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基于FPGA的车载双目测距系统研究
| 论文题名： | 基于FPGA的车载双目测距系统研究 |
| 关键词： | 车载双目测距系统;现场可编程门阵列;立体匹配;立体校正;硬件加速 |
| 摘要： | 车辆前后方障碍物的测距是汽车安全辅助驾驶的重要技术之一。而由于图像能够呈现更多的环境信息，因此基于双目立体视觉的测距成为该类技术中较为主流的研究方向。建立基于双目立体视觉的车载测距系统可以在汽车遇到障碍物时，适时地给出预警信号,提醒驾驶人安全行驶，对于降低交通安全事故隐患具有重要意义。它的研究难点主要集中在系统的实时性和图像立体匹配的精度、鲁棒性等问题上。 针对当前车载双目立体视觉测距存在的问题，本文研究了基于现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)的车载双目视觉测距系统，通过图像的采集与显示、图像预处理、立体匹配等方法实现了目标物的距离测量，主要研究内容如下: (1)针对立体匹配算法的精度、鲁棒性等问题，提出一种基于改进Census变换和自适应权重的立体匹配算法。通过对传统Census变换进行改进，在一定程度上解决其过于依赖中心像素，从而易受噪声影响的问题;将改进Census变换与绝对差和(SumofAbsoluteDifference,SAD)算法相结合，以提高算法在图像不同区域的匹配精度;引入Sobel边缘检测，根据梯度信息确定Census变换和SAD的代价权重。经过验证，该算法可有效提高立体匹配的精度和抗干扰能力。 (2)针对双目测距系统的实时性问题，选用Zynq7020作为硬件平台，进行基于FPGA的硬件加速。采用Verilog语言设计图像采集与显示模块，搭建基于FPGA的图像采集与显示系统;设计并实现了包括图像灰度化和中值滤波的图像预处理硬件加速方案，解决了双目测距系统存在数据量大且易受外界噪声干扰的问题。 (3)针对传统FPGA开发方式存在周期长、效率低等问题，采取高层次综合(HighLevelSynthesis,HLS)与Vivado相结合的方式进行设计。在HLS中以C++语言完成立体校正功能的设计，通过仿真后，导出立体校正IP核。在Vivado中以Verilog语言设计基于改进Census变换和多路径代价聚合的立体匹配算法模块，通过将其接口设计为AXI4-Stream类型，完成了立体匹配与立体校正IP核的结合。 (4)搭建双目测距实验平台，通过对不同基线距离的实验探究，证明了基线对测距精度和测距范围的影响。对比不同光照条件及不同测量对象条件下的实验结果，证明本文提出的双目测距系统具有较高的精度，且在不同光照强度下具有较好的鲁棒性。通过与其他双目测距系统方案的数据对比，证明本文双目测距系统具有精度高、实时性好、功耗小以及成本低的优点，可以在汽车安全辅助驾驶领域做进一步应用推广。 |
| 作者： | 张杰 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 王增才 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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