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摘 要：本文给出了一种基于ADI双核的数字信号处理器ADSP-BF561的车载夜视辅助系统实现方案，阐述了硬件设计和软件设计实现方法。硬件设计包括红外光源的选择、摄像头的选择、视频处理器设计；软件部分采用了基于对比度拉伸图像增强算法。实验证明，当采用夜视系统时，可以获得良好的夜视效果。
关键词：车载夜视系统；ADSP-BF561；主动红外
1 引言
据美国国际数据公司(IDC)统计，2009年美国夜间驾车行驶占汽车总行驶时间的28%左右，大约有55%的交通事故是在夜间发生的[1]。随着汽车市场的快速发展和安全意识的日益强化，人们对汽车安全保障技术的要求越来越高。普通汽车照明系统在下大雨、下雪、大雾或能见度低的夜间视距不远，效果又不好，而且夜间会车迎面的强光灯使司机眩目，眼睛疲劳。夜视系统却可以在黑暗中帮助驾驶员导航，使驾驶员在有灯光和黑暗两种情况下能够看清驾驶环境。因此，开发出一种可在上述环境下有效提高驾驶员视距和视觉效果的夜视系统成为国内外汽车行业急待解决的重要问题[2,3]。
本文以ADI双核的数字信号处理器ADSP-BF561为核心，采用主动红外技术，给出了车载夜视辅助系统实现方案，同时在图像算法上进行了设计。
2 系统总体设计
本系统选择ADI双核的数字信号处理器ADSP-BF561为核心作为视频处理器。ADSP-BF561处理器隶属于ADI公司的Blackfin处理器系列，主要面向多媒体视频和通信方面的各种应用[4]。ADSP-BF561包含两枚独立的内核，也就是俗称的双核处理器。ADSP-BF561集双核处理引擎、RISC指令集以及单指令多数据(SIMD)等特点于一身，形成一套独特的系统结构。ADSP-BF561具备对称多处理系统结构(SMP)，使得它在信号处理和流程控制方面能够提供较好的性能和设计灵活性。ADSP-BF561可以采取一个内核运行操作系统（OS）和相应的守护控制进程，另外一个内核运行数字信号处理算法的工作模式。
本系统由红外光源、CCD摄像头、ADSP-BF561及其外围电路、LCD显示器组成，系统的整体硬件框图如图1所示。红外光源将红外光照射到车辆前方100米处左右，CCD摄像头将车辆前方100米处的车外环境采集进来，送给视频处理器，视频处理器对采集到的图像进行处理后送到显示屏上，提高驾驶员夜间驾驶的观察能力。车身信号采集用于采集车速、加速度等自车参数。
3 系统硬件设计
(1) 红外光源设计
在主动式夜视系统中，为不使迎面驾驶员眩目且能得到好的显示效果选择，激光波长的选择尤为重要。摄像机的CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，它的感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域[5]。CCD摄像机的光谱响应特性曲线如图2所示，从图2可以看出，CCD在0.4-0.76um的可见光波段的响应较强，在0.76-1.2um的近红外波段的响应逐渐减弱。为了避免激光对迎面司机或行人造成“眩目”的影响，一般选择近红外光作为夜视系统光源，即波长0.76-1.2um。
选用红外光源作为夜视系统的光源还必须考虑其可能引起的损伤，必须通过保护措施来改进其危害，确保夜视系统的安全使用。
在入射光能量一定时，能够被视网膜吸收的有效光能量由视网膜的有效吸收率决定。有效吸收率越大，视网膜吸收的光能量越多，受到的损伤也就越严重。由图3可看出，波长在380-1370nm范围内的激光对视网膜都有一定的损伤作用，其中波长在450-700nm范围内的激光对视网膜的损伤作用最强。综合CCD的光谱响应特性与视网膜的有效吸收率，波长为760-960nm的近红外激光器较适合作为主动式夜视系统的光源。本系统选择近红外LED为所研究主动式夜视系统的光源。该激光器波长为820nm，工作电压为3V直流，输出功率3W。
(2) 摄像头的选择
用于主动式夜视系统的摄像机既要清晰地接收从物体反射回来的红外光，还要尽可能不受其他光线的影响，而且价格不能太高。与CCD比较，CMOS图像传感器有功耗、价格上的优势。而CCD在灵敏度、信噪比和成像质量等方面均优于CMOS图像传感器，这也是目前大部分高端固体摄像器件仍采用CCD的原因，且黑白CCD摄像机价格低于彩色CCD价格，因此采用普通黑白CCD摄像机，这样成本不高，又可以采集到清晰的图片，达到最优的性价比。
如图2所示，CCD摄像机在可见光波段比近红外波段的光谱响应度高很多，因此当有强光干扰时液晶显示器中只显示一片耀眼的白光，严重影响了显示效果。为了防止其他可见光对红外信号产生不利影响，我们在黑白摄像机前应安装红外滤光片，以将其他光波滤掉，只让所需要的近红外波段的光线通过。由于本系统所采用的是820nm的近红外LED，所以相应选用820nm窄带滤光片，其中心波长为820nm，带宽为10nm，透过率84%，该滤光片对可见光的透过率几乎为0，可有效消除前方的可见光，这样就可以很好地解决迎面来车带来的强光干扰问题了。
(3) 视频处理器设计
视频编码芯片ADV7180负责将CCD摄像头采集的模拟视频转换成数字视频，送给视频处理器BF561。视频处理器BF561接收到该数据后，负责对数字图像数据进行处理，进行图像滤波和增强，将处理后的视频图像送给视频编码芯片ADV7179。视频编码芯片ADV7179负责对视频处理器BF561输出的数字视频进行编码，输出模拟视频图像给LCD显示器。SDRAM为BF561的数据存储器扩展，负责图像处理数据的存储，FLASH为BF561的程序存储器扩展，负责存储算法的程序。视频处理器整体框图如图4所示。
本系统采用ADV7180芯片作为系统CCD摄像机的视频解码芯片，将CCD摄像头采集的模拟视频转换成数字视频。ADV7180是模拟器件公司的一款视频解码芯片，它能自动地检测标准的NTSC或者PAL基带视频信号并将其转换为与8位ITU-R.656接口标准兼容的4:2:2分量视频数据。其高度灵活的高级数字输出接口同时能满足基于帧缓存和基于时钟行锁定的视频解码和视频转换的系统需要，这使得该器件特别适合具有不同视频信号特性的应用。 本系统采用ADV7179芯片作为系统的视频编码芯片，负责对视频处理器BF561输出的数字视频进行编码，输出模拟视频给LCD显示器。ADV7179是模拟器件公司的一款视频编码芯片，ADV7179适合各种优先考虑封装空间的视频应用，并提供适用于ITU-R.656标准视频输入的选项。它具有高级滤波功能（SSAF滤波器）和最高达-80dB的专业级视频信噪比(SNR)，可在小屏幕上实现出色的显示质量。
本系统通过EBIU接口外扩了SDRAM和FLASH两种存储器。选择了两片MT48LC16M16A2TG-75并联构建32位的SDRAM存储器系统，共64Mbyte的SDRAM空间，用于存储图像处理数据。FLASH选择了一片CMOS型的M29W640D NANDFLASH存储器，其存储空间为32MB，用于存放操作系统和内核程序。
4 系统软件设计
本系统采用了基于对比度拉伸图像增强算法，根据夜视图像特点，基于中心区域亮度均值可表征对面灯光状态的假设，利用中心区域均值判断汽车对面车灯状态，根据均值大小使用不同图像灰度映射规则。映射规则与车辆近光灯照射亮度、距离、摄像头安装角度等条件有关，映射规则需要在夜视环境中人工调节得到。算法流程如下：
S1：计算选定亮度区域均值。
S2：均值所属区域判定。
根据均值大小和均值分段情况判断出当前均值所属分段区域。
S3：规则映射及输出。
通过步骤S2，判断均值所属区域，均值区域与映射规则具有一一映射关系。根据映射规则，对原图像各像素逐一映射输出。
5 试验及结果
(a)没用夜视系统图像
(b)采用夜视系统图像
为了检验系统的效果，在奇瑞试验车上进行了试验。硬件采用自己设计的BF561电路板，测试距离100米，测试结果如图5所示。从测试结果可以看出，当采用夜视系统时，可以获得良好的夜间夜视效果。
6 结论
本文以BF561为核心，设计了一种车载夜视辅助系统实现方案。本文首先给出有了系统的总体设计方案和工作原理，然后阐述了硬件设计和软件设计实现方法。给出了红外光源和CCD摄像头的选择，详细介绍了视频处理器外围电路的设计，给出了基于对比度拉伸图像增强算法。最后在试验车上进行了夜视试验，实验结果证明，当采用该夜视系统时，可以获得良好的夜间夜视效果。
参考文献
[1]C.Bellotti,F.Bellotti.Developing a Near Infrared Based Night Vision System,2004IEEE Intelligent Vehieles Symposium,June 14-17,2004.
[2]赵娟,张伯虎,徐博.基于激光红外夜视系统的研究[J].科技咨询,2007,(10):225-226.
[3]周平,陈永丽.红外线在夜视技术中的应用[J].现代物理知识,2007,14(4):33-34.
[4]郝云芳,王钰.基于多核处理器ADSP BF561的高性能视频控制系统设计[J].电子元器件应用,2011,13(1):3-5.
[5]王锦昌.主动夜视的激光照明技术[J].激光与红外,1997,27(3):162-165.
关键词：车载夜视系统；ADSP-BF561；主动红外
1 引言
据美国国际数据公司(IDC)统计，2009年美国夜间驾车行驶占汽车总行驶时间的28%左右，大约有55%的交通事故是在夜间发生的[1]。随着汽车市场的快速发展和安全意识的日益强化，人们对汽车安全保障技术的要求越来越高。普通汽车照明系统在下大雨、下雪、大雾或能见度低的夜间视距不远，效果又不好，而且夜间会车迎面的强光灯使司机眩目，眼睛疲劳。夜视系统却可以在黑暗中帮助驾驶员导航，使驾驶员在有灯光和黑暗两种情况下能够看清驾驶环境。因此，开发出一种可在上述环境下有效提高驾驶员视距和视觉效果的夜视系统成为国内外汽车行业急待解决的重要问题[2,3]。
本文以ADI双核的数字信号处理器ADSP-BF561为核心，采用主动红外技术，给出了车载夜视辅助系统实现方案，同时在图像算法上进行了设计。
2 系统总体设计
本系统选择ADI双核的数字信号处理器ADSP-BF561为核心作为视频处理器。ADSP-BF561处理器隶属于ADI公司的Blackfin处理器系列，主要面向多媒体视频和通信方面的各种应用[4]。ADSP-BF561包含两枚独立的内核，也就是俗称的双核处理器。ADSP-BF561集双核处理引擎、RISC指令集以及单指令多数据(SIMD)等特点于一身，形成一套独特的系统结构。ADSP-BF561具备对称多处理系统结构(SMP)，使得它在信号处理和流程控制方面能够提供较好的性能和设计灵活性。ADSP-BF561可以采取一个内核运行操作系统（OS）和相应的守护控制进程，另外一个内核运行数字信号处理算法的工作模式。
本系统由红外光源、CCD摄像头、ADSP-BF561及其外围电路、LCD显示器组成，系统的整体硬件框图如图1所示。红外光源将红外光照射到车辆前方100米处左右，CCD摄像头将车辆前方100米处的车外环境采集进来，送给视频处理器，视频处理器对采集到的图像进行处理后送到显示屏上，提高驾驶员夜间驾驶的观察能力。车身信号采集用于采集车速、加速度等自车参数。
3 系统硬件设计
(1) 红外光源设计
在主动式夜视系统中，为不使迎面驾驶员眩目且能得到好的显示效果选择，激光波长的选择尤为重要。摄像机的CCD图像传感器具有很宽的感光光谱范围，它的感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域[5]。CCD摄像机的光谱响应特性曲线如图2所示，从图2可以看出，CCD在0.4-0.76um的可见光波段的响应较强，在0.76-1.2um的近红外波段的响应逐渐减弱。为了避免激光对迎面司机或行人造成“眩目”的影响，一般选择近红外光作为夜视系统光源，即波长0.76-1.2um。
选用红外光源作为夜视系统的光源还必须考虑其可能引起的损伤，必须通过保护措施来改进其危害，确保夜视系统的安全使用。
在入射光能量一定时，能够被视网膜吸收的有效光能量由视网膜的有效吸收率决定。有效吸收率越大，视网膜吸收的光能量越多，受到的损伤也就越严重。由图3可看出，波长在380-1370nm范围内的激光对视网膜都有一定的损伤作用，其中波长在450-700nm范围内的激光对视网膜的损伤作用最强。综合CCD的光谱响应特性与视网膜的有效吸收率，波长为760-960nm的近红外激光器较适合作为主动式夜视系统的光源。本系统选择近红外LED为所研究主动式夜视系统的光源。该激光器波长为820nm，工作电压为3V直流，输出功率3W。
(2) 摄像头的选择
用于主动式夜视系统的摄像机既要清晰地接收从物体反射回来的红外光，还要尽可能不受其他光线的影响，而且价格不能太高。与CCD比较，CMOS图像传感器有功耗、价格上的优势。而CCD在灵敏度、信噪比和成像质量等方面均优于CMOS图像传感器，这也是目前大部分高端固体摄像器件仍采用CCD的原因，且黑白CCD摄像机价格低于彩色CCD价格，因此采用普通黑白CCD摄像机，这样成本不高，又可以采集到清晰的图片，达到最优的性价比。
如图2所示，CCD摄像机在可见光波段比近红外波段的光谱响应度高很多，因此当有强光干扰时液晶显示器中只显示一片耀眼的白光，严重影响了显示效果。为了防止其他可见光对红外信号产生不利影响，我们在黑白摄像机前应安装红外滤光片，以将其他光波滤掉，只让所需要的近红外波段的光线通过。由于本系统所采用的是820nm的近红外LED，所以相应选用820nm窄带滤光片，其中心波长为820nm，带宽为10nm，透过率84%，该滤光片对可见光的透过率几乎为0，可有效消除前方的可见光，这样就可以很好地解决迎面来车带来的强光干扰问题了。
(3) 视频处理器设计
视频编码芯片ADV7180负责将CCD摄像头采集的模拟视频转换成数字视频，送给视频处理器BF561。视频处理器BF561接收到该数据后，负责对数字图像数据进行处理，进行图像滤波和增强，将处理后的视频图像送给视频编码芯片ADV7179。视频编码芯片ADV7179负责对视频处理器BF561输出的数字视频进行编码，输出模拟视频图像给LCD显示器。SDRAM为BF561的数据存储器扩展，负责图像处理数据的存储，FLASH为BF561的程序存储器扩展，负责存储算法的程序。视频处理器整体框图如图4所示。
本系统采用ADV7180芯片作为系统CCD摄像机的视频解码芯片，将CCD摄像头采集的模拟视频转换成数字视频。ADV7180是模拟器件公司的一款视频解码芯片，它能自动地检测标准的NTSC或者PAL基带视频信号并将其转换为与8位ITU-R.656接口标准兼容的4:2:2分量视频数据。其高度灵活的高级数字输出接口同时能满足基于帧缓存和基于时钟行锁定的视频解码和视频转换的系统需要，这使得该器件特别适合具有不同视频信号特性的应用。 本系统采用ADV7179芯片作为系统的视频编码芯片，负责对视频处理器BF561输出的数字视频进行编码，输出模拟视频给LCD显示器。ADV7179是模拟器件公司的一款视频编码芯片，ADV7179适合各种优先考虑封装空间的视频应用，并提供适用于ITU-R.656标准视频输入的选项。它具有高级滤波功能（SSAF滤波器）和最高达-80dB的专业级视频信噪比(SNR)，可在小屏幕上实现出色的显示质量。
本系统通过EBIU接口外扩了SDRAM和FLASH两种存储器。选择了两片MT48LC16M16A2TG-75并联构建32位的SDRAM存储器系统，共64Mbyte的SDRAM空间，用于存储图像处理数据。FLASH选择了一片CMOS型的M29W640D NANDFLASH存储器，其存储空间为32MB，用于存放操作系统和内核程序。
4 系统软件设计
本系统采用了基于对比度拉伸图像增强算法，根据夜视图像特点，基于中心区域亮度均值可表征对面灯光状态的假设，利用中心区域均值判断汽车对面车灯状态，根据均值大小使用不同图像灰度映射规则。映射规则与车辆近光灯照射亮度、距离、摄像头安装角度等条件有关，映射规则需要在夜视环境中人工调节得到。算法流程如下：
S1：计算选定亮度区域均值。
S2：均值所属区域判定。
根据均值大小和均值分段情况判断出当前均值所属分段区域。
S3：规则映射及输出。
通过步骤S2，判断均值所属区域，均值区域与映射规则具有一一映射关系。根据映射规则，对原图像各像素逐一映射输出。
5 试验及结果
(a)没用夜视系统图像
(b)采用夜视系统图像
为了检验系统的效果，在奇瑞试验车上进行了试验。硬件采用自己设计的BF561电路板，测试距离100米，测试结果如图5所示。从测试结果可以看出，当采用夜视系统时，可以获得良好的夜间夜视效果。
6 结论
本文以BF561为核心，设计了一种车载夜视辅助系统实现方案。本文首先给出有了系统的总体设计方案和工作原理，然后阐述了硬件设计和软件设计实现方法。给出了红外光源和CCD摄像头的选择，详细介绍了视频处理器外围电路的设计，给出了基于对比度拉伸图像增强算法。最后在试验车上进行了夜视试验，实验结果证明，当采用该夜视系统时，可以获得良好的夜间夜视效果。
参考文献
[1]C.Bellotti,F.Bellotti.Developing a Near Infrared Based Night Vision System,2004IEEE Intelligent Vehieles Symposium,June 14-17,2004.
[2]赵娟,张伯虎,徐博.基于激光红外夜视系统的研究[J].科技咨询,2007,(10):225-226.
[3]周平,陈永丽.红外线在夜视技术中的应用[J].现代物理知识,2007,14(4):33-34.
[4]郝云芳,王钰.基于多核处理器ADSP BF561的高性能视频控制系统设计[J].电子元器件应用,2011,13(1):3-5.
[5]王锦昌.主动夜视的激光照明技术[J].激光与红外,1997,27(3):162-165.