劉 強(qiáng)，潘 明，李永偉

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引 言

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)汽車測(cè)距主要有超聲波短距離測(cè)距、微波雷達(dá)長(zhǎng)距離測(cè)距、激光測(cè)距、攝像系統(tǒng)測(cè)距等，其中超聲波測(cè)距適合短距離測(cè)距，雷達(dá)或激光測(cè)距少則幾千元，動(dòng)輒上萬(wàn)元，成本高，而且雷達(dá)測(cè)距容易受到電磁波干擾，雷達(dá)裝置之間以及其它通信設(shè)施的電磁波干擾會(huì)導(dǎo)致車輛的誤操作［1－3］。攝像系統(tǒng)測(cè)距具有精準(zhǔn)度高、功耗低、穩(wěn)定性好、非接觸性測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，而且視覺(jué)測(cè)距是被動(dòng)式測(cè)距方式，不會(huì)對(duì)人體造成危害。攝像系統(tǒng)測(cè)距又可分為單目測(cè)距和多目測(cè)距。多目視覺(jué)測(cè)距成本高，受軟件和硬件的制約，成像速度慢，而單目視覺(jué)汽車測(cè)距中很多依賴車寬和車道線［4－5］，通過(guò)檢測(cè)映射在攝像頭中車寬像素大小進(jìn)而求出車距，如果改變車寬或者在沒(méi)有車道線的路面，可能發(fā)生錯(cuò)誤或者檢測(cè)不到距離。目前大多數(shù)算法都在PC機(jī)上運(yùn)行，通用PC機(jī)冗余的功能、高額的成本和較大的體積是應(yīng)用在車載系統(tǒng)中難以克服的瓶頸［6－7］。在工程中，基于嵌入式平臺(tái)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)能夠得到更廣泛的應(yīng)用［8］，系統(tǒng)采用單個(gè)攝像頭檢測(cè)車牌進(jìn)而計(jì)算車距，受制條件少，準(zhǔn)確度較高，相對(duì)PC機(jī)本系統(tǒng)體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好并可以車載。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)選用友晶公司的DE2FPGA開(kāi)發(fā)板，板載有 Altera Cyclone II系列的EP2C35F672 FPGA芯片，內(nèi)含35 000個(gè)邏輯單元（LE），一個(gè)8MB的SDRAM，一個(gè)視頻解碼器ADV7181B，支持多種格式的模擬視頻信號(hào)輸入，包括各種制式的CVBS信號(hào)，S－Video和YPrPb分量，可以自動(dòng)檢測(cè)NTSC、PAL、SECAM及兼容的各種標(biāo)準(zhǔn)模擬基帶電視信號(hào)［9］。選用PAL制式600線1／3"CCD模擬攝像頭，焦距8mm，每?jī)蓚€(gè)像素點(diǎn)之間的距離是0.007mm。液晶顯示器是數(shù)字終端顯示最理想的顯示器件之一［10－11］，系統(tǒng)選用奇美公司17.78cm（7in）EK070TN92（800×480）數(shù)字液晶屏，通過(guò)DE2開(kāi)發(fā)板GPIO口和FPGA連接。

2.2 測(cè)距原理與整體方案

根據(jù)小孔成像原理，CCD攝像機(jī)的成像幾何關(guān)系可用小孔成像原理來(lái)近似表示，從圖1中易得式（1），其中：H 為車牌大小，D為車距，h是車牌映射到攝像頭中的大小，f為攝像頭焦距。測(cè)距模型中，車距與圖像大小成反比，若已知車牌的實(shí)際尺寸和攝像機(jī)的焦距，車距便可以求得。

圖1 小孔成像模型圖Fig.1 Pinhole camera model

系統(tǒng)整體框圖如圖2所示，CCD視頻捕捉模塊捕捉攝像頭輸出的CVBS視頻流，經(jīng)過(guò)去隔行和格式轉(zhuǎn)化操作，視頻信號(hào)由隔行的YCbCr 4∶2∶2變?yōu)橹鹦衁CbCr 4∶4∶4，其中去隔行需要使用SDRAM進(jìn)行緩存。視頻流一路經(jīng)過(guò)色彩空間轉(zhuǎn)換模塊將YCbCr信號(hào)化為RGB彩色視頻信號(hào)，提取另一路視頻信號(hào)YCbCr的亮度信號(hào)Y，即灰度化，再經(jīng)過(guò)中值濾波、邊緣檢測(cè)、邊緣增強(qiáng)（膨脹和腐蝕）、車牌定位與車牌長(zhǎng)寬的測(cè)量，進(jìn)而求出車距。每一種圖像處理算法效果圖都可以直接在LCD顯示器上實(shí)時(shí)示，方便調(diào)試。

圖2 系統(tǒng)整體框圖Fig.2 System whole diagram

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 CCD視頻解碼

ADV7181B負(fù)責(zé)視頻解碼，其讀寫地址分別為0X41、0X40，配置輸出位寬為8bit CCIR656數(shù)據(jù)，即ITU－R BT.656，不需要同步信號(hào)，通過(guò)嵌入式控制字SAV和EAV來(lái)判斷有效視頻的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

3.2 去隔行及格式變換

經(jīng)過(guò)配置的ADV7181B輸出576行數(shù)據(jù)，取其后480行作為顯示。系統(tǒng)采用PAL電視標(biāo)準(zhǔn)，25frame／s，奇數(shù)場(chǎng)在前，偶數(shù)場(chǎng)在后，因此需要對(duì)其進(jìn)行去隔行操作。將奇偶行合并成一幅完整的圖像，再通過(guò)格式變換將YCbCr 4∶2∶2的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成YCbCr 4∶4∶4的數(shù)據(jù)，通過(guò)顏色空間變換，變成RGB數(shù)據(jù)，最終在液晶屏上逐行顯示。

3.3 灰度化與濾波

圖像的灰度化只需要提取YCbCr 4∶4∶4中的亮度Y即可，Y值為8bit數(shù)據(jù)，亮度分為0～255共256級(jí)，0最暗，255最亮。

攝像頭采集到的圖像一般會(huì)有一些噪聲干擾，這容易對(duì)后續(xù)車牌識(shí)別造成干擾，要經(jīng)過(guò)濾波去除干擾。常用的濾波有均值濾波、中值濾波、高斯濾波、Gabor濾波、各向異性擴(kuò)散平滑濾波等。考慮到算法的固有優(yōu)缺點(diǎn)和FPGA實(shí)現(xiàn)起來(lái)的難易度，系統(tǒng)使用算法較簡(jiǎn)單、執(zhí)行速度快的中值濾波。

中值濾波處理椒鹽噪聲有很好的效果，濾波器不會(huì)影響垂直邊緣，但彎曲的邊緣的位置會(huì)有所偏移［12］。中值濾波函數(shù)如式（2），Pn為第n個(gè)像素的像素值，R為當(dāng)前像素輸出結(jié)果。

圖3 中值濾波示意圖Fig.3 Median filter diagram

中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，一般選取n＝9，即3×3窗口，也可根據(jù)實(shí)際情況選擇更大的窗口，工作流程如圖3所示。首先將模板內(nèi)（窗口）所涵蓋的像素按灰度值由小到大排列，再取序列中間點(diǎn)的值作為中值，并以此值作為濾波器的輸出值，行1到2調(diào)用Quartus II的Shift Register來(lái)保存一行640個(gè)像素點(diǎn)。

針對(duì)3×3窗口，濾波函數(shù)要求出9個(gè)數(shù)中的中間值，實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示，實(shí)現(xiàn)原理為冒泡法，圓角矩形代表比較兩個(gè)數(shù)的大小，較小的數(shù)在左邊輸出，較大的數(shù)在右邊輸出，這樣的結(jié)構(gòu)發(fā)揮了FPGA并行處理數(shù)據(jù)的能力。仿真時(shí)序圖如圖5所示，在130ns前的上升沿輸入9個(gè)數(shù)據(jù)P1～P9，經(jīng)過(guò)9個(gè)上升沿輸出中值結(jié)果0X5B，對(duì)應(yīng)了中值濾波函數(shù)實(shí)現(xiàn)示意圖中的9個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)冒泡法。

圖4 中值濾波函數(shù)實(shí)現(xiàn)示意圖Fig.4 Median filter function diagram

圖5 中值濾波仿真時(shí)序圖Fig.5 Median filter simulation diagram

3.4 邊緣檢測(cè)

常用的邊沿檢測(cè)算法有Sobel邊沿檢測(cè)、Prewitt邊緣檢測(cè)、Robert邊沿檢測(cè)、Kirsch邊緣檢測(cè)、Laplace邊沿檢測(cè)、Canny邊沿檢測(cè)、Marr邊沿檢測(cè)等。

圖6 Sobel邊緣檢測(cè)Gx運(yùn)算示意圖Fig.6 Sobel edge detection Gxoperation diagram

3.5 膨脹與腐蝕

圖像邊緣檢測(cè)之后，由于圖像的邊緣信息還不是很突出，所以需要對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。膨脹可以用來(lái)填補(bǔ)物體中的空洞，腐蝕可以用來(lái)消除小且無(wú)意義的物體 。經(jīng)過(guò)腐蝕和膨脹后的圖像車牌邊緣信息更加明顯。

膨脹和腐蝕算法工作流程類似于中值濾波，如圖3所示，濾波函數(shù)分別為式（6）和式（7）：

從式（6）～（7）可以看出膨脹算法是對(duì)n個(gè)像素相或運(yùn)算，腐蝕的過(guò)程是相與運(yùn)算，選用n＝9，即3×3窗口。

3.6 車牌定位與車距檢測(cè)

膨脹腐蝕過(guò)后的二值化圖像車牌輪廓比較清晰，對(duì)整幅640×480的圖像進(jìn)行車牌檢測(cè)，我國(guó)九二式大型機(jī)動(dòng)車前牌和后牌國(guó)標(biāo)尺寸分別是440mm×140mm和440mm×220mm，小型機(jī)動(dòng)車前后車牌都是440mm×140mm。440×140長(zhǎng)寬比大約在3.1左右，440×220長(zhǎng)寬比為2。

車牌定位是搜尋圖像中構(gòu)成矩形的直角，檢測(cè)到車牌左上角和右下角坐標(biāo)，根據(jù)構(gòu)成矩形長(zhǎng)寬比例來(lái)判斷圖中搜索到的矩形是否是車牌，確定是車牌后即可求出車牌在攝像頭中的長(zhǎng)寬，根據(jù)式（1）很容易求出車距。

以5×5的窗口為例，由于窗口中的最后一行數(shù)據(jù)為圖像的第一行數(shù)據(jù)，所以FPGA中處理的圖像與實(shí)際圖像相反。如果出現(xiàn)類似于圖7中的中直角的情況，認(rèn)定此時(shí)為車牌的左上角，記下P7像素所處的坐標(biāo)（X1，Y1），同理在圖8中，記下P19的坐標(biāo)（X2，Y2）。此時(shí)很容易求出車牌的長(zhǎng)寬比例，如果在3.1倍或者2倍左右便認(rèn)為是車牌，再進(jìn)行車距的計(jì)算。

圖7 車牌左上角的檢測(cè)示意圖Fig.7 Car license plate upper left corner detection diagram

圖8 車牌右下角的檢測(cè)示意圖Fig.8 Car license plate lower right corner detection diagram

上面是理想的情況，實(shí)際上車牌的傾斜、光線等原因會(huì)造成系統(tǒng)檢測(cè)不到像上圖那樣理想的直角，這就需要使用更大的窗口，系統(tǒng)使用60×60的窗口，實(shí)際可以檢測(cè)到15°左右的傾斜車牌，如果想增大角度，需要更大的窗口。對(duì)于不規(guī)則的直角，圖9中可以看到第1行和第2行是直角的水平邊沿，其中灰色的方格代表1，白色的方格代表0。如果（P19｜P14）（P18｜P13）（P17｜P12）（P16｜P11）＝1時(shí)，便認(rèn)定此線是直角的水平邊沿線，同理（P18｜P19）（P14｜P13）（P9｜P8）（P4｜P3）＝1時(shí)，便認(rèn)定第二列是直角的豎直邊沿線，換做更大的窗口檢測(cè)原理類似。

圖9 不規(guī)則直角示意圖Fig.9 Irregular right corner diagram

如果一幅圖像中檢測(cè)有多個(gè)直角，那么計(jì)算每個(gè)直角所構(gòu)成的矩形長(zhǎng)寬比例，排除不符合車牌比例的矩形的坐標(biāo)。

3.7 LCD顯示模塊

液晶屏的分辨率為800×480，左邊的640×480用來(lái)顯示每種圖像處理效果，右邊的160×480用來(lái)顯示圖像處理的模式和學(xué)校信息。

PAL制式的攝像機(jī)視頻畫面有效分辨率為720×576，視頻最終以640×480的分辨率顯示在液晶屏左邊，將攝像頭輸出的每一行數(shù)據(jù)的720個(gè)像素點(diǎn)每9個(gè)像素剪裁掉1個(gè)，變成每行640個(gè)像素點(diǎn)。

漢字的顯示需要使用PCtoLCD2002軟件進(jìn)行取模，將生成的C代碼數(shù)值相應(yīng)的填入mif文件，作為ROM的初始化使用，顯示時(shí)調(diào)用ROM顯示即可。

4 系統(tǒng)整體調(diào)試

系統(tǒng)整體實(shí)物圖見(jiàn)圖10，系統(tǒng)各個(gè)圖像處理算法效果圖如圖11所示。

圖10 系統(tǒng)整體實(shí)物圖Fig.10 Design picture

實(shí)驗(yàn)所用車牌大小為220mm×110mm，和實(shí)際車牌大小等比例，以矩形的長(zhǎng)為基準(zhǔn)，f＝8 mm，H＝220mm，h＝（X2－X1）×0.007，根據(jù)式（1），便能夠求出車距D。同樣也可以以矩形的寬為基準(zhǔn)，h＝（Y2－Y1）×0.007。在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖11 圖像處理效果圖Fig.11 Image processing effect

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental result

由于攝像頭鏡頭焦距短，導(dǎo)致攝像頭檢測(cè)距離受到限制，攝像頭的圖像傳感器面積（1／3"）小，導(dǎo)致對(duì)拍攝的圖像不夠細(xì)膩，造成拍攝的圖像質(zhì)量下降，給車牌定位造成困難，進(jìn)而影響車距計(jì)算。即使這樣的條件下，車距的誤差率最高僅為2.57%。針對(duì)于實(shí)驗(yàn)室車牌220mm×110mm，可以識(shí)別范圍在4m左右。如果車牌換成實(shí)際車牌尺寸，理論上檢測(cè)距離增倍，如果換做焦距比較長(zhǎng)的鏡頭，檢測(cè)距離非常可觀。

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的圖像處理多在PC機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)圖像處理，處理過(guò)的過(guò)程多調(diào)用現(xiàn)有的庫(kù)函數(shù)，而本系統(tǒng)采用了嵌入式的方案，使用FPGA從最底層對(duì)實(shí)時(shí)的視頻流進(jìn)行處理，相對(duì)于前者具有體積小，實(shí)時(shí)性高，測(cè)距準(zhǔn)確的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)所測(cè)試的距離誤差最大僅為2.57%，可用于車載輔助駕駛，預(yù)防汽車追尾，也可以用于智能機(jī)器人視覺(jué)。

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