基于機器視覺的車道偏離預警系統的實現

2、系統設計與實現

　　實現圖 2 的基于視覺的汽車主動安全系統，數據的存儲和傳輸是一個主要的問題，尤其是對于汽車主動安全這樣的實時性要求非常高的應用背景。如何在最短的時間內，由原始采集到的圖像數據，經過一系列的存儲器數據搬移及信號處理過程，獲得最終的對道路的理解判斷，并對車輛是否跑偏做出正確的決策，是本系統主要的實現目標。本文將依據數據在系統中的“流動”順序對本系統進行詳細的介紹。

2.1、數據采集模塊

　　在本系統中，圖像數據是主要的傳感器信號，獲得高質量的圖像數據對后期的處理和功能的實現具有較大的意義。但是對于實際的應用環境，由于天氣、光照等因素的影響，甚至是一系列特殊情況的出現，一般的圖像傳感器在各種條件下難以具有較好的魯棒性。為了較好的適應各種道路和天氣狀況，保證駕駛的安全性，我們采用了適合道路使用的CMOS 數字攝像頭芯片自主開發了視覺采集模塊，該攝像頭芯片通過159 位SPI 控制字可完全編程控制，較好的實現對曝光時間、增益和噪聲等的調節。同時，該攝像頭芯片采用了一種多斜率的曝光模式輸出，在不同的曝光模式下，控制曝光的時間也是不一樣的，保證在光照過強或者光照條件非常弱的情況下，都可獲得較好的圖像。

　　對于攝像頭芯片的SPI 控制，本文為了自適應的調整在不同背景下的工作模式，由DSP根據最后對圖像的理解和判斷的結果，給予FPGA 一定的通信信號完成對攝像頭芯片的頂層的系統級的控制，而底層的真正的SPI 控制字的修改和調整則由FPGA 來完成，這樣可避免SPI 的工作頻率和DSP 外部總線頻率的不一致而導致的DSP 工作效率的浪費，而FPGA來完成這樣的工作則比較容易。

2.2、數據傳輸、存儲模塊

　　在本系統中，從前端的圖像采集模塊，到最后的報警信號的輸出，數據是不停的在FPGA、SDRAM 及DSP 之間進行傳輸和搬移，接下來主要討論如何在這三者之間進行高速有效的搬移和處理，這也正是本文的主要模塊。系統中的數據流程主要有以下幾個方面：

　　Ⅰ、在 FPGA 中經過預處理的圖像數據，首先必須存儲到主存儲芯片SDRAM 中，這是后端高層處理的基礎。

　　Ⅱ、DSP從SDRAM中讀取最新的圖像數據進行處理，并將處理的中間結果存于SDRAM中，這樣的讀寫過程很可能是循環進行的，SDRAM 的分塊存儲特性正適合這樣的性能要求。

　　Ⅲ、為了系統調試的方便，很可能要求顯示中間處理的結果，因此我們在 FPGA 上掛接了一塊顯示調試模塊，調試時FPGA 可從SDRAM 中讀取中間的處理結果進行顯示。

　　Ⅳ、還有一種情況，某些情況下我們可能要求 DSP 和FPGA 之間直接進行圖像數據的傳輸，這也是我們必須考慮的范疇。

　　綜合上面的種種可能情況，考慮我們采用的 DSP 芯片同時支持FIFO 和SDRAM 芯片的無縫連接，我們設計了圖3 的數據傳輸方案：

首先，前端的采集模塊輸出的圖像數據是 8 位的，而對于我們采用的SDRAM 存儲芯片和DSP 處理芯片，數據總線都是64 位的。為了不造成資源的浪費，在FPGA 對圖像進行預處理的過程中，我們同時將8 位的圖像數據拼接成64 的數據輸出，這樣可充分利用系統的資源。

　　其次，在 FPGA 中經過一系列并行預處理的圖像數據，存儲于FPGA 內部開辟的FIFO中。FPGA 給出握手信號，通知DSP 可以開始由FIFO 向SDRAM 傳輸數據，數據的傳輸過程則完全由DSP 通過EDMA 傳輸方式來控制完成。當核心處理器DSP 完成當前操作的情況下，再從SDRAM 中讀入最新的數據進行處理，這可充分利用DSP 芯片豐富的外設資源。

　　同時，由圖 3 的數據流圖我們發現數據在由FPGA 向SDRAM 傳輸的過程中，相對于DSP 來說，FPGA 中開辟的用來存儲數據的FIFO 模塊和外部主存儲器SDRAM 模塊是掛接于DSP 上的相同的地址總線和數據總線上的，在這種源設備和目的設備掛接于相同外部總線上的傳輸形式下，我們采用的DSP 芯片支持一種優化的EDMA 傳輸模式－PDT 傳輸，它優化了數據的傳輸過程，使得DSP 的EDMA 傳輸模式可在數據不經過DSP 內的緩存區的情況下，直接由源設備FIFO 傳輸到目的設備SDRAM 中，從而可在一個周期內完成數據的傳輸。相比于傳統的傳輸模式，先由FPGA 傳輸到DSP 內部的緩存區，再由DSP 寫入到SDRAM 中，PDT 傳輸模式基本上可縮短一半的數據傳輸時間，對于像圖像這樣的大容量數據傳輸來說，是具有非常大的意義的。