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基于DaVinciTM的360°全景泊車影像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2014年電子技術(shù)應(yīng)用第10期

周猛，喬瑞萍，王效鵬，俞璐

西安交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，陜西西安710049

摘要： 全景泊車影像系統(tǒng)通過(guò)安裝在車身前后左右的4個(gè)超廣角攝像頭實(shí)時(shí)采集車輛四周的影像，經(jīng)過(guò)圖像處理器矯正變換和全景拼接后，形成一幅車輛四周的360°全景俯視圖，并實(shí)時(shí)傳送到中控臺(tái)的顯示設(shè)備上，駕駛員坐在車中即可看到車輛所處的位置以及車輛周圍的障礙物，有效減少刮蹭、碰撞、陷落等事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞： 全景泊車 TMS320DM6437 TVP5158 魚眼矯正鳥瞰變換

中圖分類號(hào)： TN911.73
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)10-0020-03

Design and implementation of around view parking system based on DaVinci platform

Zhou Meng，Qiao Ruiping，Wang Xiaopeng，Yu Lu

School of Electronic and Information Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China

Abstract： Around view parking system is one of the popular automotive safety applications which is on the rise in recent years. The system collects the real-time video around the car by four fish-eye cameras installed in the car′s front, back, left and right. A 360° overlooking panorama image of the vehicle can be formed through the correction transform and panorama mosaic by the image processor, and this image is sent to the center console display device. Drivers can use the system to see car′s accurate position and the obstacles around the car. It makes parking into place or visually through complex road easier and safer, and reduces the probability of accidents effectively. This system uses DaVinci(TM) DSP TMS320DM6437 and 4-channel video decoder TVP5158 as the core of the hardware, and uses fish-eye correction algorithm, bird′s-eye view trsformation algorithm and panorama mosaic technology as the core of the software. The experiment results show that the around view parking system can achieve high-resolution image quality and fluency processing speed.

Key words : around view parking；TMS320DM6437；TVP5158；fish-eye correction；bird′s-eye view trsformation；panorama mosaic

0 引言

360°全景泊車影像系統(tǒng)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)熱門的汽車安全應(yīng)用，有效彌補(bǔ)了倒車?yán)走_(dá)和倒車影像存在盲區(qū)的不足。其基本原理為：在車的前后保險(xiǎn)杠和左右后視鏡下安裝4個(gè)超廣角魚眼攝像頭，攝像頭采集到的視頻信號(hào)送到視頻處理器，視頻處理器首先使用魚眼矯正算法和鳥瞰變換算法把畸變的圖像變成俯視的非畸形的視頻圖像，再使用全景拼接技術(shù)把四幅圖像進(jìn)行裁剪拼接，形成汽車周圍的360°全景影像^[1]。其原理如圖1所示。

1 系統(tǒng)方案與指標(biāo)

系統(tǒng)主要由三部分組成：水平視角為180°的魚眼攝像頭、主機(jī)板卡、7英寸TFT顯示屏幕。全景泊車影像系統(tǒng)是安裝于汽車上的電子設(shè)備，因此其各類接口以及可靠性設(shè)計(jì)必須符合車載環(huán)境的要求。系統(tǒng)的性能指標(biāo)如表1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

TMS320DM6437是TI公司的32位定點(diǎn)DSP達(dá)芬奇技術(shù)的處理器，主頻最高可達(dá)700 MHz，具有32 bit、256 MB尋址空間的DDR2存儲(chǔ)器接口和8 bit、64 MB尋址空間的異步存儲(chǔ)器接口，片上集成了視頻處理子系統(tǒng)VPSS，支持汽車上用于電子設(shè)備通信的CAN總線，因此TMS320DM6437非常適合車載視頻設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用^[2]。主機(jī)板卡主要由視頻采集模塊、外圍存儲(chǔ)模塊、視頻輸出接口、通信接口和電源模塊5部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(1)視頻采集模塊：視頻采集模塊將4路180°魚眼攝像頭采集的模擬視頻信號(hào)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)AV接口輸入到4路視頻編解碼芯片TVP5158中，TVP5158芯片對(duì)模擬視頻信號(hào)進(jìn)行AD采樣、濾波、壓縮編碼，使用該芯片獨(dú)有的行交叉模式以8位BT.656數(shù)據(jù)格式輸入到TMS320DM6437中。

(2)外圍存儲(chǔ)模塊：板卡使用三星公司的2片K4T51163芯片擴(kuò)展1 GB容量的DDR2 SDRAM，用于存放運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)和程序，使用1片飛索公司的S29GL128P擴(kuò)展128 MB Flash用于存放固定程序和數(shù)據(jù)。

(3)視頻輸出接口：TMS320DM6437通過(guò)芯片內(nèi)部集成的視頻處理子系統(tǒng)VPSS將處理后的圖像經(jīng)DA變換形成CVBS的模擬視頻信號(hào)，然后通過(guò)視頻濾波放大器OPA361輸出到標(biāo)準(zhǔn)AV接口上。

(4)通信接口：板卡通過(guò)JTAG接口進(jìn)行仿真和調(diào)試。預(yù)留RS232串行接口用于與PC通信。預(yù)留CAN總線接口連接汽車的OBD接口，用于高級(jí)功能擴(kuò)展。

(5)電源模塊：板卡采用5 V單電源供電，使用4片TI公司的高精度開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片TPS54310，為各芯片提供所需的+1.1 V、+1.2 V、+1.8 V、+3.3 V電源，其最大輸出電流可達(dá)3 A^[3]，并使用TPS54310的啟動(dòng)控制功能將板卡上電順序嚴(yán)格控制為先內(nèi)核再IO，確保板卡上電時(shí)邏輯狀態(tài)的確定性。

在PCB布線中運(yùn)用了DDR芯片分組等長(zhǎng)走線、數(shù)字部分和模擬部分單點(diǎn)共地、電源層不規(guī)則分割等抗干擾技術(shù)保證了主機(jī)板卡運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

3 軟件構(gòu)架以及核心算法的實(shí)現(xiàn)

本文使用了CCS3.3集成開發(fā)環(huán)境、DSP/BIOS操作系統(tǒng)和數(shù)字視頻軟件開發(fā)包DVSDK來(lái)建立系統(tǒng)的軟件構(gòu)架，其主要由圖像采集、4路視頻分離、魚眼矯正、鳥瞰變換、全景拼接、圖像顯示六部分組成，系統(tǒng)的軟件組成如圖3所示。

(1)圖像采集與顯示：圖像的采集與顯示通過(guò)DSP/BIOS操作系統(tǒng)在軟件后臺(tái)自動(dòng)維護(hù)一個(gè)采集隊(duì)列和一個(gè)顯示隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)板卡上電后，DSP/BIOS自動(dòng)生成并調(diào)用BIOS_init()函數(shù)初始化注冊(cè)的VPFE0、VPBE0、I2C0微型驅(qū)動(dòng)，再調(diào)用main()函數(shù)對(duì)DM6437的功能寄存器進(jìn)行初始化配置，DSP/BIOS創(chuàng)建視頻采集、顯示任務(wù)線程后調(diào)用IDL_loop()函數(shù)使DSP進(jìn)入空閑循環(huán)，等待采集中斷VDINT0和顯示中斷VENC。當(dāng)接收到VDINT0時(shí)DSP將從VPFE采集到的一幀放入到采集隊(duì)列中，當(dāng)接收到VENC時(shí)DSP從顯示隊(duì)列中取出一幀交給VPBE顯示，這樣視頻的采集和顯示在后臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)用程序只需要從采集隊(duì)列里取出一幀處理后交給顯示隊(duì)列即可。流程圖如圖4所示。

(2)4路視頻分離：TVP5158將4路D1格式的視頻幀先分別壓縮為cif格式即360×240大小的幀，再將4個(gè)cif格式幀采用行交叉的模式復(fù)合成720×1 052大小的超級(jí)幀，并在每一行有效數(shù)據(jù)的前端插入通道號(hào)和行號(hào)以標(biāo)識(shí)這一行有效數(shù)據(jù)的位置，應(yīng)用程序中通過(guò)讀取超級(jí)幀中每行數(shù)據(jù)的通道號(hào)和行號(hào)將有效數(shù)據(jù)剝離并拼接成4個(gè)視頻幀^[4]。4路視頻分離的示意圖如圖5所示。

(3)魚眼矯正：本文將魚眼鏡頭整體上理解為一個(gè)非線形系統(tǒng),如圖6所示，其中點(diǎn)P(u，v，z)為鏡頭球面上一點(diǎn)，P′(x，y)為校正后P點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，魚眼鏡頭可以用下面的方程式來(lái)描述：

至此便完成了魚眼圖像與正常圖像之間的坐標(biāo)變換，通過(guò)圖像處理中的雙線性插值法，便可以得到校正后的圖像。魚眼矯正的效果如圖7所示。

(4)鳥瞰變換：系統(tǒng)的前后攝像頭是以一定的角度向前后照的，因此前后圖像會(huì)產(chǎn)生梯形形變，需要用鳥瞰變換將梯形形變矯正成俯視的效果。本文自制了標(biāo)定盤，在前后攝像頭中首先標(biāo)定出矩形的角點(diǎn)，由6對(duì)角點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)計(jì)算透射變換矩陣，利用雙線性差值將圖像變換成鳥瞰圖像^[5]，鳥瞰變換的原理如圖8所示。

(5)全景拼接：將標(biāo)定板分別放置于車體的前后，標(biāo)定板中線與車身中軸線重合，在4個(gè)攝像頭中會(huì)分別看見重合的區(qū)域，在每個(gè)攝像頭中通過(guò)標(biāo)定重合點(diǎn)作為裁剪的參考，最后以標(biāo)定點(diǎn)的位置將裁剪圖像拼接在一起。全景拼接的原理如圖9所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試與效果

在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試平臺(tái)，使用400 cm×150 cm×90 cm的桌子模擬汽車，在桌子前后左右固定了4個(gè)魚眼攝像頭，將主機(jī)板卡和顯示器固定在桌子上，使用開關(guān)穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)提供12 V和5 V電源。系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)的效果如圖10所示。