詳解基于圖像處理技術(shù)的智能車載安全系統(tǒng)方案

1 引言

21世紀(jì)以來，汽車產(chǎn)業(yè)扮演了一個(gè)龍頭的角色，與此同時(shí)，電子設(shè)備在整車制造成本所占比例，由16%增至30%以上，2010 年汽車搭載汽車電子的比例亦將達(dá)40%，未來的汽車電子產(chǎn)品中，圍繞安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適和娛樂等方面的元器件及其周邊產(chǎn)品將發(fā)展更快。在此背景下，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)基于圖像處理技術(shù)的智能車載安全系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 開發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)以EC5-1719CLDNA 開發(fā)板為平臺(tái)，EC5-1719CLDNA 支持Intel CoreDuo/Celeron M 低功耗處理器，由Intel945GM 芯片組集成圖形處理核心，支持VGA、LVDS，DVI，TV-OUT 多種顯示及雙屏幕顯示， 有 1 個(gè)PCI-104、1 個(gè)PCIE×4擴(kuò)展總線、4個(gè)USB2.0接口、2個(gè)SATA接口。

開發(fā)板擴(kuò)展了豐富的外圍硬件設(shè)備，使用圖像處理開源代碼opencv 中強(qiáng)大的算法技術(shù)，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)，充分發(fā)揮了此開發(fā)板高速的CPU 性能。

2.2 系統(tǒng)框架

此系統(tǒng)功能劃分為三大方面：安全、通訊、多媒體。安全包括車牌測(cè)距、激光測(cè)距、疲勞駕駛檢測(cè)、全景環(huán)視系統(tǒng)(AVM)、酒精濃度檢測(cè)和溫度檢測(cè)，通訊包括GPRS上網(wǎng)、GSM 通話、GPS 導(dǎo)航，多媒體，媒體播放器、包括車載娛樂系統(tǒng)、視頻采集。

系統(tǒng)框圖如圖1。

2.3 基本功能

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能有激光測(cè)距、疲勞檢測(cè)、酒精濃度檢測(cè)、GPS 定位、全景環(huán)視功能。

激光測(cè)距為測(cè)量汽車與其左右兩側(cè)可能存在的汽車之間的距離，確定是否安全，不安全則發(fā)出警報(bào)提醒。疲勞檢測(cè)為監(jiān)視人眼閉合時(shí)間，超過一定時(shí)間認(rèn)為駕駛員已疲勞，發(fā)出報(bào)警音。酒精濃度檢測(cè)為測(cè)試空氣中的酒精濃度，在酒精濃度超標(biāo)的情況下，發(fā)出警報(bào)。GPS 定位將GPS系統(tǒng)嵌入本系統(tǒng)內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)GPS 定位。

全景環(huán)視系統(tǒng)在車輛四周安裝4 個(gè)攝像頭，通過四個(gè)攝像頭實(shí)時(shí)取景，將四個(gè)攝像頭所采集的圖像組合在一起顯示在駕駛室的顯示屏上，司機(jī)可以一眼了解到本車周圍的全部情況，提高汽車的綜合安全系數(shù)。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 激光測(cè)距的功能實(shí)現(xiàn)

原理圖如圖2，假設(shè)激光束與攝像頭的光軸完全平行，激光束的中心落點(diǎn)在攝像頭視域中為最亮點(diǎn)。當(dāng)激光束照射到攝像頭視域中的跟蹤目標(biāo)上時(shí)，攝像頭就可以捕捉到這個(gè)點(diǎn)。

易推導(dǎo)得距離D:

其中：Num是從圖像中心到落點(diǎn)的像素個(gè)數(shù)，Rop 是每個(gè)像素的弧度值，Offet 是弧度誤差。

算法流程為：首先，啟動(dòng)攝像頭，通過攝像頭采集視頻圖像，截取圖像;通過亮點(diǎn)檢測(cè)程序?qū)ふ壹す馑镜牧咙c(diǎn)，如果存在，測(cè)量其距圖像中心的像素個(gè)數(shù)Num ;最后，通過公式計(jì)算間距，通過與設(shè)定的安全距離的比較，確定是否安全，不安全則發(fā)出警報(bào)提醒。

3.2 疲勞駕駛檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

研究表明，人在發(fā)生困倦的時(shí)候，眨眼速度變慢，眨眼持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，本系統(tǒng)通過提取司機(jī)的閉眼持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短來判斷是否有疲勞發(fā)生。

通過檢測(cè)人臉范圍，判斷人臉是否存在，如果不存在，定時(shí)器清零，返回;如果檢測(cè)到人臉，定時(shí)器啟動(dòng)，開始計(jì)數(shù);同時(shí)，通過面部特征識(shí)別，來定位兩眼;認(rèn)為如果能在一定的時(shí)隙內(nèi)定位到兩眼，證明駕駛員并非出于疲勞駕駛狀態(tài);此時(shí)定時(shí)器清零，返回;如果在5S 內(nèi)無法定位到眼睛，則認(rèn)為處于疲勞駕駛，此時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒。

算法流圖見圖3。

3.3 酒精濃度檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)利用酒精傳感器NAP-66E 來實(shí)現(xiàn)酒精濃度的測(cè)量。NAP-66E 具有良好的線性度，工作溫度范圍廣，可在各種惡劣的環(huán)境下正常工作，其輸出的最大電壓為10mV，因此為了獲取酒精度，必須先把酒精傳感器的輸出模擬量通過兩級(jí)放大器放大到和A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543 匹配的電壓值，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后，得到的數(shù)值在MCU 中進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，最后通過串口線和PC 機(jī)進(jìn)行通信，把測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給PC 機(jī)，利用PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示、報(bào)警等功能。應(yīng)用酒精檢測(cè)芯片，通過與單片機(jī)、A/D 芯片、運(yùn)算放大器的硬件連接，構(gòu)成了酒精檢測(cè)模塊。設(shè)計(jì)電路如圖4 所示。

3.4 GPS 定位功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)使用GARMIN 公司的GPS 接收機(jī)OEM 板— GPS 15H，采用RS-232輸出，接口協(xié)議采用NMEA0183 版本2.00或3.00(可選)的ASCII 碼語句，數(shù)據(jù)更新率為每秒一次，串行傳輸參數(shù)為：波特律= 9600，數(shù)據(jù)位= 8 位，停止位= 1位，無奇偶校驗(yàn)。

在實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的讀入時(shí)系統(tǒng)使用串口來接收數(shù)據(jù)，軟件實(shí)現(xiàn)原理如下：

采用先初始化，設(shè)置使用的串口，相應(yīng)的波特律為9600，數(shù)據(jù)位為8 位，停止位為1 位。在用戶點(diǎn)擊接收按鈕后，采用查詢方式，從讀入1 0 2 4 個(gè)字節(jié)尋找GPRMC( Global Position RecomendedMinimum Specific ) 之后的一些字符串，在GPRMC 中包括了程序中最關(guān)心的數(shù)據(jù)有效位，緯度和經(jīng)度，數(shù)據(jù)格式如下：

$GPRMC,1>,2>,3>,4>,5>,6>,7>,8>,9>,10>,11>，12>,13>

1> 當(dāng)前位置的格林尼治時(shí)間，格式為hhmmss

2> 狀態(tài)， A 為有效位置， V 為非有效接收警告，即當(dāng)前天線視野上方的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于3 顆。

3> 緯度， 格式為 ddmm.mmmm

4> 標(biāo)明南北半球， N 為北半球、S為南半球

5> 徑度，格式為dddmm.mmmm

6> 標(biāo)明東西半球，E 為東半球、W為西半球

7> 地面上的速度，范圍為0.0 到999.9

8> 以后的數(shù)據(jù)不使用。

為了接收數(shù)據(jù)方便，用相應(yīng)的軟件屏蔽掉不需要的語句，只剩下GPRMC 語句。由于GPS 模塊上電后在露天的場(chǎng)合下大約90 秒左右得到有效數(shù)據(jù)，所以在找到GPRMC 中的G 后的第13 位為數(shù)據(jù)有效位。

當(dāng)判斷到‘A’時(shí)，從數(shù)據(jù)段中的第17位起讀取后續(xù)9位作為緯度顯示，再從第29位起讀取后續(xù)10 位作為經(jīng)度顯示。然后將接收到的GPS 經(jīng)緯度通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換自動(dòng)調(diào)用庫里的地圖，并在地圖上用紅色點(diǎn)表示當(dāng)前所在的位置。

3.5 全景環(huán)視功能實(shí)現(xiàn)

全景環(huán)視系統(tǒng)在車輛的車頭前格柵、左右側(cè)面外后視鏡及尾門安裝了4 個(gè)攝像頭。攝像頭帶有廣角鏡頭，可進(jìn)行實(shí)時(shí)廣角攝影。軟件上采用DirectShow 開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，用Di rectShow 開發(fā)應(yīng)用程序，可以很方便地從支持WDM驅(qū)動(dòng)模型的采集卡上捕獲數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行相應(yīng)的后期處理乃至存儲(chǔ)到文件中。