基于DSP的紅外車載防撞系統(tǒng)

1、 Computer Knowledge and Technology 電腦知識與技術：唐一東第6卷第25期(2010年9月 基于DSP 的紅外車載防撞系統(tǒng)梁洪波（安徽交通職業(yè)技術學院，安徽合肥230051）摘要：汽車主動安全技術用以保證駕駛員及乘客能提前預知危險，并作出相應防范措施。利用紅外光源的數(shù)字成像技術，結合基于DSP 的圖像處理，目標檢測和追蹤算法，實現(xiàn)對前方車輛位置、方向、相對速度等參數(shù)指標的實時獲取，經處理后將參數(shù)輸入專家決策系統(tǒng)，最終產生對汽車乘員的視覺及聽覺預警報告，指導乘員作出應對措施。由于紅外成像技術的廣泛適應性，該系統(tǒng)可以應用于各種復雜的晝夜氣候狀況。關鍵詞：DSP ；汽

2、車安全；防撞中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(201025-7084-03Infrared Vehicle Collision Avoidance System Based on DSPLIANG Hong-bo(Schoolof Computer &Information , Hefei University of Technology ,Hefei 230009,ChinaAbstract:Active safety technology to ensure the driver and the passengers to anticipate d

3、anger and take appropriate precautionary mea -sures. Digital imaging using infrared light technology, combined with DSP-based image processing, target detection and tracking algorithm, realizing the front vehicle location, direction and relative speed indicator parameters such as real-time access, a

4、nd further parameters into expert collision avoidance system and eventually generate of the vehicle occupants with visual and auditory warning, guidance to the crew response. As the wide adaptability of infrared imaging technology, the system can be applied to complex weather conditions day and nigh

5、t. Key words:DSP; vehicle safety; collision avoidance現(xiàn)代社會中汽車已成為不可或缺的交通工具。隨著車速的不斷提高，汽車安全越來越重要。隨著汽車工業(yè)的高度發(fā)展，被動防護的安全技術已逐漸普及，而能夠提供預警功能的汽車主動安全技術正在興起?；诩t外光源的成像技術，可以在惡劣天氣狀況下提供給車載系統(tǒng)比人眼更遠的視野，從而為霧天，雨雪，夜晚等天氣情況下的汽車防撞預警提供了基礎的數(shù)據(jù)來源。在基于DSP 的防撞預警系統(tǒng)中，DSP 數(shù)字信號處理器負責處理紅外成像數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進行圖像分析，判斷，識別，計算前方危險物體的位置，相對速度及加速度信息，并提供給中央

6、處理器系統(tǒng)進行顯示及預警。1防撞預警系統(tǒng)概述防撞預警系統(tǒng)總體上由紅外成像子系統(tǒng)，處理器子系統(tǒng)，顯示和預警子系統(tǒng)構成。紅外成像子系統(tǒng)包括：紅外光源，普通黑白CCD 圖像傳感器，圖像視頻采集模塊組成。在系統(tǒng)開啟的情況下，該子模塊會向車輛前方發(fā)出多束紅外光線，紅外光線遇到前方物體后發(fā)生反射，CCD 圖像傳感器捕獲反射回來的紅外光線，由其后方的圖像采集模塊進行模數(shù)轉換，提供給處理器子系統(tǒng)。處理器子系統(tǒng)包含DSP 數(shù)字信號處理器和通用微處理器兩部分；在實際項目中，選擇德州儀器集成DSP 和ARM 的OMAP3530芯片，在物理上雖然是單個芯片，但在邏輯上，仍然是DSP 和通用微處理器兩部分構成。DSP

7、將前端成像子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一方面進行物體跟蹤算法處理，產生的數(shù)據(jù)用作微處理器部分的軟件邏輯數(shù)據(jù)來源；另一方面將數(shù)據(jù)進行基礎的校正，測溫和濾波處理后，傳遞給顯示子系統(tǒng)展現(xiàn)給用戶。微處理器模塊直接控制顯示和預警子系統(tǒng)。微處理器模塊中運行有防撞系統(tǒng)的核心軟件：防撞擊專家決策分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以汽車防撞擊安全距離模型及汽車制動數(shù)據(jù)作為依據(jù)，將DSP 處理后的數(shù)據(jù)作為輸入，經過計算后，產生安全距離警示，并根據(jù)速度變化實時提前45秒進行預警。預警信息體現(xiàn)為顯示警戒距離及聲音報警?；贒SP 的紅外車載防撞系統(tǒng)組成如圖1所示。2系統(tǒng)設計2.1紅外成像子系統(tǒng)設計紅外成像部分，實驗模型中紅外光源選擇了基于LED 的可

8、調功率發(fā)光組件。相對于鹵素燈，LED 具備壽命長的特點，利用散列方式排放的LED ，使收稿日期：2010-06-10基金項目：安徽省高等學校青年教師科研資助計劃（2008jql164）作者簡介：梁洪波（1977-），女，安徽六安人，講師，碩士，主要研究方向為計算機網絡，DSP 算法，機器視覺等。圖1基于DSP 的紅外車載防撞系統(tǒng)組成圖1009-3044Computer Knowledge and Technology 電腦知識與技術第6卷第25期(2010年9月 用850nm 的波長，可以做到100150米范圍內的物體監(jiān)測，滿足車輛運行的基本要求。通過調整LED 發(fā)光組件的功率，可 以提高其距

9、離。同時，由于該組件和CCD 模塊沒有必然聯(lián)系，在特殊的場合，可以配置成熟的鹵素燈紅外照明方案。紅外光屬于不可見光。而黑白CCD 圖像傳感器具有更寬寬的感光光譜范圍，對波長為7601100nm 、人眼不可見的近紅外光也有一定的光譜響應。利用此特性，可以在夜間無可見光照明的情況下，利用物體對紅外光源照明的反射，可以使CCD 圖像傳感器清晰地成像。圖像和視頻采集模塊選用CPLD 和視頻編碼器SAA7114H 構成。CCD 傳感器輸出的PAL 制模擬信號，通過視頻編碼器，轉換為數(shù)字信號，然后通過CPLD 轉換相應的時序，接入到處理器的數(shù)字攝像頭接口。2.2處理器及顯示子系統(tǒng)設計處理器選擇了TI 公司

10、最新出品的OMAP3530芯片，該芯片具備600MHz 的contex -A8架構的ARM 內核和一個430MHz 的C64x DSP 。由于其超標量的架構設計，其主CPU 可以提供1200DMIPS 的運算性能，同時該處理器集成2D 和3D圖形加速引擎，可以提供高速流暢的圖形顯示能力。其主體架構如圖2所示。在基于OMAP3530的硬件子系統(tǒng)中，外部引出3個USB 主接口，用于為此系統(tǒng) 提供加載U 盤功能，軟件更新功能；引出3個串口，用于系統(tǒng)調試及外接GPS 等裝置的擴展。同時，該芯片為微功耗設計，可以使用5V 的供電電路。OMAP3530內置LCD 控制器，此處選用OLED 的7寸液晶屏作為

11、顯示終端，并配置支持多點觸控的電容觸摸屏。同時，引出標準數(shù)字音頻接口，用以輸出告警音。2.3軟件系統(tǒng)設計選項，做的對外部事件和中斷的快速響應，并保證圖形，聲音預警的及時播報。系統(tǒng)啟動后，首先初始化硬件外設，加載運行參數(shù)及專家知識庫，顯示主菜單，等待用戶啟用預警系統(tǒng)。用戶通過菜單啟用預警系統(tǒng)后，系統(tǒng)通知紅外成像子系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)，然后進行邏輯計算，最后由專家決策系統(tǒng)根據(jù)情況進行判斷。其軟件運行流程如圖3所示。圖形顯示部分，采用基于C+的跨平臺圖形庫Qt 來完成。該系統(tǒng)中的圖形繪制由統(tǒng)一的名為DisServer 的程序完成。DisServer 接受外部模塊傳入的參數(shù)和數(shù)據(jù)，命令，根據(jù)命令要求顯示不

12、同的數(shù)據(jù)，命令協(xié)議定義表1所示。3算法和決策系統(tǒng)設計3.1運動跟蹤的關鍵算法實現(xiàn) 該系統(tǒng)的算法包括圖像識別，過濾，區(qū)域分割，運動圖像跟蹤等技術。其中，運動圖像跟蹤是其中的要點，運動圖像跟蹤，是通過對傳感器拍攝到的圖像序列進行分析，在圖像中檢測出前方運動的車輛，并在隨后各圖像幀中估計目標在圖像中的位置。在車輛預警系統(tǒng)中，重要的不僅是需要跟蹤車輛的運動軌跡，而且要監(jiān)測車輛的位置變化信息和速度信息。運動跟蹤首先應該解決目標的確認問題，在此項目中即對車輛的特征識別。在機器視覺領域，模擬人力視覺的模型，需要對特征物體總結其特征模型，公路上行駛在前方的汽車具有的特征（后視）如下：1 大致為正梯形，寬度在1

13、米到2米之間，高度在1米到3米之間；2 紅外圖像中車牌，車身，保險杠，后車窗呈現(xiàn)明顯的邊界特點；在實際項目中，我們借鑒了OpenCV 項目中一些成果，使用光流法來計算物體移動的速度。光流指的是運動物體在觀測成像面上像素運動的瞬間速度。而光流場是指圖像灰度模式的表面運動。其原理要點是首先在一幀圖像中找到一些特征評估點，然后再后續(xù)圖像中找到相同的特征評估點：在采集的圖像P 1中，若存在有特征點x , y T ; 在其下一幀圖像P 2中，對應的特征點為x +x , y +y T ，使最小，則有：圖2OMAP3530模塊框圖圖3軟件流程設計圖表1圖形部分的命令協(xié)議 7085Computer Knowl

14、edge and Technology 電腦知識與技術：唐一東第6卷第25期(2010年9月其中，x ，y 為紅外成像中像素點的相對坐標。根據(jù)此公式，結合DSP 進行紅外圖像光流算法實現(xiàn)，就可以得到實際運行汽車的速度信息。3.2道路及障礙物檢測算法系統(tǒng)中除需要對車輛進行監(jiān)控外，也需要對道路和障礙物進行檢測。障礙物可能包含靜止的車輛或其它物體。在項目中，確認障礙物，其特征參考物為路面，所以首先需要根據(jù)特征識別法識別路面區(qū)域，主要的依據(jù)是：1 道路的顏色、紋理以及道路邊緣的方向和長度；2 公路車道線的頻譜特征。運用特征檢驗方法，首先預測當前的道路前方區(qū)域，然后使用Canny 邊緣檢測算法，Houg

15、h 參數(shù)的變換估計步驟，即可完成道路信息的提取。確定道路區(qū)域后，運用光流法和區(qū)域特征算法對前方非道路區(qū)域進行掃描計算，如果發(fā)現(xiàn)距離越來越近的物體靠近，可認為為障礙物，并發(fā)出報警信息。3.3專家決策系統(tǒng)設計要點專家決策系統(tǒng)是防撞預警系統(tǒng)的核心。DSP 經過對道路、障礙物的檢測，以及對前方車輛速度的計算后，同時得到大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)中包含的信息，必須經過過濾和重疊的邏輯計算才能確認是否需要告警，專家決策系統(tǒng)的主要功能就在于此。專家決策系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，存在許多先驗知識，正是在這些先驗知識的參考下，決策系統(tǒng)對采集和計算后的數(shù)據(jù)進行判斷，確定告警內容及級別。其中存在的先驗知識庫有如下內容：1本車的制動

16、過程數(shù)據(jù)，包括制動時間，制動方法，制動距離計算等；2各種路面類型的信息，以及用戶對當前路面的選擇設置，道路附著系數(shù)參數(shù)；3預置的各種天氣狀況，存放各種天氣數(shù)據(jù)，輸入項由用戶選擇或從車內其它探測儀獲取而來；4 車輛類型數(shù)據(jù)，包含各種類型車輛的后視數(shù)據(jù)，長寬及底盤高度等，用以作為前方車輛類型的判別依據(jù)，也可作為預警和提示駕駛動作的依據(jù)；5 紅外光學系統(tǒng)的參數(shù)，用以確定當前紅外光源及CCD 鏡頭的性能和參數(shù)信息，作為預警提前量的參考數(shù)據(jù)。6 其它系統(tǒng)設置，用戶設置數(shù)據(jù)。4結論項目實踐證明，使用DSP 能夠很好解決防撞預警系統(tǒng)中的各種算法實現(xiàn)，特別是基于OMAP3530的多核架構，能夠在極低的功耗條件下提供強大的運算能力，保證了紅外圖像采