詳解基于圖像處理技術的智能車載安全系統(tǒng)方案

1 引言

21世紀以來，汽車產(chǎn)業(yè)扮演了一個龍頭的角色，與此同時，電子設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，本文設計開發(fā)了一個基于圖像處理技術的智能車載安全系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 開發(fā)平臺

本系統(tǒng)以EC5-1719CLDNA 開發(fā)板為平臺，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PCI-104、1 個PCIE×4擴展總線、4個USB2.0接口、2個SATA接口。

開發(fā)板擴展了豐富的外圍硬件設備，使用圖像處理開源代碼opencv 中強大的算法技術，結合信號處理技術，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。安全包括車牌測距、激光測距、疲勞駕駛檢測、全景環(huán)視系統(tǒng)(AVM)、酒精濃度檢測和溫度檢測，通訊包括GPRS上網(wǎng)、GSM 通話、GPS 導航，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)實現(xiàn)功能有激光測距、疲勞檢測、酒精濃度檢測、GPS 定位、全景環(huán)視功能。

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

全景環(huán)視系統(tǒng)在車輛四周安裝4 個攝像頭，通過四個攝像頭實時取景，將四個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 功能實現(xiàn)

3.1 激光測距的功能實現(xiàn)

原理圖如圖2，假設激光束與攝像頭的光軸完全平行，激光束的中心落點在攝像頭視域中為最亮點。當激光束照射到攝像頭視域中的跟蹤目標上時，攝像頭就可以捕捉到這個點。

易推導得距離D:

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

算法流程為：首先，啟動攝像頭，通過攝像頭采集視頻圖像，截取圖像;通過亮點檢測程序尋找激光所示的亮點，如果存在，測量其距圖像中心的像素個數(shù)Num ;最后，通過公式計算間距，通過與設定的安全距離的比較，確定是否安全，不安全則發(fā)出警報提醒。

3.2 疲勞駕駛檢測功能實現(xiàn)

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

通過檢測人臉范圍，判斷人臉是否存在，如果不存在，定時器清零，返回;如果檢測到人臉，定時器啟動，開始計數(shù);同時，通過面部特征識別，來定位兩眼;認為如果能在一定的時隙內定位到兩眼，證明駕駛員并非出于疲勞駕駛狀態(tài);此時定時器清零，返回;如果在5S 內無法定位到眼睛，則認為處于疲勞駕駛，此時發(fā)出警報提醒。

算法流圖見圖3。

3.3 酒精濃度檢測功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)利用酒精傳感器NAP-66E 來實現(xiàn)酒精濃度的測量。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放大器放大到和A/D轉換器TLC2543 匹配的電壓值，經(jīng)過A/D 轉換后，得到的數(shù)值在MCU 中進行適當?shù)奶幚恚詈笸ㄟ^串口線和PC 機進行通信，把測得的數(shù)據(jù)實時傳輸給PC 機，利用PC 機實現(xiàn)顯示、報警等功能。應用酒精檢測芯片，通過與單片機、A/D 芯片、運算放大器的硬件連接，構成了酒精檢測模塊。設計電路如圖4 所示。

3.4 GPS 定位功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)使用GARMIN 公司的GPS 接收機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。

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

采用先初始化，設置使用的串口，相應的波特律為9600，數(shù)據(jù)位為8 位，停止位為1 位。在用戶點擊接收按鈕后，采用查詢方式，從讀入1 0 2 4 個字節(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> 當前位置的格林尼治時間，格式為hhmmss

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

3> 緯度， 格式為 ddmm.mmmm

4> 標明南北半球， 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。

當判斷到‘A’時，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?shù)霓D換自動調用庫里的地圖，并在地圖上用紅色點表示當前所在的位置。

3.5 全景環(huán)視功能實現(xiàn)

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