基于CCD圖像處理技術的汽車主動安全系統的研究

李 如,韓鋒鋼,李 明

（1.廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024；2.吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，吉林 長春 130025）

汽車作為現代代步及運輸工具，給人類生產生活帶來了諸多便利，但同時其事故的多發生率也給人敲響了警鐘.汽車安全駕駛成了永恒的課題，特別是在高速公路建設完善的現代，高速帶來的惡性交通事故層出不窮、其事故發生率呈現不斷上升的趨勢.因此世界各國對于汽車安全預防技術的研究中大力的投入人力財力，力求在主動預防技術上使得駕駛者避免一些外來因素帶來的非必要安全事故.全球每年發生的交通事故使全球帶來數以千億的財產損失，因惡性交通事故死亡的人數大約有幾百萬人.引起汽車交通事故的原因有大約60%-80%是人為因素，少部分的來自機械故障、交通道路不穩定.而其中大約50%是司機判斷有誤引起的.據美國相關部門粗略統計，美國每年大概有690萬起交通事故，共造成4萬多人喪生.而在汽車保有量達到1.04億的中國，僅2011年就有6.2萬人死于車禍（數據引用《基于CCD圖像處理的汽車主動安全系統的研究》——謝虎2008東北大學）.

1 汽車安全問題的背景及意義

汽車主動安全性的研究已然成為當務之急，什么是主動安全性？大體而言就是為駕駛員創造一個可以適應人的生理特征的外部條件，也可以歸類成人機工程.為駕駛者提供一個完好的人機外部條件，可以使得駕駛者能很好的完成感知、判斷、操作三個動作的循環.所以要預防事故必須全面了解如何讓人、車、環境這三點要素的完美結合.只有從這些研究入手才可以達到預防車輛事故的最終目的，從而使得車輛在安全行駛中萬無一失.主動安全性內容可分為以下幾點：

1.1 視野

駕駛員駕駛過程中，前方以及四周的路況信息是通過視野（眼睛）采集的，所以良好的視野是一個前提，視野大體可以概括為：前視野、后視野、特殊外部環境的視野（如大雨、大雪、夜間路面照明），這些人類可以用肉眼看見的東西其實我們可以通過攝像儀器拍攝的圖像序列來獲取路況信息（即之后要說到的CCD圖像處理技術）.這點可以說是本論文的核心研究方向.

1.2 操作性能

駕駛員在準確的了解與判斷路面情況后，大腦會分析判斷并且通過實際操作對汽車的機械發出指令.然而汽車是否會按照相應的指令來執行？這是汽車主動安全性的重要成敗因素.

1.3 儀表信號系統

汽車的各項儀表和信號裝置如汽車速度、倒車距離預警等這些影響駕駛員判斷的輔助裝置，其不間斷的為駕駛者提供汽車當前狀態和設備處理何種狀況的信息，也是駕駛員進行準確判斷的依據.所以儀表信號系統也是汽車制動安全性能的又一大要點.

汽車主動安全系統技術主要是通過各種安裝與車上的電子機械如GPS導航、車身各部位的防撞雷達、盲點探測器等設施，這些傳感器來掌握車輛、路況以及其它車輛的行駛狀況等一些綜合信息.以求對駕駛者提供信息預警信號，用以彌補駕駛者因為自身的感知判斷力缺失或是錯誤，從而在一定輔助條件下使得駕駛者準確的對所操控車輛施行控制.一般導致事故發生的駕駛員問題來自與駕駛員注意力不集中，有時因疲勞和所見目標（操控車輛有時有平淡機械的感覺）的單調性而陷入疲勞注意力不集中的駕駛狀態.這樣的駕駛狀態往往易導致車輛偏移行車路線從而在某些突發情況下慌亂操控，這樣極其容易發生交通事故導致財產損失，嚴重的會帶來生命安全的危害.現階段的駕駛輔助系統的模式很多如基于雷達、微波、超聲波系統的汽車安全系統以及基于DSP的汽車智能主動安全系統，這些系統都可以達到輔助駕駛員安全駕駛的目的.本文將對CCD圖像處理技術對于汽車主動安全系統做著重的論述與研究.

2 CCD圖像處理技術概述

什么是CCD圖像處理技術？其實很簡單.你在商場購買的數碼相機中的探測器就是由CCD做的.CCD芯片是由一個個的像素組成，當光子落到每個像素上后，光信號就轉化成了電子信號.我們通常稱這種信號為CCD技術.得到的圖像可以以多種文件格式輸出，并且可以使用一系列圖像處理程序來處理.我們運用在汽車安全系統中的亦是如此，但CCD在整個系統中承擔的是圖像采集與處理.

圖1 .1 CCD系統結構圖

CCD大體為一種光電轉換式圖像傳感器，利用光電轉換原理把圖像信息直接轉換成電信號.它具有體積小、低噪音、輕重量、自動掃描、測量精度高、速度快以及使用壽命長等優點.一般運用于精密測量作業、非接觸性無損檢測、航空領域中都占據首要作用.對于被測物體快速采集信息、存儲信息和數據的處理技術，是線陣CCD數據處理采集技術發展的新方向.

3 國內汽車主動安全駕駛研究現狀

知己知彼百戰不殆，我們只有了解了現階段的汽車主動安全駕駛研究現狀，才可以推陳出新，不斷完善這些技術的核心.我國是發展中國家，其汽車擁有量不如美國、日本等發達國家，但是每年交通事故的發生率卻比后兩者高！其帶來的人員損失、經濟損失之巨大，不得不使得我們重視汽車安全駕駛的研究.我國汽車主動安全駕駛的發展還處在起步階段，調查我國高速公路及汽車產業整體發展水平，借以實現適合我國的主動安全研究的方法尤為重要.

在當前的信息化時代，圖像處理采集技術要求也相應升高.其應用范圍不斷擴大，使得我們應對其不斷研究新的技術和新的發展方向.根據色度學的理論，自然界的一切色彩都是由紅、藍、綠三種原色按不同比例調和而成新的色彩，而一切事物的圖像形狀都離不開顏色.圖像的處理是針對不同應用以及不同的需求采用的不同的處理方法.計算機的圖像處理主要為兩大方法：

（1）空域中的處理方法，空域的處理是圖像空間中對圖像的各種處理.

（2）空間圖像變換法，把圖像變換到頻率域并通過頻率域處理，再變換到圖像的空間域得到處理后的圖像.

其中對于圖像的處理技術要求為——速度高、信息采集量大、實用性強.這些對于CCD圖像采集處理技術是其優點，所以CCD圖像處理技術對于汽車自主安全系統是很適用的，同時也是完美的.圖像處理技術最終是要實現圖像的實時處理，在對于移動目標的確立、識別判斷和跟蹤報道上有實際的重要的意義,在汽車主動安全領域，圖像處理技術應該達到立體化、智能化的地步.數碼圖像處理技術60年代開始主要大規模運用與航天、醫學，到了80年代后這項技術已隨著微機技術的出現得到了普及發展期，隨著電子技術的微型化，現在這項技術廣泛運用于各個領域.近年來一種建立在隨機集論與積分幾何基礎上的數學形態方法的圖像處理新技術已經來臨.集合論是數學形態的描述，其運用集合的運算法則定義了一整套的形態運算法則，所以它提供了一個強大的統一的工具來實現圖像的處理.運用攝像儀器對交通狀況圖像進行采集，運用計算機圖像處理技術與模式識別來連續的處理圖像，借以達到監測交通路況的目的.其優點有設置靈活安裝簡潔、不受氣候影響，檢測項目眾多、檢測覆蓋面廣泛、檢測精確度很高符合人的視角.不過他對于承擔處理系統的計算機性能要求大，CCD技術可以彌補高性能的要求，其技術必將成為未來實現智能化駕駛的前沿技術.隨著新興技術的不斷發展我們一定要著重研究其使用技術性，爭取使CCD技術更廣泛的運用與這些領域.

4 CCD圖像處理主動安全系統的設計方案

全世界許多發達國家都在大力發展智能交通系統其使用化還沒有達到普及水平，而現在基于CCD圖像處理汽車安全系統技術卻可以率先的運用在汽車安全的保障中.CCD已經可以完善的運用于汽車安全保障技術行業，CCD可以從駕駛者主管輔助方面有效的預防和減少國內汽車人為交通事故.駕駛員在駕駛車輛時，其四周路況復雜多變，在時間與空間上呈現非結構化與非線性化特征.駕駛員往往因為駕駛的單調平凡性，容易形成疲勞帶來的注意力不集中，對四周出現的情況感知力不強，極有可能因出現明顯的失誤引起錯誤從而帶來巨大的財產損失與生命安全威脅.現階段一般車輛還是靠駕駛員自身的意識與手動操作，基于自主安全預防考慮同時彌補人員本身意識與反應的不足，以及現在講究的人機工程的運用還很欠缺.本文設計了一套CCD圖像處理主動安全系統的設計方案.見一般智能系統原理“感知能力、思維能力與行為能力”，我們可以將智能主動安全系統分為三個基本層，即“感知層、決策層、行為層”下面是對三個層次的定義：

4.1 感知層

人的一切判斷行動都是基于感知的認識上.在駕駛過程中，駕駛員應當最大限度的判斷路面情況，以及準確判斷路面接下來將可能發生的情況.這些對于信息的收集處理能力要求很大，但是光憑人的大腦去收集信息與判斷信息是遠遠不夠的.現階段一些新興的傳感技術的發展有效的幫助了駕駛員感知的能力，如現在的激光測距儀、紅外線測距儀、雷達、超聲波等可以有效的判斷障礙物與車之間的距離甚至可以精確到厘米，這些都是人用肉眼所達不到的.同時還可以極大的延伸了人對四周環境狀況的感知能力.但是機械感知也有局限性，那就是不可能跟人腦一樣整合所遇見的情況從而將這些外部情況看作一個整體.所以在實際運用中應當將人的感知力與機械的感知力分開運用，以人感知力的優點來彌補機械感知的缺點，同時以機械感知的優點彌補人感知力的不足之處，借此實現人機一體化最大限度的保障駕駛者主觀和客觀感知層的運用.

4.2 決策層

運用機器采集的信息與感知力得到的汽車實時運行信息，通過對汽車實時運行狀態的測評與預測對危險情況做出有效避免的決策，是汽車主動安全駕駛技術不同與一般汽車安全技術的特點.決策層的決策能力是運用多智能體系與危險推理調度共同完成的，是整體機構對于事件的發生預測到依據全局做出相應的規則運行決定新的運行狀態.原理是：危險情況由智能體系發現從而立即處理危機，通過將事件匯報給任務調度推理機構，任務調度推理機構并根據危險事件的程度來轉換機械運作新規則，從而使得整體機構進入危險時第一時間向駕駛者發出預警信息，讓駕駛員可以及時采取相應的操作措施，使駕駛員消除潛在危險排除安全隱患.同時在駕駛者沒有及時采取措施的情況下（比如睡著，喝醉，突發性疾病等難以操縱機械的情況）緊急響應智能體可以自主的對危險進行決策同時直接參與車輛駕駛任務.

4.3 執行層

執行層是最終的行為目的，其前期的感知預警都是為了最后可以有效的執行相應任務.雖然駕駛員的駕駛技術與人腦的思維模式可以有效的對事件進行判斷，對機械參與操縱，但是由于大部分駕駛者本身的反應思維滯后與判斷延遲，以及應對突發事件的心理素質強弱都會影響有效的判斷規避時間，從而帶來巨大的后果.所以駕駛員憑借智能主動安全系統來操縱車輛將會極大的提高汽車安全行駛的穩定性與安全性.執行層可以分為相互執行和智能系統直接執行.相互執行是指駕駛員與智能體相互依靠借鑒來執行車輛的駕駛，大致為智能體感知到周圍環境狀態和汽車本身機械化運行狀態，做出行為決策后，汽車在一定時間還處在安全運行狀態時，智能系統向駕駛員匯報危險信號與行為決策以供駕駛者判斷并對機械發出操作指令，這體現了人機工程人機一體化的理念.而智能系統直接執行是緊急狀態下，駕駛員已經無法參與直接操作時，由智能系統跳過駕駛員直接對機械操縱，機械會根據智能系統的指令完成緊急車輛運行路線或是停止運行.

5 結語

隨著近幾年來國家的飛速發展，以及高速公路的大力建設，加之人們生活節奏的不斷加快，對于汽車的便捷快速等方面需求很大，車輛行駛速度越來越快，加上全國的汽車總量不斷增加，全國交通事故的發生越來越多.汽車自主安全駕駛系統的發展將是不可避免的需要加速發展，并使其走入千家萬戶的日常生活之中.近年來隨著信息技術和微機電子技術的不斷完善，圖像處理技術的應用、DSP應用技術等高端技術的應用與發展起著保障安全駕駛的關鍵作用.隨著這些技術的不斷完善，我們將要讓這些技術運用在智能汽車系統上，使車輛智能化，將車、路、人（駕駛者）進行主動積極的和諧統一，從而達到人機功能完美結合有效的避免了可抗性的車輛交通事故，保障人民生命財產的安全.文章基于CCD圖像處理技術與汽車主動安全技術的結合的研究，認清現在的發展情況，借以有效的展望未來的發展趨勢.本文對于CCD圖像處理汽車主動安全系統作了粗略的研究與探索，還很不全面，有待繼續深究.不過大體上說，現在基于CCD圖像處理技術的汽車主動安全系統有相當大的應用前景以及研究價值，其市場潛力不低，所以未來一定要大力研究CCD圖像處理技術在實際汽車主動安全駕駛的運用方案，使未來達到高智能化的駕駛體驗與生活.

〔1〕謝虎﹒東北大學﹒基于CCD圖像處理的汽車主動安全系統的研究,2008.

〔2〕黃素貞,張國梁,尹立新﹒基于CCD的圖像采集處理系統的研究,2004（05）.

〔3〕S.Slivan﹒CCD圖像處理基本過程.麻省理工學院,2002（04）.

〔4〕衛小偉﹒智能化交通系統的發展現狀及未來﹒現代電子技術﹒

〔5〕李晉惠，樓偉，姜壽山﹒基于CCD的公路路面病害檢測技術研究[J]﹒西安工業學院學報，2002.