0 引言

    360°全景泊車影像系統是近年來興起的一項熱門的汽車安全應用，有效彌補了倒車雷達和倒車影像存在盲區的不足。其基本原理為：在車的前后保險杠和左右后視鏡下安裝4個超廣角魚眼攝像頭，攝像頭采集到的視頻信號送到視頻處理器，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把四幅圖像進行裁剪拼接，形成汽車周圍的360°全景影像^[1]。其原理如圖1所示。

1 系統方案與指標

    系統主要由三部分組成：水平視角為180°的魚眼攝像頭、主機板卡、7英寸TFT顯示屏幕。全景泊車影像系統是安裝于汽車上的電子設備，因此其各類接口以及可靠性設計必須符合車載環境的要求。系統的性能指標如表1所示。

2 硬件系統設計與實現

    TMS320DM6437是TI公司的32位定點DSP達芬奇技術的處理器，主頻最高可達700 MHz，具有32 bit、256 MB尋址空間的DDR2存儲器接口和8 bit、64 MB尋址空間的異步存儲器接口，片上集成了視頻處理子系統VPSS，支持汽車上用于電子設備通信的CAN總線，因此TMS320DM6437非常適合車載視頻設備的開發應用^[2]。主機板卡主要由視頻采集模塊、外圍存儲模塊、視頻輸出接口、通信接口和電源模塊5部分構成，其結構如圖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通過標準AV接口輸入到4路視頻編解碼芯片TVP5158中，TVP5158芯片對模擬視頻信號進行AD采樣、濾波、壓縮編碼，使用該芯片獨有的行交叉模式以8位BT.656數據格式輸入到TMS320DM6437中。

    (2)外圍存儲模塊：板卡使用三星公司的2片K4T51163芯片擴展1 GB容量的DDR2 SDRAM，用于存放運行過程中的數據和程序，使用1片飛索公司的S29GL128P擴展128 MB Flash用于存放固定程序和數據。

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

    (4)通信接口：板卡通過JTAG接口進行仿真和調試。預留RS232串行接口用于與PC通信。預留CAN總線接口連接汽車的OBD接口，用于高級功能擴展。

    (5)電源模塊：板卡采用5 V單電源供電，使用4片TI公司的高精度開關穩壓電源芯片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3 A^[3]，并使用TPS54310的啟動控制功能將板卡上電順序嚴格控制為先內核再IO，確保板卡上電時邏輯狀態的確定性。

    在PCB布線中運用了DDR芯片分組等長走線、數字部分和模擬部分單點共地、電源層不規則分割等抗干擾技術保證了主機板卡運行的可靠性和穩定性。

3 軟件構架以及核心算法的實現

    本文使用了CCS3.3集成開發環境、DSP/BIOS操作系統和數字視頻軟件開發包DVSDK來建立系統的軟件構架，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DSP/BIOS操作系統在軟件后臺自動維護一個采集隊列和一個顯示隊列來實現。當板卡上電后，DSP/BIOS自動生成并調用BIOS_init()函數初始化注冊的VPFE0、VPBE0、I2C0微型驅動，再調用main()函數對DM6437的功能寄存器進行初始化配置，DSP/BIOS創建視頻采集、顯示任務線程后調用IDL_loop()函數使DSP進入空閑循環，等待采集中斷VDINT0和顯示中斷VENC。當接收到VDINT0時DSP將從VPFE采集到的一幀放入到采集隊列中，當接收到VENC時DSP從顯示隊列中取出一幀交給VPBE顯示，這樣視頻的采集和顯示在后臺自動運行，應用程序只需要從采集隊列里取出一幀處理后交給顯示隊列即可。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cif格式幀采用行交叉的模式復合成720×1 052大小的超級幀，并在每一行有效數據的前端插入通道號和行號以標識這一行有效數據的位置，應用程序中通過讀取超級幀中每行數據的通道號和行號將有效數據剝離并拼接成4個視頻幀^[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非線形系統,如圖6所示，其中點P(u，v，z)為鏡頭球面上一點，P′(x，y)為校正后P點對應坐標，魚眼鏡頭可以用下面的方程式來描述：

    至此便完成了魚眼圖像與正常圖像之間的坐標變換，通過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，因此前后圖像會產生梯形形變，需要用鳥瞰變換將梯形形變矯正成俯視的效果。本文自制了標定盤，在前后攝像頭中首先標定出矩形的角點，由6對角點的坐標來計算透射變換矩陣，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：將標定板分別放置于車體的前后，標定板中線與車身中軸線重合，在4個攝像頭中會分別看見重合的區域，在每個攝像頭中通過標定重合點作為裁剪的參考，最后以標定點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 系統測試與效果

    在實驗室搭建測試平臺，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個魚眼攝像頭，將主機板卡和顯示器固定在桌子上，使用開關穩壓電源為系統提供12 V和5 V電源。系統調試實驗的效果如圖10所示。

    通過系統聯調實驗得出以下結論：

    (1)圖像魚眼矯正和鳥瞰變換效果基本達到設計要求，但圖像邊緣處仍有一些變形。

    (2)拼接效果良好，如圖10(b)所示，在圖像拼接處放置白紙，可以看到接縫處的拼接準確。

    (3)經過時間分析軟件的測試，圖像的處理速度在每秒28幀左右，視頻動態效果流暢。

    (4)系統連續工作4 h，發熱量很小，且工作穩定無異常。

參考文獻

[1] 丁鑫.全景視覺泊車輔助系統研究[D].杭州：浙江大學，2010.

[2] Texas Instrument.TMS320DM6437 datasheet[Z].2006.

[3] Texas Instrument.TPS54310 datasheet[Z].2002.

[4] Texas Instrument.TVP5158 datasheet[Z].2009.

[5] 馬頌德，張友正.計算機視覺——計算理論與算法基礎[M].北京：科學出版社，1998.