影像侦测算法瓶颈突破　汽车ADAS效能再进化

作者：蔡文凯/林立倬/陈泽民/李明华/吴文庆，工研院资通所

近年来，世界各国的交通主管单位皆大力倡导「防御驾驶」，所谓防御驾驶是一种预测危机并协助远离危机的机制，意指除了驾驶本身遵守交通规则外，也要防范其他驾驶因为自身的疏忽或是故意违规，而发生交通意外。因此，防御驾驶的目的是透过目视与耳听的察觉，来认知并预测可能发生意外之情境，并且尽快采取必要的防御措施，以避免意外发生。

根据交通部的长期统计与特性分析报告指出，全国主要交通事故原因中，以「未保持行车安全距离」为最多。以2014年上半年国道高速公路为例，A1类(造成人员当场或24小时内死亡)的交通事故总计三十件，而未保持安全距离(车前状态)占最大宗，总共有十件，并造成十一人死亡、十三人重伤。其次为变换车道不当，总计为六件，并造成八人死亡、八人重伤。然事实上，交通部在2012年国道事故检讨报告指出，在这些造成不幸的交通事故当中，有高达79.1%的意外是有机会事先预防的。

有鉴于此，各大车厂与驾驶人纷纷在车辆上安装各种驾驶辅助系统，以降低肇事率(图1)。在各种系统中，以影像为基础的辅助驾驶系统市占率最高；其主要原因为成本低廉，且可与行车记录器结合使用，并能将侦测的结果以视觉影音的方式呈现给驾驶人，虽然其侦测距离不及红外线与雷达，但仍广受欢迎。


图1　各种不同形式之ADAS传感器

开发成本低廉　影像式ADAS受青睐

为有效降低因驾驶者不专心所导致的事故发生，车道偏移警示系统(Lane Departure Warning System, LDWS)与前方碰撞警示系统(Forward Collision Warning System, FCWS)为世界各国重视，是业界争相投入开发的两大首要先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance System, ADAS)功能。

．LDWS

LDWS主要功能运作是透过摄影机拍摄车辆前方的场景，然后经图像处理与计算，产生车道侦测的结果；一旦车辆在没有打方向灯的情形下开始偏移车道时，系统则会自动发出各种警示讯号，提醒驾驶者立即做出反应以避免意外发生。

．FCWS

FCWS的主要功能亦是透过摄影机拍摄车辆前方的场景，经过图像处理算法的计算后，将前方的车辆侦测出来，并且推估两车之间的距离；当两车未保持适当的行车距离时，系统亦自动对驾驶人发出警告，甚至近年来已有车厂开始评估是否由行车计算机系统接管煞车功能。

上述两种ADAS的主要功能，其共同点就是拍摄车辆前方的场景信息。一般而言，FCWS与LDWS都会使用同一个摄影机所取得的影像信息，且该摄影机亦可将影像信息储存起来，做为行车记录器之用。因此，FCWS与LDWS除了现有汽车制造商进行开发研究之外，制作行车记录器的厂商亦积极投入研发。

PC-based为早期惯用平台

数字图像处理平台主要可分为两大类，分别为软件导向的PC-based与硬件导向的独立型(Stand Alone)平台；这两类各有其优缺点。早期，由于独立型的系统运算资源非常局限，中央处理器(CPU)指令周期较慢、内存空间不足、可支持的接口设备亦短缺，加上缺乏有效的影像程序开发接口，导致图像处理算法的开发人员习惯采用PC-based做为硬件平台。现在，由于超大规模集成电路(VLSI)与系统单芯片(SoC)的进步，数字系统的芯片有大幅进步同时缩小化的进展，使得目前嵌入式系统可以在低价位的情形下，提供高速CPU、海量存储器、更多的周边控制，甚至可以有多核心的处理器(Processor)。

独立型平台符合轻薄短小设计需求

如此进步下，嵌入式系统已经开始朝多媒体迈进，增加影像与视讯等二维(2D)/三维(3D)讯号的运算，以扩大应用范围；再加上随着智能化与云端化的趋势，多媒体应用与安全监控平台，已渐由PC-based走向独立型嵌入式系统，以便满足车载应用对省电与轻薄短小的需求。

有鉴于此，工研院便以独立型嵌入式系统方式来进行ADAS的开发与验证。 首先，算法开发人员为取得影像来开发算法，在开发初期必须自行驾驶配有行车记录器的车辆，于道路上拍摄各种不同场景、天候等行车影片，过程中还必须兼顾「正确率」与「效能」，因为对任何算法而言，良好的正确率只是最基本的条件。

攸关警告提示速度　ADAS算法验证至为重要

ADAS对于算法的效能必然斤斤计较，因为当危险状况发生时，系统必须实时(Real-time)发出警告。以FCWS为例，当某车辆于国道高速公路以时速100公里行驶时，亦即其每秒前进27.7公尺；系统若延迟0.1秒发出警告，则车辆将继续前进2.77公尺；因此设计人员习惯以讯框速(Frame Per Second, FPS)来验证ADAS中的算法之效能，当FPS值越大时，代表该算法的效能越佳。

当然，算法的效能必定与嵌入式平台的处理器速度、资源相关，所以在开发初期就必须考虑算法的计算量是符合何种嵌入式平台，否则将出现算法无适当平台可用的困境。