【導(dǎo)讀】由于國(guó)民安全意識(shí)的提高使得駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）應(yīng)用快速的發(fā)展，尤其是其中的視覺(jué)系統(tǒng)得到人們的大力關(guān)注，ADAS的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始從高端汽車漸漸走向入門(mén)汽車，輔助視覺(jué)傳感系統(tǒng)有望得到普及。
隨著中高端汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，以及各國(guó)政府和民眾安全性意識(shí)的大幅提升，曾經(jīng)服務(wù)于小眾高端市場(chǎng)的高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)獲得了快速發(fā)展的動(dòng)力，特別是隨著平臺(tái)和解決方案成本的下降，ADAS應(yīng)用及傳感平臺(tái)的配備已經(jīng)從高端汽車向中端甚至入門(mén)級(jí)汽車車型中快速滲透。對(duì)于汽車OEM廠商來(lái)說(shuō)，在被動(dòng)安全系統(tǒng)以及信息娛樂(lè)設(shè)備、ABS、ESP等已成為當(dāng)前汽車電子標(biāo)配設(shè)備之后，ADAS這類先進(jìn)的主動(dòng)安全系統(tǒng)還可作為產(chǎn)品差異化的增值亮點(diǎn)。
據(jù)IHS isuppli公司的汽車研究專題報(bào)告，2011年自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（ACC）、車道偏離警告（LDW）和側(cè)面物體探測(cè)（SOD）等三大ADAS技術(shù)的營(yíng)業(yè)收入合計(jì)達(dá)到16.5億美元，比2010年大增57%。2012年增長(zhǎng)勢(shì)頭更為強(qiáng)勁，合計(jì)營(yíng)業(yè)收入將增加到26.9億美元，增長(zhǎng)高達(dá)63%。
“在如圖1所示的汽車安全技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，從識(shí)別、預(yù)測(cè)、到預(yù)防環(huán)節(jié)，ADAS系統(tǒng)都可以發(fā)揮用武之地，可極大改善汽車安全性和防止事故，同時(shí)也可增加駕駛舒適性。”ADI公司大中華區(qū)汽車電子高級(jí)經(jīng)理李防震表示，“ADI正是看好ADAS在全球和中國(guó)汽車市場(chǎng)的前景，專門(mén)在印度成立了一個(gè)方案研發(fā)團(tuán)隊(duì)，已開(kāi)發(fā)出一系列ADAS參考設(shè)計(jì)方案和底層算法，并通過(guò)國(guó)內(nèi)的第三方公司進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可免費(fèi)提供給客戶，降低成本的同時(shí)幫助客戶大幅縮短設(shè)計(jì)周期。”
圖1 汽車安全技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的四大環(huán)節(jié)
基于視覺(jué)的ADAS對(duì)信號(hào)處理的要求
前文提到ADAS三大主流應(yīng)用之一的車道偏離警告（LDW）技術(shù)可監(jiān)測(cè)汽車在車道內(nèi)的橫向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)汽車可能超過(guò)車道線時(shí)，向駕車者發(fā)出警告。這種系統(tǒng)技術(shù)就是基于視覺(jué)（攝像頭）的ADAS系統(tǒng)的一種具體實(shí)現(xiàn)。
事實(shí)上基于視覺(jué)的ADAS通過(guò)發(fā)揮攝像頭識(shí)別作用，可以從多方面大大提高行車安全性。通過(guò)安裝后視/前視/側(cè)視攝像頭和視覺(jué)處理ECU，可以實(shí)現(xiàn)多種功能來(lái)幫助駕駛員提前防范風(fēng)險(xiǎn)。研究報(bào)告稱，目前有70%的汽車具備后視功能，30%的高檔汽車具備前視功能，到2015年這一比例預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到60%，因此基于視覺(jué)的ADAS會(huì)比基于雷達(dá)的ADAS系統(tǒng)（更側(cè)重在目標(biāo)檢測(cè)）更快地在中低端汽車市場(chǎng)普及開(kāi)來(lái)。
“目前比較受歡迎的應(yīng)用包括車道偏離告警（LDW）、遠(yuǎn)光近光調(diào)整（HB/LB）、交通標(biāo)志識(shí)別（TSR）、行人檢測(cè)（PD）、停車輔助、后視/環(huán)視、防撞預(yù)警等。但由于車型或?qū)κ袌?chǎng)的理解不同，不同汽車OEM廠商的視覺(jué)ADAS應(yīng)用系統(tǒng)功能定位有一定差異，因此對(duì)數(shù)字信號(hào)處理芯片平臺(tái)規(guī)格需求也會(huì)有一定差異。”ADI的李防震介紹說(shuō)。
圖2 基于視覺(jué)的ADAS系統(tǒng)主信號(hào)鏈
圖2展示了基于視覺(jué)的ADAS系統(tǒng)主信號(hào)鏈，主要包括模擬視頻傳輸、編碼、傳輸、解碼、處理和顯示這幾部分。李防震分析道：“由于攝像頭分辨率趨向于 越來(lái)越高，數(shù)量越來(lái)越多，每個(gè)系統(tǒng)的功能數(shù)量不斷增多，所有這些趨勢(shì)都提高了對(duì)DSP器件的性能要求。與此同時(shí)，對(duì)信號(hào)處理功耗成本比的要求則更嚴(yán)苛。”
專門(mén)針對(duì)ADAS應(yīng)用的處理器和免費(fèi)設(shè)計(jì)資源
面對(duì)這些趨勢(shì)和需求，ADI公司目前可提供專門(mén)針對(duì)ADAS應(yīng)用的Blackfin處理器系列和成熟可靠的高性能視頻處理解決方案，適用于從單功能到多功能的各種基于視覺(jué)的ADAS系統(tǒng)。為滿足不同汽車OEM客戶的需求，ADI提供了從處理速度（從400MHz到1GHz不等）、內(nèi)存、接口等方面有所不同的產(chǎn)品選型。此外，ADI還提供配套使用的品種豐富、性能優(yōu)異的視頻解碼器/編碼器、視頻多路復(fù)用器/開(kāi)關(guān)和視頻放大器等主信號(hào)鏈元器件。
全球市場(chǎng)上，主要汽車供應(yīng)商和OEM廠商都在利用ADI公司的領(lǐng)先高性能信號(hào)處理技術(shù)，在客車上實(shí)施并部署各種基于雷達(dá)和視覺(jué)的ADAS系統(tǒng)。據(jù)悉，在中國(guó)市場(chǎng)，基于視覺(jué)的ADAS系統(tǒng)如提供路線偏差告警、交通標(biāo)志識(shí)別、智能前燈控制、物體檢測(cè)/分類、行人檢測(cè)等功能的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目已有若干廠商在開(kāi)展，但基于雷達(dá)的ADAS系統(tǒng)（還可提供前/后停車幫助、安全車距預(yù)警、車道變換輔助、盲點(diǎn)檢測(cè)、自適應(yīng)巡航等功能）還鮮有人跟進(jìn)。
李防震透露，中國(guó)ADAS開(kāi)發(fā)客戶常選的Blackfin型號(hào)為ADSP-BF561、ADSP-BF549或ADSP-BF534。這些產(chǎn)品均符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)定義的ASIL（汽車安全完整性等級(jí)）規(guī)范，支持汽車安全概念。而由ADI專門(mén)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的優(yōu)化的Blackfin編譯器和圖像處理工具 箱（ITB）底層算法庫(kù)能夠最大程度地提高運(yùn)行效率和MIPS。而基于軟件的架構(gòu)有助于用戶推出與眾不同的產(chǎn)品。
其中，ITB包含一整套軟件模塊形式的圖像處理代碼，兼容MISRA-C，針對(duì)Blackfin處理器進(jìn)行了優(yōu)化。ITB產(chǎn)品功能包括：色彩轉(zhuǎn)換；圖像濾波器，如卷積、索貝爾（Sobel）和相關(guān)等；形態(tài)運(yùn)算，如侵蝕和膨脹等；矩陣運(yùn)算；圖像濾波器；線性代數(shù)；估計(jì)器，如卡爾曼濾波器等；金字塔；ADAS模塊，如霍夫變換、2D積分圖像和魚(yú)眼校正等。
另外，ADI提供的設(shè)計(jì)資源還包括ADSP-BF53x/ADSP-BF54x/ADSP-BF561評(píng)估板EZ-KIT Lite；Blackfin DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境：Visual DSP++和CCES；視頻解碼器、編碼器/DAC、視頻放大器、視頻多路復(fù)用器等的評(píng)估板。“算法庫(kù)源代碼、評(píng)估板等設(shè)計(jì)資源ADI均可免費(fèi)提供給客戶，這是ADI ADAS解決方案的一大優(yōu)勢(shì)，而競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的評(píng)估板是要付費(fèi)的，代碼也不會(huì)免費(fèi)開(kāi)放。”李防震表示。
而ADI最近推出的新一代雙核、1GHz處理能力的Blackfin處理器ADSP-BF608和ADSP-BF609針對(duì)嵌入式視覺(jué)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并均配備一個(gè)稱為“流水線視覺(jué)處理器（PVP）”的高性能視頻分析加速器。PVP由一組可配置的硬件處理模塊構(gòu)成，設(shè)計(jì)用于加速多達(dá)5個(gè)并行圖像算法，從而實(shí)現(xiàn)極高的分析性能。這些處理器將是未來(lái) ADAS系統(tǒng)應(yīng)用的又一理想之選。
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典型案例：Aglaia駕駛員輔助視覺(jué)傳感器系統(tǒng)
德國(guó)Aglaia GmbH公司已上市的汽車駕駛員輔助視覺(jué)傳感器系統(tǒng)，具有防止交通事故發(fā)生和改善交通流量的功能。這種實(shí)時(shí)電子眼方案由硬件和軟件組成，它模仿了人類從眼球（圖像捕捉）到大腦（圖像分析和闡釋）的視覺(jué)系統(tǒng)。它能夠通知駕駛員前方的交通標(biāo)志，對(duì)潛在的交通沖突發(fā)出警告，自動(dòng)限速，當(dāng)駕駛員駛出車道線時(shí)發(fā)出警告。該系統(tǒng)甚至可以提供“疲勞分析”幫助駕駛員避免碰撞。
Aglaia的完整解決方案包括CMOS攝像頭、圖像傳感器和圖像處理算法。交通分析應(yīng)用程序包括可軟件配置的功能模塊，例如車道線識(shí)別、物體識(shí)別、 交通標(biāo)志識(shí)別、頭燈及尾燈識(shí)別。運(yùn)行于PC技術(shù)的這個(gè)應(yīng)用軟件，專為汽車應(yīng)用而優(yōu)化，可以實(shí)時(shí)處理捕捉的視頻圖像。堅(jiān)固耐用的CMOS攝像頭通過(guò)IEEE 1394b火線與Aglaia的低成本電子控制單元（ECU）電路板TEPLA連接。反過(guò)來(lái)，TEPLA可以連接到收集汽車傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)的CAN總線。
圖3 德國(guó)Aglaia 公司已上市的駕駛員輔助視覺(jué)傳感器系統(tǒng)核心控制板采用四個(gè)ADSP-BF561處理器
Aglaia系統(tǒng)的TEPLA板內(nèi)嵌四個(gè)Blackfin ADSP-BF561處理器，每個(gè)處理器都有兩個(gè)600MHz的內(nèi)核，提供總共4.8 GHz的處理能力，并可以擴(kuò)展到每板上有6個(gè)處理器。插兩塊TEPLA可以加倍處理性能。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有解決方案的全面市場(chǎng)調(diào)研，因?yàn)锽lackfin具有高 性能、低成本、低功耗和豐富I/O接口的優(yōu)勢(shì)，Aglaia最終選擇了該款處理器。
I.低功耗
Aglaia當(dāng)初的設(shè)計(jì)規(guī)格是要求系統(tǒng)整體在大約3A電流左右消耗少于20W的能量，而且要求在一個(gè)單芯片上包括嵌入式微控制器和信號(hào)處理器。包含BF561器件的1.2V設(shè)計(jì)產(chǎn)品只消耗不到1A的電流，很容易滿足Aglaia的系統(tǒng)功耗限制的要求。
II.高性能
Aglaia TEPLA內(nèi)部的四個(gè)ADSP-BF561處理器可以在低階算法上協(xié)同運(yùn)算，比如可以很容易地實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)，因?yàn)樗麄儗傩韵嗤瑥亩梢愿咝Ш铣伞＿@些處理器同樣可以在高階算法上協(xié)同運(yùn)算，這種應(yīng)用一般是指需要這些高性能信號(hào)處理器發(fā)揮所有能力才能解決的問(wèn)題。同時(shí)包括實(shí)時(shí)算法，如需要根據(jù)攝像頭提取的道路和斑馬線特征計(jì)算出車輛的前方和側(cè)面相對(duì)位置。曲線檢測(cè)算法可以自動(dòng)處理由車輛、信號(hào)標(biāo)志、光斑或者陰影，或者低圖像對(duì)比度造成的盲區(qū)，這么復(fù)雜的高強(qiáng)度 數(shù)學(xué)運(yùn)算，只有像Blackfin這樣的高性能信號(hào)處理器才可以完成任務(wù)。
同樣的，對(duì)根據(jù)來(lái)自兩個(gè)攝像頭的數(shù)據(jù)三角相關(guān)來(lái)檢測(cè)道路上的物體和/或在三維空間上相對(duì)于車輛的位置的情況，也需要一個(gè)高性能的信號(hào)處理器。Blackfin提供了可伸縮的處理性能用于圖像處理和其他任務(wù)，比如在TEPLA和攝像頭傳感器網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)CAN總線和LIN總線通信。
III.豐富的I/O接口
Aglaia選擇Blackfin的另一個(gè)重要原因是它的I/O、存儲(chǔ)器、并行數(shù)據(jù)端口（PPI）和直接內(nèi)存存取（DMA）特點(diǎn)。Blackfin處 理器擁有大容量片上存儲(chǔ)器和I/O接口，能夠滿足高速幀抓取和數(shù)據(jù)傳輸需要，同時(shí)它能夠在推薦溫度范圍內(nèi)工作。這是Aglaia在這個(gè)價(jià)位上發(fā)現(xiàn)的適于汽車應(yīng)用的第一款處理器。
ADSP-BF561處理器自帶328 K字節(jié)片上存儲(chǔ)器并提供兩個(gè)PPI，可以直接連接并行A/D和D/A轉(zhuǎn)換器或其他通用外設(shè)。該處理器同樣含有多個(gè)獨(dú)立DMA控制器，支持?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)傳輸從而使處理器內(nèi)核的負(fù)擔(dān)最小化，它還有兩個(gè)雙通道全雙工同步串行口。
IV.簡(jiǎn)便易用的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具
Aglaia使用ADI公司的Visual DSP++，一個(gè)容易安裝、使用方便的集成軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDE），對(duì)工程從頭至尾高效管理。ADI提供了一個(gè)包含編譯器、連接器和調(diào)試器的超高性 能的工具鏈。Aglaia同樣采用了ADI的基于PCI的JTAG仿真器接口來(lái)加速應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
V.高性價(jià)比
ADSP-BF561處理器雙核獨(dú)特組合減少了對(duì)單獨(dú)的數(shù)字信號(hào)和控制處理器的需要，從而減少了物料成本，同時(shí)極大地簡(jiǎn)化了軟硬件開(kāi)發(fā)任務(wù)。因?yàn)?Blackfin具有很好的性價(jià)比，Aglaia預(yù)測(cè)將來(lái)會(huì)有更多更新的應(yīng)用移植到TEPLA上，如交通流量分析、安全和生物識(shí)別等。反過(guò) 來(lái)，Aglaia會(huì)從ADI尋找可以支持更大內(nèi)部存儲(chǔ)器、更多I/O端口甚至更快處理速度的新一代Blackfin處理器。
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