行車(chē)安全輔助警示記錄系統*

研究動(dòng)機與介紹

隨著(zhù)工業(yè)的進(jìn)步，行車(chē)安全以及車(chē)輛防盜的問(wèn)題已擺在世界人民面前。根據報導[1]，中國每年超過(guò)11萬(wàn)人死于車(chē)禍，大部分的事故皆由人為因素引起，而疲勞與分心則是主要的原因。雖然瞌睡偵測、腦電波等相關(guān)研究都致力于提醒駕駛員，但是其效果并非相當令人滿(mǎn)意；加上系統的反應時(shí)間以及系統成本因素，無(wú)法全面普及。

除了行駛安全的問(wèn)題讓人擔憂(yōu)之外，車(chē)輛本身的防盜裝置亦使人煩心。根據資料顯示[2]，中國每年有超過(guò)7.2萬(wàn)輛汽車(chē)失竊，平均每7分鐘就有一輛汽車(chē)遭竊，即使目前的車(chē)輛在出廠(chǎng)時(shí)都配備防盜鎖，且使用者自己也會(huì )加裝防盜竊裝置，但是效果并不顯著(zhù)，目前監控系統最多做到傳送文字短信至使用者手機作為提醒，但是無(wú)法將實(shí)時(shí)監控的影像連續不斷地傳送出來(lái)，這樣就很容易產(chǎn)生誤報的情形，如果只是大卡車(chē)經(jīng)過(guò)了你的愛(ài)車(chē)旁邊產(chǎn)生震動(dòng)而觸發(fā)，使用者也必須要趕緊回到車(chē)輛附近，這樣太浪費時(shí)間與人力。

近年來(lái)，搭配CCD攝像機發(fā)展的高效率圖像處理技術(shù)正蓬勃發(fā)展。主要原因在于軟件撰寫(xiě)的彈性、CCD攝像機架設的彈性、CCD攝像機所擷取資料的多元化以及成本不高等優(yōu)勢。以汽車(chē)安全輔助配備來(lái)看，超音波雷達在過(guò)去的汽車(chē)安全防護上廣泛運用。但是，有效距離有限，只能在駕駛員倒車(chē)時(shí)給予距離信息的參考。圖像的應用其實(shí)也有，不過(guò)目前僅僅局限于圖像監視的功能上，例如倒車(chē)圖像顯示等。

我們認為，圖像處理系統可以提供更高的智能，足以協(xié)助一般使用者在車(chē)輛行駛中的安全防護工作。除此之外，我們也希望能夠提供警方或者租貸車(chē)輛廠(chǎng)商能夠利用車(chē)輛中實(shí)時(shí)記錄的資料來(lái)有效還原事故現場(chǎng)，理清肇事責任。甚至，我們還期盼能在車(chē)輛停放后，讓使用者能利用手機隨時(shí)隨地監控到車(chē)內情況，提供給使用者一個(gè)更安心的圖像式防盜系統。

研究方法

因此，我們開(kāi)發(fā)出一個(gè)系統—CADAS (CSSP. Advanced Driver Safety Assist System)，利用圖像技術(shù)，偵測車(chē)輛前方道路信息，估算車(chē)輛目前在所行駛的車(chē)道上的位置而判斷車(chē)輛目前是否處于危險的狀態(tài)；更進(jìn)一步，我們在車(chē)后方架設另一臺攝像機，將取得的圖像信息送入同一套系統中，且采用同一套算法，利用已經(jīng)偵測出來(lái)的車(chē)道線(xiàn)信息將前方車(chē)輛及后車(chē)輛的相對位置一并處理，提高系統危險警示的穩定度。

在車(chē)輛行駛影像紀錄器方面，目前市面上的車(chē)輛行駛記錄器均是以類(lèi)似飛機黑盒子的方式設計，若不幸發(fā)生事故，還得等待黑盒子內的記錄資料譯碼才能有機會(huì )理清，且因為記錄信息過(guò)少，往往無(wú)法正確還原事故現場(chǎng)。CADAS希望能利用H.264實(shí)時(shí)壓縮技術(shù)，將事故發(fā)生狀況精確記錄，提供給警方作為輔助。

我們還有一個(gè)想法，將傳統的汽車(chē)監控系統和具備行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )功能的嵌入式系統做緊密結合，做為車(chē)輛電子產(chǎn)業(yè)的先鋒。這一步對于汽車(chē)監控領(lǐng)域會(huì )是一個(gè)令人驚訝的躍進(jìn)，因為市面上所有類(lèi)似的系統都沒(méi)有具備傳輸影像的功能。我們將龐大的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監控主機加以改善提升進(jìn)化，移植到輕薄短小的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )嵌入式單板上。除了基本的定位追蹤、防盜警示功能之外，還加入了圖像的支持。影像傳輸的方式除了透過(guò)IEEE 802.11x無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之外，更重要的是可以利用3G/無(wú)線(xiàn)傳輸，不分時(shí)空地保護使用者的愛(ài)車(chē)。

如圖1所示，CADAS是結合兩片TI的DSP實(shí)驗板而成。一片為T(mén)I DM642，負責實(shí)時(shí)快速計算前后車(chē)道線(xiàn)以及車(chē)輛偵測算法，并將偵測結果透過(guò)Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸至另一片實(shí)驗板作警示用。而另一片實(shí)驗板則是采用TI OMAP 5912，本片實(shí)驗板最大的特色就是結合ARM以及DSP在一顆IC上，讓我們可以利用ARM強大的控制功能，結合OS來(lái)驅動(dòng)所有的外圍設備來(lái)符合我們所需要的功能。在OMAP 5912上，我們將Embedded Linux成功植入，并透過(guò)相對應的Driver，使得USB Camera、Wireless LAN Module、Touch Panel、GPRS Module、GPS Module與Zigbee可以在OS的掌控之下，成功地工作并互相配合，達到我們所期盼的要求。

圖1  系統整體圖

系統功能及創(chuàng )新

CADAS結合了這些外圍，成功實(shí)現了以下幾項創(chuàng )新功能：

獨特的前后方車(chē)道線(xiàn)以及車(chē)輛偵測

我們將特別針對DSP所設計的算法實(shí)現在DM642上，藉由程序撰寫(xiě)以及搭配硬件平臺的內存、EDMA管理最佳化，讓此套復雜的算法能夠在單顆DSP上達到30fps的效能，可以實(shí)時(shí)擷取前后雙方的影像并判別車(chē)輛是否偏離車(chē)道，以及是否與其它車(chē)輛距離過(guò)近，進(jìn)而提出警告。在車(chē)道線(xiàn)偵測的部分，我們在各種不同的道路情況下，包含晴天、陰天、雨天以及夜晚，都能夠成功的偵測出車(chē)道線(xiàn)以及車(chē)輛的信息，在穩定度及可靠性上都是一大突破。

無(wú)線(xiàn)Zigbee傳輸信號

CADAS最主要的應用對象就是車(chē)輛，而因為車(chē)輛中空間有限，為了有效利用空間，我們將兩片實(shí)驗板分開(kāi)，其中信號溝通的部分采用最新的Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，Zigbee設計原本就適合傳輸控制信號用，其傳輸途徑經(jīng)測試約為50m，非常適合車(chē)輛使用，透過(guò)Zigbee，我們可以將實(shí)驗板置于不同的位置，但仍保有溝通的管道，在安裝上非常具有彈性。

發(fā)現駕駛狀況不良，實(shí)時(shí)自動(dòng)通報

排在肇事原因第一位的是人為疏失，而人為疏失的發(fā)生又大多因為駕駛者身心疲憊，在意外發(fā)生前，通常就有跡象，駕駛者可能會(huì )先左右偏離車(chē)道，或距離其它車(chē)輛過(guò)近，一般的警示系統大都只在車(chē)上發(fā)出警告聲響，這樣的保護其實(shí)不足。CADAS因具有GPRS Module，故可在駕駛狀況不良時(shí)，實(shí)時(shí)自動(dòng)通報警局以及車(chē)輛所屬單位。在事故發(fā)生前，先一步通知，由車(chē)輛以外的人來(lái)做提醒，能有效降低意外發(fā)生率。

全程H.264駕駛記錄

若仍不幸發(fā)生意外事故，理清肇事原因是最重要的部分。目前的車(chē)輛記錄器并不普遍，即使有，其記錄的信息也不夠，僅有油門(mén)、煞車(chē)等資料，無(wú)法詳盡還原事故現場(chǎng)，CADAS利用在DSP上實(shí)現的H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)，可全程記錄駕駛行為，提供給警方及有關(guān)單位作參考。

行動(dòng)無(wú)線(xiàn)車(chē)輛防盜

CADAS可補足目前汽車(chē)監控系統最弱的一環(huán)─行動(dòng)監控。目前的汽車(chē)安全防盜系統，對于使用者不夠友善，沒(méi)有辦法提供圖像的信息。一般的汽車(chē)防盜系統沒(méi)有辦法將圖像傳給車(chē)主。我們突破了這樣的瓶頸，利用3G/GPRS達成實(shí)時(shí)圖像傳輸。使系統平臺能將車(chē)內、外圖像狀況實(shí)時(shí)傳送至手機上，使用者就能在每時(shí)每刻確實(shí)掌握愛(ài)車(chē)。

我們希望能透過(guò)這些先進(jìn)的功能，讓人們有更安全、更放心的環(huán)境，而CADAS不只能應用在Lane Departure Warning System，也能應用在運鈔車(chē)監控以及大眾運輸工具保護等方面，讓行走在道路上或是坐在車(chē)內的人都有更安全、更放心的環(huán)境，也能避免令人傷悲的事故發(fā)生。

具體研究成果與討論

由于CADAS功能強大，且包含許多不同領(lǐng)域，故我們將其大致分為四項：車(chē)道線(xiàn)與車(chē)輛偵測算法；發(fā)現駕駛狀況異常，實(shí)時(shí)通報；H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)和行動(dòng)無(wú)線(xiàn)車(chē)輛防盜系統，并對其作詳細分析比較。

車(chē)道線(xiàn)與車(chē)輛偵測算法

我們的系統無(wú)論是什么顏色的車(chē)輛都能精確的偵測出來(lái)，并且能夠避免路面上國字橋墩接縫等噪聲，在隧道內也可運作。除此之外，由于露天的氣候多變，經(jīng)過(guò)我們測試，無(wú)論是晴天、陰天、雨天或是夜晚，我們都能將車(chē)道線(xiàn)以及車(chē)輛做精確的判斷，圖2(a)、(b)測試路段為臺灣新竹市東西向快速道路，氣候為陰雨天，故有雨刷的痕跡，但我們仍精確的偵測出來(lái)。透過(guò)我們最佳化后的算法，可以達到30fps實(shí)時(shí)運算的需求，更能保護使用者的安全。

圖2  不同情況下的實(shí)驗結果圖

由表1我們可以得知，本研究在車(chē)道線(xiàn)偵測的研究中占有一席之地，且功能性及技術(shù)性都較為優(yōu)越。

發(fā)現駕駛狀況異常，實(shí)時(shí)通報

在DM642發(fā)現駕駛狀況異常時(shí)，如車(chē)道偏移或與車(chē)輛距離過(guò)近，就會(huì )透過(guò)Zigbee將信號無(wú)線(xiàn)傳輸給OMAP 5912，而OMAP在接收到信號之后則會(huì )先計數，若駕駛狀況異常次數非常多，則傳送警告簡(jiǎn)訊給警局或是其他相關(guān)單位，在遠程使用者接收到警告短信后，則可馬上利用手機取得車(chē)內實(shí)時(shí)狀況，以理清是否駕駛者狀況不良，進(jìn)而做更進(jìn)一步的提醒及保護。圖3為實(shí)時(shí)通報示意圖。

圖3  實(shí)時(shí)通報示意圖

H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)

于TI OMAP的DSP上實(shí)現的H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)，在經(jīng)過(guò)算法的復雜度降低，針對DSP的特性做內存以及演算流程的最佳化之后，仍保有相當高的品質(zhì)，表2為本研究與其它研究的比較表，由表2可知不同的測試影像，本研究的PSNR都明顯較高，顯示品質(zhì)的確較好。

行動(dòng)無(wú)線(xiàn)車(chē)輛防盜系統

CADAS裝于車(chē)上，透過(guò)3G/GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將實(shí)時(shí)拍攝到的影像信息傳至使用者之行動(dòng)通訊裝置，使用者即能了解目前的狀況，進(jìn)而做出正確的判斷。除了主動(dòng)通報之外，CADAS亦提供被動(dòng)偵測的功能，當使用者不在車(chē)上時(shí)，可傳送簡(jiǎn)訊至車(chē)上的系統，系統在收到簡(jiǎn)訊之后馬上就會(huì )進(jìn)行拍照以及回傳GPS狀態(tài)的動(dòng)作，即使使用者不在車(chē)內，也可馬上了解車(chē)輛的使用情形以及目前所在位置，這對車(chē)隊管理而言，非常有效率。目前受限于3G的速度，于手機上顯示的Frame Rate約為3fps，我們在手機上實(shí)做的成果如圖4所示。

圖4  手機屏幕畫(huà)面

獲獎關(guān)鍵點(diǎn)

CADAS已成功實(shí)現許多創(chuàng )新且技術(shù)性高的功能，例如：前后雙方實(shí)時(shí)車(chē)道線(xiàn)與車(chē)輛偵測系統；駕駛員異狀，實(shí)時(shí)自動(dòng)通報；H.264行車(chē)記錄；行動(dòng)車(chē)輛防盜。

CADAS成功結合行車(chē)安全輔助警示系統、駕駛狀況記錄系統以及行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統，行車(chē)安全輔助警示系統以及行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統均已技術(shù)轉移給汽車(chē)電子相關(guān)產(chǎn)商，并獲得相當高的評價(jià)。除了受到業(yè)界的肯定之外，駕駛狀況記錄系統與行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統亦申請了專(zhuān)利 [7]，在技術(shù)上都是進(jìn)一步的突破。由此可知，CADAS非一朝一夕為了比賽而拼湊，無(wú)論在技術(shù)成熟度以及系統完整度，都是無(wú)庸置疑的。我們希望能夠將先進(jìn)的電子產(chǎn)業(yè)所帶給人類(lèi)的便利與汽車(chē)廠(chǎng)商做緊密的結合，使汽車(chē)越來(lái)越多的現今社會(huì )變得更安全，更少事故，且更容易保護車(chē)輛不受竊盜威脅。將新一代的技術(shù)致力于人類(lèi)下一代的幸福，這是我們電子產(chǎn)業(yè)人才的目標與使命。
　　
參考文獻：
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