基于CCD图像处理技术的汽车主动安全系统的研究

李 如,韩锋钢,李 明

（1.厦门理工学院 机械与汽车工程学院，福建 厦门 361024；2.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130025）

汽车作为现代代步及运输工具，给人类生产生活带来了诸多便利，但同时其事故的多发生率也给人敲响了警钟.汽车安全驾驶成了永恒的课题，特别是在高速公路建设完善的现代，高速带来的恶性交通事故层出不穷、其事故发生率呈现不断上升的趋势.因此世界各国对于汽车安全预防技术的研究中大力的投入人力财力，力求在主动预防技术上使得驾驶者避免一些外来因素带来的非必要安全事故.全球每年发生的交通事故使全球带来数以千亿的财产损失，因恶性交通事故死亡的人数大约有几百万人.引起汽车交通事故的原因有大约60%-80%是人为因素，少部分的来自机械故障、交通道路不稳定.而其中大约50%是司机判断有误引起的.据美国相关部门粗略统计，美国每年大概有690万起交通事故，共造成4万多人丧生.而在汽车保有量达到1.04亿的中国，仅2011年就有6.2万人死于车祸（数据引用《基于CCD图像处理的汽车主动安全系统的研究》——谢虎2008东北大学）.

1 汽车安全问题的背景及意义

汽车主动安全性的研究已然成为当务之急，什么是主动安全性？大体而言就是为驾驶员创造一个可以适应人的生理特征的外部条件，也可以归类成人机工程.为驾驶者提供一个完好的人机外部条件，可以使得驾驶者能很好的完成感知、判断、操作三个动作的循环.所以要预防事故必须全面了解如何让人、车、环境这三点要素的完美结合.只有从这些研究入手才可以达到预防车辆事故的最终目的，从而使得车辆在安全行驶中万无一失.主动安全性内容可分为以下几点：

1.1 视野

驾驶员驾驶过程中，前方以及四周的路况信息是通过视野（眼睛）采集的，所以良好的视野是一个前提，视野大体可以概括为：前视野、后视野、特殊外部环境的视野（如大雨、大雪、夜间路面照明），这些人类可以用肉眼看见的东西其实我们可以通过摄像仪器拍摄的图像序列来获取路况信息（即之后要说到的CCD图像处理技术）.这点可以说是本论文的核心研究方向.

1.2 操作性能

驾驶员在准确的了解与判断路面情况后，大脑会分析判断并且通过实际操作对汽车的机械发出指令.然而汽车是否会按照相应的指令来执行？这是汽车主动安全性的重要成败因素.

1.3 仪表信号系统

汽车的各项仪表和信号装置如汽车速度、倒车距离预警等这些影响驾驶员判断的辅助装置，其不间断的为驾驶者提供汽车当前状态和设备处理何种状况的信息，也是驾驶员进行准确判断的依据.所以仪表信号系统也是汽车制动安全性能的又一大要点.

汽车主动安全系统技术主要是通过各种安装与车上的电子机械如GPS导航、车身各部位的防撞雷达、盲点探测器等设施，这些传感器来掌握车辆、路况以及其它车辆的行驶状况等一些综合信息.以求对驾驶者提供信息预警信号，用以弥补驾驶者因为自身的感知判断力缺失或是错误，从而在一定辅助条件下使得驾驶者准确的对所操控车辆施行控制.一般导致事故发生的驾驶员问题来自与驾驶员注意力不集中，有时因疲劳和所见目标（操控车辆有时有平淡机械的感觉）的单调性而陷入疲劳注意力不集中的驾驶状态.这样的驾驶状态往往易导致车辆偏移行车路线从而在某些突发情况下慌乱操控，这样极其容易发生交通事故导致财产损失，严重的会带来生命安全的危害.现阶段的驾驶辅助系统的模式很多如基于雷达、微波、超声波系统的汽车安全系统以及基于DSP的汽车智能主动安全系统，这些系统都可以达到辅助驾驶员安全驾驶的目的.本文将对CCD图像处理技术对于汽车主动安全系统做着重的论述与研究.

2 CCD图像处理技术概述

什么是CCD图像处理技术？其实很简单.你在商场购买的数码相机中的探测器就是由CCD做的.CCD芯片是由一个个的像素组成，当光子落到每个像素上后，光信号就转化成了电子信号.我们通常称这种信号为CCD技术.得到的图像可以以多种文件格式输出，并且可以使用一系列图像处理程序来处理.我们运用在汽车安全系统中的亦是如此，但CCD在整个系统中承担的是图像采集与处理.

图1 .1 CCD系统结构图

CCD大体为一种光电转换式图像传感器，利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号.它具有体积小、低噪音、轻重量、自动扫描、测量精度高、速度快以及使用寿命长等优点.一般运用于精密测量作业、非接触性无损检测、航空领域中都占据首要作用.对于被测物体快速采集信息、存储信息和数据的处理技术，是线阵CCD数据处理采集技术发展的新方向.

3 国内汽车主动安全驾驶研究现状

知己知彼百战不殆，我们只有了解了现阶段的汽车主动安全驾驶研究现状，才可以推陈出新，不断完善这些技术的核心.我国是发展中国家，其汽车拥有量不如美国、日本等发达国家，但是每年交通事故的发生率却比后两者高！其带来的人员损失、经济损失之巨大，不得不使得我们重视汽车安全驾驶的研究.我国汽车主动安全驾驶的发展还处在起步阶段，调查我国高速公路及汽车产业整体发展水平，借以实现适合我国的主动安全研究的方法尤为重要.

在当前的信息化时代，图像处理采集技术要求也相应升高.其应用范围不断扩大，使得我们应对其不断研究新的技术和新的发展方向.根据色度学的理论，自然界的一切色彩都是由红、蓝、绿三种原色按不同比例调和而成新的色彩，而一切事物的图像形状都离不开颜色.图像的处理是针对不同应用以及不同的需求采用的不同的处理方法.计算机的图像处理主要为两大方法：

（1）空域中的处理方法，空域的处理是图像空间中对图像的各种处理.

（2）空间图像变换法，把图像变换到频率域并通过频率域处理，再变换到图像的空间域得到处理后的图像.

其中对于图像的处理技术要求为——速度高、信息采集量大、实用性强.这些对于CCD图像采集处理技术是其优点，所以CCD图像处理技术对于汽车自主安全系统是很适用的，同时也是完美的.图像处理技术最终是要实现图像的实时处理，在对于移动目标的确立、识别判断和跟踪报道上有实际的重要的意义,在汽车主动安全领域，图像处理技术应该达到立体化、智能化的地步.数码图像处理技术60年代开始主要大规模运用与航天、医学，到了80年代后这项技术已随着微机技术的出现得到了普及发展期，随着电子技术的微型化，现在这项技术广泛运用于各个领域.近年来一种建立在随机集论与积分几何基础上的数学形态方法的图像处理新技术已经来临.集合论是数学形态的描述，其运用集合的运算法则定义了一整套的形态运算法则，所以它提供了一个强大的统一的工具来实现图像的处理.运用摄像仪器对交通状况图像进行采集，运用计算机图像处理技术与模式识别来连续的处理图像，借以达到监测交通路况的目的.其优点有设置灵活安装简洁、不受气候影响，检测项目众多、检测覆盖面广泛、检测精确度很高符合人的视角.不过他对于承担处理系统的计算机性能要求大，CCD技术可以弥补高性能的要求，其技术必将成为未来实现智能化驾驶的前沿技术.随着新兴技术的不断发展我们一定要着重研究其使用技术性，争取使CCD技术更广泛的运用与这些领域.

4 CCD图像处理主动安全系统的设计方案

全世界许多发达国家都在大力发展智能交通系统其使用化还没有达到普及水平，而现在基于CCD图像处理汽车安全系统技术却可以率先的运用在汽车安全的保障中.CCD已经可以完善的运用于汽车安全保障技术行业，CCD可以从驾驶者主管辅助方面有效的预防和减少国内汽车人为交通事故.驾驶员在驾驶车辆时，其四周路况复杂多变，在时间与空间上呈现非结构化与非线性化特征.驾驶员往往因为驾驶的单调平凡性，容易形成疲劳带来的注意力不集中，对四周出现的情况感知力不强，极有可能因出现明显的失误引起错误从而带来巨大的财产损失与生命安全威胁.现阶段一般车辆还是靠驾驶员自身的意识与手动操作，基于自主安全预防考虑同时弥补人员本身意识与反应的不足，以及现在讲究的人机工程的运用还很欠缺.本文设计了一套CCD图像处理主动安全系统的设计方案.见一般智能系统原理“感知能力、思维能力与行为能力”，我们可以将智能主动安全系统分为三个基本层，即“感知层、决策层、行为层”下面是对三个层次的定义：

4.1 感知层

人的一切判断行动都是基于感知的认识上.在驾驶过程中，驾驶员应当最大限度的判断路面情况，以及准确判断路面接下来将可能发生的情况.这些对于信息的收集处理能力要求很大，但是光凭人的大脑去收集信息与判断信息是远远不够的.现阶段一些新兴的传感技术的发展有效的帮助了驾驶员感知的能力，如现在的激光测距仪、红外线测距仪、雷达、超声波等可以有效的判断障碍物与车之间的距离甚至可以精确到厘米，这些都是人用肉眼所达不到的.同时还可以极大的延伸了人对四周环境状况的感知能力.但是机械感知也有局限性，那就是不可能跟人脑一样整合所遇见的情况从而将这些外部情况看作一个整体.所以在实际运用中应当将人的感知力与机械的感知力分开运用，以人感知力的优点来弥补机械感知的缺点，同时以机械感知的优点弥补人感知力的不足之处，借此实现人机一体化最大限度的保障驾驶者主观和客观感知层的运用.

4.2 决策层

运用机器采集的信息与感知力得到的汽车实时运行信息，通过对汽车实时运行状态的测评与预测对危险情况做出有效避免的决策，是汽车主动安全驾驶技术不同与一般汽车安全技术的特点.决策层的决策能力是运用多智能体系与危险推理调度共同完成的，是整体机构对于事件的发生预测到依据全局做出相应的规则运行决定新的运行状态.原理是：危险情况由智能体系发现从而立即处理危机，通过将事件汇报给任务调度推理机构，任务调度推理机构并根据危险事件的程度来转换机械运作新规则，从而使得整体机构进入危险时第一时间向驾驶者发出预警信息，让驾驶员可以及时采取相应的操作措施，使驾驶员消除潜在危险排除安全隐患.同时在驾驶者没有及时采取措施的情况下（比如睡着，喝醉，突发性疾病等难以操纵机械的情况）紧急响应智能体可以自主的对危险进行决策同时直接参与车辆驾驶任务.

4.3 执行层

执行层是最终的行为目的，其前期的感知预警都是为了最后可以有效的执行相应任务.虽然驾驶员的驾驶技术与人脑的思维模式可以有效的对事件进行判断，对机械参与操纵，但是由于大部分驾驶者本身的反应思维滞后与判断延迟，以及应对突发事件的心理素质强弱都会影响有效的判断规避时间，从而带来巨大的后果.所以驾驶员凭借智能主动安全系统来操纵车辆将会极大的提高汽车安全行驶的稳定性与安全性.执行层可以分为相互执行和智能系统直接执行.相互执行是指驾驶员与智能体相互依靠借鉴来执行车辆的驾驶，大致为智能体感知到周围环境状态和汽车本身机械化运行状态，做出行为决策后，汽车在一定时间还处在安全运行状态时，智能系统向驾驶员汇报危险信号与行为决策以供驾驶者判断并对机械发出操作指令，这体现了人机工程人机一体化的理念.而智能系统直接执行是紧急状态下，驾驶员已经无法参与直接操作时，由智能系统跳过驾驶员直接对机械操纵，机械会根据智能系统的指令完成紧急车辆运行路线或是停止运行.

5 结语

随着近几年来国家的飞速发展，以及高速公路的大力建设，加之人们生活节奏的不断加快，对于汽车的便捷快速等方面需求很大，车辆行驶速度越来越快，加上全国的汽车总量不断增加，全国交通事故的发生越来越多.汽车自主安全驾驶系统的发展将是不可避免的需要加速发展，并使其走入千家万户的日常生活之中.近年来随着信息技术和微机电子技术的不断完善，图像处理技术的应用、DSP应用技术等高端技术的应用与发展起着保障安全驾驶的关键作用.随着这些技术的不断完善，我们将要让这些技术运用在智能汽车系统上，使车辆智能化，将车、路、人（驾驶者）进行主动积极的和谐统一，从而达到人机功能完美结合有效的避免了可抗性的车辆交通事故，保障人民生命财产的安全.文章基于CCD图像处理技术与汽车主动安全技术的结合的研究，认清现在的发展情况，借以有效的展望未来的发展趋势.本文对于CCD图像处理汽车主动安全系统作了粗略的研究与探索，还很不全面，有待继续深究.不过大体上说，现在基于CCD图像处理技术的汽车主动安全系统有相当大的应用前景以及研究价值，其市场潜力不低，所以未来一定要大力研究CCD图像处理技术在实际汽车主动安全驾驶的运用方案，使未来达到高智能化的驾驶体验与生活.

〔1〕谢虎﹒东北大学﹒基于CCD图像处理的汽车主动安全系统的研究,2008.

〔2〕黄素贞,张国梁,尹立新﹒基于CCD的图像采集处理系统的研究,2004（05）.

〔3〕S.Slivan﹒CCD图像处理基本过程.麻省理工学院,2002（04）.

〔4〕卫小伟﹒智能化交通系统的发展现状及未来﹒现代电子技术﹒

〔5〕李晋惠，楼伟，姜寿山﹒基于CCD的公路路面病害检测技术研究[J]﹒西安工业学院学报，2002.