李　威,翟社平

(西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院,陜西 西安　710121)

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模擬路標識別及其FPGA實現(xiàn)

李威,翟社平

(西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院,陜西 西安710121)

摘要針對路標信號的多變性給駕駛員行車途中帶來諸多隱患,提出了基于FPGA輔助駕駛中的模擬路標識別系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時檢測和識別路標信號,并將識別結(jié)果顯示出來,以便駕駛員做出相應(yīng)的響應(yīng),在一定程度上維護了交通安全。實驗結(jié)果表明,基于硬件編程語言Verilog設(shè)計的硬件電路可快速、穩(wěn)定地對圖像進行二值化處理,且該系統(tǒng)可實現(xiàn)識別向左、向右、禁止停車、禁止通行4種路標,對輔助駕駛系統(tǒng)的研究具有一定的意義。

關(guān)鍵詞FPGA;圖像的二值化;Verilog

路標信號的復(fù)雜性導(dǎo)致了交通事故的發(fā)生[1],隨著公路設(shè)計的完善和個人車輛的快速增加,公路的安全隱患也越來越嚴重[2]。輔助駕駛系統(tǒng)能有效維護交通安全[3-4]。

為達到識別速度快、抗干擾能力強等要求,提出了基于FPGA硬件輔助系統(tǒng)的設(shè)計,硬件電路可提高圖像處理的速度,這對于實時性要求高、處理數(shù)據(jù)大的機器視覺領(lǐng)域具有重大意義[5-7]。該系統(tǒng)可準確地識別如禁止停車、禁止通行、通行等部分路標,達到實時檢測并識別路標的效果。

1情景設(shè)計

交通路口、高速路段不僅有紅綠燈交通指示信息,還有速度控制指示牌,通行時間的數(shù)字指示信息,左通行指示信息,右通行指示信息,禁止停車以及禁止通行等等信息。路標指示信息的多樣性以及復(fù)雜性給交通安全帶來了諸多隱患。在此背景下,實現(xiàn)了基于FPGA路標識別的輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,可快速準確地識別路標。設(shè)計的應(yīng)用情景如圖1所示,首先,攝像頭實時采集交通路口的指示信息,將采集到的圖像信息進行分析,解讀路邊信息的含義;然后,顯示路標的含義;最終,駕駛員做出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖1　應(yīng)用情景

2系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計流程如圖2所示,主要分為以下幾個步驟:首先,攝像頭驅(qū)動電路讀取攝像頭采集到的視頻圖像信息,將采集到的圖像信息以幀的形式緩存于核心板中;然后,完成圖像處理,圖像經(jīng)過二值化[8]處理來減少其表示信息,從而易于存儲以及匹配;接著,與存儲與核心板中的模版二值圖像進行匹配;最后,將匹配的結(jié)果顯示出來。

圖2　系統(tǒng)流程

其中圖像的二值化處理和圖像的匹配是整個設(shè)計的重點和難點,本文將著重闡述這兩部分的內(nèi)容。該系統(tǒng)用到的核心板是Xilinx開發(fā)的BASYS3,還用到了OV7255攝像頭和VGA顯示器。

2.1二值化

為更容易獲取圖像信息并減少圖像的存儲空間,需對圖像進行二值化處理。圖像經(jīng)過二值化處理之后,所需的存儲空間小,易于圖像匹配,二值化的電路設(shè)計中需要一個時鐘信號,該設(shè)計用到的時鐘信號的頻率為25 MHz,時鐘信號是否穩(wěn)定將直接影響整個系統(tǒng)的性能。圖像信號rgb_i[23:0]表示用24位表示一個像素點信息,圖像的二值化就是用1位代替24位來表示一個像素點的信息。最后一個輸入信號是開關(guān)控制的閾值信號threshold[7:0](button[7:0]),該閾值信號的值是用于分割圖像信息的依據(jù),最終將圖像的像素值分別用0或1兩個值來表示。

圖像二值化流程如圖3所示,設(shè)計流程主要分為以下幾個步驟:(1)擴展位數(shù)。緩存中用16位存儲一個像素點,R、G、B分別是5、6、5位,RGB是重要和常見的顏色模型,以紅、黃、綠3種基色為基礎(chǔ),進行不同顏色的組合,即3基色模式[9]。圖像的二值化過程中需將16位擴展到24位;(2)設(shè)置閾值。用BASYS3上的8個開關(guān)來設(shè)置閾值,閾值的大小直接影響到二值化的結(jié)果;(3)計算灰度。利用式(1)計算灰度,得到每一個像素的灰度信息,用于與閾值進行比較;最后,灰度值與閾值進行比較,根據(jù)比較的結(jié)果設(shè)置該像素點值,重復(fù)上述操作實現(xiàn)圖像的二值化處理。

(1)

圖3　圖像二值化流程

2.2圖像的匹配

目標圖像的識別就是將目標圖像信息與核心板中的模板信息進行匹配,匹配成功后做出相應(yīng)的響應(yīng)。目標圖像的像素信息通過binary_i信號線輸入的,M_0[0:15]～M_9[0:15]表示10個路標的模板信息,這些信息以二進制形式存儲。

目標圖像與模板匹配成功后,輸出對應(yīng)模板的信息,從而實現(xiàn)圖像的匹配。圖像匹配的設(shè)計流程如圖4所示,該匹配過程主要從以下幾方面分析:(1)設(shè)置圖像的采集區(qū)域,目標圖像只有進入該區(qū)域才能進行圖像的處理,為后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ);(2)目標圖像進入采集區(qū)域后,判別目標圖像的邊界位置,標注出圖像的上、下、左、右邊界,準確定位目標圖像的位置,減小匹配范圍;(3)讀取目標圖像的像素點信息;(4)目標的匹配,目標圖像依次與核心板中的每一個模板進行匹配,記錄與每一個模板匹配成功的像素點的個數(shù);(5)相互比較得到個數(shù)最大值,獲取該值對應(yīng)的模板信息,最后顯示對應(yīng)的模版圖像。

圖4　目標圖像的匹配流程

2.3判斷目標邊界

為準確定位目標圖像,減小目標圖像的搜索范圍,需要判斷目標圖像的邊界。如圖5所示是判斷目標圖像的上邊界流程圖。

圖5　判斷上邊界

軟件設(shè)計從以下幾個步驟進行的:(1)初始化寄存器H_RAM[H_NUM],該寄存器用于存放目標圖像的H_NUM行的像素PX=1的個數(shù)N;(2)判斷H_NUM行上的各像素點值,記錄像素PX=1的個數(shù)N,并將N賦給H_RAM[H_NUM];(3)設(shè)置上邊界,通過判別式H_RAM[H_NUM-1]<3&& H_RAM[H_NUM]<3&&H_RAM[H_NUM+1]>5來判斷H_NUM行是否為上邊界行。使用上述同樣的方法判斷目標圖像的下邊界、左邊界、右邊界,最終得到目標圖像的邊界信息。

3實驗數(shù)據(jù)

如圖6所示是資源的使用情況,切片資源使用率為38%,BASYS3中的切片資源主要用于實現(xiàn)攝像頭采集圖像的電路設(shè)計,內(nèi)存資源的消耗量最大,內(nèi)存資源主要用于圖像緩存以及二值圖像的匹配。

圖6　資源使用率

基于FPGA的輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計最終實現(xiàn)檢測并識別部分路標信號,圖7所示是輔助駕駛系統(tǒng)實時檢測并識別左通行路標的結(jié)果。攝像頭將采集到的視頻圖像進行處理,檢測圖像中包含路邊圖像的區(qū)域,并對該區(qū)域進行識別,將識別結(jié)果顯示出來。

圖7　識別效果

4結(jié)束語

基于FPGA的輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)了部分路標的識別,能夠識別路標信號中的左通行、右通行、禁止停車等路標信號,還可識別限速路標上的數(shù)字信號,達到了實時檢測并識別部分路標的要求。但現(xiàn)實交通路口存在著諸多干擾因素,這些因素均會影響到該系統(tǒng)的識別結(jié)果。此外,路標信號種類多樣,該系統(tǒng)只是識別了幾種常見的路標信號。因此,降低干擾,增加識別種類,均是后期研究的重點。

參考文獻

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Simulated Road Sign Recognition and its FPGA Implementation

LI Wei,ZHAI Sheping

(School of Computer Science,Xi’an University of Posts and Telecommunication,Xi’an 710121,China)

AbstractComplex road signs pose hidden dangers to drivers.A simulated road sign recognition system is proposed for FPGA-based auxiliary driving to offer real-time detection and identification of road signs and signals for the driver to respond appropriately.Experimental results show that the hardware circuitry designed using Verilog realizes fast and stable image binarization processing.The system can identify the four signs of Left,Right,No Parking,and No Entry.

KeywordsFPGA;binary image;Verilog

中圖分類號TN79;TP91.41

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)02-045-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.012

作者簡介:李威(1990—),男,碩士研究生。研究方向:嵌入式與FPGA。翟社平(1971—),男,博士,副教授。研究方向:語義Web等。

基金項目:陜西省自然科學(xué)基金面上基金資助項目(2012JM8044);陜西省教育廳基金資助項目(12JK0733);西安郵電大學(xué)創(chuàng)新基金資助項目(114-602080034)

收稿日期:2015- 07- 02