一种基于图像处理技术的智能车载安全系统

1 引言

    　　21 世纪以来，汽车产业扮演了一个龙头的角色，与此同时，电子设备在整车制造成本所占比例，由16％增至30％以上，2010 年汽车搭载汽车电子的比例亦将达40%，未来的汽车电子产品中，围绕安全、节能、环保、舒适和娱乐等方面的元器件及其周边产品将发展更快。在此背景下，本文设计开发了一个基于图像处理技术的智能车载安全系统。
    2 系统介绍
    　　2.1 开发平台
    　　本系统以EC5-1719CLDNA 开发板为平台，EC5-1719CLDNA 支持Intel CoreDuo/Celeron M 低功耗处理器，由Intel945GM 芯片组集成图形处理核心，支持VGA、LVDS，DVI，TV-OUT 多种显示及双屏幕显示， 有 1 个PCI-104、1 个PCIE×4扩展总线、4个USB2.0接口、2个SATA接口。
    　　开发板扩展了丰富的外围硬件设备，使用图像处理开源代码opencv 中强大的算法技术，结合信号处理技术，充分发挥了此开发板高速的CPU 性能。
    　　2.2 系统框架
    　　此系统功能划分为三大方面：安全、通讯、多媒体。安全包括车牌测距、激光测距、疲劳驾驶检测、全景环视系统（AVM）、酒精浓度检测和温度检测，通讯包括GPRS上网、GSM 通话、GPS 导航，多媒体，媒体播放器、包括车载娱乐系统、视频采集。
    　　系统框图如图1。
     
    　　2.3 基本功能
    　　系统实现功能有激光测距、疲劳检测、酒精浓度检测、GPS 定位、全景环视功能。
    　　激光测距为测量汽车与其左右两侧可能存在的汽车之间的距离，确定是否安全，不安全则发出警报提醒。疲劳检测为监视人眼闭合时间，超过一定时间认为驾驶员已疲劳，发出报警音。酒精浓度检测为测试空气中的酒精浓度，在酒精浓度超标的情况下，发出警报。GPS 定位将GPS系统嵌入本系统内，从而实现GPS 定位。
    　　全景环视系统在车辆四周安装4 个摄像头，通过四个摄像头实时取景，将四个摄像头所采集的图像组合在一起显示在驾驶室的显示屏上，司机可以一眼了解到本车周围的全部情况，提高汽车的综合安全系数。
    3 功能实现
    　　3.1 激光测距的功能实现
    　　原理图如图2，假设激光束与摄像头的光轴完全平行，激光束的中心落点在摄像头视域中为最亮点。当激光束照射到摄像头视域中的跟踪目标上时，摄像头就可以捕捉到这个点。
   
    　　易推导得距离D:
   
    　　其中：Num是从图像中心到落点的像素个数，Rop 是每个像素的弧度值，Offet 是弧度误差。
    　　算法流程为：首先，启动摄像头，通过摄像头采集视频图像，截取图像；通过亮点检测程序寻找激光所示的亮点，如果存在，测量其距图像中心的像素个数Num ；最后，通过公式计算间距，通过与设定的安全距离的比较，确定是否安全，不安全则发出警报提醒。
    　　3.2 疲劳驾驶检测功能实现
    　　研究表明，人在发生困倦的时候，眨眼速度变慢，眨眼持续时间变长，本系统通过提取司机的闭眼持续时间的长短来判断是否有疲劳发生。
    　　通过检测人脸范围，判断人脸是否存在，如果不存在，定时器清零，返回；如果检测到人脸，定时器启动，开始计数；同时，通过面部特征识别，来定位两眼；认为如果能在一定的时隙内定位到两眼，证明驾驶员并非出于疲劳驾驶状态；此时定时器清零，返回；如果在5S 内无法定位到眼睛，则认为处于疲劳驾驶，此时发出警报提醒。
    　　算法流图见图3。
   
      
    　　3.3 酒精浓度检测功能的实现
    　　本系统利用酒精传感器NAP-66E 来实现酒精浓度的测量。NAP-66E 具有良好的线性度，工作温度范围广，可在各种恶劣的环境下正常工作，其输出的最大电压为10mV，因此为了获取酒精度，必须先把酒精传感器的输出模拟量通过两级放大器放大到和A/D转换器TLC2543 匹配的电压值，经过A/D 转换后，得到的数值在MCU 中进行适当的处理，最后通过串口线和PC 机进行通信，把测得的数据实时传输给PC 机，利用PC 机实现显示、报警等功能。应用酒精检测芯片，通过与单片机、A/D 芯片、运算放大器的硬件连接，构成了酒精检测模块。设计电路如图4 所示。
   
    　　3.4 GPS 定位功能的实现
    　　本系统使用GARMIN 公司的GPS 接收机OEM 板- GPS 15H，采用RS-232输出，接口协议采用NMEA0183 版本2.00或3.00（可选）的ASCII 码语句，数据更新率为每秒一次，串行传输参数为：波特律＝ 9600，数据位＝ 8 位，停止位＝ 1位，无奇偶校验。
    　　在实现GPS数据的读入时系统使用串口来接收数据，软件实现原理如下：
    　　采用先初始化，设置使用的串口，相应的波特律为9600，数据位为8 位，停止位为1 位。在用户点击接收按钮后，采用查询方式，从读入1 0 2 4 个字节寻找GPRMC（ Global Position RecomendedMinimum Specific ） 之后的一些字符串，在GPRMC 中包括了程序中最关心的数据有效位，纬度和经度，数据格式如下：
    　　$GPRMC,&lt;1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>，<12>,<13>
    　　<1> 当前位置的格林尼治时间，格式为hhmmss
    　　<2> 状态， A 为有效位置， V 为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少于3 颗。
    　　<3> 纬度， 格式为 ddmm.mmmm
    　　<4> 标明南北半球， N 为北半球、S为南半球
    　　<5> 径度，格式为dddmm.mmmm
    　　<6> 标明东西半球，E 为东半球、W为西半球
    　　<7> 地面上的速度，范围为0.0 到999.9
    　　<8> 以后的数据不使用。
    　　为了接收数据方便，用相应的软件屏蔽掉不需要的语句，只剩下GPRMC 语句。由于GPS 模块上电后在露天的场合下大约90 秒左右得到有效数据，所以在找到GPRMC 中的G 后的第13 位为数据有效位。
    　　当判断到&lsquo;A&rsquo;时，从数据段中的第17位起读取后续9位作为纬度显示，再从第29位起读取后续10 位作为经度显示。然后将接收到的GPS 经纬度通过适当的转换自动调用库里的地图，并在地图上用红色点表示当前所在的位置。
    　　3.5 全景环视功能实现
    　　全景环视系统在车辆的车头前格栅、左右侧面外后视镜及尾门安装了4 个摄像头。摄像头带有广角镜头，可进行实时广角摄影。软件上采用DirectShow 开发包进行开发，用Di rectShow 开发应用程序，可以很方便地从支持WDM驱动模型的采集卡上捕获数据，并且进行相应的后期处理乃至存储到文件中。