摘 要:本文給出了一種基于ADI雙核的數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-BF561的車載夜視輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,闡述了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。硬件設(shè)計(jì)包括紅外光源的選擇、攝像頭的選擇、視頻處理器設(shè)計(jì);軟件部分采用了基于對(duì)比度拉伸圖像增強(qiáng)算法。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)采用夜視系統(tǒng)時(shí),可以獲得良好的夜視效果。
關(guān)鍵詞:車載夜視系統(tǒng);ADSP-BF561;主動(dòng)紅外
1 引言
據(jù)美國(guó)國(guó)際數(shù)據(jù)公司(IDC)統(tǒng)計(jì),2009年美國(guó)夜間駕車行駛占汽車總行駛時(shí)間的28%左右,大約有55%的交通事故是在夜間發(fā)生的[1]。隨著汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展和安全意識(shí)的日益強(qiáng)化,人們對(duì)汽車安全保障技術(shù)的要求越來越高。普通汽車照明系統(tǒng)在下大雨、下雪、大霧或能見度低的夜間視距不遠(yuǎn),效果又不好,而且夜間會(huì)車迎面的強(qiáng)光燈使司機(jī)眩目,眼睛疲勞。夜視系統(tǒng)卻可以在黑暗中幫助駕駛員導(dǎo)航,使駕駛員在有燈光和黑暗兩種情況下能夠看清駕駛環(huán)境。因此,開發(fā)出一種可在上述環(huán)境下有效提高駕駛員視距和視覺效果的夜視系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)急待解決的重要問題[2,3]。
本文以ADI雙核的數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-BF561為核心,采用主動(dòng)紅外技術(shù),給出了車載夜視輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案,同時(shí)在圖像算法上進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)選擇ADI雙核的數(shù)字信號(hào)處理器ADSP-BF561為核心作為視頻處理器。ADSP-BF561處理器隸屬于ADI公司的Blackfin處理器系列,主要面向多媒體視頻和通信方面的各種應(yīng)用[4]。ADSP-BF561包含兩枚獨(dú)立的內(nèi)核,也就是俗稱的雙核處理器。ADSP-BF561集雙核處理引擎、RISC指令集以及單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)等特點(diǎn)于一身,形成一套獨(dú)特的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。ADSP-BF561具備對(duì)稱多處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(SMP),使得它在信號(hào)處理和流程控制方面能夠提供較好的性能和設(shè)計(jì)靈活性。ADSP-BF561可以采取一個(gè)內(nèi)核運(yùn)行操作系統(tǒng)(OS)和相應(yīng)的守護(hù)控制進(jìn)程,另外一個(gè)內(nèi)核運(yùn)行數(shù)字信號(hào)處理算法的工作模式。
本系統(tǒng)由紅外光源、CCD攝像頭、ADSP-BF561及其外圍電路、LCD顯示器組成,系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖1所示。紅外光源將紅外光照射到車輛前方100米處左右,CCD攝像頭將車輛前方100米處的車外環(huán)境采集進(jìn)來,送給視頻處理器,視頻處理器對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理后送到顯示屏上,提高駕駛員夜間駕駛的觀察能力。車身信號(hào)采集用于采集車速、加速度等自車參數(shù)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
(1) 紅外光源設(shè)計(jì)
在主動(dòng)式夜視系統(tǒng)中,為不使迎面駕駛員眩目且能得到好的顯示效果選擇,激光波長(zhǎng)的選擇尤為重要。攝像機(jī)的CCD圖像傳感器具有很寬的感光光譜范圍,它的感光光譜不但包括可見光區(qū)域,還延長(zhǎng)到紅外區(qū)域[5]。CCD攝像機(jī)的光譜響應(yīng)特性曲線如圖2所示,從圖2可以看出,CCD在0.4-0.76um的可見光波段的響應(yīng)較強(qiáng),在0.76-1.2um的近紅外波段的響應(yīng)逐漸減弱。為了避免激光對(duì)迎面司機(jī)或行人造成“眩目”的影響,一般選擇近紅外光作為夜視系統(tǒng)光源,即波長(zhǎng)0.76-1.2um。
選用紅外光源作為夜視系統(tǒng)的光源還必須考慮其可能引起的損傷,必須通過保護(hù)措施來改進(jìn)其危害,確保夜視系統(tǒng)的安全使用。
在入射光能量一定時(shí),能夠被視網(wǎng)膜吸收的有效光能量由視網(wǎng)膜的有效吸收率決定。有效吸收率越大,視網(wǎng)膜吸收的光能量越多,受到的損傷也就越嚴(yán)重。由圖3可看出,波長(zhǎng)在380-1370nm范圍內(nèi)的激光對(duì)視網(wǎng)膜都有一定的損傷作用,其中波長(zhǎng)在450-700nm范圍內(nèi)的激光對(duì)視網(wǎng)膜的損傷作用最強(qiáng)。綜合CCD的光譜響應(yīng)特性與視網(wǎng)膜的有效吸收率,波長(zhǎng)為760-960nm的近紅外激光器較適合作為主動(dòng)式夜視系統(tǒng)的光源。本系統(tǒng)選擇近紅外LED為所研究主動(dòng)式夜視系統(tǒng)的光源。該激光器波長(zhǎng)為820nm,工作電壓為3V直流,輸出功率3W。
(2) 攝像頭的選擇
用于主動(dòng)式夜視系統(tǒng)的攝像機(jī)既要清晰地接收從物體反射回來的紅外光,還要盡可能不受其他光線的影響,而且價(jià)格不能太高。與CCD比較,CMOS圖像傳感器有功耗、價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。而CCD在靈敏度、信噪比和成像質(zhì)量等方面均優(yōu)于CMOS圖像傳感器,這也是目前大部分高端固體攝像器件仍采用CCD的原因,且黑白CCD攝像機(jī)價(jià)格低于彩色CCD價(jià)格,因此采用普通黑白CCD攝像機(jī),這樣成本不高,又可以采集到清晰的圖片,達(dá)到最優(yōu)的性價(jià)比。
如圖2所示,CCD攝像機(jī)在可見光波段比近紅外波段的光譜響應(yīng)度高很多,因此當(dāng)有強(qiáng)光干擾時(shí)液晶顯示器中只顯示一片耀眼的白光,嚴(yán)重影響了顯示效果。為了防止其他可見光對(duì)紅外信號(hào)產(chǎn)生不利影響,我們?cè)诤诎讛z像機(jī)前應(yīng)安裝紅外濾光片,以將其他光波濾掉,只讓所需要的近紅外波段的光線通過。由于本系統(tǒng)所采用的是820nm的近紅外LED,所以相應(yīng)選用820nm窄帶濾光片,其中心波長(zhǎng)為820nm,帶寬為10nm,透過率84%,該濾光片對(duì)可見光的透過率幾乎為0,可有效消除前方的可見光,這樣就可以很好地解決迎面來車帶來的強(qiáng)光干擾問題了。
(3) 視頻處理器設(shè)計(jì)
視頻編碼芯片ADV7180負(fù)責(zé)將CCD攝像頭采集的模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻,送給視頻處理器BF561。視頻處理器BF561接收到該數(shù)據(jù)后,負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)行圖像濾波和增強(qiáng),將處理后的視頻圖像送給視頻編碼芯片ADV7179。視頻編碼芯片ADV7179負(fù)責(zé)對(duì)視頻處理器BF561輸出的數(shù)字視頻進(jìn)行編碼,輸出模擬視頻圖像給LCD顯示器。SDRAM為BF561的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展,負(fù)責(zé)圖像處理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),F(xiàn)LASH為BF561的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展,負(fù)責(zé)存儲(chǔ)算法的程序。視頻處理器整體框圖如圖4所示。
本系統(tǒng)采用ADV7180芯片作為系統(tǒng)CCD攝像機(jī)的視頻解碼芯片,將CCD攝像頭采集的模擬視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻。ADV7180是模擬器件公司的一款視頻解碼芯片,它能自動(dòng)地檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的NTSC或者PAL基帶視頻信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為與8位ITU-R.656接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的4:2:2分量視頻數(shù)據(jù)。其高度靈活的高級(jí)數(shù)字輸出接口同時(shí)能滿足基于幀緩存和基于時(shí)鐘行鎖定的視頻解碼和視頻轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)需要,這使得該器件特別適合具有不同視頻信號(hào)特性的應(yīng)用。
本系統(tǒng)采用ADV7179芯片作為系統(tǒng)的視頻編碼芯片,負(fù)責(zé)對(duì)視頻處理器BF561輸出的數(shù)字視頻進(jìn)行編碼,輸出模擬視頻給LCD顯示器。ADV7179是模擬器件公司的一款視頻編碼芯片,ADV7179適合各種優(yōu)先考慮封裝空間的視頻應(yīng)用,并提供適用于ITU-R.656標(biāo)準(zhǔn)視頻輸入的選項(xiàng)。它具有高級(jí)濾波功能(SSAF濾波器)和最高達(dá)-80dB的專業(yè)級(jí)視頻信噪比(SNR),可在小屏幕上實(shí)現(xiàn)出色的顯示質(zhì)量。
本系統(tǒng)通過EBIU接口外擴(kuò)了SDRAM和FLASH兩種存儲(chǔ)器。選擇了兩片MT48LC16M16A2TG-75并聯(lián)構(gòu)建32位的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng),共64Mbyte的SDRAM空間,用于存儲(chǔ)圖像處理數(shù)據(jù)。FLASH選擇了一片CMOS型的M29W640D NANDFLASH存儲(chǔ)器,其存儲(chǔ)空間為32MB,用于存放操作系統(tǒng)和內(nèi)核程序。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用了基于對(duì)比度拉伸圖像增強(qiáng)算法,根據(jù)夜視圖像特點(diǎn),基于中心區(qū)域亮度均值可表征對(duì)面燈光狀態(tài)的假設(shè),利用中心區(qū)域均值判斷汽車對(duì)面車燈狀態(tài),根據(jù)均值大小使用不同圖像灰度映射規(guī)則。映射規(guī)則與車輛近光燈照射亮度、距離、攝像頭安裝角度等條件有關(guān),映射規(guī)則需要在夜視環(huán)境中人工調(diào)節(jié)得到。算法流程如下:
S1:計(jì)算選定亮度區(qū)域均值。
S2:均值所屬區(qū)域判定。
根據(jù)均值大小和均值分段情況判斷出當(dāng)前均值所屬分段區(qū)域。
S3:規(guī)則映射及輸出。
通過步驟S2,判斷均值所屬區(qū)域,均值區(qū)域與映射規(guī)則具有一一映射關(guān)系。根據(jù)映射規(guī)則,對(duì)原圖像各像素逐一映射輸出。
5 試驗(yàn)及結(jié)果
(a)沒用夜視系統(tǒng)圖像
(b)采用夜視系統(tǒng)圖像
為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的效果,在奇瑞試驗(yàn)車上進(jìn)行了試驗(yàn)。硬件采用自己設(shè)計(jì)的BF561電路板,測(cè)試距離100米,測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出,當(dāng)采用夜視系統(tǒng)時(shí),可以獲得良好的夜間夜視效果。
6 結(jié)論
本文以BF561為核心,設(shè)計(jì)了一種車載夜視輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。本文首先給出有了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和工作原理,然后闡述了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。給出了紅外光源和CCD攝像頭的選擇,詳細(xì)介紹了視頻處理器外圍電路的設(shè)計(jì),給出了基于對(duì)比度拉伸圖像增強(qiáng)算法。最后在試驗(yàn)車上進(jìn)行了夜視試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,當(dāng)采用該夜視系統(tǒng)時(shí),可以獲得良好的夜間夜視效果。
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