行車安全輔助警示記錄系統(tǒng)

研究動機(jī)與介紹

    隨著工業(yè)的進(jìn)步，行車安全以及車輛防盜的問題已擺在世界人民面前。根據(jù)報導(dǎo)[1]，中國每年超過11萬人死于車禍，大部分的事故皆由人為因素引起，而疲勞與分心則是主要的原因。雖然瞌睡偵測、腦電波等相關(guān)研究都致力于提醒駕駛員，但是其效果并非相當(dāng)令人滿意；加上系統(tǒng)的反應(yīng)時間以及系統(tǒng)成本因素，無法全面普及。

    除了行駛安全的問題讓人擔(dān)憂之外，車輛本身的防盜裝置亦使人煩心。根據(jù)資料顯示[2]，中國每年有超過7.2萬輛汽車失竊，平均每7分鐘就有一輛汽車遭竊，即使目前的車輛在出廠時都配備防盜鎖，且使用者自己也會加裝防盜竊裝置，但是效果并不顯著，目前監(jiān)控系統(tǒng)最多做到傳送文字短信至使用者手機(jī)作為提醒，但是無法將實時監(jiān)控的影像連續(xù)不斷地傳送出來，這樣就很容易產(chǎn)生誤報的情形，如果只是大卡車經(jīng)過了你的愛車旁邊產(chǎn)生震動而觸發(fā)，使用者也必須要趕緊回到車輛附近，這樣太浪費時間與人力。

    近年來，搭配CCD攝像機(jī)發(fā)展的高效率圖像處理技術(shù)正蓬勃發(fā)展。主要原因在于軟件撰寫的彈性、CCD攝像機(jī)架設(shè)的彈性、CCD攝像機(jī)所擷取資料的多元化以及成本不高等優(yōu)勢。以汽車安全輔助配備來看，超音波雷達(dá)在過去的汽車安全防護(hù)上廣泛運用。但是，有效距離有限，只能在駕駛員倒車時給予距離信息的參考。圖像的應(yīng)用其實也有，不過目前僅僅局限于圖像監(jiān)視的功能上，例如倒車圖像顯示等。

    我們認(rèn)為，圖像處理系統(tǒng)可以提供更高的智能，足以協(xié)助一般使用者在車輛行駛中的安全防護(hù)工作。除此之外，我們也希望能夠提供警方或者租貸車輛廠商能夠利用車輛中實時記錄的資料來有效還原事故現(xiàn)場，理清肇事責(zé)任。甚至，我們還期盼能在車輛停放后，讓使用者能利用手機(jī)隨時隨地監(jiān)控到車內(nèi)情況，提供給使用者一個更安心的圖像式防盜系統(tǒng)。

研究方法

    因此，我們開發(fā)出一個系統(tǒng)—CADAS (CSSP. Advanced Driver Safety Assist System)，利用圖像技術(shù)，偵測車輛前方道路信息，估算車輛目前在所行駛的車道上的位置而判斷車輛目前是否處于危險的狀態(tài)；更進(jìn)一步，我們在車后方架設(shè)另一臺攝像機(jī)，將取得的圖像信息送入同一套系統(tǒng)中，且采用同一套算法，利用已經(jīng)偵測出來的車道線信息將前方車輛及后車輛的相對位置一并處理，提高系統(tǒng)危險警示的穩(wěn)定度。

    在車輛行駛影像紀(jì)錄器方面，目前市面上的車輛行駛記錄器均是以類似飛機(jī)黑盒子的方式設(shè)計，若不幸發(fā)生事故，還得等待黑盒子內(nèi)的記錄資料譯碼才能有機(jī)會理清，且因為記錄信息過少，往往無法正確還原事故現(xiàn)場。CADAS希望能利用H.264實時壓縮技術(shù)，將事故發(fā)生狀況精確記錄，提供給警方作為輔助。

    我們還有一個想法，將傳統(tǒng)的汽車監(jiān)控系統(tǒng)和具備行動網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)做緊密結(jié)合，做為車輛電子產(chǎn)業(yè)的先鋒。這一步對于汽車監(jiān)控領(lǐng)域會是一個令人驚訝的躍進(jìn)，因為市面上所有類似的系統(tǒng)都沒有具備傳輸影像的功能。我們將龐大的有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機(jī)加以改善提升進(jìn)化，移植到輕薄短小的無線網(wǎng)絡(luò)嵌入式單板上。除了基本的定位追蹤、防盜警示功能之外，還加入了圖像的支持。影像傳輸?shù)姆绞匠送高^IEEE 802.11x無線網(wǎng)絡(luò)之外，更重要的是可以利用3G/無線傳輸，不分時空地保護(hù)使用者的愛車。

    如圖1所示，CADAS是結(jié)合兩片TI的DSP實驗板而成。一片為TI DM642，負(fù)責(zé)實時快速計算前后車道線以及車輛偵測算法，并將偵測結(jié)果透過Zigbee無線傳輸至另一片實驗板作警示用。而另一片實驗板則是采用TI OMAP 5912，本片實驗板最大的特色就是結(jié)合ARM以及DSP在一顆IC上，讓我們可以利用ARM強(qiáng)大的控制功能，結(jié)合OS來驅(qū)動所有的外圍設(shè)備來符合我們所需要的功能。在OMAP 5912上，我們將Embedded Linux成功植入，并透過相對應(yīng)的Driver，使得USB Camera、Wireless LAN Module、Touch Panel、GPRS Module、GPS Module與Zigbee可以在OS的掌控之下，成功地工作并互相配合，達(dá)到我們所期盼的要求。

圖1  系統(tǒng)整體圖

系統(tǒng)功能及創(chuàng)新

    CADAS結(jié)合了這些外圍，成功實現(xiàn)了以下幾項創(chuàng)新功能：

獨特的前后方車道線以及車輛偵測

    我們將特別針對DSP所設(shè)計的算法實現(xiàn)在DM642上，藉由程序撰寫以及搭配硬件平臺的內(nèi)存、EDMA管理最佳化，讓此套復(fù)雜的算法能夠在單顆DSP上達(dá)到30fps的效能，可以實時擷取前后雙方的影像并判別車輛是否偏離車道，以及是否與其它車輛距離過近，進(jìn)而提出警告。在車道線偵測的部分，我們在各種不同的道路情況下，包含晴天、陰天、雨天以及夜晚，都能夠成功的偵測出車道線以及車輛的信息，在穩(wěn)定度及可靠性上都是一大突破。

無線Zigbee傳輸信號

    CADAS最主要的應(yīng)用對象就是車輛，而因為車輛中空間有限，為了有效利用空間，我們將兩片實驗板分開，其中信號溝通的部分采用最新的Zigbee無線傳輸技術(shù)，Zigbee設(shè)計原本就適合傳輸控制信號用，其傳輸途徑經(jīng)測試約為50m，非常適合車輛使用，透過Zigbee，我們可以將實驗板置于不同的位置，但仍保有溝通的管道，在安裝上非常具有彈性。

發(fā)現(xiàn)駕駛狀況不良，實時自動通報

    排在肇事原因第一位的是人為疏失，而人為疏失的發(fā)生又大多因為駕駛者身心疲憊，在意外發(fā)生前，通常就有跡象，駕駛者可能會先左右偏離車道，或距離其它車輛過近，一般的警示系統(tǒng)大都只在車上發(fā)出警告聲響，這樣的保護(hù)其實不足。CADAS因具有GPRS Module，故可在駕駛狀況不良時，實時自動通報警局以及車輛所屬單位。在事故發(fā)生前，先一步通知，由車輛以外的人來做提醒，能有效降低意外發(fā)生率。

全程H.264駕駛記錄

    若仍不幸發(fā)生意外事故，理清肇事原因是最重要的部分。目前的車輛記錄器并不普遍，即使有，其記錄的信息也不夠，僅有油門、煞車等資料，無法詳盡還原事故現(xiàn)場，CADAS利用在DSP上實現(xiàn)的H.264動畫壓縮技術(shù)，可全程記錄駕駛行為，提供給警方及有關(guān)單位作參考。

行動無線車輛防盜

    CADAS可補(bǔ)足目前汽車監(jiān)控系統(tǒng)最弱的一環(huán)─行動監(jiān)控。目前的汽車安全防盜系統(tǒng)，對于使用者不夠友善，沒有辦法提供圖像的信息。一般的汽車防盜系統(tǒng)沒有辦法將圖像傳給車主。我們突破了這樣的瓶頸，利用3G/GPRS達(dá)成實時圖像傳輸。使系統(tǒng)平臺能將車內(nèi)、外圖像狀況實時傳送至手機(jī)上，使用者就能在每時每刻確實掌握愛車。

    我們希望能透過這些先進(jìn)的功能，讓人們有更安全、更放心的環(huán)境，而CADAS不只能應(yīng)用在Lane Departure Warning System，也能應(yīng)用在運鈔車監(jiān)控以及大眾運輸工具保護(hù)等方面，讓行走在道路上或是坐在車內(nèi)的人都有更安全、更放心的環(huán)境，也能避免令人傷悲的事故發(fā)生。

具體研究成果與討論

    由于CADAS功能強(qiáng)大，且包含許多不同領(lǐng)域，故我們將其大致分為四項：車道線與車輛偵測算法；發(fā)現(xiàn)駕駛狀況異常，實時通報；H.264動畫壓縮技術(shù)和行動無線車輛防盜系統(tǒng)，并對其作詳細(xì)分析比較。

車道線與車輛偵測算法

    我們的系統(tǒng)無論是什么顏色的車輛都能精確的偵測出來，并且能夠避免路面上國字橋墩接縫等噪聲，在隧道內(nèi)也可運作。除此之外，由于露天的氣候多變，經(jīng)過我們測試，無論是晴天、陰天、雨天或是夜晚，我們都能將車道線以及車輛做精確的判斷，圖2(a)、(b)測試路段為臺灣新竹市東西向快速道路，氣候為陰雨天，故有雨刷的痕跡，但我們?nèi)跃_的偵測出來。透過我們最佳化后的算法，可以達(dá)到30fps實時運算的需求，更能保護(hù)使用者的安全。

圖2  不同情況下的實驗結(jié)果圖

    由表1我們可以得知，本研究在車道線偵測的研究中占有一席之地，且功能性及技術(shù)性都較為優(yōu)越。

發(fā)現(xiàn)駕駛狀況異常，實時通報

    在DM642發(fā)現(xiàn)駕駛狀況異常時，如車道偏移或與車輛距離過近，就會透過Zigbee將信號無線傳輸給OMAP 5912，而OMAP在接收到信號之后則會先計數(shù)，若駕駛狀況異常次數(shù)非常多，則傳送警告簡訊給警局或是其他相關(guān)單位，在遠(yuǎn)程使用者接收到警告短信后，則可馬上利用手機(jī)取得車內(nèi)實時狀況，以理清是否駕駛者狀況不良，進(jìn)而做更進(jìn)一步的提醒及保護(hù)。圖3為實時通報示意圖。

圖3  實時通報示意圖

H.264動畫壓縮技術(shù)

    于TI OMAP的DSP上實現(xiàn)的H.264動畫壓縮技術(shù)，在經(jīng)過算法的復(fù)雜度降低，針對DSP的特性做內(nèi)存以及演算流程的最佳化之后，仍保有相當(dāng)高的品質(zhì)，表2為本研究與其它研究的比較表，由表2可知不同的測試影像，本研究的PSNR都明顯較高，顯示品質(zhì)的確較好。

行動無線車輛防盜系統(tǒng)

    CADAS裝于車上，透過3G/GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，將實時拍攝到的影像信息傳至使用者之行動通訊裝置，使用者即能了解目前的狀況，進(jìn)而做出正確的判斷。除了主動通報之外，CADAS亦提供被動偵測的功能，當(dāng)使用者不在車上時，可傳送簡訊至車上的系統(tǒng)，系統(tǒng)在收到簡訊之后馬上就會進(jìn)行拍照以及回傳GPS狀態(tài)的動作，即使使用者不在車內(nèi)，也可馬上了解車輛的使用情形以及目前所在位置，這對車隊管理而言，非常有效率。目前受限于3G的速度，于手機(jī)上顯示的Frame Rate約為3fps，我們在手機(jī)上實做的成果如圖4所示。

圖4  手機(jī)屏幕畫面

獲獎關(guān)鍵點

    CADAS已成功實現(xiàn)許多創(chuàng)新且技術(shù)性高的功能，例如：前后雙方實時車道線與車輛偵測系統(tǒng)；駕駛員異狀，實時自動通報；H.264行車記錄；行動車輛防盜。

    CADAS成功結(jié)合行車安全輔助警示系統(tǒng)、駕駛狀況記錄系統(tǒng)以及行動影像式汽車防盜系統(tǒng)，行車安全輔助警示系統(tǒng)以及行動影像式汽車防盜系統(tǒng)均已技術(shù)轉(zhuǎn)移給汽車電子相關(guān)產(chǎn)商，并獲得相當(dāng)高的評價。除了受到業(yè)界的肯定之外，駕駛狀況記錄系統(tǒng)與行動影像式汽車防盜系統(tǒng)亦申請了專利 [7]，在技術(shù)上都是進(jìn)一步的突破。由此可知，CADAS非一朝一夕為了比賽而拼湊，無論在技術(shù)成熟度以及系統(tǒng)完整度，都是無庸置疑的。我們希望能夠?qū)⑾冗M(jìn)的電子產(chǎn)業(yè)所帶給人類的便利與汽車廠商做緊密的結(jié)合，使汽車越來越多的現(xiàn)今社會變得更安全，更少事故，且更容易保護(hù)車輛不受竊盜威脅。將新一代的技術(shù)致力于人類下一代的幸福，這是我們電子產(chǎn)業(yè)人才的目標(biāo)與使命。
　　
參考文獻(xiàn)：
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3. 曾百由, 廖永盛, 葉志賢, 黃立恭, ‘駕駛安全輔助系統(tǒng)之車道偏離警示’, 第十一屆車輛工程學(xué)術(shù)研討會, 2006
4. I.Gat, M.Benady and A.Shashua, “Monocular Vision Advance Warning System for the Automotive”, Aftermarket SAE World Congress & Exhibition, 2005.
5.  E. Dagan, O. Mano, G.P. Stein and A. Shashua, “Forward Collision Warning with a Single Camera”, in IEEE Intelligent Vehicles Symposium, IV2004, Jun., 2004.
6. Kant, S. Mithun and U. Gupta, “Real time H.264 video encoder implementation on a programmable DSP processor for videophone applications”, in ICCE '06 Digest of Technical Papers, pp. 93 – 94, Jan. 2006
7.  吳炳飛, 陳昭榮, 彭信元,‘用于防盜之監(jiān)視系統(tǒng)’, 臺灣發(fā)明專利, 發(fā)明第I 233066號, 2005年5月21日