基于图像处理的车道线检测方法研究

论文总字数：17567字

目 录

1 绪 论 1

1.1 选题背景及研究意义 1

1.2国内外研究及应用现状 1

1.3本文的研究的主要内容 2

2智能小车概述及其方案设计 3

2.1智能小车概述 3

2.2系统结构设计 3

3图像预处理 5

3.1图像色彩灰度化 5

3.1.1RGB色彩空间 5

3.1.2图像灰度化 5

3.2高斯滤波 6

3.3 图像增强 7

3.4道路图像二值化 8

3.5边缘检测 8

3.5.1 Canny 边缘检测 9

3.5.2 Roberts边缘检测算子 9

3.5.3 Sobel 边缘检测算子 9

4基于Hough变换的车道线识别技术研究 10

4.1 Hough变换车道线的识别 10

4.1.1 Hough变换基本原理 10

4.1.2 Hough变换检测算法 11

4.2改进的Hough变换车道线识别 12

4.4本章小结 14

5基于STM32小车平台的设计 14

5.1摄像头的介绍 14

5.2 STM32芯片介绍 15

5.3舵机s3003介绍 16

6系统的分析总结以及展望 17

6.1 系统的实现 17

6.2系统的总结 18

6.3本系统存在的不足 18

6.4工作展望 19

参考文献 20

致谢 21

基于车道线检测的智能小车设计

冯娟娟

，China

Abstract：In recent years, the frequent occurrence of traffic accidents is getting higher and higher, and intelligent traffic development goal is to use modern technology to reduce the frequency of traffic accidents. The development of intelligent transportation depends on the development of intelligent car. Therefore, the study of intelligent car has a realistic importance.

This topic is divided into two steps to achieve. The first step is the implementation of the algorithm, this step is done in the MATLAB environment. To achieve the lane line detection. In this process, related to image preprocessing, the specific methods used are image graying, Gaussian filtering, histogram equalization, image binarization. The algorithm used in the lane mark detection is an improved Hough transform. The second step is to be in the host computer simulation algorithm transplanted to the car. In this step also involves the car platform to build, use the hardware, including the camera, STM32 chip, steering gear.

Key words: intelligent car, lane line detection, Hough transform, algorithm transplantation

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

现如今伴随着城市化进程的加快，汽车迅速的出现在人们的日常生活中。道路交通的通畅已经成为人们生活中的愿望之一，驾驶人员对道路交通环境的需求也越来越严格。现代交通系统发展到现在，虽然已经十分发达，但是由于道路交通安全问题所带来的财产损失和人员伤亡依旧令人瞠目结舌。根据相关统计资料，全球每月因车祸丧生的人员甚至有几十万，波及人数高至几千万，造成的财物耗损高至几千亿美元，而我国该问题最为严重。有研究表明，预计在未来的几十年之中，包括我国在内的发展中国家由于道路交通安全所造成的人员伤亡人数比例将会大幅增加，道路交通造成的伤害将会是促使全球疾病与伤害的因素之一。

安全驾驶问题引起广泛的注意，是亟待解决的社会性问题之一。通过研究发现，超过69%的车祸是因为驾驶人员的操作马虎招致的^[1]。心理和生理条件都在不同的程度上影响着驾驶人员的驾驶过程，使得车祸出现多发性的现象。因此，从提高车辆行驶的安全方面着想，利用计算机、信息感知等智能技术来辅助或者代替驾驶人员行驶，对预车祸的发生起着积极的作用。基于这一理论背景，智能交通系统方面的研究得到了突飞猛进的发展。在司机出现疲劳或者注意力不集中的状况时，导致车辆的行驶轨道出现较大偏差，或者前后车辆的距离过于小可能发生追尾事故时给予驾驶员警示。这一技术的实现，必然可以有效减少道路交通事故发生的次数。对于减少因交通事故引起的各类伤害事件导致的心理及生理起着重要的作用。因此智能小车的发展至关重要，伴随而来的是对智能小车持续不断的研究。

1.2国内外研究及应用现状

结合前面一节的讨论，对智能小车的研究至关重要。而小车中的车道线检测技术的应用于发展是不容忽视的。车道线不仅可以作为导航的参照物，而且能被使用在运动对象的检测以及交通事故的预防之中。因而，从人们对智能车辆研究的伊始，车道线的辨认就引起研究人员的高度关心。我国的智能小车方才发展，规模较小。到现在为止，我国车道偏离预警系统还没有大规模投入市场。但是，伴着企业以及研究人员的持续努力，研究成果也已经初步展现。

（1）吉林大学汽车学院动态模拟实验室

这个研究室是国内较早开始深入研究车道偏离预警系统的。他们提出了一个最优预瞄模型，该模型将车辆速度与车辆的行驶方向相结合。车辆的稳态特性通过传感器来测量，从而据此来预测车辆发生位移的方向，计算出下一时刻可能到达的地点。该系统采用闭环控制的方法来校正预瞄系统的偏差，动态地使稳态预瞄得到矫正。但由于其模型太繁杂，目前该技术尚在基础研究阶段，要想正式投入市场使用还有很长的路要走。

（2）国防科技大学

车道偏离检测技术一般要基于机器视觉的方法来实现。该校的研究人员，在深入探讨其基本步骤的基础上，率先提议应用MATLAB图像技术来获取车道线。从而能够据此来判断车辆是否正常行驶。并提出一种判断车辆是否偏离车道的技术——车道线夹角法^[2]。保障了车辆的正常工作，确保了司机与乘客的平安。

国外，20世纪90年代，许多发达国家相继研究发展了LDWS理论。目前，在许多发达国家，车道线偏离预警技术已经发展完善，并且大规模的投入使用。

（1）由美国进行研究的，是一款车道偏离预警系统。该系统由照相机、计算机系统以及软件构成，是一种精致型系统。该系统经由摄像机对车道线进行跟踪摄像，并将其与汽车速率信号实施协调，当汽车偏离正确行使路线时响起警铃。

（2）德国的车道线偏离预警系统，是由DaimerChrysler 公司研发的。其原理是将两个高分辨率的摄像头安装在汽车的两个后视镜上。汽车当前的行驶车道与相邻的车道之间的距离通过摄像头采集，将其不断输入到处理器当中进行相应的处理，从而使对车辆的监控成为现实，并且能够鉴定汽车是否偏离车道运行。如果发现车辆的转向灯不在工作状态，车辆是被动偏离正确路线，这时触发提醒。

（3）荷兰的车道线偏离预警系统，本系统是由 公司开发创造的。与德国的预警系统相比，其是在前挡风玻璃上置放高清照相机，通过该照相机来对车道线进行实时的监控。如果遇到老式公路的特殊情况，可以依据道路的边界来检测，这是这个系统与别的系统相比最大的优点。

1.3本文的研究的主要内容

基于车道线检测的智能小车设计，通过前期查找资料，综合考率，本次毕设的要点体现在以下三个方面：

（1）图像预处理算法：不论是以什么方法得到的的道路图片，除了含有需要的车道线信息，还涉及许多干扰信号，例如道路边沿、周边树木、车辆等。当图片没有通过预处理，就贸然执行车道线检测算法，不仅会使算法变得更繁琐，还会造成检测效果出现较大偏差的后果。所以，为后续检测工作的简便性，找到一种合适的预处理方法是不容忽视的。

（2）车道线检测算法：车道线的特点较为唯一，不仅缺少明显的纹理特点，而且也含有极少的形状特点以及颜色特点。它的这种特点给本课题的实现造成了很大的影响，导致到现在为止依然没有一个很成熟的车道线检测算法。但如何检测车道线是本次研究的主要问题所在，其算法程序的执行效果与全局限效果的好坏息息相关。所以本次试验须在综合分析当前已有车道线检测算法的长处与短处的基础上，找到一种最优算法，作出一些有利的改善。

（3）小车平台的搭建以及算法的移植。小车硬件平台主要包括OV7670摄像头、STM32芯片以及S3003舵机。将这些原件进行正确的连接，再加上电源、车轮等就能够组成一个简易的小车。之后现在上位机进行算法的仿真，将运行流畅顺利的算法通过开发板移植到小车上，进行调试。

2智能小车概述及其方案设计

2.1智能小车概述

智能小车是随着科技发展产生的新事物，代表着今后很长一段时间的发展方向。它能够根据设置好的程序在特定的路线里运行，不需要外来的作用，在科学勘探等领域都发挥着很大的作用。通过安装的设备，能够在显示设备上显示时间、速率，行驶距离。此外还具有自动寻迹、寻光、避障的功能。通过程序的设定，能够实现对速度、小车停止时位置的调节，还能够实现图像的传输。

智能小车一般由传感器、控制器、执行器这三个部分组成。

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