汽車后視鏡自調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張亮 萬蓮 張倩 胡慧園

摘 要：為了減少汽車后視鏡視野盲區(qū)所導(dǎo)致的各種交通事故，本文采用人工智能圖像處理方法設(shè)計(jì)了一種汽車后視鏡自調(diào)節(jié)裝置模擬系統(tǒng)，提高了汽車行駛的安全性。該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡潔，操作簡便，而且調(diào)節(jié)時(shí)比較迅速精確，能為駕駛員在調(diào)節(jié)后視鏡方面提供合適的調(diào)節(jié)方式，降低了駕駛汽車的安全隱患。項(xiàng)目利用了FPGA做圖像算法，基本可以達(dá)到研究目的。

關(guān)鍵詞：汽車;后視鏡;自調(diào)節(jié)

中圖分類號：U463.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）29-0075-03

Design of Automobile Rearview Mirror Self-adjusting Simulation System

ZHANG Liang WAN Lian ZHANG Qian HU Huiyuan

（School of Computer and Information Engineering， Hubei Normal University，Huangshi Hubei 435002）

Abstract： In order to reduce various traffic accidents caused by the blind area of the rearview mirror of the automobile， this paper designed a simulation system of the automobile rearview mirror self-adjusting device by artificial intelligence image processing method， which improved the safety of the automobile. The system is not only simple in structure， easy to operate， but also relatively quick and accurate in adjustment， which can provide suitable adjustment mode for the driver to adjust the rearview mirror， and reduce the safety hazard of driving the automobile. The project uses FPGA to do image algorithm， which can basically achieve the research purpose.

Keywords： automobile;rearview mirror;self regulation

汽車后視鏡位于汽車的左右兩側(cè)，其主要用于擴(kuò)大駕駛員的行車視野范圍，解決車輛后方的視野盲區(qū)，幫助駕駛員隨時(shí)了解汽車后方行車狀況等各種未知狀況，常常代表著駕駛員駕駛汽車時(shí)的“第二雙眼睛”，其作用是不可取代的[1-3]。因此，汽車后視鏡的定位角度決定了駕駛員后方視野出現(xiàn)盲區(qū)的范圍[4]。近年來，由于后視鏡視野范圍的不準(zhǔn)確，駕駛員在超車、轉(zhuǎn)彎、倒車等行駛過程中出現(xiàn)的交通事故屢見不鮮，汽車后視鏡技術(shù)在行車安全方面也是一個(gè)熱門話題。基于這個(gè)目的，本文使用人工智能圖像處理的方法設(shè)計(jì)了一種基于人眼識別的汽車后視鏡自調(diào)節(jié)裝置模擬系統(tǒng)，旨在解決駕駛員在行駛汽車的過程中出現(xiàn)視野盲區(qū)的問題，使汽車行駛安全性得到保障和提高。

1 系統(tǒng)總體方案論證

本模擬系統(tǒng)是在圖像處理檢測的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來的，結(jié)合實(shí)際環(huán)境的應(yīng)用，本裝置系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性處理方面具有極高的要求。由于FPGA能進(jìn)行實(shí)時(shí)流水線運(yùn)算，能達(dá)到最高的實(shí)時(shí)性，在圖像處理方面具有極大的優(yōu)勢，因此本研究選用了Altera廠商的FPGA芯片作為主控核心。同時(shí)，考慮到設(shè)計(jì)成本，選用OmniVision廠商的圖像采集傳感器OV7670。后視鏡轉(zhuǎn)動控制端采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要解決后視鏡自適應(yīng)調(diào)位問題。

1.1 自適應(yīng)調(diào)位

在駕駛員駕駛汽車的過程中，不同身高、不同身材的駕駛員的坐姿習(xí)慣是不一樣的，不同駕駛員對座椅背部的傾斜度、座椅前后距離、座椅的高度等要求也不一樣，這樣就導(dǎo)致不同駕駛員從汽車后視鏡里面觀看的角度范圍存在差異，如果不進(jìn)行調(diào)整，則很容易出現(xiàn)視野盲區(qū)。自適應(yīng)調(diào)位功能則是在汽車啟動的時(shí)刻通過攝像頭捕捉到的圖像進(jìn)行人眼定位，計(jì)算出人眼位置使后視鏡進(jìn)行初始位置的調(diào)整，人眼位置簡圖如圖1所示。

系統(tǒng)在平面模型標(biāo)準(zhǔn)正視圖下進(jìn)行人眼位置采點(diǎn)，如圖1（c）所示，在Y軸采集點(diǎn)中，選取了N個(gè)點(diǎn)作為后續(xù)的人眼位置與后視鏡角度關(guān)系的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

本系統(tǒng)裝置主要由四部分組成：圖像數(shù)據(jù)采集單元、FPGA控制單元、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動單元和后視鏡調(diào)節(jié)單元。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要由四部分組成。一是OV7670驅(qū)動單元，主要通過OV7670寄存器配置模塊來保證其穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)，通過像素?cái)?shù)據(jù)的接收模塊向后期處理提供數(shù)據(jù);二是SDRAM存儲器控制單元，主要功能是控制SDRAM存儲器讀寫數(shù)據(jù)，包含讀控制模塊、寫模塊以及SDRAM的時(shí)序控制;三是圖像處理單元，它是軟件系統(tǒng)的核心，主要功能是對采集到的圖像進(jìn)行人眼精確定位，將定位值傳向后續(xù)部分，用到了膚色識別算法與人眼特征算法;四是NIOS軟核單元，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，其一是接收人眼定位的坐標(biāo)值，根據(jù)公式法使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)智能控制，其二是接收汽車轉(zhuǎn)向的信號，控制后視鏡的翻轉(zhuǎn)，保證在行車過程中不會出現(xiàn)盲區(qū)。其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2.2.1 人眼位置信息采集.本文描述的模擬系統(tǒng)是基于人眼位置進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以第一步需要檢測出人眼的位置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用到的圖像算法都是在FPGA上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于FPGA不適合編寫復(fù)雜算法，系統(tǒng)選用了多種簡單算法相結(jié)合來降低復(fù)雜程度，首先系統(tǒng)在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行面部檢測，再進(jìn)行人眼定位。

面部檢測主要用到膚色檢測算法以及模板匹配算法，這里簡單對膚色檢測進(jìn)行說明。膚色是人臉的基本特征，作為人臉檢測的切入點(diǎn)，是最簡單、直觀的。在彩色圖像中，膚色一般都是相對比較集中和穩(wěn)定的區(qū)域，研究表明，不同的種族、年齡和性別的人在膚色上的主要區(qū)別體現(xiàn)在亮度上，除去亮度這一個(gè)因素，膚色在一定空間內(nèi)具有聚類性，通過膚色檢測和分割，進(jìn)一步檢測人臉區(qū)域，這是基于膚色特征的人臉檢測算法的核心思想。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先將接收到的RGB彩色圖像進(jìn)行歸一化處理，轉(zhuǎn)換為YCbCr色彩空間圖像，在剔除圖像的亮度信息之后，對Cb、Cr色彩值進(jìn)行Ostu閾值算法處理得到分割出膚色的圖像。

由于膚色識別的誤差很大，對于類似膚色的物體也能識別出來，還需要進(jìn)一步處理，同時(shí)使用腐蝕膨脹算法去除掉圖像噪聲，使識別更加準(zhǔn)確。接下來就是使用模板匹配法對圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是基于區(qū)域模板匹配的方法，這種方法是通過對圖片區(qū)域的形狀以及尺寸特征進(jìn)行處理，對比區(qū)域特征來實(shí)現(xiàn)匹配。相比于對整幅圖像進(jìn)行處理，區(qū)域識別的計(jì)算量和受細(xì)節(jié)的影響都要小得多。它的重點(diǎn)是區(qū)域特征的提取，這種特征必須是易于識別且不同于其他物體的普遍特征的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過兩種算法相結(jié)合極大地提高了面部檢測的準(zhǔn)確性，人的眼睛在面部具有特定的位置、顏色和形狀特征，再次利用顏色分割及模板匹配法進(jìn)行眼睛定位，并將得到的人眼位置信息進(jìn)行存儲，送給下面進(jìn)行進(jìn)一步的處理。人眼位置信息如圖4所示。

2.2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換。在得到人眼位置信息之后，要根據(jù)位置信息，對后視鏡進(jìn)行控制。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中利用步進(jìn)電機(jī)代替了汽車兩邊的后視鏡，為了準(zhǔn)確地得到電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，事先在小汽車內(nèi)進(jìn)行實(shí)際測量，將其不同高度及需要轉(zhuǎn)動的角度記錄下來，再將數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)表文件。為了方便更改數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)表文件轉(zhuǎn)化成FPGA片內(nèi)ROM能夠識別的文件，并將其存儲下來，系統(tǒng)上電時(shí)便能使直接使用，系統(tǒng)在工作時(shí)利用查表的方法對數(shù)據(jù)表進(jìn)行查詢，使電機(jī)轉(zhuǎn)動。在汽車過彎時(shí)，系統(tǒng)利用內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出更加合理的數(shù)據(jù)，大大降低了系統(tǒng)的誤差性。

為了得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬眼點(diǎn)在汽車內(nèi)的變化情況進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。測量后視鏡翻轉(zhuǎn)角度時(shí)，要合理安放圖像采集點(diǎn)，使其與后視鏡處于同一水平線上，使眼點(diǎn)觀察后視鏡與圖像采集點(diǎn)在水平方向上為同一個(gè)值，且眼點(diǎn)距離圖像采集點(diǎn)水平距離為50cm。由于人眼的高度在一定范圍內(nèi)，只在動態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行測量，并在使用人眼位置數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行取整處理;最后將人眼在范圍內(nèi)上下移動的距離轉(zhuǎn)換成眼點(diǎn)在圖像上移動的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，根據(jù)實(shí)際測量值計(jì)算得出相對豎直方向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)（每一個(gè)像素點(diǎn)表示0.55mm高度），如表1所示。

3 結(jié)論

本文針對汽車后視鏡的不可調(diào)節(jié)性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一款基于人眼定位的汽車后視鏡自調(diào)節(jié)模擬系統(tǒng)。針對不同的駕駛員，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對汽車后視鏡的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，具有非常好的可擴(kuò)展性。由于FPGA做圖像算法的局限性，本研究實(shí)現(xiàn)不了特別精準(zhǔn)的算法，識別時(shí)受到光線的影響較大，光線不好時(shí)不能準(zhǔn)確使用，還需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。但是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、操作簡便且迅速精確，為駕駛員在調(diào)節(jié)后視鏡方面提供了非常便捷的調(diào)節(jié)方式，降低了駕駛汽車的安全隱患。

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