車載后視場(chǎng)景分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解析

據(jù)媒體報(bào)道，我國(guó)由于后視鏡盲區(qū)造成的交通事故約占30%.而且，隨著“考駕照”熱不降溫的現(xiàn)象出現(xiàn)，未來的汽車后視鏡盲區(qū)問題更是不容小覷。數(shù)字社會(huì)的形成為數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了契機(jī)，汽車后視場(chǎng)景的數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控成為解決后視鏡盲區(qū)問題的研究熱點(diǎn)。
　　目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了一些數(shù)字化的汽車監(jiān)控系統(tǒng)，常見的有分屏顯示的監(jiān)控系統(tǒng)、有縫拼接的監(jiān)控系統(tǒng)和第8代“衛(wèi)星”全景行車安全系統(tǒng)。分屏顯示的監(jiān)控系統(tǒng)只是對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的分屏顯示，不能實(shí)時(shí)地將車輛周圍的景象顯示在屏幕上；有縫拼接的監(jiān)控系統(tǒng)不是將圖像簡(jiǎn)單地疊加，而是對(duì)圖像拼接處理，形成中間是車子，周圍是圖像的全景圖，缺點(diǎn)在于四個(gè)圖像拼接之處存在明顯的拼接縫；第8代“衛(wèi)星”全景行車安全系統(tǒng)采用超廣角攝像頭，它能夠更好地消除圖像拼接之處的拼接縫，形成汽車全景俯視圖。
　　Android系統(tǒng)具有平臺(tái)開放性，而且谷歌的“開放汽車聯(lián)盟（OAA）”致力于實(shí)現(xiàn)汽車與Android設(shè)備的無縫連接以及直接在汽車上內(nèi)置Android車載系統(tǒng)；DM3730
　　集成了1GHz的ARM Cortex-A8核和800MHz的TMS320C64x+ DSP核，DSP在數(shù)字信號(hào)處理上具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，更適合進(jìn)行圖像處理。因此，基于Android和DM3730設(shè)計(jì)的車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成了Android平臺(tái)的開放性、ARM+DSP的高性能、以太網(wǎng)的可擴(kuò)展性和USB攝像頭的即插即用性，對(duì)實(shí)現(xiàn)汽車數(shù)字化實(shí)時(shí)監(jiān)控有研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
　　車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻采集模塊、視頻傳輸模塊、視頻拼接模塊和視頻顯示模塊四個(gè)模塊組成。圖1展示了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，圖2展示了系統(tǒng)各模塊之間的硬件接口。
　　
　　圖1車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)示意圖
　　
　　圖2車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件接口框圖
　?、僖曨l采集模塊：AM3715開發(fā)板通過USB-HOST接口外接USB攝像頭，通過Android操作系統(tǒng)的Java本地調(diào)用接口［3］（JNI）和V4L2 （video 4 linux 2）視頻驅(qū)動(dòng)框架實(shí)時(shí)采集視頻并顯示。
　?、谝曨l傳輸模塊：兩個(gè)（或多個(gè)）AM3715和DM3730開發(fā)板之間通過以太網(wǎng)相連，利用RTP組播協(xié)議和自定義同步機(jī)制將USB攝像頭采集的圖像實(shí)時(shí)傳輸至DM3730開發(fā)板的ARM端。
　?、垡曨l拼接模塊：DM3730開發(fā)板的ARM端運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)（或Android操作系統(tǒng)），通過TI Codec Engine模塊同時(shí)在ARM端和DSP端映射共享內(nèi)存，使得同步接收的兩幅（或多幅）圖像能夠被ARM和DSP同時(shí)訪問。針對(duì)車載應(yīng)用擴(kuò)充嵌入式計(jì)算視覺庫（EMCV），并移植和優(yōu)化SURF開源項(xiàng)目OpenSURF，DSP端能夠?qū)崟r(shí)拼接兩幅（或多幅）圖像，最后將拼接結(jié)果由共享內(nèi)存返回ARM端。
　?、芤曨l顯示模塊：視頻顯示是通過跨平臺(tái)多媒體庫SDL（Simple DirectMedia Layer）來完成的。其中，AM3715開發(fā)板顯示分離的USB攝像頭圖像，DM3730開發(fā)板顯示拼接完成的圖像。
　　2視頻采集傳輸和顯示
　　2.1 Android V4L2視頻采集模塊
　　V4L2從Linux 2.5.x版本的內(nèi)核開始出現(xiàn)，為使能UVC驅(qū)動(dòng)和V4L2編程框架，首先需檢查Android內(nèi)核配置選項(xiàng)，以生成視頻設(shè)備文件/dev/videoX（X表示次設(shè)備號(hào)）。
　　利用V4L2進(jìn)行USB攝像頭視頻采集的流程［7］包括：（1）打開視頻設(shè)備文件；（2）檢查設(shè)備屬性；（3）設(shè)置視頻格式；（4）幀緩沖區(qū)管理；（5）循環(huán)采集視頻；（6）關(guān)閉視頻設(shè)備。
　　V4L2介于應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間，應(yīng)用程序可以通過三種方式訪問內(nèi)核層的數(shù)據(jù)：直接讀/寫方式、內(nèi)存映射方式和用戶指針方式。直接讀/寫方式需要在用戶空間和內(nèi)核空間不斷拷貝數(shù)據(jù)，效率低下；內(nèi)存映射方式把內(nèi)核地址映射到用戶地址空間，進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，避免了數(shù)據(jù)的拷貝，具有較高的效率；用戶指針方式的內(nèi)存片段是由應(yīng)用程序自己分配的。
　　車載分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用效率較高的內(nèi)存映射方式，系統(tǒng)調(diào)用mmap（）能夠?qū)?nèi)核地址映射到用戶地址空間。