行車(chē)安全輔助警示記錄系統(tǒng)

研究動(dòng)機(jī)與介紹

    隨著工業(yè)的進(jìn)步，行車(chē)安全以及車(chē)輛防盜的問(wèn)題已擺在世界人民面前。根據(jù)報(bào)導(dǎo)[1]，中國(guó)每年超過(guò)11萬(wàn)人死于車(chē)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(cè)、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(shí)間以及系統(tǒng)成本因素，無(wú)法全面普及。

    除了行駛安全的問(wèn)題讓人擔(dān)憂之外，車(chē)輛本身的防盜裝置亦使人煩心。根據(jù)資料顯示[2]，中國(guó)每年有超過(guò)7.2萬(wàn)輛汽車(chē)失竊，平均每7分鐘就有一輛汽車(chē)遭竊，即使目前的車(chē)輛在出廠時(shí)都配備防盜鎖，且使用者自己也會(huì)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(wú)法將實(shí)時(shí)監(jiān)控的影像連續(xù)不斷地傳送出來(lái)，這樣就很容易產(chǎn)生誤報(bào)的情形，如果只是大卡車(chē)經(jīng)過(guò)了你的愛(ài)車(chē)旁邊產(chǎn)生震動(dòng)而觸發(fā)，使用者也必須要趕緊回到車(chē)輛附近，這樣太浪費(fèi)時(shí)間與人力。

    近年來(lái)，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(xiě)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(shì)。以汽車(chē)安全輔助配備來(lái)看，超音波雷達(dá)在過(guò)去的汽車(chē)安全防護(hù)上廣泛運(yùn)用。但是，有效距離有限，只能在駕駛員倒車(chē)時(shí)給予距離信息的參考。圖像的應(yīng)用其實(shí)也有，不過(guò)目前僅僅局限于圖像監(jiān)視的功能上，例如倒車(chē)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(chē)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(chē)輛廠商能夠利用車(chē)輛中實(shí)時(shí)記錄的資料來(lái)有效還原事故現(xiàn)場(chǎng)，理清肇事責(zé)任。甚至，我們還期盼能在車(chē)輛停放后，讓使用者能利用手機(jī)隨時(shí)隨地監(jiān)控到車(chē)內(nèi)情況，提供給使用者一個(gè)更安心的圖像式防盜系統(tǒng)。

研究方法

    因此，我們開(kāi)發(fā)出一個(gè)系統(tǒng)—CADAS (CSSP. Advanced Driver Safety Assist System)，利用圖像技術(shù)，偵測(cè)車(chē)輛前方道路信息，估算車(chē)輛目前在所行駛的車(chē)道上的位置而判斷車(chē)輛目前是否處于危險(xiǎn)的狀態(tài)；更進(jìn)一步，我們?cè)谲?chē)后方架設(shè)另一臺(tái)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(cè)出來(lái)的車(chē)道線信息將前方車(chē)輛及后車(chē)輛的相對(duì)位置一并處理，提高系統(tǒng)危險(xiǎn)警示的穩(wěn)定度。

    在車(chē)輛行駛影像紀(jì)錄器方面，目前市面上的車(chē)輛行駛記錄器均是以類(lèi)似飛機(jī)黑盒子的方式設(shè)計(jì)，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(huì)理清，且因?yàn)橛涗浶畔⑦^(guò)少，往往無(wú)法正確還原事故現(xiàn)場(chǎng)。CADAS希望能利用H.264實(shí)時(shí)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(gè)想法，將傳統(tǒng)的汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)和具備行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)做緊密結(jié)合，做為車(chē)輛電子產(chǎn)業(yè)的先鋒。這一步對(duì)于汽車(chē)監(jiān)控領(lǐng)域會(huì)是一個(gè)令人驚訝的躍進(jìn)，因?yàn)槭忻嫔纤蓄?lèi)似的系統(tǒng)都沒(méi)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(wú)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^(guò)IEEE 802.11x無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之外，更重要的是可以利用3G/無(wú)線傳輸，不分時(shí)空地保護(hù)使用者的愛(ài)車(chē)。

    如圖1所示，CADAS是結(jié)合兩片TI的DSP實(shí)驗(yàn)板而成。一片為T(mén)I DM642，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)快速計(jì)算前后車(chē)道線以及車(chē)輛偵測(cè)算法，并將偵測(cè)結(jié)果透過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸至另一片實(shí)驗(yàn)板作警示用。而另一片實(shí)驗(yàn)板則是采用TI OMAP 5912，本片實(shí)驗(yàn)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(lái)驅(qū)動(dòng)所有的外圍設(shè)備來(lái)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(guò)相對(duì)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(shí)現(xiàn)了以下幾項(xiàng)創(chuàng)新功能：

獨(dú)特的前后方車(chē)道線以及車(chē)輛偵測(cè)

    我們將特別針對(duì)DSP所設(shè)計(jì)的算法實(shí)現(xiàn)在DM642上，藉由程序撰寫(xiě)以及搭配硬件平臺(tái)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(shí)時(shí)擷取前后雙方的影像并判別車(chē)輛是否偏離車(chē)道，以及是否與其它車(chē)輛距離過(guò)近，進(jìn)而提出警告。在車(chē)道線偵測(cè)的部分，我們?cè)诟鞣N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(cè)出車(chē)道線以及車(chē)輛的信息，在穩(wěn)定度及可靠性上都是一大突破。

無(wú)線Zigbee傳輸信號(hào)

    CADAS最主要的應(yīng)用對(duì)象就是車(chē)輛，而因?yàn)檐?chē)輛中空間有限，為了有效利用空間，我們將兩片實(shí)驗(yàn)板分開(kāi)，其中信號(hào)溝通的部分采用最新的Zigbee無(wú)線傳輸技術(shù)，Zigbee設(shè)計(jì)原本就適合傳輸控制信號(hào)用，其傳輸途徑經(jīng)測(cè)試約為50m，非常適合車(chē)輛使用，透過(guò)Zigbee，我們可以將實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)自動(dòng)通報(bào)

    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?yàn)轳{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(huì)先左右偏離車(chē)道，或距離其它車(chē)輛過(guò)近，一般的警示系統(tǒng)大都只在車(chē)上發(fā)出警告聲響，這樣的保護(hù)其實(shí)不足。CADAS因具有GPRS Module，故可在駕駛狀況不良時(shí)，實(shí)時(shí)自動(dòng)通報(bào)警局以及車(chē)輛所屬單位。在事故發(fā)生前，先一步通知，由車(chē)輛以外的人來(lái)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(chē)輛記錄器并不普遍，即使有，其記錄的信息也不夠，僅有油門(mén)、煞車(chē)等資料，無(wú)法詳盡還原事故現(xiàn)場(chǎng)，CADAS利用在DSP上實(shí)現(xiàn)的H.264動(dòng)畫(huà)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(dòng)無(wú)線車(chē)輛防盜

    CADAS可補(bǔ)足目前汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)最弱的一環(huán)─行動(dòng)監(jiān)控。目前的汽車(chē)安全防盜系統(tǒng)，對(duì)于使用者不夠友善，沒(méi)有辦法提供圖像的信息。一般的汽車(chē)防盜系統(tǒng)沒(méi)有辦法將圖像傳給車(chē)主。我們突破了這樣的瓶頸，利用3G/GPRS達(dá)成實(shí)時(shí)圖像傳輸。使系統(tǒng)平臺(tái)能將車(chē)內(nèi)、外圖像狀況實(shí)時(shí)傳送至手機(jī)上，使用者就能在每時(shí)每刻確實(shí)掌握愛(ài)車(chē)。

    我們希望能透過(guò)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(yùn)鈔車(chē)監(jiān)控以及大眾運(yùn)輸工具保護(hù)等方面，讓行走在道路上或是坐在車(chē)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(xiàng)：車(chē)道線與車(chē)輛偵測(cè)算法；發(fā)現(xiàn)駕駛狀況異常，實(shí)時(shí)通報(bào)；H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)和行動(dòng)無(wú)線車(chē)輛防盜系統(tǒng)，并對(duì)其作詳細(xì)分析比較。

車(chē)道線與車(chē)輛偵測(cè)算法

    我們的系統(tǒng)無(wú)論是什么顏色的車(chē)輛都能精確的偵測(cè)出來(lái)，并且能夠避免路面上國(guó)字橋墩接縫等噪聲，在隧道內(nèi)也可運(yùn)作。除此之外，由于露天的氣候多變，經(jīng)過(guò)我們測(cè)試，無(wú)論是晴天、陰天、雨天或是夜晚，我們都能將車(chē)道線以及車(chē)輛做精確的判斷，圖2(a)、(b)測(cè)試路段為臺(tái)灣新竹市東西向快速道路，氣候?yàn)殛幱晏?，故有雨刷的痕跡，但我們?nèi)跃_的偵測(cè)出來(lái)。透過(guò)我們最佳化后的算法，可以達(dá)到30fps實(shí)時(shí)運(yùn)算的需求，更能保護(hù)使用者的安全。

圖2  不同情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

    由表1我們可以得知，本研究在車(chē)道線偵測(cè)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(shí)時(shí)通報(bào)

    在DM642發(fā)現(xiàn)駕駛狀況異常時(shí)，如車(chē)道偏移或與車(chē)輛距離過(guò)近，就會(huì)透過(guò)Zigbee將信號(hào)無(wú)線傳輸給OMAP 5912，而OMAP在接收到信號(hào)之后則會(huì)先計(jì)數(shù)，若駕駛狀況異常次數(shù)非常多，則傳送警告簡(jiǎn)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(chē)內(nèi)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)通報(bào)示意圖。

圖3  實(shí)時(shí)通報(bào)示意圖

H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)

    于TI OMAP的DSP上實(shí)現(xiàn)的H.264動(dòng)畫(huà)壓縮技術(shù)，在經(jīng)過(guò)算法的復(fù)雜度降低，針對(duì)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(cè)試影像，本研究的PSNR都明顯較高，顯示品質(zhì)的確較好。

行動(dòng)無(wú)線車(chē)輛防盜系統(tǒng)

    CADAS裝于車(chē)上，透過(guò)3G/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)拍攝到的影像信息傳至使用者之行動(dòng)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(dòng)通報(bào)之外，CADAS亦提供被動(dòng)偵測(cè)的功能，當(dāng)使用者不在車(chē)上時(shí)，可傳送簡(jiǎn)訊至車(chē)上的系統(tǒng)，系統(tǒng)在收到簡(jiǎn)訊之后馬上就會(huì)進(jìn)行拍照以及回傳GPS狀態(tài)的動(dòng)作，即使使用者不在車(chē)內(nèi)，也可馬上了解車(chē)輛的使用情形以及目前所在位置，這對(duì)車(chē)隊(duì)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?cè)谑謾C(jī)上實(shí)做的成果如圖4所示。

圖4  手機(jī)屏幕畫(huà)面

獲獎(jiǎng)關(guān)鍵點(diǎn)

    CADAS已成功實(shí)現(xiàn)許多創(chuàng)新且技術(shù)性高的功能，例如：前后雙方實(shí)時(shí)車(chē)道線與車(chē)輛偵測(cè)系統(tǒng)；駕駛員異狀，實(shí)時(shí)自動(dòng)通報(bào)；H.264行車(chē)記錄；行動(dòng)車(chē)輛防盜。

    CADAS成功結(jié)合行車(chē)安全輔助警示系統(tǒng)、駕駛狀況記錄系統(tǒng)以及行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統(tǒng)，行車(chē)安全輔助警示系統(tǒng)以及行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統(tǒng)均已技術(shù)轉(zhuǎn)移給汽車(chē)電子相關(guān)產(chǎn)商，并獲得相當(dāng)高的評(píng)價(jià)。除了受到業(yè)界的肯定之外，駕駛狀況記錄系統(tǒng)與行動(dòng)影像式汽車(chē)防盜系統(tǒng)亦申請(qǐng)了專(zhuān)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(wú)論在技術(shù)成熟度以及系統(tǒng)完整度，都是無(wú)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(lèi)的便利與汽車(chē)廠商做緊密的結(jié)合，使汽車(chē)越來(lái)越多的現(xiàn)今社會(huì)變得更安全，更少事故，且更容易保護(hù)車(chē)輛不受竊盜威脅。將新一代的技術(shù)致力于人類(lèi)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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