专利名称：一种自适应视觉车道偏离预警装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆安全系统，尤其是涉及一种自适应视觉车道偏离预警装置。
背景技术：
随着信息和自动控制技术的快速发展，汽车驾驶辅助技术逐渐被汽车厂家和用户所接受。车道偏离预警装置可以防止或者减少驾驶员由于驾驶疲劳而导致的交通事故，并已经逐渐成为高端汽车品牌的标准配置。基于视觉的车道线跟踪预警装置是车道偏离预警产品的主流技术路线。视觉车道线跟踪及偏离预警装置一般包含3个主要模块:(I)视频采集模块；
(2)图像分析模块；(3)用户警告模块。其中图像分析模块担负着识别车道线的任务，是视觉车道偏离预警装置的核心技术。目前采用的车道线识别方法主要有四种:(1)采用Sobel算子、Canny算子等边缘检测算子对原始图像进行处理，在车道线边界处给出较高的处理值，从而判断出边界的位置，并从边界信息得到车道线的位置(参见中国专利CN102303609A和美国专利US4970653) ；(2)直接或者在应用边缘检测算子之后采用霍夫变换(Hough Transform),计算出图像中存在的直线，并由此得到车道线的位置(参见中国专利CN102303609A和CN201712600U，美国专利US5790403) ；(3)采用模板匹配的方法，沿着不同角度寻找边界，并由此得到车道线的位置(参见中国专利CN101804813A和美国专利US5398292)。(4)先对灰度图像进行二值化处理，通过选择恰当的二值化阈值，使车道线和路面图像分离成二值图像，进而搜索车道线的位置(参见中国专利CN101016052A和CN101016052A)。边缘检测是图像识别的基础性问题，有着很长的研究历史(参见文献:章毓晋，《图像工程(中册)图像分析》第二版)。在复杂环境下的稳定和准确图像识别是图像识别技术的终极目标。实践证明，单纯的图像二值化和边缘检测方法很难适应各种复杂环境，而基于模型的图像分割方法结合识别目标的特征对图像二值化和边缘检测过程进行约束，在很多应用上取得了很好的效果(Robert Hanek, Model-Based Image Segmentation Usinglocal Self-Adapting Separation Criteria， Lecture Notes in Computer ScienceVolume2191,2001:1_8)。基于模型的图像分割方法虽然图像分割效果较好，但是计算量很大，不适于实时视频的图像分析，特别是在计算资源严重受限制的车载平台上。郑新钱等人(郑新钱等，基于FPGA的视觉导航小车设计与实现，厦门大学学报自然科学版，2012，2)提出了一种新颖的自适应图像二值化与轨道识别方法；把图像二值化与轨道识别宽度结合起来，通过轨道识别宽度反馈二值化阈值。基于这种自适应识别方法的单轨道视觉导航模型小车，在多种光照和路面情况下取得了较好的导航效果。对图像进行矩形波卷积，形成坡形导航线边界，以形成二值化的导航线宽度与二值化阈值之间的关联是郑新钱等人提出的算法的关键。该算法只能在一条宽度在30个像素以上的导航线上实现，而车道偏离预警装置需要识别两条很细的车道线(一般只有3 5个像素宽)。所以，郑新钱等人提出的自适应轨道识别算法无法直接在车道偏离预警装置上应用。除了复杂光照和复杂路面条件下的工作不稳定，现有视觉车道偏离预警装置对弯道的预警效果也不理想。公布的车道偏离预警装置很多采用霍夫直线变换，故只能对直车道或者弯道中的直线部分的偏离进行预警(参见中国专利CN102303609A和CN201712600U，美国专利US5790403)，有些车道偏离预警装置只能对近场的车道线进行识别(参见中国专利CN102951159A和CN101704367A)，故无法识别远场的弯道可能对驾驶产生的影响。中国专利CN102295004A公开了一种车道偏离预警方法，通过测量运行速度和事先设置的相应最大侧向加速度和最小转弯半径，假设汽车按圆弧轨迹行驶，预测可能越过车道线的最短时间，并以此判断是否发出警告。整个方法过于复杂，运算量较大，不易实现。同时，由于最大侧向加速度受路面情况影响，所以无法事先准确测量，使得整个方法很难实现。现有车道偏离预警装置的图像处理基本上采用单片机(参见中国专利CN202686122U)，数字信号处理器(中国专利CN201712600U)，计算机(中国专利CN101016052A)，或者计算机加上专门的图像分析电路(美国专利US5430810)。这些图像分析设备的共同点是采用串行处理方式，在处理大量视频信息时，运算速度受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应视觉车道偏离预警装置。本发明设有车载电源、降压稳压电路、警示器、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)核心板(以下简称为FPGA核心板)、数字摄像机和转向角感应器；所述FPGA核心板设有电源模块、晶振、FPGA芯片和输入输出接口 ；所述降压稳压电路的输入端接车载电源的输出端，降压稳压电路的输出端分别接FPGA核心板的电源模块输入端和数字摄像机的输入端，FPGA核心板的输出接口接警示器的输入端，所述数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，转向角感应器的输出端接FPGA核心板的输入接口。与现有的主要采用单片机、数字处理器、计算机或者计算机与专用电路结合的串行计算方案进行图像处理相比，本发明采用现场可编程门阵列芯片，对图像进行并行逐行处理，显著提高了图像处理速度和预警反应速度。本发明通过灰度膨胀和矩形波卷积等图像处理算法，使车道线变宽并且形成坡形边界，从而在车道线的二值化宽度与二值化阈值之间形成关联；把车道宽度的测量值反馈给图像二值化阈值，并做出相应调整，从而使图像二值化阈值自动适应各种复杂光照和路面情况。本发明通过假设圆弧行车路线计算出与车道线相匹配的合理转向角，并与车载转向角感应器的读数进行比较和判断。当二者的差别超出一定范围的时候，通过警示器模块发出偏离预警信号。相对于只能对直线车道或者弯道的直线部分进行预警的装置，本发明可以对远场弯道偏离发出更早的预警，增强安全防范的效果。本发明具有以下突出优点:I)提高视觉车道偏离预警装置在复杂光照和复杂路面情况下的车道线识别能力。2)提高视觉车道偏离预警装置对弯道的偏离预警能力。3)提高现有视觉车道偏离预警装置的图像处理和预警反应速度。
图1为本发明实施例的结构示意图。图2为本发明实施例的降压稳压电路原理图。图3为本发明实施例的自适应车道线识别算法的示意图。图4为本发明实施例的灰度膨胀和矩形波卷积滤波之后效果的示意图。图5为本发明实施例的规划行车路线的示意图。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。参见图1 5，本发明实施例设有车载电源1、降压稳压电路2、警示器3、FPGA核心板4、数字摄像机5和转向角感应器6 ;所述FPGA核心板4设有电源模块、晶振、FPGA芯片和输入输出接口 ；所述降压稳压电路2的输入端接车载电源I的输出端，降压稳压电路2的输出端分别接FPGA核心板4的电源模块输入端和数字摄像机5的输入端，FPGA核心板4的输出接口接警示器3的输入端，所述数字摄像机5的输出端接FPGA核心板4的输入接口，数字摄像机5的输出端接FPGA核心板4的输入接口，转向角感应器6的输出端接FPGA核心板4的输入接口。所述现场可编程门阵列(FPGA)核心板作为核心处理部件，通过对车道线图像的分析，来确定汽车和车道线的相对位置和取向，并在汽车即将偏离车道线时，发出预警信号；
车载电源I通过降压稳压电路2给FPGA核心板4以及数字摄像机5供电。数字摄像机5接收图像并将数据信息传输给FPGA核心板4。FPGA核心板4对图像进行采集和分析，结合从转向角感应器6读取的信号判断车辆运行状态，并在车辆即将偏离车道时向警示器3发出预警信号。本发明的核心功能和关键技术环节是车道线的识别和合理转向角的计算。结合图3，实现本发明的核心环节的具体步骤如下:I)数字摄像机5上电后，以固定的帧率，采集道路图像，并逐行向现场可编程门阵列核心板4传输。2)现场可编程门阵列核心板4接收步骤I)所述的一行图像信息，并按照图3所示的步骤进行分析处理。3)首先按照方程(I)对步骤2)所述的一行图像进行灰度膨胀运算，增加车道线的览度。Pi = max {pk}, i~l ^ k ^ i+8 (I)其中Pi和Pk为第i个和k个像素的灰度值，max为求最大值的函数。4)按照方程(2)对步骤3)所述的一行图像进行矩形波卷积，在消除噪声的同时，形成如图4所示的图形。Pi H1Pk 飢⑷其中Pi和Pk为第i个和k个像素的灰度值， 为逻辑异或运算。图4中的Wtl, W1和W2分别为理想二值化阈值，过高二值化阈值和过低二值化阈值下计算获得的车道宽度。通过矩形波卷积处理，使得计算获得的车道宽度与二值化阈值直接产生关联，从而可以对二值化阈值进行自适应调整。我们称理想二值化阈值下计算获得的车道宽度Wtl为标准车道宽度。标准车道宽度Wtl在辅助驾驶装置启动后的路面情况学习时获得，并在二值化阈值自适应调整中使用。详见步骤12)。5)采用上一行图像传下来的二值化阈值，对步骤4)所得到的灰度图像进行二值化处理。6)在步骤5)所得到的二值化的一行图像中，以上一行传下来的车道中心位置Mtl为中心，分别向左右两边搜索轨道线边界。搜索的方法是对图像做如方程(3)和(4)所示的向左或者向右的阶跃函数卷积。
权利要求
1.一种自适应视觉车道偏离预警装置，其特征在于设有车载电源、降压稳压电路、警示器、FPGA核心板、数字摄像机和转向角感应器；所述FPGA核心板设有电源模块、晶振、FPGA芯片和输入输出接口； 所述降压稳压电路的输入端接车载电源的输出端，降压稳压电路的输出端分别接FPGA核心板的电源模块输入端和数字摄像机的输入端，FPGA核心板的输出接口接警示器的输入端，所述数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，转向角感应器的输出端接FPGA核心板的输入接口。
全文摘要
一种自适应视觉车道偏离预警装置，涉及车辆安全系统。设有车载电源、降压稳压电路、警示器、FPGA核心板、数字摄像机和转向角感应器；降压稳压电路的输入端接车载电源的输出端，降压稳压电路的输出端分别接FPGA核心板的电源模块输入端和数字摄像机的输入端，FPGA核心板的输出接口接警示器的输入端，数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，数字摄像机的输出端接FPGA核心板的输入接口，转向角感应器的输出端接FPGA核心板的输入接口。提高视觉车道偏离预警装置在复杂光照和复杂路面情况下的车道线识别能力。提高视觉车道偏离预警装置对弯道的偏离预警能力。提高现有视觉车道偏离预警装置的图像处理和预警反应速度。
文档编号G06K9/00GK103192830SQ201310147020
公开日2013年7月10日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者朱铭璋, 路遥, 谢鹭飞, 王辅明 申请人:厦门大学