基于FPGA的車道偏離預警系統(tǒng)的設計

摘要：介紹了一種以FPGA芯片為核心，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)和SOPC技術(shù)的車道偏離預警系統(tǒng)實現(xiàn)方案。系統(tǒng)通過CCD攝像頭完成車輛前方圖像的采集，利用Hough變換實現(xiàn)車道檢測，利用邊緣檢測函數(shù)完成偏離預警的功能。系統(tǒng)具有良好的便攜性、靈活性和通用性。詳細的論述了該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設計思想，并分析了系統(tǒng)具有的優(yōu)點。
關鍵詞：車道偏離；車道檢測；Hough變換；SoPC；FPGA；

0 引言
隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，汽車擁有量劇增，同時公路建設事業(yè)的迅速發(fā)展，造成目前公路交通呈現(xiàn)行駛高速化、車流密集化和駕駛員非職業(yè)化的趨勢，由汽車碰撞引起的交通事故危害著人民的生命財產(chǎn)安全。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局(NHTSA)2009年乘用車在交通事故中碰撞位置的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在各種交通事故中，車輛前部碰撞占到總事故的62％，而這其中多數(shù)是由于車道偏離車道所引起的交通事故，因此通過設計汽車車道偏離預警系統(tǒng)有效地減少前向碰撞的發(fā)生幾率，可以有效降低公路交通事故的損失。
本文利用SoPC(可編程片上系統(tǒng))技術(shù)設計方式靈活、可裁減、可擴充、可升級、設計周期短的優(yōu)勢，設計了一種可以靈活配置，易升級維護的車道偏離預警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體技術(shù)路線
根據(jù)系統(tǒng)功能需求，將系統(tǒng)的處理流程分為圖像預處理、特征提取、特征判別三個階段，如圖1所示。

(1)圖像預處理。系統(tǒng)通過攝像機獲取車輛行駛前方的車道圖像，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)完成數(shù)字圖像的采集、灰度化和濾波增強；
(2)特征提取。利用Sobel邊緣檢測算法完成圖像的邊緣檢測，并以此為基礎利用Hough變換完成車道線檢查；
(3)特征判別。根據(jù)檢測出的車道標志線信息，利用邊緣檢測函數(shù)EDF做出相關的偏離判決。

2 系統(tǒng)的硬件設計
基于FPGA的車道偏離檢測系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。系統(tǒng)利用CCD攝像機采集車道圖像，通過視頻模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADV7181對獲取的視頻進行解碼，得到數(shù)字視頻信啟，并將其存儲于SDRAM中供LCD進行顯示，并作為原始信息供之后的圖像信號處理單元完成圖像處理任務，從中提取車道信息。

內(nèi)嵌于FPGA的軟核處理器Nios II為整個系統(tǒng)的控制核心，完成系統(tǒng)整體軟件流程執(zhí)行控制、Hough變換、車道檢測以及碰撞預警任務；Nios II處理器通過Avalon交換架構(gòu)與SOPC系統(tǒng)其他組件完成數(shù)據(jù)交換和控制。FPGA內(nèi)部構(gòu)件的圖像信號處理單元完成對數(shù)字圖像信號的預處理、中值濾波除噪、Sobel邊緣檢測等任務，其處理結(jié)果作為Nios II進行車道偏離檢測的依據(jù)。
外圍存儲器件SDRAM、FLASH、SRAM，SDRAM用以存儲圖像信息，F(xiàn)LASH用以存儲程序以及系統(tǒng)參數(shù)配置，SRAMN以存儲軟件暫存數(shù)據(jù)：系統(tǒng)以按鍵、LCD作為人機接口。
附加邏揖完成系統(tǒng)的其他輔助任務。