1.1 項(xiàng)目背景

隨著汽車的普及和高速公路的興建，汽車的主動安全性能受到人們越來越多的關(guān)注，安全輔助駕駛已成為國際智能交通系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。然而，研究表明，在駕駛員--汽車--道路3個(gè)環(huán)節(jié)中，駕駛員是可靠性最差的一個(gè)環(huán)節(jié)，80％以上的交通事故來自于駕駛員的錯(cuò)誤。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中約有44％的交通事故與車輛行駛偏離正常車道有關(guān)，其主要原因是駕駛員注意力不集中或者疲勞駕駛，造成車輛的無意識偏離。針對此情況，行車過程中的車道檢測及報(bào)警的研究，受到了世界各國的高度重視。

1.2 系統(tǒng)功能及項(xiàng)目目標(biāo)

系統(tǒng)的主要功能分為下面五個(gè)部分：

（1）通過攝像機(jī)獲取車道信息，即視頻幀圖像

（2）對得到的視頻幀圖像進(jìn)行預(yù)處理

（3）對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行邊緣提取，獲得車道標(biāo)識

（4）根據(jù)車道標(biāo)識進(jìn)行離道評估

（5）根據(jù)評估結(jié)果做出相應(yīng)報(bào)警措施

系統(tǒng)的要求及目標(biāo)：

（1）系統(tǒng)的所有功能和算法都使用FPGA實(shí)現(xiàn)

（2）系統(tǒng)能滿足實(shí)時(shí)處理要求，達(dá)到系統(tǒng)的實(shí)用性

2.項(xiàng)目方案

2.1 功能模塊

從功能上，車道偏離報(bào)警系統(tǒng)可分為4個(gè)功能模塊，分別是：車道識別預(yù)處理(Preprocessing)、車道模型判斷(Mode Selection)、車道識別(Lane Detection)和道路偏離判斷(Warning)，采用例圖表示系統(tǒng)功能，如圖一所示。

圖（一）車道偏離報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1. 車道識別預(yù)處理模塊

車道識別預(yù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，車道邊緣特征點(diǎn)提取模塊主要包括一些預(yù)處理的平滑算法，基于灰度閾值分割的車道外邊緣檢測和車道圖像的二值化處理。

2. 車道判斷模塊

車道判斷模塊，根據(jù)道路的先驗(yàn)知識，通過直線或者曲線模型來確定車道線，將車道檢測轉(zhuǎn)化為確定數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。車道模型分為直線模型，曲線模型和組合模型三種。

3. 車道檢測模塊

車道檢測指在沒有道路先驗(yàn)信息條件下，確定車道標(biāo)志線的位置，用直線或者曲線擬合車道特征點(diǎn)，得到車道線的數(shù)學(xué)模型，用于車道偏離預(yù)警的判斷。

4. 道路偏離模塊

道路偏離模塊根據(jù)車道檢測模塊得到的數(shù)據(jù)，利用車道偏離警告標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車道偏離判斷，根據(jù)判斷的結(jié)果和給定的閾值比較，做出相應(yīng)警告。

從用例圖中可以看出這四個(gè)模塊的相互關(guān)系，在圖像預(yù)處理模塊和車道模型選擇模塊的基礎(chǔ)上，啟動車道檢測模塊。預(yù)警模塊則依賴于車道檢測模塊，根據(jù)車道檢測的參數(shù)，判斷是否預(yù)警。

2.2 處理流程

該系統(tǒng)的流程圖如圖二所示：

圖（二）車道偏離報(bào)警系統(tǒng)流程圖

1.視頻圖像采集

根據(jù)攝像頭的安裝位置，攝像頭可以分為側(cè)視攝像（攝像頭安裝在車輛側(cè)面）和前視攝像（攝像頭安裝在車輛前部，斜指向車輛的前方），本系統(tǒng)中采用前視攝像方式。

2.圖像預(yù)處理

圖像在采集過程中，由于路面存在坡度，障礙物，車道在遠(yuǎn)方還有天空等信息，這些信息具有很強(qiáng)的干擾性，因此捕獲得到的車道不能直接用于車道檢測。需要通過一些圖像初始化，選擇感興趣的區(qū)域，以減少干擾和提高計(jì)算性能。為了消除噪音的影響還要做低通濾波，最后還要采用利用閾值對圖像進(jìn)行二值化分割，以獲取更為清晰的車道線，簡化了車道線檢測。

3.車道檢測

車道檢測指在沒有道路先驗(yàn)信息條件下，確定車道標(biāo)志線的位值，用直線或者曲線擬合車道特征點(diǎn)，得到車道線的數(shù)學(xué)模型，用于車道偏離預(yù)警的判斷。車道的視頻圖像具有連續(xù)性，車道線不會發(fā)生突變，因此，對于車道特征不明的單幀圖像，可以引入前一幀圖像的車道模型參數(shù)，提高檢測的精度。同時(shí)，在前一幀車道線周圍設(shè)置感興趣區(qū)域，縮小檢測范圍，提高檢測速度。

4.車道偏離判斷

車道偏離判斷的警告標(biāo)準(zhǔn)可以分為四種，基于車輛在車道中的當(dāng)前位置，基于將來偏移量的不同，基于車輛將橫越車道邊界的時(shí)間，基于知識的道路場景感知。

2.3 硬件架構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司的Nexys 3 Spartan-6 FPGA Board開發(fā)板，利用其上的Xilinx Spartan®-6 FPGA (XC6LX16-CS324) 的大容量邏輯資源完成各個(gè)模塊。根據(jù)2.2節(jié)中的處理流程，系統(tǒng)應(yīng)該包括以下模塊：視頻數(shù)據(jù)提取模塊，預(yù)處理模塊，車道檢測模塊，車道偏離模塊，整體的硬件架構(gòu)如圖三所示：

圖（三）硬件架構(gòu)圖

視頻數(shù)據(jù)提取模塊復(fù)雜提取車道視頻圖像，并通過USB控制單元將視頻幀傳輸?shù)筋A(yù)處理模塊。在預(yù)處理模塊對視頻幀圖像進(jìn)行加強(qiáng)，得到車道與背景分割的二值化圖像。在車道檢測模塊中將二值化圖像的中的車道進(jìn)行擬合，得到清晰穩(wěn)定的車道信息。最后根據(jù)車道的信息參數(shù)，判斷汽車離道。