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FPGA와 DSP를 이용한 실시간 차선 및 차량인식 시스템 구현
FPGA-DSP Based Implementation of Lane and Vehicle Detection 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.36 no.12C, 2011년, pp.727 - 737  

김일호 (서강대학교 전자공학과 MMI 연구실) ,  김경환 (서강대학교 전자공학과 MMI 연구실)

초록
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본 논문에서는 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 DSP(Digital Signal Processor)를 이용하는 실시간 차선 및 차량인식 시스템의 구현에 대하여 기술한다. 실시간 시스템의 구현을 위해서 FPGA와 DSP의 역할을 효율적으로 분할할 필요성이 있다. 시스템의 알고리즘을 특정요소 추출부분을 기준으로 분할하여 대량의 영상정보를 이용하여 소량의 특정요소를 추출하는 과정을 FPGA로 구현하고 추출된 특정요소를 사용하여 차선과 차량을 정의하고 추적하는 부분을 DSP에서 수행하게 하고, FPGA와 DSP의 효율적 연동을 위한 인터페이스 구성을 제안함으로써 실시간 처리가 가능한 시스템 구조를 제안한다. 실험 결과 제안한 실시간 차선 및 차량인식 시스템은 $640{\times}480$ 크기를 갖는 비디오 영상 입력에 대해 약 15 (frames/sec)로 동작하여 실시간 응용으로 충분함을 알 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents an implementation scheme of real-time lane and vehicle detection system with FPGA and DSP. In this type of implementation, defining the functionality of each device in efficient manner is of crucial importance. The FPGA is in charge of extracting features from input image sequenc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 제안하는 시스템의 성능은 두 하드웨어간의 연결의 치밀성과 효율성에 따라 크게 좌우될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 TMS320DM6437이 제공하는 주변장치와 기능을 적극적으로 활용하여 이러한 목적을 성취하고자 하였다. VLYNQ를 사용하여 데이터 전송을 하고 GPIO를 활용하여 두 하드웨어를 연동한다.
  • 본 논문에서는 차선 및 차량인식 시스템을 FPGA 와 DSP를 이용해 구현하였다. 전체 시스템을 FPGA 와 DSP를 이용해 실시간 처리하기위해 특징요소 추출단위 분할 방법을 제안하였다.
  • 최적화 작업이 필요하다. 연구에서는 다양한 최적화 방벱중 메모리의 효율적 사용과 코드 최적화를 통하여 실시간 동작을 보장하였다. TMS320DM6437의 경우 32KB 의 Level 1 Program(LlP) 캐쉬, 80 KB의 Level 1 Data(LlD) 캐쉬, 128KB의 L2 통합 메모리를 지원한다1'지.
  • 본 절에서는 그림 1에 나타낸 전체 시스템 구조 중 특징 추출부의 FPGA 구현과 인식 및 검증 부의 DSP 구현에 관하여 소개한다. 시스템 구현에 사용된 FPGA는 Xilfa就사의 Spartan-3A DSP를 시용하였고, DSP는 Texas Instruments 사의 TMS320DM6437를사용하였다.

가설 설정

  • 직선 및 곡선으로 이루어진 차선을 정의하기 위해 2차 곡선으로 가정하였고 앞서 구한 차선 후보지 데이터를 최소자승법을 적용하여 차선의 방정식을 구할 수 있었다. 앞서 주행차선을 찾기 위해 군집화 과정을 하였으므로 상대적으로 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있게 된다 최소 자승법을 이용한 근사화 과정은 실수 연산이 주로 포함되어 있어 고정소수점 프로세서인 TMS320DM6437 상에서 가장 많은 처리시간을 필요로 하는 기능 단위이다.
  • 이때, 차선폭에 대한 최소 . 최댓값은 세계 좌표계(world coordinate) 와 영상 좌표계 (image coordinate) 와의 관계가 고정적인 것으로 가정하여 미리 계산한 결과를 LUT로 구성하였다. 밝기 기반 검출(tightness based detection)은 주변화소 정보를 이용하여 어두운 영역 사이에 존재하는 밝은 영역의 너비를 계산하고 에지 기반 검출과 마찬가지로 비교연산을 통해 차선표식 후보지의 시작 좌표와 끝 좌표를 출력한다.
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참고문헌 (17)

  1. J. C. McCall and M. M. Trivedi, "Video-based lane estimation and tracking for driver assistance: survey, system, and evaluation," IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 7(1), pp. 20-37, 2006. 

  2. Z. Sun, G. Bebis and R. Miller, "On-road vehicle detection: a review," IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 28(5), pp. 694-711, 2006. 

  3. Z. Liu, Y. Wang and W. Liu, "Design of a color image fusion system based on DSP and FPGA," International Congress on Image and Signal Processing, pp. 797-800, 2010. 

  4. S. S. Kim and S. Jung, "Hardware implementation of a real-time neural network controller with a DSP and FPGA for nonlinear systems," IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. 265-271, 2007. 

  5. 이운근, 이순웅, 조석빈, 고덕화, 백광렬, "도로교통 영상처리를 위한 고속 영상처리시스템의 하드웨어 구현", 제어.자동화.시스템공학 논문지,9(7), pp. 498-506, July 2003. 

  6. J. Zhang, H. -B. Su and Q. -Z. Wu, "Research of multi-mode tracking based on multi-DSP and FPGA," International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics, pp. 230-234, 2010. 

  7. L. Yan, T. Zhang and S. Zhong, "A DSP/FPGA - based parallel architecture for real-time image processing," in Proceedings of the Sixth World Congress on Intelligent Control and Automation, pp. 10022-10025, 2006. 

  8. M. Felisa and P. Zani, "Robust monocular lane detection in urban environments," in Proceedings of Intelligent Vehicles Symposium, pp. 591-596, 2010. 

  9. C. Torress-Huitzil and M. Arias-Estrada, "FPGA-based configurable systolic architecture for window-based image processing," EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 7, pp. 1024-1034, 2005. 

  10. M. Jablonski and M. Gorgon, "Handel-C implementation of classical component labelling algorithm," in Proceedings of EUROMICRO Systems on Digital System Design, pp. 387-393, 2004. 

  11. 노시봉, 안희준, 이명진, 오혁준, "임베디드 DSP기반 시스템을 위한 H.264 소프트웨어 부호기의실시간 최적화", 한국통신학회논문지, 34(10),pp. 983-991, October 2009. 

  12. Texas Instuments, TMS320DM6437 digital media processor, 2006. 

  13. Texas Instuments, TMS320C64x+ DSP Megamodule, 2010. 

  14. Texas Instuments, TMS320C64x+ IQmath library user's guide, 2008. 

  15. M. Boumediene, A. Ouamri and M. Keche, "Vehicle detection algorithm based on horizontal/vertical edges," International Workshop on Systems, Signal Processing and their Applications, pp. 396-399, 2011. 

  16. M. Bertozzi, A. Broggi and S. Castelluccio, "A real-time oriented system for vehicle detection," Journal of System Architecture, 43(1-5), pp. 317-325, 1997. 

  17. AVNET, Spartan-3A DSP DaVinci development kit user guide, 2009. 

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