基于圖像傳感器的汽車全景環(huán)視系統(tǒng)

　1.1概述
　　汽車是現(xiàn)代社會最為有效、使用最為廣泛的交通工具之一，是維持人們正常生活工作所不可或缺的一部分。然而，汽車的大量涌現(xiàn)，日益頻繁的交通堵塞和交通事故，嚴(yán)重影響到人們?nèi)粘Ｉ畹姆奖愫凸ぷ鞯男?，甚至危害到人們的生命安全。研究分析表明，每個交通事故均不同程度地涉及到駕駛員、汽車和道路環(huán)境因素，而與駕駛員因素有關(guān)的事故約占九成，駕駛員的人為失誤已經(jīng)被公認(rèn)為是交通事故的主要原因。如何減少“人”在交通系統(tǒng)中發(fā)揮的不確定因素，已經(jīng)成為汽車安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。通過先進(jìn)的技術(shù)手段增強(qiáng)駕駛員感知能力，甚至替代部分駕駛?cè)蝿?wù)，為車輛提供日益完善的安全預(yù)警和輔助駕駛功能，逐步實(shí)現(xiàn)車輛的智能化，并最終走向完全無人駕駛的智能車輛，必將是解決交通安全問題的根本途徑。
　　隨著圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的快速發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被應(yīng)用到汽車電子領(lǐng)域，傳統(tǒng)的基于圖像的輔助駕駛只在汽車車尾安裝倒車攝像頭，只能覆蓋汽車周圍的有限區(qū)域，而車兩側(cè)和前方的視覺盲區(qū)無疑增加了安全駕駛的隱患。
　　我們具有自主知識產(chǎn)權(quán)的車載全景視覺技術(shù)是將分布安裝于車輛周邊的圖像傳感器捕捉的圖像進(jìn)行合成和投影，在人機(jī)界面虛擬一個單一的全景圖像，并且這個圖像時無盲區(qū)的，能夠360°的觀察車身周邊的狀況。同時，這個圖像經(jīng)過合成和投影，形成符合人的思維習(xí)慣的全景圖像。
　　1.2研究現(xiàn)狀
　　車載傳感器類型如表1所示，在這其中，全景視覺傳感器技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，并成為車載電子裝置未來發(fā)展的主要方向。屬于視覺感知技術(shù)之一的全景視覺傳感器技術(shù)是智能感知交通環(huán)境重要的技術(shù)手段，它可以全方位、全天候、全時段地監(jiān)視、分析和記錄車內(nèi)外的情況，為報(bào)警系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全避讓系統(tǒng)提供最直觀的狀態(tài)信息，也為車輛和乘員的安全保護(hù)提供了事前告之、過程記錄和事后重現(xiàn)的技術(shù)手段。特別是在復(fù)雜的道路環(huán)境下，通過全面的視覺技術(shù)，可以使駕駛者的觀察得以延伸和擴(kuò)大，真正做到“眼觀六路”，掌控全局。
　　車載全景視覺傳感器分為兩種，即把拍攝的圖像提供給駕駛者觀看的“顯示用視覺傳感器”，以及把拍攝的圖像傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的“處理用視覺傳感器”。 車載全景視覺傳感器今后的發(fā)展趨勢有如下幾個方面：
　?。?）處理用視覺傳感器的迅速普及；
　　（2）處理用視覺傳感器的多功能化；
　　（3）顯示用視覺傳感器和處理用視覺傳感器的融合。
　　表1：各種行駛傳感技術(shù)的比較
　　行駛傳感技術(shù)技術(shù)特點(diǎn)缺點(diǎn)探測范圍
　　超聲波成本低、探測精確。范圍小、受雨雪影響。《5m
　　脈沖雷達(dá)測量距離遠(yuǎn)、精確。波束窄，只適合前后盲區(qū)探測?！?00m
　　多普勒雷達(dá)測量距離遠(yuǎn)、測量精確、可多天線矩陣配合使用。系統(tǒng)復(fù)雜、成本高。》100m
　　射頻標(biāo)識互相通知位置、成本低，系統(tǒng)可靠。必須為每個設(shè)備、人裝備發(fā)射標(biāo)識，使用不方便?！?00m
　　全景系統(tǒng)360度全景、直觀（非量化信息）有效性高、有良好的人機(jī)界面、便于再現(xiàn)重放?！?00m
　　在BMW和NISSAN的高端車型上，已經(jīng)開始使用多個攝像頭來輔助駕駛員的操作和泊車，在VOLVO的XC60，XC90等概念車型上，已經(jīng)開始使用圖像識別技術(shù)來輔助駕駛?cè)藛T的并線和巡航操作。在LEXUS的部分概念車型上，也有使用單目攝像頭來進(jìn)行簡單的自動泊車的演示系統(tǒng)。
　　根據(jù)第三方的市場研究公司 Techno Systems Research （TSR） 的研究指出，在 2008 年時約有 20% 的新車配備整合式攝影機(jī)，而到了 2012 年時預(yù)計(jì)將增加到接近 70%，并且會有很大比例新車安裝至少2個以上攝像機(jī)，車用視頻裝置即將成為各類車輛的主流配置。
　　表2：已采用視覺感知技術(shù)的汽車領(lǐng)域應(yīng)用比較
　　形態(tài)廠商功能技術(shù)含量備注
　　低端產(chǎn)品倒車后視鏡眾多小品牌后方視頻低產(chǎn)品成熟
　　中低端
　　產(chǎn)品倒車可視系統(tǒng)國內(nèi)的銀聲、
　　合正等后方視頻
　　雷達(dá)測距
　　GPS低產(chǎn)品成熟
　　中高端
　　產(chǎn)品倒車可視系統(tǒng)
　　車載多媒體常見于高端車型后方視頻（側(cè)方視頻）
　　多媒體功能
　　GPS低產(chǎn)品成熟
　　研發(fā)類
　　產(chǎn)品夜視和行人檢測豐田夜視攝像頭提供紅外圖像，通過紅外攝像頭頭實(shí)現(xiàn)行人，動物檢測較高研發(fā)階段
　　可視全景系統(tǒng)日產(chǎn)汽車
　　松下電器
　　三洋電機(jī)多攝像頭實(shí)時視頻合成無盲區(qū)全景俯視圖高研發(fā)階段
　　主動駕駛輔助系統(tǒng)富士重工通過雙目攝像頭主動探測前方行人，車輛，障礙的距離，以攝像頭模擬人眼。高研發(fā)階段
　　圖像能夠提供給使用者最直觀高效的輔助信息。人類大腦的模糊思維和判斷能力決定了，人隨意掃視圖像所獲得的信息量和信息準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于費(fèi)力地觀察若干儀表所能得到的信息量和信息準(zhǔn)確性，并且圖像方式得到的信息更加直觀可靠。如表2所示，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，基于全景視覺傳感器技術(shù)和圖像識別技術(shù)來實(shí)現(xiàn)輔助駕駛和安全功能的系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于各類車輛，進(jìn)而成為無人駕駛汽車和智能導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)就是要給出基于FPGA技術(shù)來構(gòu)架SOC實(shí)現(xiàn)的以全景視覺處理為基礎(chǔ)的汽車環(huán)視系統(tǒng)。通過4路廣角攝像頭實(shí)時采集數(shù)據(jù)，并將采集到的4路視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和配準(zhǔn)拼接等一系列處理實(shí)現(xiàn)360度的實(shí)時全景視覺圖像，并通過VGA顯示器進(jìn)行顯示。
　　研究方法和技術(shù)路線
　　在系統(tǒng)構(gòu)成方面，系統(tǒng)主要分為三個部分，圖像采集、圖像處理及顯示。圖像的采集是使用4路模擬攝像頭，通過自行設(shè)計(jì)的視頻采集電路板接入圖像，并通過DMA將實(shí)時圖像數(shù)據(jù)搬到存儲器中。這里采用了NTSC制式的模擬攝像頭，攝像頭的性能和顯示效果一般。我們的研究重點(diǎn)是采用更加高效的算法和設(shè)計(jì)思路，在目前有限的資源條件下，最大限度的利用資源以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)和顯示效果。