車道偏離報(bào)警系統(tǒng)

車道偏離報(bào)警系統(tǒng)
Lane Departure Waring System
  汽車安全性受到人們更多的關(guān)注，高科技在汽車中的應(yīng)用層出不窮，車道偏離報(bào)警（LDW）系統(tǒng)就是一例。專家指出，約有50%的汽車事故是偏離正常行駛的車道引起的，究其原因主要是駕駛員心神煩亂、注意力不集中或疲勞駕駛。LDW系統(tǒng)會(huì)在車輛高速行駛時(shí)提醒駕駛員，汽車正在偏離正常行駛的車道，讓駕駛員及時(shí)糾正行車路線。這是繼安全帶、安全汽囊后，在汽車內(nèi)安裝的又一項(xiàng)安全裝置。
系統(tǒng)概要
   圖1是LDW系統(tǒng)的示意圖。一個(gè)面向前方安裝的攝像機(jī)監(jiān)測(cè)車輛行駛的道路，作用距離可達(dá)50-70尺。通常，一個(gè)或多個(gè)CMOS圖像傳感器提供道路的多帖圖像，這些傳感器連接至處理器的多個(gè)視頻端口。這里視頻基信號(hào)處理取代了模擬信號(hào)鏈，這種處理方法不僅提高了系統(tǒng)的精度，還可以節(jié)省系統(tǒng)的材料費(fèi)用開銷。
  數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)后，它被實(shí)時(shí)地變換成可處理的格式，在處理器內(nèi)部，首先進(jìn)行預(yù)處理，過濾掉圖像捕獲期間混入的噪聲。然后探測(cè)車輛相對(duì)于車行道標(biāo)志線的位置。道路圖像的輸入信息流被變換為一系列畫出道路表面輪廓的線條。在數(shù)據(jù)字段內(nèi)尋找邊緣就能發(fā)現(xiàn)車道標(biāo)志線。這些邊緣事實(shí)上形成了車輛向前行駛應(yīng)保持的邊界。處理器則要時(shí)刻跟蹤這些標(biāo)志線，以確定行車路線是否正常。一旦發(fā)現(xiàn)車輛無意間偏離車行道，處理器作出判斷后輸出一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路，讓駕駛員立即糾正行車路線。報(bào)警形式可以是蜂鳴器或喇叭，也可以用語言提示，還有用振動(dòng)坐椅來提醒駕駛員。
  LDW系統(tǒng)還要考慮到汽車正常使用的制動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向裝置。這些裝置會(huì)影響LDW的工作，使系統(tǒng)復(fù)雜化。因此，在慢速行駛或制動(dòng)、正常轉(zhuǎn)向時(shí)，LDW系統(tǒng)是不工作的。
 工作流程
圖2更詳細(xì)地描述了處理器內(nèi)部的工作流程?？傮w說，LDW系統(tǒng)要具備兩大功能，即發(fā)現(xiàn)邊緣和跟蹤，前者用來確定行車道的標(biāo)志線；后者讓車輛沿著正常的車道行駛。在進(jìn)行數(shù)字處理之前，首先要平滑濾波。由于圖像傳感器都不是理想的，氣象條件、環(huán)境溫度、車輛運(yùn)動(dòng)以及電磁干擾都會(huì)在圖像采集過程中引入噪聲，噪聲使圖像變得模糊，更確切地說，在原始圖像中原本處于同一個(gè)灰度值的像素，在噪聲圖像中卻處于不相同的灰度值。除了噪聲，還有量化誤差的影響，量化誤差會(huì)使邊緣的邊界落在多個(gè)像素上，同樣使邊界變得不那么清晰。噪聲和量化誤差是無法控制的，因此要對(duì)輸入視流進(jìn)行濾波和平滑，不實(shí)行這一步，要想發(fā)現(xiàn)清晰的道路標(biāo)志是十分困難的。對(duì)數(shù)字視頻流進(jìn)行平滑濾波還應(yīng)考慮到，視頻流是按規(guī)定速率變化的真實(shí)圖像序列，圖像濾波器的工作速度應(yīng)足夠快，保證能跟上輸入圖像的連續(xù)接收。因此，圖像濾波器內(nèi)核對(duì)最少可能處理器周期數(shù)優(yōu)化執(zhí)行是至關(guān)重要的。一個(gè)有效的濾波手段是采用基本的兩維卷積運(yùn)算。
   接下來要進(jìn)行的是邊緣檢測(cè)。所謂邊緣就是指圖像局部亮度變化最為顯著的部分。對(duì)于數(shù)字圖像，圖像灰度值變化可用梯度來表示，Sobel算子是常用的邊緣檢測(cè)算法。發(fā)現(xiàn)的邊緣則可確定車行道的標(biāo)志。這一過程又要涉及Hough變換。它是圖像處理中識(shí)別幾何形狀的基本方法之一。最基本的Hough變換是從黑白圖像中檢測(cè)直線。它將圖像平面上的像素點(diǎn)映射到參考平面（即一個(gè)緩沖區(qū)）上的點(diǎn)，通過統(tǒng)計(jì)特性來確定直線的參數(shù)。
  Hough變換對(duì)輸入圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)要計(jì)算一條正弦狀曲線，因而計(jì)算工作量很大，需借助技巧來加速計(jì)算。首先，某些計(jì)算結(jié)果是可以提前進(jìn)行計(jì)算的，因此可以通過查找表作為參考值使用。其次，對(duì)輸入圖像中的車行道標(biāo)志的位置和性質(zhì)作一些合理的假設(shè)，即如果僅對(duì)潛在的車行道標(biāo)志的那些點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，就可以避免大量的、不必要的運(yùn)算，從而簡(jiǎn)化計(jì)算并提高質(zhì)量。
    Hough變換的輸出是一組直線，其中某些直線可能就是車道標(biāo)志線。由于很多高速公路系統(tǒng)的車行道標(biāo)志線是標(biāo)準(zhǔn)化的，確定的一組規(guī)定能從候選的車道標(biāo)志線中排除掉某些直線，最后，這一組可能的車道標(biāo)志線用來確定車輛的位置。
  車道跟蹤
  車道信息來自一輛汽車內(nèi)多種可能的信息源，這些信息源與測(cè)得的相關(guān)參數(shù)（如速度、加速度等）相結(jié)合有助于車道跟蹤。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，車道系統(tǒng)進(jìn)行智能判斷，即是否發(fā)生了無意間的車行路線偏離。在更高級(jí)系統(tǒng)中，其它參數(shù)，諸如時(shí)間、路況和駕駛員警覺度也可以模型化。
  預(yù)測(cè)車道幾何形狀是一個(gè)棘手的問題，常常用Kalman濾波器預(yù)測(cè)道路的曲率來加以解決。Kalman濾波器能預(yù)測(cè)未來的狀態(tài)，再用它來計(jì)算下一帖的參數(shù)，以減少Hough變換中的計(jì)算負(fù)荷。
一旦處理框架確立后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員即可在處理線程中每一個(gè)判斷步驟中增加自己的IP。最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)應(yīng)在判斷過程中考慮到車輛的屬性。例如，在轉(zhuǎn)向或使用制動(dòng)器時(shí)抑制車道改變的報(bào)警。換句話說，系統(tǒng)應(yīng)能判別出車道改變是有意的還是無意的。更復(fù)雜的系統(tǒng)還能涉及GPS坐標(biāo)數(shù)據(jù)、行駛路線、時(shí)間、氣候以及其它參數(shù)。
 應(yīng)用情況
 Iteris公司是最早研制LDW系統(tǒng)幾家公司之一。它的AutoVue LDW系統(tǒng)是一套可自行安裝的套件，包括接線束、喇叭、開關(guān)、連接器和電纜等零件。據(jù)說在一般情況下三小時(shí)內(nèi)就可安裝完畢。它適用于北美使用的絕大多數(shù)丁——1930數(shù)據(jù)總線的8類載重汽車。歐洲三大制造商EvoBus GmhH、Mercedes-Benz Omni busse以及MAN Busse亦已認(rèn)同了這個(gè)產(chǎn)品。
Infiniti研制了一種新的LDW系統(tǒng)，采用安裝在前擋風(fēng)玻璃上的小型攝像頭，速度傳感器、指示器和聲響報(bào)警器。公司計(jì)劃將它裝備在流行的FX越野SUV車上。公司還準(zhǔn)備在下一代豪華的M45性能Sedan車中配置LDW系統(tǒng)。
Mobileye的LDW系統(tǒng)使用單眼圖像處理器來確定道路的車道標(biāo)志線，測(cè)量車輛相對(duì)于標(biāo)志線的位置。它的特點(diǎn)是能檢測(cè)各類標(biāo)志線，實(shí)線的、虛線的、箱式的和貓眼的。在沒有標(biāo)志線的場(chǎng)合，系統(tǒng)則利用道路邊界線來確定位置。系統(tǒng)擬合橫向距離、斜率和曲率三個(gè)道路模型參數(shù)，以提高報(bào)警的可靠性。該系統(tǒng)還可在雨天和夜晚下工作。（東華）

圖1 LDW系統(tǒng)與外部連接示意圖

圖2 LDW系統(tǒng)內(nèi)部圖像處理算法流程