基于單目視覺(jué)的車(chē)輛離道預警系統

(1)設計意圖

隨著(zhù)自動(dòng)化和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，現代交通輔助工具越來(lái)越智能化，GPS導航、興趣點(diǎn)提示、多功能輔助控制系統、甚至是無(wú)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(chē)，已形成一種不可逆的智能化潮流。

在此背景下，本設計將基于A(yíng)vnet Spartan-6 FPGA 工業(yè)視頻處理套件上實(shí)現一個(gè)車(chē)輛離道的關(guān)鍵預警機制系統。

(2)設計思路

目前有數個(gè)國內外汽車(chē)生產(chǎn)商已經(jīng)采用了不同的車(chē)道保持輔助系統(例如奧迪Q5、大眾高爾夫7代)，此類(lèi)系統均建立在一個(gè)數字圖像視頻處理的基礎上，再通過(guò)檢測車(chē)道等信息進(jìn)行建模和預警。雖然投入商用的系統已經(jīng)很成熟完善，預警機制的邏輯判斷(啟動(dòng)條件、提前預警)考慮較為周全，但幾乎都忽略了攝像頭因為汽車(chē)載客不同和路面鋪設而發(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(lái)精確控制和輔助車(chē)輛行駛具有實(shí)際意義。

本項目針對這個(gè)未考慮的因素，加入三軸加速計對關(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(xiàn)性變換問(wèn)題，并建立一個(gè)簡(jiǎn)化的基于單目視覺(jué)的車(chē)輛離道預警系統模塊對結果進(jìn)行探討，驗證其精確度。由于整個(gè)項目側重于圖形算法方面，故只考慮車(chē)輛離道的準確報警，忽略復雜的輔助駕駛系統邏輯，而是為其提供進(jìn)一步成熟完善的理論。

本項目在原始圖像上預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，代替現有的DSP視頻處理芯片，更快速地實(shí)現實(shí)時(shí)視頻處理。

考慮到軟硬件結合的靈活強大功能特性，本項目將基于EDK嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺，以MicroBlaze處理器為核心，實(shí)現軟硬件的協(xié)同設計。

設計文檔

(1)設計框圖

(2)工作原理

CCD攝像頭安裝在車(chē)盤(pán)中軸前方，其光軸與車(chē)盤(pán)平行;由于車(chē)軸中心距左右分車(chē)道有一定距離，根據透視投影的基本原理，攝像頭路面投影圖像中左右分道線(xiàn)會(huì )形成一個(gè)角度，這個(gè)角度會(huì )因車(chē)的位置變化而改變，當車(chē)處于兩條分道線(xiàn)中間，所得圖像中兩條左右分道線(xiàn)的夾角最大(其斜率一正一負), 當車(chē)輛偏移中線(xiàn)時(shí)，這個(gè)角度會(huì )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，報警機制就會(huì )發(fā)出警報。

攝像頭攝入路面圖像數據，存儲到板內RAM;通過(guò)畸變矯正，保證顯示的分車(chē)道盡可能實(shí)況;接著(zhù)，通過(guò)三軸加速計水平矯正，使得圖像x軸與實(shí)際路面平行;最后通過(guò)閥值分隔、邊緣檢測以及Hough變換的算法，重新構建出路面圖像并建立分道線(xiàn)角度數據傳送到預警邏輯狀態(tài)機。

非線(xiàn)性的畸變矯正是水平矯正的前提操作，也是該系統中最重要的算法之一，通過(guò)攝像頭參數和Matlab等軟件的仿真模擬得出的網(wǎng)格坐標變換表，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 系統工作狀態(tài)圖如下：

本項目中預警邏輯狀態(tài)機較為簡(jiǎn)單，分三個(gè)狀態(tài)：未啟用，啟用，報警; 車(chē)輛剛啟動(dòng)時(shí)，警報系統處于未啟用狀態(tài)，一旦滿(mǎn)足預警啟動(dòng)條件(車(chē)輛正常行駛在兩分道線(xiàn)中間并未打開(kāi)轉向燈)后，警報系統切換到啟用狀態(tài);在啟用狀態(tài)下，如果車(chē)偏離車(chē)道，圖像處理運算得到分道線(xiàn)角度數據滿(mǎn)足離道條件(圖像分道夾角小于警報最小夾角)，則進(jìn)入報警狀態(tài)，警報立即觸發(fā);警報觸發(fā)有一個(gè)較短的持續緩沖時(shí)間，在該時(shí)間內汽車(chē)重新滿(mǎn)足預警啟動(dòng)條件則警報系統重新進(jìn)入啟用狀態(tài)，如果依舊未檢測到滿(mǎn)足啟用狀態(tài)的分道線(xiàn)角度則進(jìn)入未啟用狀態(tài)。如果最近所得分道線(xiàn)的角度數據處于安全范圍內時(shí)，即使有小范圍擺動(dòng)，但認為車(chē)未偏離車(chē)道，警報不會(huì )觸發(fā);或者，車(chē)要轉向，提前打開(kāi)轉向燈，那么警報系統處于未啟用狀態(tài)。

(4) Figure3 FPGA內處理圖像流程

攝像頭將攝入的原始灰度圖像(如圖1)傳入到FPGA內部，最先通過(guò)閥值邊緣檢測，得到邊緣二值圖像(如圖2)數據;當車(chē)出現傾斜后，攝入的圖像會(huì )出現透視畸變，所以需要通過(guò)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據;這時(shí)，安裝的陀螺儀會(huì )提供相應參數，對圖像進(jìn)行傾角旋轉矯正，得到水平邊緣二值圖像(如圖3)數據;在通過(guò)Hough算法轉化為參數平面(如圖4)數據，從中提取出分道線(xiàn);隨著(zhù)車(chē)行駛的實(shí)況，隨時(shí)對警報觸發(fā)條件進(jìn)行判斷，出現離道，警報觸發(fā)條件滿(mǎn)足后，FPGA立馬將預警邏輯相關(guān)信息輸出，控制觸發(fā)警報