1.1 前言
即 時 車 道 偵 測 是 智 慧 型 運 輸 系 統 (ITS) 裡 的 一 個 重 要 研 究 領 域 ， 它 提 供 重 要 的 道 路 與 標 線 資 訊 給 後 端 的 車 輛 自 走 系 統 ， 使 車 輛 自 走 時 能 保 持 在 車 道 中 央 ， 並 提 前 讓 車 輛 自 走 系 統 獲 得 道 路 變 化 趨 勢 ， 以 應 付 前 方 道 路 彎 曲 所 需 反 應 時 間 。 亦 可 提 供 車 道 偏 移 資 訊 ， 作 為 車 輛 警 報 系 統 使 用 。 此 外 在 智 慧 型 運 輸 系 統 中 另 一 個 重 要 課 題 ” 障 礙 物 偵 測 ” ， 車 道 擷 取 亦 是 重 要 的 前 端 處 理 程 序 。
現 今 在 道 路 偵 測 上 存 在 許 多 不 同 的 技 術 ， 主 要 都 是 基 於 電 腦 視 覺 (computer vision)的 應 用 。 依 據 其 特 徵 大 致 可 分 成 幾 類 ， 例 如 ： 道 路 模 型 (2D、 3D)， 影 像 擷 取 方 式 (單 鏡 頭 、 左 右 雙 鏡 頭 、 上 下 雙 鏡 頭 )， 影 像 格 式 (灰 階 、 彩 色 )， 偵 測 特 徵 (如 ： 邊 緣 偵 測 、 亮 度 特 徵 、 連 續 特 徵 )。
Broggi 在 [1]中，將 道 路 假 設 為 2D 平 面 (Z=0)，選 用 單 鏡 頭 灰 階 影 像 ， 使 用 反 透 視 法 (Inverse Perspective Mapping) [2]， 先 將 影 像 轉 換 到 鳥 瞰 圖 方 式 移 除 透 視 效 應 ， 再 應 用 標 線 寬 度 固 定 特 徵 ， 找 出 車 道 。 但 是 反 透 視 法 (IPM)需 要 龐 大 的 運 算 量 ， 對 於 即 時 系 統 的 晶 片 設 計 上 是 非 常 困 難 的 。
在 [5]中，作者將路面模擬成一 B 曲線(B-spline)，將車道方程 式以三階多項式表示，再將全部影像作邊緣偵測後找出道路標線。此 法因複雜的道路模型引出相當龐大的運算量。在分析靜態影像上或許
這對於晶片化的過程是非常不利的。在 [9]中，作者率先提出藉由估測 興趣區間(ROI)，以縮小搜尋範圍，降低偵測時間的概念。且在有限的 範圍內搜尋，亦可降低擷取到錯誤影像特徵之風險。此外在 [10]中 ， 作 者 進 一 步 的 將 路 面 模 擬 成 一 斜 平 面 。 將 車 道 視 為 二 次 曲 線 。 利 用 標 線 表 面 亮 度 較 高 、 與 標 線 寬 度 固 定 等 特 徵 偵 測 車 道 ， 並 藉 由 預 估 標 線 範 圍 決 定 偵 測 區 間 ， 藉 以 求 出 車 道 二 次 曲 線 參 數 。
本 文 主 要 架 構 在 [10]的 基 礎 上 來 發 展 道 路 偵 測 演 算 法 ， 在 影 像 擷 取 方 面 使 用 單 鏡 頭 644 X 493 像 素 、 256 灰 階 影 像 。 在 道 路 模 型 方 面 將 路 面 視 為 三 度 空 間 中 之 一 平 面 (2D ＋ 頃 斜 角 θ ) 。 並 將 車 道 視 為 斜 平 面 上 之 三 次 多 項 式 ， 參 數 化 為
3 2
3 ˆ 2 ˆ 1 ˆ 0
x b y= ⋅ + ⋅ + ⋅ +b y b y b 、 yˆ (≡ +z y) (tan= θ+ ⋅1) y。 在 偵 測 特 徵 方 面 加 入 許 多 道 路 標 線 特 徵 ， 如 ： 線 寬 變 化 不 大 、 片 段 連 續 、 表 面 光 滑 、 相 對 環 境 有 較 高 亮 度 、 前 後 標 線 亮 度 變 化 不 大 、 左 右 標 線 引 入 路 寬 條 件 判 斷 等 等 ， 來 偵 測 擷 取 影 像 。 亦 藉 由 精 準 的 標 線 落 點 預 估 決 定 偵 測 興 趣 區 間 (ROI)， 以 縮 小 偵 測 範 圍 增 加 偵 測 可 靠 度 。 另 外 在 首 張 影 像 偵 測 方 面 ， 使 用 六 種 預 估 樣 板 (泛 用 、 直 線 ， 左 彎 、 右 彎 、 小 幅 偏 左 、 小 幅 偏 右 )， 使 估 測 曲 線 更 貼 近 實 際 曲 線 ， 在 估 測 樣 版 與 實 際 曲 線 誤 差 過 大 造 成 偵 測 失 敗 的 問 題 上 獲 得 大 幅 改 善 。
演 算 法 經 軟 體 模 擬 ， 驗 證 其 可 靠 度 、 再 將 其 最 佳 化 後 ， 晶 片 化 實 現 於 FPGA 晶 片 上 ， 滿 足 處 理 速 度 每 秒 30 張 影 像 之 實 際 應 用 要 求。軟 體 模 擬 結 果 亦 作 為 晶 片 運 算 結 果 之 對 照 組 。
硬 體 系 統 採 用 ALTERA 公 司 生 產 的 PCI Development Board – Stratix EP1S25F1020C5 Device 來 執 行 車 道 偵 測 演
算 法 運 算 。 基 於 價 格 與 相 容 性 的 考 量 ， 前 端 影 像 擷 取 採 用 PC 準 系 統 架 構 ， 影 像 經 CCD 攝 影 機 擷 取 後 透 過 影 像 擷 取 卡 傳 入 PC ， 再 藉 由 PCI 介 面 傳 入 FPGA 晶 片 ( ALTERA Stratix EP1S25F1020C5 Device )作 運 算 ， 運 算 結 果 在 透 過 PCI 介 面 傳 回 到 PC 準 系 統 ， 以 端 供 後 端 ITS 系 統 (如 警 報 系 統 、 方 向 盤 煞 車 控 制 等 )使 用 。
在 晶 片 上 採 用 PCI 33MHz-32bit Target 設 計 PCI 介 面 ， 傳 輸 最 大 頻 寬 為 每 秒 133M-byte， 在 使 用 Pipeline 方 式 傳 輸 下 ， 即 時 車 道 偵 測 系 統 每 秒 可 處 理 697 張 影 像 (每 張 影 像 約 1.4ms 處 理 時 間 ) 。 若 假 設 PCI BUS 壅 塞 率 50%( 即 頻 寬 為 66M-byte/sec)， 且 不 使 用 Pipeline 方 式 傳 輸 下 ， 每 秒 仍 可 處 理 289 張 影 像 。
1.2 論 文 架 構
本 文 章 節 架 構 如 下 ， 首 先 在 第 二 章 中 將 針 對 車 道 偵 測 系 統 的 理 論 基 礎 與 偵 測 流 程 進 行 說 明 ， 藉 由 2.1 節 道 路 模 型 說 明 偵 測 系 統 如 何 看 待 車 道 問 題，2.2 節 座 標 轉 換 公 式 明 確 定 義 偵 測 目 標 ， 而 2.3 節 車 道 偵 測 流 程 則 說 明 偵 測 特 徵 及 偵 測 方 法。在 第 三 章 中 主 要 介 紹 車 道 偵 測 處 理 器 的 實 現 方 法，在 3.1 節 中 說 明 量 化 問 題 ， 3.2 節 中 介 紹 基 本 運 算 單 元 及 暫 存 器 規 劃 ， 而 3.3 節 中 介 紹 對 應 演 算 法 的 運 算 元 件 。 於 第 四 章 中 介 紹 硬 體 系 統 架 構 ， 從 前 端 影 像 擷 取 系 統 、 PC 系 統 、 至 執 行 車 道 偵 測 的 FPGA 裝 置 ， 完 整 的 系 統 整 合 及 軟 硬 體 架 構 之 說 明 。 第 五 章 說 明 實 驗 環 境 與 結 果 分 析 ， 針 對 架 構 完 成 的 車 道 偵 測 系 統 進 行 實 測 ， 分 析 運 算 效 能 與 偵 測 誤 差 ， 以 驗 證 本 文 所 提 系 統 架 構 確 為 有 效 且 具 實 用 性 。 最 後 於 第 六 章 中 提 出 整 體 結 論 ， 並 探 討 未 來 有 那 些 精 進 和 改 善 空 間 。