一种新型车载安全监控系统设计

秦斌伟， 曹 雄， 闻利群， 刘文怡， 魏 巍

(1. 中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051；2. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051)

一种新型车载安全监控系统设计

秦斌伟1,2， 曹 雄1， 闻利群1， 刘文怡2， 魏 巍1,2

(1. 中北大学 化工与环境学院， 山西 太原 030051；2. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051)

为了解决汽车安全行驶问题， 提出了一种新型的车载安全监控系统， 可用于拥挤人群中安全行驶和车身近距离全方位监控. 在汽车前、 后、 左、 右4个方向分别安装4个摄像头， 用于采集车身四周路况， 将采集的图像进行俯视变换. 图像拼接融合等算法处理， 最终在显示屏实现全景图像和单路图像显示， 使驾驶员可以随时掌控车辆所处的环境， 有效避开车辆周围的障碍物以及实现对车身周边环境的无盲区监控.

摄像头； 图像拼接； 全景图像； 安全监控

随着当今社会私家车的普及， 我国道路交通安全越来越引起人们的关注. 与此同时， 一系列的适用于行车安全的车载终端也应运而生. 近年来市场上主流的车载终端监控系统主要是前置单个摄像头的车载记录仪[1-3]， 但其只能提供车前方的监控画面， 不能呈现车周身的实时环境画面， 在监控过程中存在盲区， 对于监控车辆行驶有一定的缺陷.

本文设计了一种新型的车载安全监控系统， 其目的主要是在监控车辆行驶时道路周边环境， 为驾驶员提供实时路况， 保证车辆的正常安全行驶. 系统采用在车身安装4个摄像头采集车辆四周图像， 传输至微处理器经过相应的算法处理后实现鸟瞰全景图像[4-5]以及单路图像的实时显示， 使驾驶人员可以随时掌控车辆所处的环境， 有效避开车辆周围的障碍物， 方便停车、 倒车、 变道等操作， 特别是在人群特别拥挤的情况下， 可以实现无盲区观察， 达到安全行驶的目的.

1 系统总体设计方案

车载监控系统主要由视频采集模块、 视频处理模块、 视频存储模块及视频显示模块共4大模块组成. 本系统主要由Cortex-A9内核的多媒体处理芯片Hi3520D微处理器、 液晶触摸屏、 微型广角摄像头、 RN6318A解码芯片、 SAA7121解码芯片、 电源电路以及红外控制模块等组成. 系统工作原理： 利用固定在车身的4个微型广角摄像头采集车辆周边的实时路况图像数据， 采集的图像数据经视频解码器RN6318A解码转化为数字信号传给Hi3520D微处理器， 微处理器对接收到的图像数据进行矫正、 变换、 图像拼接融合等算法处理， 最后经过SAA7121解码芯片D/A转换， 实现全景图输出在显示屏上， 系统总体框架如图 1 所示.

2 系统硬件设计

设计的车载图像监测系统关键电路主要包括视频采集电路、 视频存储接口电路、 供电电路以及红外接收模块电路， 下面主要从4方面来对系统硬件设计进行介绍.

2.1 视频采集电路设计

视频采集模块主要由4个180°超广角CCD摄像头及视频解码器RN6318A组成， 主要功能是将摄像头采集的4路图像模拟信号通过标准AV接口传输到超低功耗视频解码芯片RN6318A中. RN6318A解码芯片对模拟信号进行AD采样、 滤波、 压缩编码， 将模拟信号数据转化为数字信号数据传输到中央处理器进行后续处理. 所设计的4路视频采集电路如图 2 所示.

图 2 视频采集电路Fig.2 The circuit design of capturing video

RN6318A解码芯片可同时处理8路视频数据， 本设计使用前4路VIN0～VIN3视频信号输入端， 视频模拟信号在RN6318A解码芯片经过预处理后输出至VINA0～VINA3管脚生成数字视频信号， 再经数字信号输出端传输至Hi3520D中央处理器[6].

2.2 视频存储电路设计

对系统的存储模块部分， 本系统设计采用一个容量为64Mbyte的SPI Flash作为配置芯片用来存储系统固定的程序和数据， 它通过SPI接口与Hi3520D处理器相连接， 支持在线带电擦写功能， 而且掉电之后数据不会丢失. 整个系统中的Bootloader引导程序、 Linux内核、 根文件系统和应用程序等， 采用三星公司的K9WBG08U1M Flash芯片， 实现系统存储容量的扩展. 将两片Flash存储芯片串行扩展为存储容量翻倍的存储器， 两片Flash的片选信号分别连接到FPGA， 其它控制信号基本公用， 在进行数据存储时， 只需选择片选信号即可选中所要使用的存储芯片， 一片存储结束后， 直接切换片选信号即可存储到另一片存储芯片. 图 3 所示为Flash存储单元的电路图.

图 3 Flash存储单元的电路Fig.3 The storage unit circuit design of Flash

2.3 电源供电设计

电源模块设计在系统中扮演着极其重要的角色， 决定着整个系统能否正常工作运行. 电源模块的设计需要对系统各部分模块的功耗及电压输出、 负载情况进行分析， 避免元器件因电流过大被烧坏的情况发生.

系统设置内置电源和外接电源. 内置电源采用主要是内置锂电池电源用于停车监控； 外接电源主要是利用汽车本身的电瓶电源， 汽车上一般配有+12V的直流电瓶电源[7]， 但由于汽车上各种电气设备很多， 因此会有电压不稳及干扰等问题. 所以考虑到电源的适应性、 过压冲击和短路保护等因素， 系统采用具体电路来消除电路干扰问题.

系统对电源的供电需求是： CPU、 时钟模块、 数据存储模块等需要1.2 V, 3.3 V电压； 视频采集模块、 显示模块等需要5 V电压； 同时各种芯片的最大输入电流不尽相同， 所以要求电源必须要有较宽的输入范围和较大输出电流. 系统电源的输入电压是12 V， 首先经过EMI滤波模块， 然后经过DC/DC电源转换模块产生5 V电压， 给系统相应模块予以供电， 如图 4 所示. 由于系统一些模块还需3.3 V及1.2 V 供电， 故选用TPS70358电源管理芯片将5 V电源转化为各自需要的供电电压， 具体电路如图 5 所示.

图 4 EMI及DC/DC电路设计Fig.4 The circuit design of EMI and DC/DC

图 5 电源模块电路设计Fig.5 The circuit design of power supply module

2.4 红外控制设计

红外接收模块主要用于对用户的按键信息进行感应接收， Hi3520D芯片提供一个专用的IR接口. 系统采用SGR3638A芯片进行对红外信号的接收， 通过IR_IN引脚输入到Hi3520D处理器进行信号处理. 具体电路如图 6 所示.

图 6 红外线接收电路Fig.6 The circuit design of infrared receiving

3 软件结构设计

本车载安全监控系统以嵌入式Linux为平台[8]进行软件开发， 采用模块化设计， 一方面是为了方便对程序进行调试、 修改和移植， 另一方面也有利于日后进行系统性能维护以及功能扩展升级.

系统软件总体框架如图 7 所示， 可以划分为视频采集模块、 视频处理模块、 视频存储模块、 视频回放模块、 视频显示模块、 红外接收控制模块.

图 7 系统软件总体框架图Fig.7 Overall frame of the software-system

视频采集模块的主要工作是采集视频数据并进行预处理； 车载视频处理模块的主要工作是从视频缓冲区中读取数据， 经过全景拼接算法处理后将视频显示到显示屏中； 视频存储模块的主要工作是存储采集的视频； 视频回放模块可以支持用户选择某个历史时刻的视频文件， 并显示到车载终端显示屏上， 以便于事故取证. 红外控制模块从红外设备文件中读取数据， 获取当前使用按键， 驾驶员通过红外按键， 可以主动控制车载智能终端系统， 例如可以切换车载全景显示以及选择查看历史视频文件.

下面主要对视频存储模块软件设计和图像显示模块软件设计进行详细介绍.

3.1 视频存储模块软件设计

海思公司针对Hi3516D芯片提供了完善的视频开发函数库[9]， 系统设计利用函数库中的接口函数完成了对视频存储模块及其他功能模块的软件设计. 这里主要介绍对存储模块的软件设计， 系统图像数据存储流程图如图 8 所示.

图 8 图像存储流程图Fig.8 The flow chart of image storage

图 9 存储文件截图Fig.9 The screenshot of storing files

为方便存储文件进行回读， 首先进行时钟同步， 然后调用startstorageStream()函数开始对采集的图像数据进行压缩并存储， 当数据存储至Flash后， 释放缓存， 进入下一次存储， 以防止缓存不足导致漏帧现象的发生. 存储的文件名称依次以视频创建的时间命名， 文件格式为.h264. 测试过程中存储的视频文件如图 9 所示.

3.2 图像显示模块软件设计

系统设计的车载全景显示界面主要由3部分组成： 单路视频显示界面、 4路图像拼接全景界面以及警告界面. 系统采用DSD0标清设备输出， 设置显示分辨率为720*480， 系统设计的3部分画面的区域分配如图 10 所示.

图 10 图像显示界面区域划分图Fig.10 The regional figure of image display

该部分设计原理： 将单路视频数据、 全景拼接视频数据以及警告图片数据分别填充到用于显示的内存Buffer的相应位置. 其中警告图片以YUV格式保存为warning.bin二进制文件， 可通过编写setWarningPic()函数对文件数据进行读取并填充到相应的内存区域中. 单路视频显示与4路全景拼接视频显示实现过程与警告图片显示过程类似.

全景拼接图像实时显示工作流程如图 11 所示. 按下启动按钮， 系统完成初始化工作， 之后配置并启动图像输入VI、 图像处理VPSS和图像输出VO， 创建视频采集、 显示等任务线程， 然后获取4路视频数据并进行拷贝， 采用查表法对4路视频数据进行全景拼接处理后， 得到单路视频数据、 4路视频融合数据以及警告图片数据， 对用于显示的内存区域进行对应位置的填充， 之后调用接口函数HI_MPI_VO_SendFrame()把处理后的视频数据接入指定视频输出通道， 完成车辆周边环境的全景拼接显示.

4 系统测试及结果

本系统的车载终端显示界面如图 12 所示， 左上角为车尾摄像头采集的单路原始图像， 可以帮助驾驶员了解车后方的实时路况； 左下侧为警告界面， 起到预警的作用； 显示界面右侧为4路视频全景拼接图， 驾驶员可以直接观察到车身周边的实时路况， 可以有效预防不安全事故的发生和还原事故真相.

图 12 车载终端显示界面Fig.12 The display of car terminal

5 结 语

本文提出了一种车载安全监控系统， 主要介绍了车载安全监控系统的硬件电路设计及软件设计， 实现了车辆行驶时的单路及全景图像的实时显示， 对于在人群中安全行驶和车辆主动安全领域[10]具有重大意义. 本系统侧重于车辆慢速行驶和近距离全景监控， 进一步可以对远距离、 大范围进行全景监控设计研究， 那时， 我们或许可以直接盯着监控系统的显示屏便可实现安全行驶.

[1] 张再侠. 基于行车记录仪的数据采集方法在地理国情普查中的应用研究[D]. 济南： 山东建筑大学， 2016.

[2] 郑祥滨. 卫星定位行车记录仪的研制[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2014.

[3] 简明全. “透视”智能行车记录仪市场[J]. 中国公共安全， 2016(10)： 42-46. Jian Mingquan. “Perspective” intelligent vehicle traveling data recorder market[J]. China Public Security, 2016(10): 42-46. (in Chinese)

[4] Campbell John Y, Shiller Robert J. Yield spreads and interest rate movements: a bird’s eye view[J]. The Review of Economic Studies, 1991, 58(3): 495-514.

[5] 王雪蓉.全景图像的拼接技术研究[D]. 金华： 浙江师范大学， 2008.

[6] 连猛.车联网智能车载终端的设计与实现[D]. 太原： 中北大学， 2015.

[7] 张立成.面向车联网的车载智能终端研究与实现[D]. 西安： 长安大学， 2012.

[8] 张鑫， 刘树昌， 庄仲， 等. 嵌入式汽车行驶记录仪的设计[J]. 测试技术学报， 2014， 28(5)： 400-404. Zhang Xin, Liu Shuchang, Zhuang Zhong, et al. Design of embedded vehicle traveling data recorder[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2014, 28(5): 400-404. (in Chinese)

[9] Hi3520D/Hi3515A/Hi3515CH.264. 编解码处理器用户指南[Z]. 海思公司， 2013.

[10] 邹伟伟. 车载监控系统显示部分研究与设计[D]. 大连： 大连海事大学， 2008.

A New Design of Vehicle Safety Monitor System

QIN Binwei1,2, CAO Xiong1, WEN Liqun1, LIU Wenyi2, WEI Wei1,2

(1. North University of China, Academy of Chemical and Environment Engineering, Taiyuan 030051, China;2. National Defense Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China, Taiyuan 030051, China)

In order to solve the problem of vehicle driving safely, a safety monitoring system of vehicle is proposed, which can be used in driving safely in a crowed and all-round monitoring to the vehicle closely. Four cameras are installed respectively around the body of vehicle to collect the image of environment. The collected images are conducted a transformation of bird’s eye view and imagemosaic. In the end, a panorama of bird’s eye view and single channel image are outputted on the display.The driver can control the environment around the vehicle through it at any time,avoid obstacles and realize the no blind spot monitoring of surrounding a vehicle.

camera ; imagemosaic; panorama image; security monitoring

1671-7449(2017)02-0137-07

2016-12-16

秦斌伟(1991-)， 男， 硕士生， 主要从事电子设备安全监测及测试技术等研究.

TP277

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.008