基于TMS320DM6437的車道偏離報警系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：據(jù)統(tǒng)計約有50%的汽車交通事故是因為汽車偏離正常的行駛車道引起的，如果在駕駛員無意識偏離原車道時提前預(yù)警，則可以大大減少因車道偏離引發(fā)的碰撞事故。因此，本文以TI公司推出的達芬奇系列多媒體圖像處理器TMS320DM6437為核心，設(shè)計了一套嵌入式車道偏離預(yù)警系統(tǒng)。本文給出了車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，闡述了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計實現(xiàn)方法。實驗證明，該系統(tǒng)具有較好的實時性和較高的車道偏離預(yù)警準確率，能夠滿足車道偏離預(yù)警要求。

關(guān)鍵詞：車道偏離報警；TMS320DM6437；機器視覺

1 引言

汽車交通技術(shù)的發(fā)展?jié)M足人類需求的同時，也帶來了新的問題——交通事故，因此，汽車的安全性問題己經(jīng)成為人們所關(guān)注的焦點。近年來高速公路上由于駕駛員過度疲勞、疏忽或突發(fā)疾病，使車輛偏離車道造成重大交通事故的比例逐年增長。因此研究車道偏離預(yù)警系統(tǒng)輔助駕駛員在單調(diào)駕駛環(huán)境如高速公路中保持車輛在車道內(nèi)行駛，成為國內(nèi)外的研究重點[1]。在過去的幾十年中，國內(nèi)外專家和學(xué)者都在積極開展有關(guān)車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的研究工作[2-5]。但這些研究中存在的主要缺點是設(shè)備成本高和體積大，不具有實用性。在滿足低成本、小體積的條件下，選擇合適的嵌入式硬件裝置，并以此設(shè)計出滿足系統(tǒng)性能要求的算法軟件成為汽車車道偏離報警系統(tǒng)的研究趨勢。

本文采用基于機器視覺技術(shù)的車道偏離預(yù)警檢測方法，并通過DSP系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一套嵌入式車道偏離預(yù)警系統(tǒng)，具有較好的實時性和較高的車道偏離預(yù)警準確率，有著廣闊的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)選擇TI公司推出的達芬奇系列多媒體處理器TMS320DM6437(簡稱DM6437)作為視頻處理器。該處理器采用具有超長指令字結(jié)構(gòu)的C64+內(nèi)核，內(nèi)核工作頻率可達到600MHz，處理能力達4800MPIS，同時軟件與C64x系列DSP完全兼容，便于不同平臺之間的軟件移植，同時還具有網(wǎng)絡(luò)、CAN總線等多種設(shè)備通信接口，非常適合于汽車視覺系統(tǒng)。同時，DM6437還提供了強大的視頻處理子系統(tǒng)（VPSS），其包括提供數(shù)字視頻輸入及預(yù)處理的視頻處理前端（VPFE）和提供數(shù)字視頻輸出及驅(qū)動顯示設(shè)備的視頻處理后端（VPBE）。這一子系統(tǒng)提供的各種接口為視頻的采集和顯示處理提供了極大的便利。

本系由CCD攝像頭、視頻編碼芯片、視頻處理器模塊、LCD顯示器組成，系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖1所示：

CCD攝像頭負責(zé)采集車輛前方道路信息，將采集到的視頻圖像傳送給視頻解碼芯片TVP5150。視頻解碼芯片負責(zé)將模擬圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YCbCr422形式的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，送給視頻處理器。主處理器DM6437接收到該數(shù)據(jù)后，負責(zé)對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進行處理，進行車道線提取和車道偏離判別，將判別結(jié)果通過LCD顯示出來。DDR2為DM6437的數(shù)據(jù)存儲器擴展，負責(zé)圖像處理數(shù)據(jù)的存儲，F(xiàn)LASH為DM6437的程序存儲器擴展，負責(zé)存儲算法的程序。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

視頻解碼芯片選擇TI公司的TVP5150芯片，TVP5150是超低功耗、支持NTSC、PAL、SECAM的高性能視頻解碼器。它可以接收2路復(fù)合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號。TVP5150把復(fù)合視頻轉(zhuǎn)換成標準8位的ITU-RBI.656格式的數(shù)字信號傳輸?shù)紻M6437。

視頻輸出顯示功能主要通過DM6437的VPBE模塊以及外圍接口電路來實現(xiàn)。DM6437的視頻編碼器VENC模塊，主要是將數(shù)字視頻信號編碼成NTSC或PAL電視標準的視頻格式，在DM6437經(jīng)過片內(nèi)集成的DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的輸出模擬信號DAC_IOUT_A等，無法在顯示設(shè)備上顯示，因此，需要對DAC_IOUT_A～D引腳輸出的這些模擬信號進行放大處理。本系統(tǒng)中選擇了TI公司的高速3V視頻放大器OPA361，適用于3V應(yīng)用的混合視頻輸出。

視頻圖像的處理，涉及的數(shù)據(jù)量較大，DSP的片內(nèi)資源遠遠不夠，因此必須擴展外部高速存儲設(shè)備。根據(jù)DM6437對DDR2設(shè)備的存儲容量以及DM6437對數(shù)據(jù)存取速度的要求，本系統(tǒng)選用兩片美國美光公司(Micron)的16位數(shù)據(jù)總線的高速DDR2存儲器MT47H64M16BT芯片通過行、列地址分時復(fù)用的方式尋址64MB存儲空間(兩片共128MB)。

本系統(tǒng)擴展異步存儲器主要用于存儲執(zhí)行代碼和自啟動代碼，因此我們選擇了SPANSION公司的56引腳TSOP封裝的SG29GL256N NOR Flash芯片。該芯片容量為32MB，內(nèi)部劃分為256段，每段128KB空間，在進行擦除操作時，以段為單位。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

車道偏離預(yù)警系統(tǒng)的核心算法集中在兩個方面：一是車道識別算法，二是車道偏離決策。在進行車道線提取之前，需要對獲取的前方道路圖像進行預(yù)處理。

(1) 圖像預(yù)處理

在進行道路邊界識別之前，要對獲取的前方道路圖像進行預(yù)處理，主要包括濾波、邊緣增強和二值化。本文采用如式(1)所示的中值濾波器對圖像進行濾波。

f(x，y)=median{Sf(x，y)} (1)

式中，Sf(x，y)是像素點f(x，y)附近的一個小區(qū)域。

對經(jīng)過中值濾波的圖像采用Sobel算子進行邊緣增強。針對車道線檢測，基于一階導(dǎo)數(shù)的Sobel算子能夠發(fā)揮更好的效果，由于需要判別的有效車道線是近似于垂直方向的，算法只使用了Sobel算子的水平梯度進行處理，這樣做的另一個好處就是減小了算法的耗時。

經(jīng)過Sobel算子增強后，道路圖像仍然包括大量無用信息，為了減小這些無用信息的影響和便于運算，要對圖像進行二值化處理。在圖像二值化處理中，閾值的選擇是關(guān)鍵，其直接影響著識別的效果。固定閾值的二值化方法通過選取固定的閾值，針對亮度固定的圖像具有較好的處理效果。但由于LDWS算法所要處理的圖像是不同的路段圖像，不同光照情況下，其亮度變化較大，所以不適合使用固定閾值法。迭代法二值化算法通過對于圖像整幅亮度進行分析，自動確定閾值，克服了固定閾值二值化的缺點。逐行迭代法二值化，針對圖像每行的像素進行亮度分析，確定每行像素的分割閾值，從而排除了整幅圖像對于車道線識別的干擾。而且其時間復(fù)雜度與迭代法二值化相比，相差不多，所以算法中采用逐行迭代法二值化算法。

(2) 車道線提取

在路況及光照情況都比較理想時，經(jīng)過二值化后的兩車道線之間是不含噪聲點的黑色區(qū)域。確定道路候選邊界點的方法是：在每一行掃描線上，以圖像中心線為起始位置，分別向左和向右進行搜索，當(dāng)搜索到第一個白點(像素值為255)時，即停止在本行當(dāng)前方向的搜索，并將此點作為該行的候選邊界點。但當(dāng)兩車道線之間含有較多的噪聲點時，用此算法提取道路邊界候選點對于后續(xù)車道線識別干擾較大。因此，在上述道路邊界候選點提取算法的基礎(chǔ)上，加上了直線模板的二次判定，加入直線模板的道路邊界候選點提取算法[4]。這種算法對于車道線的噪聲點能夠起到很好的抑制作用。

Hough變換是根據(jù)局部度量來計算全面描述函數(shù)，對局部信息缺損不敏感，對隨機噪聲具有較好的魯棒性[5]。Hough變換的主要瓶頸是它要求較大的存儲空間和較長的計算時間，這很難滿足道路識別的實時性要求。而針對道路邊界候選點進行Hough變換，使得存儲空間和運算時間大大地縮減。因此，本系統(tǒng)采用針對道路邊界候選點進行Hough變換提取車道線。

(3) 車道偏離決策

車道偏離報警策略就是根據(jù)車輛運行狀態(tài)和當(dāng)前位置，判斷或預(yù)測車輛是否會偏離當(dāng)前車道。系統(tǒng)中主要用到了空間報警算法CCP，時間報警算法TLC。當(dāng)左右車道線均存在時采用時間報警算法TLC，當(dāng)僅存在一條車道線時，采用空間報警算法CCP。

時間報警模式的基本思想就是預(yù)測車輛偏離當(dāng)前車道的時間間隔，即TLC（Time to Lane Crossing），以TLC的值作為評價偏離可能性的指標，基于直線模型的判斷方法為：

式中，ts為車輛前輪瞬態(tài)偏離時間。

當(dāng)ts≤Tt時，即偏離時間小于閾值，車輛即將發(fā)生偏離；

當(dāng)ts＞Tt時，即偏離時間大于閾值，車輛不會發(fā)生偏離。

其中，Tt為設(shè)定的時間閾值。

空間報警算法CCP是根據(jù)車輛的左、右前輪在車道中的位置判斷車輛是否偏離。其判斷方法為：

若△yl≤Td或△yr≤Td，表示車輛已偏離，Td為設(shè)定的偏離位置閾值，當(dāng)yw固定時，Td可取0或根據(jù)駕駛習(xí)慣取值。

空間報警算法檢測車輛離車道線的最近距離，當(dāng)發(fā)現(xiàn)前輪與車道線的距離達到一定閾值時，觸發(fā)報警。

5 試驗及結(jié)果

為了檢驗算法的效果，在奇瑞試驗車上進行道路試驗。硬件采用自己設(shè)計的DM6437電路板，主頻594MHz、DDR2工作速率135MHz；視頻輸入采用CCD攝像頭、NTSC格式、復(fù)合視頻輸入；視頻輸出采用LCD液晶屏、NTSC格式、復(fù)合視頻輸出。

(a)車輛位于車道線中央

(b)車輛向左偏離

(c)車輛向右偏離

試驗道路為蕪湖經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)泰山路西的一段測試公路上。測試結(jié)果如圖2所示。圖中(a)是車輛位于車道線中央沒有出現(xiàn)車道偏離現(xiàn)象，在LCD上只顯示出所識別的車道線；圖中(b)是在沒有打左轉(zhuǎn)向時車輛出現(xiàn)了車輛向左偏離的現(xiàn)象，除了有語音報警提示外，在LCD上將左側(cè)車道線標紅，提示駕駛員注意。圖中(c)是在沒有打右轉(zhuǎn)向時車輛出現(xiàn)了車輛向右偏離的現(xiàn)象，除了有語音報警提示外，在LCD上將右側(cè)車道線標紅，提示駕駛員注意。

從道路試驗可以看出，當(dāng)車輛在車道內(nèi)正常行駛時，本系統(tǒng)具有較高的車道線識別率和偏離報警準確率，實時性可達到25幀/秒，系統(tǒng)滿足實時性要求。但在大雨天和彎道弧度較大時，本系統(tǒng)會出現(xiàn)道路邊界識別的準確率降低的現(xiàn)象。如何在保證系統(tǒng)實時性的前提下提高在復(fù)雜路況及彎道下道路邊界識別的準確率是下一步的主要研究方向。

6 結(jié)論

本文以TMS320DM6437為核心，設(shè)計了一套嵌入式車道偏離預(yù)警系統(tǒng)。本文首先給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案和工作原理，然后闡述了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計實現(xiàn)方法。硬件部分詳細介紹了系統(tǒng)的電源電路、視頻解碼電路、存儲器擴展電路和視頻輸出放大電路；軟件部分詳細介紹了本系統(tǒng)所用的圖像預(yù)處理算法、車道線提取算法和車道偏離決策算法。道路試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的實時性和較高的車道偏離預(yù)警準確率，能夠滿足車道偏離預(yù)警要求。

參考文獻

[1]王榮本，余天洪，郭烈，等.基于機器視覺的車道偏離警告系統(tǒng)研究綜述[J].汽車工程，2005，27(4):463-466.

[2]李旭，張為公.基于視覺的車道偏離報警系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報，2008，29(7):1554-1558.

[3]林廣宇，魏朗，蹇小平.基于嵌入式的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計工程，2010，18(8):26-28.

[4]陳軍，徐友春，趙明，等.基于隨機Hough變換的道路邊界識別算法研究[J].中國圖象圖形學(xué)報，2009，14(5):905-911.

[5]于兵，張為公，龔宗洋.基于機器視覺的車道偏離報警系統(tǒng)[J].東南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，39(5):928-932.