基于分段直線模型的彎道識(shí)別算法的研究*

初雪梅，王珂娜，張維剛

(1.湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082; 2.江蘇大學(xué)，江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013)

前言

車道識(shí)別是指在沒有道路先驗(yàn)信息的條件下確定車道標(biāo)志線的位置，是車輛輔助駕駛系統(tǒng)的重要組成部分。車道識(shí)別在自主導(dǎo)航系統(tǒng)和車道偏離預(yù)警系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，可顯著減少由于駕駛員粗心而發(fā)生的事故。

車道識(shí)別包括直道和彎道標(biāo)志線的識(shí)別。直線識(shí)別主要是應(yīng)用直線模型［1］，用Hough變換來檢測直線，實(shí)時(shí)性好，魯棒性強(qiáng)，但是對(duì)于有曲率路段的識(shí)別則不夠精確。對(duì)于彎道標(biāo)志線的識(shí)別，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，提出了許多不同的模型，主要有:同心圓模型、二次曲線模型［2］、雙曲線對(duì)模型［3］和可變車道模型。其中，可變車道模型即直線-拋物線模型，將車道分為近景和遠(yuǎn)景兩部分，分別用直線和拋物線進(jìn)行擬合［4-5］。

通過對(duì)高速公路結(jié)構(gòu)特征和車道線特征的分析，并且考慮到實(shí)時(shí)性檢測的要求，本文中提出了一種基于Hough變換的彎道識(shí)別算法—分段直線擬合算法。

1 高速公路分段直線模型的建立

1.1 高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

高速公路具有很多特殊性，其設(shè)計(jì)和建設(shè)都具有嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［6］。其中關(guān)于彎道設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)主要有:

(1)車速為120km/h時(shí)的極限轉(zhuǎn)彎半徑為650m，一般最小半徑為1000m;

(2)車道寬度為3.75m;

(3)分道線寬度為0.21m等。

根據(jù)高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，極限轉(zhuǎn)彎半徑為650m，因此，在車輛前方小視距范圍內(nèi)，彎道線都可看作直線來處理。從實(shí)際拍攝的道路圖像也可看出，這種處理在絕大多數(shù)情況下都能成立。

1.2 車道線模型的比較

在車道線識(shí)別的研究中，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種車道線模型，主要有直線模型、拋物線模型和Spline樣條曲線模型等，其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 車道線模型的比較

曲線模型雖然可以很好地描述車道線的幾何形狀，但是模型復(fù)雜，在與車道線匹配的過程中計(jì)算量較大，會(huì)影響算法的實(shí)時(shí)性;而直線模型最為簡單，可用Hough變換來檢測，所需計(jì)算量小，能夠保證算法的實(shí)時(shí)性，但是對(duì)于彎道標(biāo)識(shí)線的檢測則失效。

為避免檢測失效，又能利用直線檢測的實(shí)時(shí)性，文中提出用分段直線模型來模擬結(jié)構(gòu)化高速公路。

2 分段直線模型

由于車載攝像機(jī)拍攝的原始圖像中除包含車道線的信息外，還加入了天空和樹木等其他無用信息，這些信息會(huì)影響車道標(biāo)志線的檢測。故須先設(shè)定感興趣區(qū)域ROI，以減小搜索范圍，提高搜索效率。

分段直線模型即將彎道圖像分為多個(gè)感興趣區(qū)域ROI，在每一個(gè)感興趣區(qū)域中分別應(yīng)用Hough變換檢測直線，然后將這些間斷的直線擬合來逼近真正的彎道線［7］。

分段直線模型包含兩條曲線:一條是左車道線，一條是右車道線。假設(shè)左右車道線的兩條邊界線是互相平行的，即車道線的寬度為常數(shù)。每一個(gè)分段直線模型中將左車道線分為n1條直線段而將右車道線分為n2條直線段，如圖1所示。

每條車道標(biāo)志線由多段直線段組成，即

其中{L1，…，Ln1}為左側(cè)車道線，{R1，…，Rn2}為右側(cè)車道線。

3 彎道識(shí)別算法

采用基于Hough變換的分段直線擬合算法檢測彎道的步驟如下:

(1)將視頻圖像分割成多個(gè)感興趣區(qū)域ROI;

(2)對(duì)各個(gè)ROI進(jìn)行灰度變化、濾波和邊緣處理獲得二值化圖像;

(3)在各個(gè)ROI中應(yīng)用Hough變換檢測各車道標(biāo)志線;

(4)按照自下而上的順序應(yīng)用分段直線擬合算法連結(jié)各段檢測到的車道標(biāo)志線，如圖2所示。

3.1 ROI的設(shè)定

3.1.1 彎道特征

(1)彎道標(biāo)志線沒有像直道標(biāo)志線一樣明顯的對(duì)稱性，且車道線的位置沒有預(yù)知性，可能是左彎道，也可能是右彎道。

(2)由于車輛攝像機(jī)的立體透視效應(yīng)，在近景區(qū)的車道線近似于直線，而隨著距離的增大，分段直線的彎曲度越來越大，如圖3所示。

因此，為保證用分段直線算法擬合彎道標(biāo)識(shí)線的準(zhǔn)確性與可靠性，采用動(dòng)態(tài)設(shè)定ROI的方式。

3.1.2 動(dòng)態(tài)設(shè)定ROI

采用動(dòng)態(tài)設(shè)定ROI的原理是根據(jù)實(shí)際道路的連續(xù)性，即不可能出現(xiàn)突變的性質(zhì)，依據(jù)上一個(gè)ROI中檢測出的車道線，動(dòng)態(tài)地改變下一個(gè)ROI，如圖4所示。

(1)首先檢測出最下面一段 ROI(即 ROI1和ROI2)中的左右車道線，上端點(diǎn)分別為a和b;

(2)以ROI1和ROI2為基礎(chǔ)，找出a和b連線的中點(diǎn)，作為下一段感興趣區(qū)域的劃分點(diǎn)，設(shè)定ROI3和ROI4，再在感興趣區(qū)域中應(yīng)用Hough變換檢測左右車道線，上端點(diǎn)為c和d;

(3)重復(fù)步驟(2)，找出c和d連線的中點(diǎn)，依此類推，直至檢測出所有ROI的車道線為止。

用這種ROI設(shè)定方法，可以逐步縮小搜索范圍，增加算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3.2 基于(r，θ)約束的Hough變換直線段檢測

3.2.1 傳統(tǒng)Hough的原理分析

基于Hough變換的車道檢測是應(yīng)用最廣泛的車道識(shí)別方法之一。Hough變換的基本原理在于利用點(diǎn)與線的對(duì)偶性，將原始圖像空間給定的直線通過曲線表達(dá)形式變?yōu)镠ough空間的一個(gè)點(diǎn)，即轉(zhuǎn)化為檢測Hough空間的一個(gè)峰值點(diǎn)。因此，為提取ROI中的車道標(biāo)志線，車道標(biāo)志線上的每一點(diǎn)都可通過直線極坐標(biāo)方程進(jìn)行Hough變換［8］，即

式中:r為極半徑;θ為極角。

可以證明，圖像空間中一條直線y=mx+b對(duì)應(yīng)著Hough空間的一點(diǎn)S(r，θ)，如圖5所示，其中 D為圖像對(duì)角線長，H為圖像高，W為圖像寬。通常情況下［9］:

3.2.2 基于(r，θ)約束的Hough變換直線段檢測

僅僅根據(jù)Hough變換檢測車道標(biāo)志線時(shí)，防護(hù)欄線和防滑線等干擾信息也容易被當(dāng)作車道標(biāo)志線的候選目標(biāo)。另外，一條車道標(biāo)志線又有內(nèi)側(cè)線和外側(cè)線，如圖6所示，而車道標(biāo)志線檢測的目標(biāo)是檢測出車道的內(nèi)側(cè)線［10］。為解決上述問題，根據(jù)車道標(biāo)志線的特征，在進(jìn)行Hough變換時(shí)添加了(r，θ)約束。

(1)假設(shè)左右車道標(biāo)志線的極角和極半徑分別為 θl和 θr，rl和 rr，通過采集大量試驗(yàn)樣本圖像，取

式中:θl2、θl1分別為左側(cè)車道標(biāo)志線極角的上下限;θr2、θr1分別為右側(cè)車道標(biāo)志線極角的上下限。

(2)根據(jù)車道標(biāo)志線特征，左側(cè)車道線是左側(cè)候選線中角度最小的;右側(cè)車道線是右側(cè)候選線中角度最大的，即 θl=θlmin，θr=θrmax。

3.3 邊界點(diǎn)判別法擬合彎道線

3.3.1 邊界點(diǎn)的特點(diǎn)

將ROI中檢測到的直線段用圖表示，如圖7所示。直線段M邊界點(diǎn)A和B與直線段N邊界點(diǎn)C和D特點(diǎn)有:(1)By=Dy=0;(2)Ay=H，Cy=H1。式中H、H1皆為各自感興趣區(qū)域的高。

3.3.2 基于邊界點(diǎn)的車道線擬合

Hough變換檢測到各個(gè)ROI中的峰值點(diǎn)，即獲得了各直線段的參數(shù)。直線段定義為

式中:pl為直線段的下邊界點(diǎn);pu為直線段的上邊界點(diǎn);b0為直線段的截距;b1為直線段的斜率;ul和vl分別為pl點(diǎn)的水平和垂直坐標(biāo);uu和vu分別為pu點(diǎn)的水平和垂直坐標(biāo)。

圖7中各ROI之間彼此相鄰，因此，M直線段的pu點(diǎn)與N直線段的pl1點(diǎn)始終在一條水平線上，如圖8(a)所示。直接通過判斷d＜Td1(d為pu和pl1兩點(diǎn)之間的距離，Td1為閾值)就可將M線段與N線段連接起來，即令pu點(diǎn)的值與pl1點(diǎn)相同，連接pu與pu1，即為彎道擬合結(jié)果。運(yùn)用此方法可避免延長直線段所造成的算法復(fù)雜性［11］(圖8(b))，從而保證實(shí)時(shí)性。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證算法的效果，在 CPU為 Intel(R)2.27GHz，RAM為2.86GB的計(jì)算機(jī)上，利用VS2005和Opencv庫函數(shù)分別對(duì)左右彎道圖像進(jìn)行了車道線識(shí)別試驗(yàn)，由分段直線很好地?cái)M合出左右彎道線，如圖9和圖10所示，檢測時(shí)間都在150ms內(nèi)。結(jié)果表明該算法具有很好的實(shí)時(shí)性和魯棒性。

5 結(jié)論

在車輛視野范圍不大的情況下，探討一種基于Hough變換的分段直線模型擬合逼近彎道的檢測算法。與傳統(tǒng)的用曲線模型來檢測彎道的方法相比，此算法可以更好地描述車道線的實(shí)際特征，模型適用范圍廣，對(duì)直道和彎道都具有良好的擬合效果，且運(yùn)算量大大降低，能很好地滿足實(shí)時(shí)檢測的要求。

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