2020年04月24日 | 基于TI DM642和OMAP5912 DSP实现行车安全辅助记录系统的设计

研究动机与介绍

随着工业的进步，行车安全以及车辆防盗的问题已摆在世界人民面前。根据报导，中国每年超过11万人死于车祸，大部分的事故皆由人为因素引起，而疲劳与分心则是主要的原因。虽然瞌睡侦测、脑电波等相关研究都致力于提醒驾驶员，但是其效果并非相当令人满意；加上系统的反应时间以及系统成本因素，无法全面普及。

除了行驶安全的问题让人担忧之外，车辆本身的防盗装置亦使人烦心。根据资料显示，中国每年有超过7.2万辆汽车失窃，平均每7分钟就有一辆汽车遭窃，即使目前的车辆在出厂时都配备防盗锁，且使用者自己也会加装防盗窃装置，但是效果并不显著，目前监控系统最多做到传送文字短信至使用者手机作为提醒，但是无法将实时监控的影像连续不断地传送出来，这样就很容易产生误报的情形，如果只是大卡车经过了你的爱车旁边产生震动而触发，使用者也必须要赶紧回到车辆附近，这样太浪费时间与人力。

近年来，搭配CCD摄像机发展的高效率图像处理技术正蓬勃发展。主要原因在于软件撰写的弹性、CCD摄像机架设的弹性、CCD摄像机所撷取资料的多元化以及成本不高等优势。以汽车安全辅助配备来看，超音波雷达在过去的汽车安全防护上广泛运用。但是，有效距离有限，只能在驾驶员倒车时给予距离信息的参考。图像的应用其实也有，不过目前仅仅局限于图像监视的功能上，例如倒车图像显示等。

我们认为，图像处理系统可以提供更高的智能，足以协助一般使用者在车辆行驶中的安全防护工作。除此之外，我们也希望能够提供警方或者租贷车辆厂商能够利用车辆中实时记录的资料来有效还原事故现场，理清肇事责任。甚至，我们还期盼能在车辆停放后，让使用者能利用手机随时随地监控到车内情况，提供给使用者一个更安心的图像式防盗系统。

研究方法

因此，我们开发出一个系统—CADAS （CSSP. Advanced Driver Safety Assist System），利用图像技术，侦测车辆前方道路信息，估算车辆目前在所行驶的车道上的位置而判断车辆目前是否处于危险的状态；更进一步，我们在车后方架设另一台摄像机，将取得的图像信息送入同一套系统中，且采用同一套算法，利用已经侦测出来的车道线信息将前方车辆及后车辆的相对位置一并处理，提高系统危险警示的稳定度。

在车辆行驶影像纪录器方面，目前市面上的车辆行驶记录器均是以类似飞机黑盒子的方式设计，若不幸发生事故，还得等待黑盒子内的记录资料译码才能有机会理清，且因为记录信息过少，往往无法正确还原事故现场。CADAS希望能利用H.264实时压缩技术，将事故发生状况精确记录，提供给警方作为辅助。

我们还有一个想法，将传统的汽车监控系统和具备行动网络功能的嵌入式系统做紧密结合，做为车辆电子产业的先锋。这一步对于汽车监控领域会是一个令人惊讶的跃进，因为市面上所有类似的系统都没有具备传输影像的功能。我们将庞大的有线网络监控主机加以改善提升进化，移植到轻薄短小的无线网络嵌入式单板上。除了基本的定位追踪、防盗警示功能之外，还加入了图像的支持。影像传输的方式除了透过IEEE 802.11x无线网络之外，更重要的是可以利用3G/无线传输，不分时空地保护使用者的爱车。

如图1所示，CADAS是结合两片TI的DSP实验板而成。一片为TI DM642，负责实时快速计算前后车道线以及车辆侦测算法，并将侦测结果透过Zigbee无线传输至另一片实验板作警示用。而另一片实验板则是采用TI OMAP 5912，本片实验板最大的特色就是结合ARM以及DSP在一颗IC上，让我们可以利用ARM强大的控制功能，结合OS来驱动所有的外围设备来符合我们所需要的功能。在OMAP 5912上，我们将Embedded Linux成功植入，并透过相对应的Driver，使得USB Camera、Wireless LAN Module、Touch Panel、GPRS Module、GPS Module与Zigbee可以在OS的掌控之下，成功地工作并互相配合，达到我们所期盼的要求。

图1 系统整体图

系统功能及创新

CADAS结合了这些外围，成功实现了以下几项创新功能：

独特的前后方车道线以及车辆侦测

我们将特别针对DSP所设计的算法实现在DM642上，藉由程序撰写以及搭配硬件平台的内存、EDMA管理最佳化，让此套复杂的算法能够在单颗DSP上达到30fps的效能，可以实时撷取前后双方的影像并判别车辆是否偏离车道，以及是否与其它车辆距离过近，进而提出警告。在车道线侦测的部分，我们在各种不同的道路情况下，包含晴天、阴天、雨天以及夜晚，都能够成功的侦测出车道线以及车辆的信息，在稳定度及可靠性上都是一大突破。

无线Zigbee传输信号

CADAS最主要的应用对象就是车辆，而因为车辆中空间有限，为了有效利用空间，我们将两片实验板分开，其中信号沟通的部分采用最新的Zigbee无线传输技术，Zigbee设计原本就适合传输控制信号用，其传输途径经测试约为50m，非常适合车辆使用，透过Zigbee，我们可以将实验板置于不同的位置，但仍保有沟通的管道，在安装上非常具有弹性。

发现驾驶状况不良，实时自动通报

排在肇事原因第一位的是人为疏失，而人为疏失的发生又大多因为驾驶者身心疲惫，在意外发生前，通常就有迹象，驾驶者可能会先左右偏离车道，或距离其它车辆过近，一般的警示系统大都只在车上发出警告声响，这样的保护其实不足。CADAS因具有GPRS Module，故可在驾驶状况不良时，实时自动通报警局以及车辆所属单位。在事故发生前，先一步通知，由车辆以外的人来做提醒，能有效降低意外发生率。

全程H.264驾驶记录

若仍不幸发生意外事故，理清肇事原因是最重要的部分。目前的车辆记录器并不普遍，即使有，其记录的信息也不够，仅有油门、煞车等资料，无法详尽还原事故现场，CADAS利用在DSP上实现的H.264动画压缩技术，可全程记录驾驶行为，提供给警方及有关单位作参考。

行动无线车辆防盗

CADAS可补足目前汽车监控系统最弱的一环─行动监控。目前的汽车安全防盗系统，对于使用者不够友善，没有办法提供图像的信息。一般的汽车防盗系统没有办法将图像传给车主。我们突破了这样的瓶颈，利用3G/GPRS达成实时图像传输。使系统平台能将车内、外图像状况实时传送至手机上，使用者就能在每时每刻确实掌握爱车。

我们希望能透过这些先进的功能，让人们有更安全、更放心的环境，而CADAS不只能应用在Lane Departure Warning System，也能应用在运钞车监控以及大众运输工具保护等方面，让行走在道路上或是坐在车内的人都有更安全、更放心的环境，也能避免令人伤悲的事故发生。

具体研究成果与讨论

由于CADAS功能强大，且包含许多不同领域，故我们将其大致分为四项：车道线与车辆侦测算法；发现驾驶状况异常，实时通报；H.264动画压缩技术和行动无线车辆防盗系统，并对其作详细分析比较。

车道线与车辆侦测算法

我们的系统无论是什么颜色的车辆都能精确的侦测出来，并且能够避免路面上国字桥墩接缝等噪声，在隧道内也可运作。除此之外，由于露天的气候多变，经过我们测试，无论是晴天、阴天、雨天或是夜晚，我们都能将车道线以及车辆做精确的判断，图2（a）、（b）测试路段为台湾新竹市东西向快速道路，气候为阴雨天，故有雨刷的痕迹，但我们仍精确的侦测出来。透过我们最佳化后的算法，可以达到30fps实时运算的需求，更能保护使用者的安全。

图2 不同情况下的实验结果图

由表1我们可以得知，本研究在车道线侦测的研究中占有一席之地，且功能性及技术性都较为优越。

发现驾驶状况异常，实时通报

在DM642发现驾驶状况异常时，如车道偏移或与车辆距离过近，就会透过Zigbee将信号无线传输给OMAP 5912，而OMAP在接收到信号之后则会先计数，若驾驶状况异常次数非常多，则传送警告简讯给警局或是其他相关单位，在远程使用者接收到警告短信后，则可马上利用手机取得车内实时状况，以理清是否驾驶者状况不良，进而做更进一步的提醒及保护。图3为实时通报示意图。

图3 实时通报示意图

H.264动画压缩技术

于TI OMAP的DSP上实现的H.264动画压缩技术，在经过算法的复杂度降低，针对DSP的特性做内存以及演算流程的最佳化之后，仍保有相当高的品质，表2为本研究与其它研究的比较表，由表2可知不同的测试影像，本研究的PSNR都明显较高，显示品质的确较好。

行动无线车辆防盗系统

CADAS装于车上，透过3G/GPRS无线网络，将实时拍摄到的影像信息传至使用者之行动通讯装置，使用者即能了解目前的状况，进而做出正确的判断。除了主动通报之外，CADAS亦提供被动侦测的功能，当使用者不在车上时，可传送简讯至车上的系统，系统在收到简讯之后马上就会进行拍照以及回传GPS状态的动作，即使使用者不在车内，也可马上了解车辆的使用情形以及目前所在位置，这对车队管理而言，非常有效率。目前受限于3G的速度，于手机上显示的Frame Rate约为3fps，我们在手机上实做的成果如图4所示。

图4 手机屏幕画面

获奖关键点

CADAS已成功实现许多创新且技术性高的功能，例如：前后双方实时车道线与车辆侦测系统；驾驶员异状，实时自动通报；H.264行车记录；行动车辆防盗。

CADAS成功结合行车安全辅助警示系统、驾驶状况记录系统以及行动影像式汽车防盗系统，行车安全辅助警示系统以及行动影像式汽车防盗系统均已技术转移给汽车电子相关产商，并获得相当高的评价。除了受到业界的肯定之外，驾驶状况记录系统与行动影像式汽车防盗系统亦申请了专利 ［7］，在技术上都是进一步的突破。由此可知，CADAS非一朝一夕为了比赛而拼凑，无论在技术成熟度以及系统完整度，都是无庸置疑的。我们希望能够将先进的电子产业所带给人类的便利与汽车厂商做紧密的结合，使汽车越来越多的现今社会变得更安全，更少事故，且更容易保护车辆不受窃盗威胁。将新一代的技术致力于人类下一代的幸福，这是我们电子产业人才的目标与使命。