基于FPGA的车道偏离预警系统的设计

摘要：介绍了一种以FPGA芯片为核心，基于数字图像处理技术和SOPC技术的车道偏离预警系统实现方案。系统通过CCD摄像头完成车辆前方图像的采集，利用Hough变换实现车道检测，利用边缘检测函数完成偏离预警的功能。系统具有良好的便携性、灵活性和通用性。详细的论述了该系统硬件结构和软件设计思想，并分析了系统具有的优点。
关键词：车道偏离；车道检测；Hough变换；SoPC；FPGA；

0 引言
随着我国国民经济的发展，汽车拥有量剧增，同时公路建设事业的迅速发展，造成目前公路交通呈现行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势，由汽车碰撞引起的交通事故危害着人民的生命财产安全。根据美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)2009年乘用车在交通事故中碰撞位置的统计数据，在各种交通事故中，车辆前部碰撞占到总事故的62％，而这其中多数是由于车道偏离车道所引起的交通事故，因此通过设计汽车车道偏离预警系统有效地减少前向碰撞的发生几率，可以有效降低公路交通事故的损失。
本文利用SoPC(可编程片上系统)技术设计方式灵活、可裁减、可扩充、可升级、设计周期短的优势，设计了一种可以灵活配置，易升级维护的车道偏离预警系统。

1 系统的总体技术路线
根据系统功能需求，将系统的处理流程分为图像预处理、特征提取、特征判别三个阶段，如图1所示。

(1)图像预处理。系统通过摄像机获取车辆行驶前方的车道图像，通过数字图像处理技术完成数字图像的采集、灰度化和滤波增强；
(2)特征提取。利用Sobel边缘检测算法完成图像的边缘检测，并以此为基础利用Hough变换完成车道线检查；
(3)特征判别。根据检测出的车道标志线信息，利用边缘检测函数EDF做出相关的偏离判决。

2 系统的硬件设计
基于FPGA的车道偏离检测系统的硬件组成如图2所示。系统利用CCD摄像机采集车道图像，通过视频模数转换芯片ADV7181对获取的视频进行解码，得到数字视频信启，并将其存储于SDRAM中供LCD进行显示，并作为原始信息供之后的图像信号处理单元完成图像处理任务，从中提取车道信息。

内嵌于FPGA的软核处理器Nios II为整个系统的控制核心，完成系统整体软件流程执行控制、Hough变换、车道检测以及碰撞预警任务；Nios II处理器通过Avalon交换架构与SOPC系统其他组件完成数据交换和控制。FPGA内部构件的图像信号处理单元完成对数字图像信号的预处理、中值滤波除噪、Sobel边缘检测等任务，其处理结果作为Nios II进行车道偏离检测的依据。
外围存储器件SDRAM、FLASH、SRAM，SDRAM用以存储图像信息，FLASH用以存储程序以及系统参数配置，SRAMN以存储软件暂存数据：系统以按键、LCD作为人机接口。
附加逻揖完成系统的其他辅助任务。