖1)。用于收集環(huán)境信息的傳感器，不管其類(lèi)型如何，均可獲得生成基本圖像的數據集。

圖1：主動(dòng)安全系統的整個(gè)處理過(guò)程

識別、跟蹤并評估駕駛相關(guān)的對象是一項復雜的工作。駕駛風(fēng)格與條件會(huì )影響傳感器收集的原始數據的質(zhì)量，并會(huì )使識別和跟蹤對象所需的重要細節變模糊。在不同的天氣條件(如較強的陽(yáng)光、下雨、起霧及下雪等)下，駕駛員駕駛車(chē)輛這一過(guò)程的動(dòng)態(tài)化程度極高，而且操作具不可預見(jiàn)性。當面對更為復雜的情況，必須對所有數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，且處理時(shí)延不得超過(guò)30ms。警告延遲半秒鐘，就很可能導致事故發(fā)生，而不能讓駕駛員及時(shí)對警告做出反應。

從數據采集到采取行動(dòng)的每一步都要求強大的信號處理能力，因此，及時(shí)、準確地執行主動(dòng)安全與ADAS系統必須要求高性能產(chǎn)品提供支持。專(zhuān)為汽車(chē)安全應用設計并優(yōu)化的數字信號處理器(DSP)，如德州儀器(TI)推出的TMS320DM643x達芬奇處理器就能提供所需的性能，從而使OEM廠(chǎng)商能夠向市場(chǎng)推出主動(dòng)安全與ADAS技術(shù)。

動(dòng)態(tài)靈活性

除了高性能之外，ADAS應用還要求靈活的架構來(lái)滿(mǎn)足多種功能要求。例如，各國的交通標志從語(yǔ)言、文字字體、形狀到顏色等各不相同。我們必須提供足夠的靈活性，這樣才能在不同的產(chǎn)品線(xiàn)間盡可能地重復使用該技術(shù)，并根據新興市場(chǎng)的要求以正常速度低成本地推進(jìn)技術(shù)創(chuàng )新。軟件創(chuàng )新是效率最高的方式。達芬奇處理器采用軟件可編程的架構，因此能為開(kāi)發(fā)人員提供足夠的靈活性，以便支持不斷變化的算法。

我們不妨設想一下在不考慮駕駛條件(如較強的陽(yáng)光等)這一因素情況下的預處理算法。有些汽車(chē)供應商采用一種算法，有些則在白天采用一種算法，在夜間駕駛又采用另一種算法。實(shí)際上，針對多種不同的駕駛條件，我們將需要各種不同的預處理與后處理算法。系統還必須具備快速適應能力，比方說(shuō)車(chē)輛進(jìn)入遂道時(shí)，就會(huì )瞬間從白天駕駛模式切換到夜間駕駛模式。

請注意，車(chē)輛的不同傳感器應執行不同的功能(見(jiàn)圖2)。如側向傳感器進(jìn)行盲點(diǎn)檢測；前向傳感器負責車(chē)輛、車(chē)道、交通標志及行人識別工作；車(chē)內傳感器則檢測車(chē)內是否有人，駕駛員是否出現睡意及想做些什么等。

圖2：車(chē)輛安裝的多種傳感器執行各種具體任務(wù)

此外，不同傳感器應處理不同類(lèi)型的數據。一些交通標志識別算法的執行主要依靠標志顏色進(jìn)行，在此情況下，正向傳感器應支持寬泛的顏色范圍。另一方面，灰度傳感器對亮度的變化更敏感，其空間分辨率幾乎是色彩傳感器的兩倍。大多數ADAS功能的實(shí)現主要依賴(lài)于傳感器的敏感性，因此灰度攝像頭更合適。我們還要注意到，針對ADAS應用的圖像傳感器通常具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，一般每像素多于8位，這也十分重要。

解決技術(shù)難題最有效的方法就是在單個(gè)DSP上執行多種算法。舉例來(lái)說(shuō)，正向圖像傳感器能同時(shí)提供車(chē)道偏離警告與交通標志識別所需的視頻信息。從理想的角度說(shuō)，單個(gè)DSP能在所有駕駛條件下執行預處理與多種識別任務(wù)，如車(chē)道偏離警報與交通標志識別等，這有助于精簡(jiǎn)芯片數量，從而減少故障點(diǎn)，提高系統可靠性，并降低系統成本，這些對汽車(chē)應用的發(fā)展都是至關(guān)重要的。

為了提高ADAS的穩健性，我們還要在車(chē)輛內部所有主動(dòng)安全子系統間進(jìn)行協(xié)調。舉例來(lái)說(shuō)，駕駛員的關(guān)注方向及關(guān)注點(diǎn)會(huì )直接影響到交通標志警告的有效性。比方說(shuō)，駕駛員正常駕駛本應該可以注意到前方的標志并減速，但系統卻過(guò)早發(fā)出警告，這樣做不但不利于駕駛，反而會(huì )給駕駛員制造麻煩。因此，在發(fā)出警告信號前，我們要從交通標志識別系統及車(chē)內駕駛員監控系統同時(shí)收集信息。如果駕駛員監控系統反映駕駛員正面向道路方向，那么我們不必馬上發(fā)出前方有停車(chē)標志的警告。

穩健性能較高的ADAS系統甚至還能評估復雜的駕駛環(huán)境。舉例來(lái)說(shuō)，如果汽車(chē)快速靠近停止或減速的車(chē)輛，那么很可能需要緊急變線(xiàn)。在這種情況下，我們應當暫停車(chē)道離線(xiàn)警告，避免駕駛員在變線(xiàn)時(shí)分神。當然，如果盲點(diǎn)監控系統檢測到汽車(chē)旁邊還有別的車(chē)輛，那么系統就應發(fā)出警告?！　?/p>

系統級芯片架構提高設計效率

目前的系統級芯片(SoC)架構在單芯片上集成了整個(gè)視頻/圖像處理系統所需的全部外設，從而進(jìn)一步提高了設計效率。由于支持多種外設，目前高度集成的器件還能方便地連接至車(chē)輛系統的其他部分。舉例來(lái)說(shuō)，SoC可為停車(chē)輔助后視儀等應用提供直接視頻輸出，也可通過(guò)CAN、LIN或FlexRay等適當總線(xiàn)直接連接至車(chē)輛的主控系統。

SoC架構在無(wú)需增加ASIC成本的基礎上就能提供專(zhuān)用功能。經(jīng)過(guò)適當處理，SoC能保持可編程軟件架構的靈活性，而不像ASIC那樣固定。例如，TI的達芬奇處理器采用了功能強大的視頻前端，從而使主CPU從關(guān)鍵而繁重的預處理任務(wù)中解脫出來(lái)(見(jiàn)圖3)。具體而言，視頻前端提供了縮放功能塊，可根據適當分辨率對圖像進(jìn)行重采樣(放大或縮小圖像)，同時(shí)又不會(huì )占用DSP周期?？s放圖像是必要的，因為對象在視頻幀中的尺寸會(huì )隨汽車(chē)接近對象而變化。

圖3：TMS320DM6437數字媒體處理器的結構框圖

達芬奇視頻前端還提供柱狀圖，以顯示不同視頻幀的像素熒光強度分布情況。從像素熒光強度分布圖，我們可以看出捕獲到的圖像質(zhì)量。舉例來(lái)說(shuō)，如果圖像太暗，那么DSP可調節對比度，從而提高處理的精確度。前端還能在不占用主CPU的情況下完成色域轉換工作。這些集成模塊結合使用可以顯著(zhù)減輕CPU的負載，從而使開(kāi)發(fā)人員能夠在單個(gè)DSP上集成更多ADAS增值功能。

SoC架構的設計應確保數據傳輸的高效性。與任何視頻應用一樣，數據傳輸得越頻繁，處理時(shí)延就越長(cháng)。為了提高系統性能并最大化一級存儲器資源的使用，開(kāi)發(fā)人員通常應將處理工作限于其感興趣的特定領(lǐng)域，這樣才能確保待處理的圖像塊明顯小于整個(gè)圖像在處理與評估時(shí)的尺寸。比如在車(chē)道識別與跟蹤過(guò)程中，由于路面上空不含相應數據，因此幀中這一部分可以刪除。

為了支持這種類(lèi)型的數據傳輸，SoC需要多通道、多線(xiàn)程的直接存儲器存取(DMA)引擎。DMA控制器應支持多種傳輸幾何與傳輸序列。前代DMA控制器的傳輸技術(shù)(如前代TI芯片上的EDMA2控制器)僅限于二維功能，且數據來(lái)源與目的地共享索引參數。與此不同的是，達芬奇處理器上的EDMA3控制器支持獨立的來(lái)源與目的地索引以及三維傳輸。

除視頻輸入及處理功能，停車(chē)輔助等應用還要求具備視頻輸出功能。即便沒(méi)有針對生產(chǎn)進(jìn)行視頻輸出設計，視頻輸出功能在研發(fā)與系統調試階段也相當有用。為了支持視頻輸出，達芬奇處理器采用了視頻處理后端技術(shù)，其包括屏幕視控系統(OSD)與視頻編碼器(VENC)。OSD引擎能處理兩個(gè)獨立的視頻窗口與兩個(gè)獨立的OSD窗口。VENC可提供4個(gè)模擬視頻輸出，就多種格式而言，最高可支持24位的數字輸出。

簡(jiǎn)化設計

ADAS應用是發(fā)展快速的尖端技術(shù)，開(kāi)發(fā)人員應采用能夠簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作并有助于加速原型設計的工具，所以ADAS算法開(kāi)發(fā)過(guò)程借助C或Simulink、MATLAB等建模軟件可以達到最佳效果。當然，運行良好的系統所需要的不僅僅是算法。因此，擁有實(shí)時(shí)內核與外設驅動(dòng)器等現成可用的軟件組件是至關(guān)重要的。當然，現成可用的專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具及算法庫也同等重要。這些組件不僅能夠縮短數月的ADAS開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且還能夠得到達芬奇處理器的支持。

總之，供應商要想其產(chǎn)品適用于汽車(chē)應用的話(huà)，就必須通過(guò)業(yè)界集成電路質(zhì)量標準AEC-Q100認證。但要想通過(guò)該認證是非常困難的，除非相關(guān)解決方案的設計從一開(kāi)始就考慮到認證的要求。供應商可以選擇DM643x達芬奇處理器等設計本身符合AEC-Q100標準的組件，從而能夠確保他們成功地滿(mǎn)足產(chǎn)品汽車(chē)質(zhì)量認證要求。

目前，工程師與業(yè)界領(lǐng)導者都應通過(guò)主動(dòng)安全與ADAS技術(shù)進(jìn)一步降低交通事故死亡率。憑借基于DSP靈活架構的高性能SoC、專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具與軟件庫以及創(chuàng )新算法，汽車(chē)供應商與OEM廠(chǎng)商能夠為市場(chǎng)帶來(lái)穩定、可靠的ADAS應用。