硕士学位论文-偏离预警系统中图像处理模块的研究.pdf

分类号：u 2 7 ；u 4 6 1 0 7 1 0 0 8 2 2 0 1 9 滚专犬海 硕士学位论文 基于达芬奇平台的车道偏离预警系统中 图像处理模块的研究 付强 导师姓名职称仝秋红教授 申请学位级别工学硕士学科专业名称 车辆工程 论文提交日期2 0 11 年5 月2 2 日论文答辩日期 2 0 1 1 年6 月7 日 学位授予单位 长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 曹建明教授 蹇小平教授 ；i。，jj， 罨 j ar e s e a r c hb a s e do nd a v i n c ip l a t f o r mo fi m a g e 一 一 。- d r o c e s s l n 2m o d u l eab o u tl a n ed e p a r t u r ew a r n i n g s y s t e m ， ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f d o c t o r c a n d i d a t e ：f uq i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f t o n gq i u h o n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 讨缎, z o l l 年月1 7 e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 讨孤 z df 年石月甲日 2 刀7 年多月p 日 摘要 随着我国经济的高速发展，汽车越来越广泛的普及到我们生活的各个角落，然而交 通事故的潜在危机使得我们面临着巨大的紧迫感。避免交通事故发生的措施有很多，除 了完善法规，加强管理，提高驾驶员素质之外，通过科技手段，利用汽车电子产品在汽 车上的安装来提高道路交通安全已经成为人们的共识。本文的研究内容涉及车道偏离预 警系统，系统在避免因驾驶员注意力不集中而引起的交通事故方面有着良好的作用。 经过调研国内外车道偏离预警系统的发展趋势，发现国内车道偏离预警系统的研究 远远落后于国外，而且以算法研究居多，相关的系统硬件平台搭建的比较少。本文的研 究内容主要是系统整个平台的搭建以及相关图像处理算法在平台上的验证工作。通过比 较，采用德州仪器推出的达芬奇实验板做为系统的基础开发平台，然后在此平台的基础 之上，搭建设计了整个系统的框架，设计了视频采集模块、视频图像处理模块、视频显 示模块。然后对系统的硬件框架和软件框架进行了设计，在硬件平台的基础之上，对软 件开发环境的搭建和达芬奇系统的开发流程做了详细的探讨。 搭建好系统软硬件平台的基础后，进行了道路视频的实时处理与存储试验，在试验 过程中对图像进行了平滑处理和边缘检测处理，将比较经典的算法在平台上进行对比试 验，从而确定了在此平台上处理效果较好的滤波算法和边缘检测算法，同时也验证了该 平台满足系统性能的要求。最后，对道路图像的实时存储做了深入的研究，设计了硬盘 存储模块，实现了道路图像的实时存储，为整个课题的下一步研究打下了坚实的基础。 关键词：图像处理，达芬奇平台，车道偏离，边缘检测，硬盘存储 a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u r e c o n o m y ，c a r i sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v es p r e a dt o e v e r yc o m e ro fo u rl i f e h o w e v e r , t r a f f i ca c c i d e n tp o t e n t i a lc r i s e sm a k eu sf a c i n gh u g es e n s e o fu r g e n c y t h e r ea r em a n ym e a s u r e st oa v o i dt r a f f i ca c c i d e n th a p p e n e d ，b e s i d e ss t r e n g t h e n m a n a g e m e n t ，p e r f e c t i n gs t a t u t o r ya n di m p r o v ep i l o tq u a l i t y , u s i n ga u t o m o b i l ee l e c t r o n i c p r o d u c t si nc a r si n s t a l l a t i o nt oi m p r o v er o a dt r a f f i cs a f e t yh a sb e c o m et h ec o n s e n s u so fp e o p l e t h i sr e s e a r c hc o n t e n ti sa b o u tl a n ed e p a r t u r ew a r n i n gs y s t e m ，t h i ss y s t e mh a sad e c e n tr o l ei n a v o i d i n gt h et r a f f i ca c c i d e n tc a u s e db yt h ed r i v e r si n a t t e n t i o n a f t e ri n v e s t i g a t i o no fd o m e s t i ca n df o r e i g nl a n ed e p a r t u r ew a r n i n gs y s t e md e v e l o p m e n t t r e n d ，w ef i n dd o m e s t i cl a n ed e p a r t u r es y s t e mr e s e a r c hl a g g e df a rb e h i n dt h ea b r o a d ，t h e m a j o r i t yi na l g o r i t h m sa n dt h er e l e v a n ts y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r ml e s s t h em a i nc o n t e n to f t h i sp a p e ri st h ew h o l ep l a t f o r m sc o n s t r u c t i o na n dr e l a t e di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h mi nt h e v a l i d a t i o nw o r ko nt h ep l a t f o r m b yc o m p a r i s o n ，d a v i n c ie x p e r i m e n tb o a r dp r o d u c e db y t e x a si n s t r u m e n t sw a sc h o s e na ss y s t e mb a s e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h e ni nt h ep l a t f o r m b a s e do nt h ed e s i g no ft h es y s t e m ，b u i l dt h eh a r d w a r ef r a m e w o r k ，d e s i g nt h ev i d e oa c q u i s i t i o n m o d u l e ，t h ev i d e oi m a g ep r o c e s s i n gm o d u l ea n dv i d e od i s p l a ym o d u l e t h e nw ed e s i g nt h e s y s t e m sh a r d w a r ef r a m e w o r ka n ds o f t w a r ef r a m e w o r k o nt h eb a s i so fh a r d w a r ep l a t f o r m ， t h es t r u c t u r e so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dt h ed a v i n c is y s t e md e v e l o p m e n t p r o c e s st od oad e t a i l e dd i s c u s s i o n o nt h eg o o df o u n d a t i o no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ，w em a d eav i d e oo f r e a l - t i m ep r o c e s s i n ga n ds t o r a g et e s t i nt h et e s t ，w em a d es m o o t hp r o c e s s i n go fi m a g e p r o c e s sa n de d g ed e t e c t i o n i nt h ep l a t f o r m ，w em a d et h ec l a s s i c a la l g o r i t h mt e s t s ow ef i n d w e l lf i l t e r i n ga l g o r i t h ma n de d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mt oo u rp l a t f o r m ，m e a n w h i l ew ea l s o p r o v e st h i sp l a t f o r mm e e tt h es y s t e mo fp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s f i n a l l y , w em a d ed e p t h r e s e a r c hi nt h ep a t hr e a l t i m ei m a g es t o r a g e ，d e s i g nt h eh a r dd i s kd r i v es t o r a g em o d u l e ，a n d r e a l i z et h er e a l - t i m es t o r a g eo ft h er o a di m a g e s a tl a s t ，w ee s t a b l i s has o l i df o u n d a t i o nf o rt h e r e s e a r c h k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，d a v i n c ip l a t f o r m ，l a n ed e p a r t u r e ，e d g ed e t e c t i o n ， h a r dd i s ks t o r a g e 目录 第一章绪论1 1 1 论文的研究背景及意义1 1 1 1 车道偏离预警系统的简介1 1 2 车道偏离预警系统的发展概况2 1 2 1 国外车道偏离预警系统的相关研究现状2 1 2 2 国内车道偏离预警系统的相关研究现状3 1 3 车道偏离预警系统图像处理中目前存在的问题4 1 4 本文的主要研究工作。4 1 4 1 论文的内容和组织结构4 1 4 2 论文研究的意义5 第二章开发环境介绍6 2 1 达芬奇平台简介6 2 1 1d v e v m 数字视频评估板6 2 2 编译和调试工具。匕8 2 3 系统集成l0 第三章车道偏离预警系统中硬件系统的总体框架1 2 3 1 视频图像处理系统的总体框架1 2 3 1 1 视频采集模块一1 2 3 1 2 视频图像处理模块。l5 3 1 3 视频显示模块15 3 2 软硬件功能实现的划分1 6 3 3 系统的硬件架构1 7 3 3 1 系统的片外构架1 7 3 3 2 系统的片内架构一1 8 3 3 3 视频处理子系统1 9 3 4 软件构架2 0 3 4 1 软件的组成。2 0 3 4 2 软件系统的开发流程2 l 3 4 3 软硬件平台搭建过程3 0 3 5 本章设计小结4 0 第四章实车道路视频的处理与存储4 l 4 1 道路图像平滑处理4 2 4 2 图像的边缘检测4 5 4 3 道路图像信息的存储模块4 9 4 3 1a t a 硬盘接口的实现5 0 4 3 2a r a 数据的传送5 0 4 3 3 具体实现过程5l 4 4 本章小结。5 1 第五章总结与展望5 3 5 1 本文的研究成果5 3 5 2 本文的不足5 4 5 3 课题展望5 4 参考文献5 6 到c谢6 0 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 随着国家对汽车工业的扶持和汽车下乡活动的深入开展，汽车已经普及到了我们生 活的各个角落。与此同时，汽车行车安全受到越来越多的关注，交通事故的频繁发生所 带来的经济损失和人员损失就像悬挂我们头上的一把达摩克利斯之剑。潜在的危机促使 我国的各级部门采取一系列的防范措施，但是由于人为不确定因素的影响，随着现在汽 车保有量的持续增长，事故的发生也越发频繁。从汽车的性能方面考虑，汽车的安全性 分为主动安全和被动安全，其中主动安全成为越来越受重视的部分，随着电子产业的发 展和汽车电子的广泛应用，人们更希望在事故发生之前能采取合理的措施将其避免。而 车道偏离预警系统作为主动安全系统中的新成员，受到人们越来越多的重视。 通过相关调查显示，在汽车行驶过程中，由于驾驶员注意力不集中而引起的车辆偏 离车道是造成交通事故的一个不可忽视的因素，但是在我国由于经济利益的驱使和安全 意识的缺乏，这种由于疲劳驾驶而引起的注意力不集中所导致的交通事故短时期内还无 法消除。而且由于我国高速公路的飞速发展，长途运行也变得越来越频繁，在我国开发 能够有效的防止交通事故发生的车道偏离预警系统的任务越来越紧迫，具有极强的现实 意义。 综合分析认为，由疲劳驾驶所引发的交通事故量的持续增多，使得车道偏离预警系 统的开发刻不容缓，系统所拥有的独特的优越性受到社会越来越多的关注。而德州仪器 公司推出的达芬奇技术更为此提供了技术上的支持和可能，为其深入的发展做出了铺挚 和贡献。 1 1 1 车道偏离预警系统的简介 根据美国国家公路交通安全管理局的定义，车道偏离预警系统【l 】是指一种通过报警 的方式提醒驾驶员避免和减少车道偏离事故发生的系统。系统通过摄像头采集道路图像 信息，通过传感器获取汽车运行过程中所需要的其它参数如车速、加速度等，以这些参 数为基础，通过相应的判定和决策算法的判别，判断汽车是否发生或者已经发生车道偏 离。如果判定的结果是会发生车道偏离，那么系统将会通过显示器显示、发出警报声等 方式向驾驶员报警，从而促使驾驶员采取积极的措施使汽车回到正常的行驶道路上，避 免事故的发生。 通过相关的研究发现，文献1 2 l 认为车道偏离预警系统可以有效的预防至少2 4 的由 第一章绪论 车道偏离引起的伤亡事故，其对于防止由于驾驶员短暂分神而引起的事故作出了巨大的 贡献。鉴于以上事实，各大汽车企业对其展开了深入的研究活动。同时伴随着智能交通 研究热潮的来袭，人们越来越希望通过科技的力量来保证驾驶的安全性，安装各式电子 系统来促使驾驶员保持足够的警惕性，提醒潜在的危险和提示驾驶员应当采取合理适当 的措施来避免危险的发生，从而提高车辆行驶时的安全性。越来越多的电子系统开始被 人们所选购，安装在汽车上，发挥着越来越广泛的作用。 综上所述，为了降低事故的发生率，对驾驶员无意识的车道偏离进行干预，使之及 时的采取措施，对我们创造安全的交通运行环境有不错的效果，可以有效的保证驾驶员 以及路人的安全以及减少经济损失，有着极其重要的作用和极为深远的意义。 通过对国内一些高校和企业进行的相关研究调研，发现各种理论算法的提出和改进 层出不穷，也有的地方利用v c 平台或m a t l a b 平台进行了系统的开发，但是随着嵌入式 系统的广泛发展，基于v c 平台和m a t l a b 平台的系统不论从性能上还是从成本上都远远 落后，而相应的基于嵌入式系统的算法应用实现以及产品化还有很大的空白需填补。本 文就是基于目前研究的缺陷，选取了恰当的实验平台，在该平台的硬件系统基础上进行 了探索性的实验和创新，并且对算法的实现进行了验证，取得了良好的效果。研制本系 统可以有效降低由于车道偏离而引起的交通事故，从而有效的保证行车安全。 1 2 车道偏离预警系统的发展概况 目前不论是在学术界还是在市场上，相关的研究早已展开，大量的资源也被汽车厂 商投入到此项开发中，且已经有产品开始推向市场。经市场调研发现，在沃尔沃x c 6 0 、 雪铁龙c 6 、宝马新7 系、大众c c 等豪华车上已经配备各厂家自主研发的产品，但普遍 存在成本偏高，误报率高等缺点，导致整车价格也相应的偏高，且在低端车上没有应用， 此系统的推广就目前来说还不现实。且因为技术保密和我国电子产业的落后等原因，我 国尚未有成熟的国产化产品推向市场，但与此同时，我国正加紧对此研发的投入力度， 相信用不了多久，就能有成熟的产品出现。 1 2 1 国外车道偏离预警系统的相关研究现状 1 a u r o r a 系统 卡耐基一梅隆大学研发的a u r o r a i 3 1 【4 1 系统是基于计算机视觉的横向位置评价系 统，它所实现的主要功能有：检测跟踪识别公路表面的车道标志线；进而评价车辆和标 志线之间有无发生相对位移；当车辆偏离车道或者存在偏离车道的趋势时，系统会通过 2 长安大学硕士学位论文 显示屏或音箱发出信号来提醒驾驶员采取合理的措施来避免事故的发生。用于收集道路 信息的摄像头在系统中被放置在车辆的侧面，它能拍摄到的是车辆侧方1 5 米一2 米左 右的范围。高性能的数字图像采集卡对摄像头采集到的信息进行收集，然后发送到便携 式s u ns p a r c 工作站进行处理，进而进行分析判定，输出结果。不过因为此系统开发的 时间比较早，所采用的核心虽然是便携式的工作站，但仍存在体积过大，成本过高等一 系列问题，随着现在嵌入式系统的飞速发展，其性能已经比不上一些其它的系统，不过 它当时在系统设计时采用的一些的方案和思路仍值得我们学习和借鉴。 2 a u t o v u e 系统t 5 i 该系统由d a i m l e r c h r y s l e r 公司和i t e r i s 公司联合开发，目前为止已经开发到其第二 代产品。该系统的组成包括一个摄像机、两个音箱、一个显示设备和控制单元，它为此 类系统的搭建建立了一个宏观上的框架，虽然后续推出的一些产品在构造和组成器件上 有所区别，但是大体上还都是依靠这个框架来的。在工作过程中，它实时监测车辆的横 向位置有无发生改变，不断计算车辆和车道标志线之间的相对距离，在系统中早已设定 好一个报警距离，系统将检测到的距离和预设报警距离进行比较从而判断是否需要报 警。当检测到的距离小于系统的预设报警值时，它会通过音箱发出警示声和通过显示器 发出警告图像来提醒驾驶员采取相应的操作来修正车辆的位置。目前，此系统得到了欧 盟的认可，在欧洲的货车上进行了强制性的推广。 3 m o b i l e y 9a w s 系统 。 该系统是由荷兰的m o b i l e y e 公司开发，从2 0 0 7 年开始已经被宝马、通用等知名汽 车厂商指定为汽车配件供应商。用来检测车道标志线的摄像头安装在前挡风玻璃的后 面，它的原理也是通过摄像头测量车辆和道路标志线的相对距离。通过检测标识线的位 置，对车辆跨越车道线的时间进行预测，当该时间小于系统的预设值时，系统即将触发 视觉和声音警告，促使驾驶员对不同的危险情况做出恰当合理的反应从而减少事故的发 生概率1 5 i 。不过作者觉得此系统的判定决策有一定的缺陷，有意识的偏离车道和无意识 的偏离车道往往在时间上差距不是十分的明显，时间可以做为一个参考值，不能做为一 个判定值。 1 2 2 国内车道偏离预警系统的相关研究现状 在国内，由于总体科研水平和电子产业的落后，在该项研究方面远远落后于欧美等 国。截止到目前为止，国内还没有自主研发成功、具有自主知识产权的、产品化的车道 偏离预警系统。目前，仅仅有吉林大学、东南大学、长安大学等有限的几所高校开展了 3 第一章绪论 这方面的研究。伴随着我国汽车消费的越来越普通，人们对汽车质量的要求也越来越高， 安全性与舒适性在人们选车时成为了一项重要的参考指标，车道偏离预警系统作为一项 实用高效的安全系统，会给汽车的安全性大大的增添砝码。因此，深入研究此系统的原 理以及开发高效实用的产品，是当前面临的重要任务，也是摆在本土汽车企业面前的一 个大问题，更是本土汽车企业追赶世界先进水平的一次机遇，对本土汽车电子事业的发 展具有意义深远的影响。 1 3 车道偏离预警系统图像处理中目前存在的问题 经过相关的调研，发现制约我国车道偏离预警系统发展的主要是硬件平台，国外成 熟产品所采用的平台都是基于d s p 或a r m 。众所周知，目前我国还无法自己开发生成 出与之相同水平的处理器，所以只能采用国外的处理器，而整个系统硬件平台的设计搭 建、软件开发环境的设立，都牵扯到一系列的问题，整个系统的整合以及算法在系统上 的实现是一个比较困难的问题，而许多优秀的算法也将面临空有一身本领而无用武之地 的处境。因此，本文就这一问题而进行探索，希望能对后续的研究者提供具有指导意义 的引导和帮助。 1 4 本文的主要研究工作 1 4 1 论文的内容和组织结构 本论文研究的内容是基于达芬奇平台的车辆偏离预警系统。论文共分五章，各章的 具体内容安排如下： 第一章绪论主要介绍了论文研究的背景，以及车道偏离预警系统在交通运行中所具 有的重要意义。介绍了当前欧美国家先进系统的发展现状，综合分析我国的发展现状， 指出限制我国发展的瓶颈和以后努力的方向，并对本文所研究的内容作适当的介绍。 第二章主要介绍了达芬奇平台，对其硬件系统、编译调试工具和软件系统都进行了 相应的介绍，对开发环境搭建过程中所需要做的一些工作也做了相应的介绍。 第三章主要讲述了嵌入式车道偏离系统的实现方案，对系统的总体框架进行了设计 搭建，对其中的视频采集模块、模拟图像的a d 转换与解码、视频图像处理模块进行了 详细的搭建。且对整个系统的硬件构架，软件构架，以及软件系统的开发流程、软硬件 开发平台的搭建过程，都做了详细的工作。 第四章主要介绍了图像处理算法在此硬件平台上的运行效果以及相互之间的比较， 以及硬盘存储模块的设计。本章首先对图像处理算法进行分析比较，得出比较适合本平 4 长安大学硕士学位论文 台的算法。最后，在平台上实现了外扩硬盘的设计与存储，对采集的道路图像进行硬盘 存储。 第五章是将本文所做的工作做一个整理，总结所取得的成果，而且对本文所欠缺的 地方做了总结，对下一步要做的工作进行展望，提出了建设性的意见。 1 4 2 论文研究的意义 伴随着交通事业的飞速发展，交通事故的发生也面临着越来越暴增的趋势，而其中 由车道偏离而引起的交通事故所占的比例大更是突出。所以，专门针对车道偏离事故而 开发的车道偏离预警系统的研究就显得特别有意义。本文对车道偏离预警系统中的硬件 系统进行了探索性的设计，且在此平台上进行了算法的较好的研究，取得了比较好的效 果，为以后的相关研究做出了探索性的指导，为我国在此方面的研究，赶超世界先进水 平，作出了积极的探索和贡献。 5 第二章开发环境介绍 第二章开发环境介绍 2 1 达芬奇平台简介 德州仪器公司推出的达芬奇平台是采用当前业界最先进的技术研发而成，它具有较 完善的软硬件系统和开发工具，且德州仪器在中国的第三方合作公司提供了较好的技术 支持，自推向市场以来，风靡了电子领域，成为了无数工程师的最爱。达芬奇平台是一 个包含高中低档全系列的产品，不同领域不同需求的客户都可以在这里找到适合自己要 求的解决方案，且不同方案之间具有一定的继承性，使得客户以后对自己产品的升级、 后续研发十分的方便，这一点，很博得工程师们的喜爱。 工程n # l l 的想象力和创造力赋予了电子产品灵魂，一件件令人惊叹的产品包含了工 程师们无数的心血。为了激励鼓舞工程师们开发出更加完美、更具创新性的产品，德州 仪器采用达芬奇的名字来命名该平台，是希望工程师们能继承达芬奇的创新精神，掀起 电子产业的一场“文艺复兴“ 运动1 6 1 。 为了从成本和性能方面满足不同客户的要求，达芬奇可以根据不同的需求作出最优 的组合，可以极恰当的控制好性能和成本之间的平衡，此项特点可以极大的方便工程师 的工作，免除工程师的后顾之忧，使之尽情的发挥自己的才能。 2 1 1d v e v m 数字视频评估板 德州仪器官方推出的达芬奇平台提供了一款实用的数字视频实验板1 7 1 ，实验板附带 了达芬奇平台所支持的所有外设以及接口单元【8 j ，我们所选用的实验板虽然都是经过第 三方修改补充过的，不过其大体的框架并没有修改，只是在原来的基础上更加丰富了而 已，接下来对其所包含的资源做简要的介绍。 6 长安大学硕士学位论文 图2 1s e e d d v s 6 4 4 6 开发板实物图 ( 1 ) 存储器单元 d m 6 4 4 6 集成了标准的e m i f 接口，此接口可以方便的为系统设计配备各种存储设 备。在开发的过程中，我们就在主板原来仅有1 6 m 的n o r f l a s h 、6 4 m 的n a n d f l a s h 的基础之上，外扩了大容量的硬盘，拓展了系统的性能。d d r 2 接口连接了2 5 6 md d r 2 芯片。 d m 6 4 4 6 内部集成了d d r 2 存储器寄存器，在系统中我们外接了1 2 8 m b 的d d r 2 芯片，该部分主要用来解决系统运行过程中程序、数据和视频存储的问题。 ( 2 ) 音频单元 实验板提供了标准的两路音频输入输出接口，支持音频项目的开发，截止到目前为 止，在本项目中没有用到，不过可以考虑做声控命令部分，对防止驾驶员在驾驶过程中 由于操作仪器而分神应该有不错的效果。 ( 3 ) 网络单元 网络方面采用i n t e l 公司的l x t 9 7 1 芯片，实验板上提供一个标准的列4 5 接口，在 l i n u x 实验平台下的有关实验中，会用到网络单元，且此单元的存在，对汽车网络通讯 的开发也有帮助。 ( 4 ) 供电单元 7 第二章开发环境介绍 实验板采用的供给电流为直流1 2 v t g l 。其中1 2 v 的电源通过相关的转换芯片分别转 换成1 2 v 、1 8 v 、3 3 v 分别给不同的设备供电。实验过程中，采取将2 2 0 v 交流转变为 1 2 v 直流电的方法对实验板供电。不过由于在实车试验中汽车上没有2 2 0 v 的交流电， 我们将汽车点烟器处的电源变压为2 2 0 v ，从而解决了这一难题。 2 2 编译和调试工具 系统所包含主要有实验板1 1 0 1 、电脑主机以及j t a g 仿真器。实验板正常运行需要在 a r m 端和d s p 端都有各自的可执行文件，它们的生成主要是利用l i n u x 环境下的交叉 编译器编译生成，生成可执行文件之后，利用网络通讯功能将其复制到实验板的 m o t a v i s t a l i n u x 文件系统中，最终在实验板上运行调试程序。实验板和计算机之间的数 据通信是通过以太网口实现的，从而使得实验板能够访问计算机端的n f s 文件系统， 编译好的可执行文件也能够通过网络接口下载到实验板，方便了我们的调试工作。实验 板自带了一个标准r s 2 3 2 串口，计算机的串口与之相连接之后，通过w i n d o w s 自带的 超级终端作为控制台，可以监视和控制实验板上的l i n u x 系统和程序的运行状况。在进 行调试工作的时候，使用j t a g 仿真器可以大大的方便调试工作。 下面介绍系统开发过程中所需的一些软硬件工具。 ( 1 ) j t a g 仿真器 我们选取的仿真器为s e e d x d s 5 6 0 p l u s ，在进行仿真器的采购过程中，另有一款 5 1 0 仿真器同样引起了我们的兴趣，不过在调试过程中我们发现，5 1 0 仿真器的仿真速 度不够快，容易出现掉线和死机等现象，所以我们选取5 6 0 仿真器，虽然价格偏高，不 过其可以完全满足系统对仿真速度的要求。它具有在线调试和监测d m 6 4 4 6 c p u 的工作 状态的功能，可将系统的片内寄存器和寻址空间内的内容实时的读取出来，方便我们实 时的对程序进行监控，从而进行相应操作。 8 长安大学硕士学位论文 图2 2x d s 5 6 0 p l u s 仿真器实物图 磬 ( 2 ) c c s c c s 是德州仪器专门针对d s p 而设计的高效集成开发环境，它将开发d s p 端的应 用程序所需要的工具都集成在一起。程序中所需要的库文件就是利用c c s 将算法进行 编辑和编译生成的。 ( 3 ) s o u r c e l n s i g h t 编辑器 。 s o u r c e l n s i g h t 是一个面向项目开发的程序编辑器和代码浏览器，它提供了可快速访 问源代码和源信息的功能，在读写比较大的程序或者进行嵌入式系统的开发时，相互之 间的定义、引用等非常频繁，使用此软件可以快速的找清楚它们之间的关系，一目了然， 非常的方便快捷。 ( 4 ) w i n o d w s 超级终端 在超级终端方面我们采用了w i n d o w s 自带的超级终端，非常简单实用。它可通过串 口监视实验板上程序的运行，我们可以通过键盘操作，并将命令通过串口发送给实验板， 并且可以实时的将系统运行的情况打印出来，人机交换的效果非常好。 ( 5 ) r e d h a tl i n u x 交叉编译器 交叉编译【l l l 是在嵌入式a r m 开发过程中采用的一项技术，在嵌入式系统中运行的 程序代码不是由嵌入式系统本身生成，而是由另一台机器编译生成。产生交叉编译的原 9 第二章开发环境介绍 因是，嵌入式目标系统大多硬件配置比较低，编译所需要的硬件资源无法得到满足，所 以工程师们一般将编译工作放在性能比较高的主机中来做，编译完成之后，再将编译好 的文件下载到目标机中。主机上所建立的交叉编译环境主要由编译器、连接器和解释器 组成。 l i n u x 下的交叉编译环境由以下几个部分组成： 1 、针对嵌入式系统的编译器g c c ： 2 、针对嵌入式系统的二进制工具b i n u t i l s ： 3 、嵌入式系统所需的标准c 库g l i b c ； 4 、嵌入式系统的l i n u x 内核头文件。 2 3 系统集成 此系统的开发平台相对来说对计算机的硬件要求比较高，在配置较低的电脑上可能 会出现仿真速度过慢，或者硬件资源满足不了要求而无法运行的情况。开发环境主要分 为c c s 和l i n u x ，因为我们平常使用的电脑都是w i n d o w s 操作系统，大家对l i n u x 也不 是很熟悉，所以我们就采取了在w i n d o w s 环境下安装一个虚拟机的方法，然后在虚拟机 里虚拟出来的环境中安装l i n u x ，这样的话对硬件的要求也比较低，开发上手的难度也 比较小。当然，各部分必须经过编译调试整合之后才能正常工作。下面对系统集成中所 做的一些工作进行一下简要的介绍。 ( 1 ) 算法库的编译【2 1 我们采用德州仪器推出的c c s 3 3 集成编译工具对两个算法源代码进行改写编译， 在后续的算法编写过程中，主要也是运用c c s 编写。利用c c s 我们可以生成两个不同 的l i b 文件，然后在d s p 端和a r m 端运行的程序中对它们进行调用。 ( 2 ) d s p 文件的编译 利用l i n u x 环境下的d s p 编译器将b i o s 、c o d e e n g i n e 和算法库进行整合编译，生 成d s p 端的可执行文件x 6 4 p ，否则单独的一个算法库文件是没法运行的。 ( 3 ) u - b o o t 的编译 u b o o t 是l i n u x 中的一个开源引导程序，在达芬奇平台中，官方将其打包成一个压 缩文件，在实际的运用中，通过运行l i n u x 下的编译脚本就可以将根据需要改写之后的 u b o o t 进行重新编译。通过c c s 可以将u b o o t b i n 文件烧写到系统的n a n df l a s h 中， 烧写过程在下面有简单介绍。 ( 4 ) l i n u x 内核的编译 1 0 长安大学硕士学位论文 通常情况下来说，内核不需要进行改动，但在面临某些特殊情况时需要对驱动进行 相应的修改，例如硬件设计的改动，这时候就需要重新将l i n u x 内核i ”i 进行编译。不过 就目前本项目的进度和需要，还没有需要对内核进行编译，在此仅对其进行简单的介绍， 为后续的开发做准备。与u b o o t 的编译过程相类似，通过运行相应的脚本程序就可以 将u l m a g e 文件编译好，然后用c c s 将其烧写到系统的n a n df l a s h 中。 ( 5 ) 应用程序的编译 顾名思义，应用程序部分就是用户自己要实现的部分，根据要实现的功能编写相应 的程序，当然也要自己根据需要编写编译脚本。德州仪器公司为了使一部分用户更好的 入门，在达芬奇平台中提供了一些简单的d e m o 程序，为我们提供了一个相对来说可以 借鉴的思路，我们可以根据需要修改里面的内容即可。当然，如果做到比较熟练的程度， 可以按照自己的思路编写具有新流程的程序。 ( 6 ) 文件系统的裁剪 达芬奇平台随机附带的文件系统比较庞大，且提供的功能非常全面。但是在实际使 兽 用中，所做出来的产品经常只是为实现某些特殊的功能，它不需要各个方面都很全面， 而且为了节省成本，硬件方面往往能省则省。所以，我们没必要用那么全面的文件系统， 这样的话，文件系统中暂时不需要的部分就可以去除掉，例如文件系统中体积最大的u s r 目录，在实际中可以对其进行裁剪，以节省出资源和提高效率。 ( 7 ) u b o o t 、内核、文件系统的烧写 将u b o o t 、内核、文件系统烧写进f l a s h ，在开发的过程中使用的方法是利用常见 的j t a g 方式进行烧写。在l i n u x 环境下，我们配置好编译的选项，选择用交叉编译器 就可以将文件编译好，然后在c c s 环境下就可以将其烧写到n a n df l a s h 内核中。过程 比较简单，在这里不做过多的叙述。 第三章车道偏离预警系统中硬件系统的总体框架 第三章车道偏离预警系统中硬件系统的总体框架 本章主要讲述了嵌入式车道偏离预警系统的实现方案，在对系统的总体框架进行设 计的基础上，将系统的硬件构架和软件构件都进行了成功的开发，并且对系统需要实现 的功能在软硬件上进行了划分，详细介绍了软件系统的开发流程和硬件平台的搭建过 程，由此构建了一个完整的车道偏离预警系统的软硬件平台。 3 1 视频图像处理系统的总体框架 本系统的目的是实现道路图像信息的处理，所以在系统的最前端，首要完成的任务 就是图像信息的采集。道路图像信息是通过c c d 摄像头进行采集的，系统所选用的c c d 摄像头输出的是p a l 制式的模拟信号，但是进行图像相关算法处理的图像必须是数字 信号，所以在将图像数据输入系统之前要先进行模数转换。进行完a d 转换的数据经过 视频解码之后，有一路信号被存入帧缓存中，然后由v g a 显示器将其显示出来；同时 另外一路目标区域的信息被截取之后，进而用于接下来的图像处理，以供判断决策模块 参照。 我们将摄像头采集到的道路图像进行相关的图像处理，而滤波和边缘检测是其中不 可缺少的两个环节，经过这两个环节的处理，我们可以去除掉图像中的噪声干扰，还可 以将图像中我们感兴趣的部分强化出来，供决策机制在下一步的分析判定中引用。图像 滤波的主要作用是对道路图像进行滤波处理，因为在采集图像的过程中，由于设备和环 境因素的影响不可避免的会产生噪声，这部分噪声将会对我们的判定决策机制产生影 响。在对图像进行完滤波处理之后，再对道路图像进行边缘检测，将其中的道路标志线 检测出来，供接下来的标志线跟踪识别，以及决策判定之用。总体框图如图3 1 所示。 ；傀额田像处壤模块； ： - 图3 1 硬件系统的总体框架 3 1 1 视频采集模块 在此模块中我们有两个问题需要解决：其一，摄像头的选择问题，因为不同的摄像 1 2 长安大学硕士学位论文 头的性能特性各不相同，对系统的性能有很大的影响；二是当道路信号采集到之后如何 对它进行a d 转换以及视频编码问题。 1 车用图像传感器的选择 ( 1 ) 图像传感器的简要介绍 图像传感器是摄像头的重要组成部分，根据元件的不同，可以分为可分为c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合元件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r ，金属氧化物半导体元件) 两大类，它们各自拥有不同的优缺点，应用在 不同的场合中。 ( 2 ) 车用图像传感器的特殊要求 由于汽车运行环境和行驶条件的变化多端，车用图像传感器在某些性能方面面临苛 刻的要求。首先必须具有动态范围必须足够宽的特点，这样才能满足汽车运行环境亮度 变化大的要求；其次必须具有足够高的成像敏感度，这样才能在光线较暗的情况下得到 有用的图像，不因采集图像的质量问题而影响系统的正常工作；再次必须具有较宽的频 谱范围，最好带有近红外线的效果，这样在夜间行驶的时候情况会好一些，效果也更理 想。 动态范围宽 动态范围表示图像中所包含的从“最暗“ 至“最亮”的范围。动态范围越大，所能 表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广。假使图像传感器的动态范围宽度比较小 的话，那么系统的判定决策部分将得不到判定所需要的足够精细的图像细节，比较通俗 的说就是照的太模糊了。在传感器动态范围比较大的话，即使它的运行环境很暗，也能 够采集到足够的判断所需的细节，而且在某些光线比较强的地方，还能避免饱和现象的 发生，不因此情况而丢失掉目标。 成像灵敏度高 在同等光线强度的环境下，传感器的灵敏度越高，采集图像所需的光线就越少。需 要的光线越少的话，它面对不同环境时就具有更好的灵活性和适应性，所以通常情况下 我们要求传感器的灵敏度越高越好，不过，如果灵敏度越高的话，成本也会相应的增加， 这就需要我们合理的选择。当然，我们可以采用安放放大器或者提高输出的光信号的放 大倍数来增强效果。但这样存在另