基于ADSP—BF561的車載夜視輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(lái)越高。普通汽車照明系統(tǒng)在下大雨、下雪、大霧或能見(jiàn)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(kāi)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(jué)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(wèn)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(lái)，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(jiàn)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(jiàn)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(guò)保護(hù)措施來(lái)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(lái)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)。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(guò)率84%，該濾光片對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率幾乎為0，可有效消除前方的可見(jiàn)光，這樣就可以很好地解決迎面來(lái)車帶來(lái)的強(qiáng)光干擾問(wèn)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(guò)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(guò)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(méi)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。

參考文獻(xiàn)

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