基于OMAP3530平臺(tái)的車(chē)道線識(shí)別檢測(cè)的設(shè)計(jì)解析

引言
　　本文采用ARM+DSP雙核架構(gòu)的OMAP3530系列的處理器，道路圖像處理部分由支持浮點(diǎn)運(yùn)算的DSP核來(lái)完成，圖像采集工作和系統(tǒng)的控制工作由ARM核來(lái)完成，這樣的作業(yè)分配提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、集成性和可靠性。
　　車(chē)道線識(shí)別算法研究
　　本文提出的車(chē)道線識(shí)別算法的流程如下圖1所示，首先通過(guò)OV7670攝像頭捕獲道路圖像，然后按照流程圖中的步驟處理圖像，最后得到清晰的車(chē)道標(biāo)志線，為以后智能車(chē)輛路徑規(guī)劃和避障提供支持。
　　道路圖像灰度化
　　圖像灰度變換是對(duì)圖像像素進(jìn)行拉伸，從而擴(kuò)大圖像的灰度級(jí)范圍，進(jìn)一步擴(kuò)展圖像的對(duì)比度、增加圖像的動(dòng)態(tài)范圍、使圖像更加清晰、特征更加明顯，是圖像增強(qiáng)的有效手段。我們采集到的道路圖像是彩色圖像，顏色模型采用RGB模型。由于人眼對(duì)顏色的敏感度不同，等量的紅、藍(lán)、綠混合不能得到對(duì)應(yīng)亮度相同的灰度值，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)使用0.3份紅色、0.59份綠色、0.11份藍(lán)色混合后可以得到最合理的灰度圖像，即如公式（1）所示：
　　灰度值=0.3R+0.59G+0.11B（1）
　　根據(jù)公式（1）就可以算出當(dāng)前像素對(duì)應(yīng)的灰度值，將其作為圖像中彩色像素對(duì)應(yīng)的灰度值。
　　道路圖像濾波
　　原始圖像都或多或少的存在噪聲干擾，噪聲影響了后續(xù)圖像的分析。這就要求在分析圖像之前對(duì)圖像進(jìn)行濾波，去除噪聲和假輪廓，圖像濾波的過(guò)程就是讓圖像的低頻成分通過(guò)，阻止屬于高頻部分中的噪聲信號(hào)，也就是平時(shí)所說(shuō)的低通濾波。但是在圖像平滑過(guò)程中也阻止了高頻部分的圖像邊緣，使得圖像邊緣模糊化。所以應(yīng)找到能消除噪聲，同時(shí)盡量保持圖像細(xì)節(jié)，邊緣輪廓的算法，又要保證智能車(chē)輛視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。中值濾波能夠在抑制高頻信號(hào)中的隨機(jī)噪聲的同時(shí)不使邊緣模糊，可以抑制隨機(jī)的點(diǎn)狀噪聲，抑制持續(xù)期小于1/2窗口的脈沖信號(hào)，但不影響斜坡信號(hào)和階躍信號(hào)，能夠削弱三角信號(hào)中的頂部峰值信號(hào)，因而受到歡迎，它屬于非線性濾波。
　　中值濾波是將鄰域中的像素按灰度級(jí)排序，取其中間值為輸出像素。中值計(jì)算過(guò)程中使用到的像素?cái)?shù)和鄰域的空間范圍影響到中值濾波的效果。本文采用3×3方形中值濾波模板對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理既能取得較好的濾波效果，又能節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。
　　圖像邊緣增強(qiáng)
　　在車(chē)輛視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)中，道路邊緣信息可以提供路徑保持和路徑跟蹤的位置信息，是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自主導(dǎo)航功能不可或缺的。邊緣增強(qiáng)的目的在于突出道路的邊緣信息，以利于道路車(chē)道線的識(shí)別，有助于克服道路光照不均的影響。我們對(duì)濾波后的圖像從水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，可以得到非常好的效果。
　　圖像邊緣檢測(cè)
　　在圖像的多目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)中，邊緣檢測(cè)作為一種預(yù)處理算法在機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中占有重要地位。邊緣檢測(cè)的算法很多，參考各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合道路檢測(cè)的復(fù)雜性，我們這里選用Sobel算子。
　　Sobel邊緣算子是一種一階差分算子。它可以有效地消除道路圖像中的大部分無(wú)用信息。它可以有效的抑制圖像中的噪聲，它的計(jì)算量比較小，容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)，該算法有很大的優(yōu)勢(shì)。
　　車(chē)道標(biāo)志線提取
　　本文重點(diǎn)討論道路區(qū)域車(chē)道線的提取。日常生活中最常見(jiàn)的路面邊界是直線，車(chē)輛主要也是在直線路面上行駛的。平時(shí)見(jiàn)到的直線路面邊界是成一定角度的兩條直線，根據(jù)三維空間點(diǎn)投影到二維平面的特點(diǎn)，直線路面邊界在二維平面上形成兩條相交的直線，直線路面邊緣提取算法如下：
　?。?）根據(jù)二維直線路面的實(shí)際情況，建立X-Y坐標(biāo)系，并給出恰當(dāng)?shù)穆访孢吘壗馕龇匠獭?br /> 　　（2）根據(jù)圖像的特點(diǎn)，取一組合理的ρ、θ范圍和步長(zhǎng)，設(shè)置累加器為零。將圖像的解析方程轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)下的形式，即ρ=xcosθ+ysinθ，如圖2所示，ρ為原點(diǎn)到直線垂直距離，θ為X軸與垂線之間的夾角。
　?。?）對(duì)梯度圖上超過(guò)門(mén)限值的每個(gè)點(diǎn)作Hough變換，并對(duì)相應(yīng)的累加器加1.
　?。?）找出累加器A（ρ，θ）上的極大值ρM、θM.通過(guò)這兩個(gè)值可以找出圖像中極有可能的邊界。
　?。?）去除干擾。根據(jù)三維物體在攝像機(jī)上成像的特點(diǎn)，三維空間中平行的路面邊緣在二維平面形成兩條成一定角度的相交直線，如圖3中虛線所示。但由于路面噪聲的影響，在累加器A（ρ，θ）上的極大值ρM、θM周?chē)嬖诙鄠€(gè)較大值，它們?cè)赬-Y軸上對(duì)應(yīng)的直線如圖3中兩條實(shí)線所示，顯然這不是要求的邊緣，所以將累加器ρM、θM周?chē)c(diǎn)置0.
　　（6）找出累加器A（ρ，θ）上次大值ρM、θM.A（ρ，θ）上的次大值對(duì)應(yīng)圖像中路面的另一條邊界。
　　（7）得到相應(yīng)的X-Y上對(duì)應(yīng)直線方程。進(jìn)一步可以得到：b=-ρ/sinθ，k=ctgθ通過(guò)這兩個(gè)方程式得到ρ、θ值之后，可以求得相應(yīng)的k、b值。
　　由于圖像的連續(xù)性，圖像序列中車(chē)道線的位置不會(huì)發(fā)生突變，我們?cè)谧R(shí)別一幀圖像的車(chē)道線時(shí)是以上一幀的識(shí)別結(jié)果為依據(jù)，動(dòng)態(tài)地規(guī)劃搜索區(qū)域，動(dòng)態(tài)地規(guī)劃Hough變化的ρ和θ值，這樣就減少了計(jì)算量，提高了算法的實(shí)時(shí)性，也可提高可靠性。
　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　本文選取ICETEK-OMAP3530-Mini開(kāi)發(fā)板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該開(kāi)發(fā)板是由北京瑞泰創(chuàng)新科技有限責(zé)任公司與美國(guó)德州儀器公司合作推出，是一個(gè)開(kāi)放的OMAP3530的硬件平臺(tái)，它是以TI最新的、高性能的ARM CortexA8處理器OMAP3530為核心，以DSP64x+內(nèi)核作為強(qiáng)勁的輔助圖像處理，優(yōu)化硬件2D/3D加速器，形成一個(gè)精簡(jiǎn)完備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
　　選用CMOS攝像頭OV7670.OV7670是Omnivision公司生產(chǎn)的一款30萬(wàn)像素的彩色圖像傳感器芯片，體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。其特點(diǎn)有：靈敏度高，適合低亮度下使用；標(biāo)準(zhǔn)串行攝像頭控制總線（SCCB），兼容IIC接口；自動(dòng)曝光控制；自動(dòng)增益控制；自動(dòng)白平衡；自動(dòng)消除燈光條紋；自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)；圖像格式可以是原始RGB、RGB（4：2：2）、RGB565/555/444、YUV（4：2：2）、YCbCr（4：2：2）。OV7670與ICETEK-OMAP3530-Mini板通過(guò)USB接口連接在一起。
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　OMAP3530是一款雙核微處理器，由ARM核和DSP核兩部分組成，二者之間軟件的編程和運(yùn)行都是相互獨(dú)立的，通過(guò)DSP/BIOS Link完成雙核之間的通信。ARM端采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、控制和刪除DSP節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。DSP端采用DSP/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持eXPressDSP實(shí)時(shí)軟件技術(shù)，由DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核、可重構(gòu)的DSP算法和第三方軟件模塊組成。
　　由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，軟件設(shè)計(jì)主要包括：ARM端引導(dǎo)程序和Linux系統(tǒng)的移植；捕獲道路圖像程序。