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360度全景環(huán)視和自動泊車系統(tǒng)

本文作者：John Smrstik 點擊： 2020-03-17 18:49

前言：

John Smrstik Jacinto? 處理器產(chǎn)品營銷團隊 Aish Dubey Jacinto?處理器系統(tǒng)工程師

介紹
深夜開車回家，卻發(fā)現(xiàn)自行車、體育器材和庭院修剪機鳩占鵲巢，你多么希望車庫能為愛車保留一席之地。

風(fēng)雨交加的早上，辦公樓停車場已是虛位難覓，空車位與你仿佛隔了一條鴻溝。

周五晚上想去市中心放松，必須要確定可以為愛車找到棲身之地且能夠在停車入庫后正常打開車門，否則歡樂時光無從談起。

駕駛員難免遇到行程匆忙、回避麻煩或?qū)で蟊憷那闆r，在這些常見場景中真是有苦難言。

幸運的是，自動駕駛功能將緩解這類尷尬，提供更便利、舒適的駕駛體驗，即使是泊車這種日常操作也不在話下。

基礎(chǔ)環(huán)視系統(tǒng)為駕駛員提供可視化提示，從而讓他們更加全面地了解周圍環(huán)境。通過深度學(xué)習(xí)汽車攝像頭捕獲的視頻圖像，可提供更高級的服務(wù)，如檢測空的停車位、自動泊車和啟用無人駕駛的“自動代客泊車”功能。

這些自動功能（包括多攝像頭輸入、視覺感知和場景創(chuàng)建）需要汽車具有強大的處理能力。高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 應(yīng)用的處理器需要具有整合數(shù)以兆字節(jié)的視覺數(shù)據(jù)或其他傳感器數(shù)據(jù)的能力，從而為汽車創(chuàng)建一個經(jīng)過解讀的環(huán)境，在有/無駕駛員的情況下均支持低速、安全操控車輛。針對這一挑戰(zhàn)，德州儀器 (TI) 專門設(shè)計了Jacinto™ 7 處理器系列。

在此白皮書中，我們將說明汽車客戶如何借助 TI Jacinto TDA4VM 器件構(gòu)建 ADAS 應(yīng)用，從而實現(xiàn)輔助和全自動泊車功能，還將提供各類細(xì)分的汽車市場（緊湊型、中型、大型和豪華版）對 Jacinto TDA4VM 處理器芯片和軟件平臺的技術(shù)要求，并介紹如何引入實現(xiàn)安全、舒適的全自動泊車所需的技術(shù)。

自動泊車和泊車輔助系統(tǒng)
根據(jù)泊車輔助系統(tǒng)的不同功能，該系統(tǒng)可分為三個基本類型。表 1 對這三種類型進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。基礎(chǔ)環(huán)視系統(tǒng)使用多個攝像頭輸入為駕駛員提供汽車周圍區(qū)域的 360 度全景視圖。攝像頭輸入拼接到以汽車為中心的俯視圖中。該圖像以可視化的形式提供給駕駛員，以提供手動泊車輔助。顯示汽車與物體、路緣或停車線相對位置的多個圖層的疊加增強了環(huán)視圖像的可用性。

系統(tǒng)類型

功能說明

所用傳感器的數(shù) 量和類型

所需算法

所需器件特性

環(huán)視系統(tǒng)

（又名環(huán)視監(jiān)控）

為駕駛員提供車輛周圍區(qū)域的 360 度 2D 或 3D 視圖，從而提供手動泊車輔助

• 四到六個攝像頭

• 基于圖形處理單元 (GPU) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 創(chuàng)建 2D 和 3D 視圖

• 特定需求下，專用硬件加速器可用于生成

有限的

3D 視圖

• 集成 ISP

• 用于視圖創(chuàng)建的 GPU 或 HWA

半自動泊車

駕駛員先確定可用車位，然后汽車自動停在平行或垂直車位上。該系統(tǒng)也能自動駛離停車位。駕駛員保留對該系統(tǒng)的最終控制。

• 四到六個攝像頭

• 6 到 12 個超聲波傳感器

• 四到六個短程雷達(dá)傳感器

• 慣性測量單元 (IMU)

• 定位硬件和軟件

• 停車位和停車線檢測

• 低速情況下近場和遠(yuǎn)

場物體檢測和分類

• 同步定位與地圖構(gòu)建

(SLAM)

• 給定地圖和駕駛條件下的 L4 級路線規(guī)劃

• 記錄車輛行為的視頻

流編碼和錄像

• 集成 ISP

• 用于視覺分析和卷積神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò) (CNN) 處理的嵌入式硬件加速器 HWA

• 實現(xiàn)部分傳感器融合和決策

傳達(dá)的 ASIL-D 處理

• GPU

• 提供足夠DMIPS實現(xiàn)通用、有限性能路線規(guī)劃和傳感器融合的 MCU (ASIL-B)

全自動代客泊車

車輛能在界限分明的停車區(qū) 域或停車位上自動泊車和自動駛離。車輛會識別可用車位。駕駛員全程無需控制車輛。

• 四到六個攝像頭

• 6 到 12 個超聲波傳感器

• 四到六個短程雷達(dá)

• IMU

• 定位硬件和軟件

• 停車位和停車線檢測

• 低速情況下近場和遠(yuǎn)

場物體檢測和分類

• SLAM

• 記錄車輛行為的視頻流編碼和錄像

• ASIL-D SLAM

• 集成 ISP

• 用于可視化分析、路線規(guī)劃

和 CNN 處理的嵌入式 HWA

• 實現(xiàn)全局傳感器融合的

ASIL-D 處理

• 用于路線規(guī)劃的 ASIL-D DMIPS性能

• 片上視頻編碼器

表 1.環(huán)視和自動泊車應(yīng)用和要求。

下一個類型的泊車輔助系統(tǒng)是半自動泊車系統(tǒng)。這類系統(tǒng)綜合了攝像頭、超聲和位置信息，能夠生成更詳盡的汽車周圍環(huán)境圖片，從而在某種程度上實現(xiàn)了自動泊車。借助上述信息，汽車將完成基本的泊車操作，即通過控制轉(zhuǎn)向、制動、加速和換檔，自動停在（或駛離）可用的水平或垂直車位。在這類場景中，駕駛員首先需找到一個空車位，且仍對負(fù)責(zé)自動泊車的系統(tǒng)進(jìn)行完全控制（如需要）。

全自動代客泊車系統(tǒng)會接手后續(xù)步驟，控制汽車全自動駛?cè)牒婉傠x界限分明的停車場。泊車過程中，駕駛員會讓出確定可用車位后對車輛的控制。這一應(yīng)用需要更多的傳感器輸入和更復(fù)雜的處理和算法，從而可靠、安全地自動完成泊車。

從基礎(chǔ)環(huán)視功能到全自動代客泊車，各個方案對傳感器、數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理的需求越來越高。

為實現(xiàn)這些應(yīng)用而配置的處理器片上系統(tǒng) (SoC)需要：
• 圖像輸入，
• 通用處理，
• 加速特定的深度學(xué)習(xí)任務(wù)，
• 多層疊加的圖像渲染，以及
• 有助于確保系統(tǒng)安全運行的符合汽車安全完整性等級 (ASIL) 的處理。

表 1 詳細(xì)說明了各個系統(tǒng)類型所需的算法和片上功能。所有這些功能所需的絕對性能，如深度學(xué)習(xí)萬億次運算每秒 (DLTOPS)、每秒百萬條指令(DMIPS)、每秒十億次浮點運算 (GFLOPS) 或圖像信號處理器 (ISP) 或硬件加速器 (HWA) 引擎的百萬像素處理功能，可進(jìn)一步將系統(tǒng)類型進(jìn)行細(xì)分。

TDA4VM 處理器的 Jacinto 系列如何應(yīng)對環(huán)視和自動泊車挑戰(zhàn)
正如你通過表 1 可能了解的情況一樣，汽車制造商的系統(tǒng)架構(gòu)師和業(yè)務(wù)團隊以及一級供應(yīng)商在將這些功能引入到汽車生產(chǎn)的過程中，面臨若干挑戰(zhàn)。首先，汽車制造商希望在各個車型上安裝一系列功能- 經(jīng)濟車型配備簡單環(huán)視功能，中型車和豪華車配備增強的感知和自動化水平。各個車型配備與其價格相符的設(shè)備：經(jīng)濟車型無法與高端奢華車型配備相同的電子裝置。針對每一車型的不同軟件，開發(fā)和驗證處理器平臺不僅費時，而且成本高昂。

有一種解決方案可通過向基礎(chǔ)設(shè)計添加其他傳感器和攝像頭將低端汽車升級為高端汽車，一級供應(yīng)商青睞能提供實施這種解決方案常見方法的平臺。重復(fù)利用硬件和軟件資產(chǎn)可提高必要的開發(fā)效率，從而最大限度地降低不同產(chǎn)品的研發(fā)成本并加快其進(jìn)入市場速度。

Jacinto TDA4VM 處理器系列和 TI 的處理器軟件開發(fā)套件 (SDK) 相結(jié)合，為 OEM 和一級供應(yīng)商解決這一問題提供了新的方法。該處理器可通過異構(gòu)處理提高應(yīng)用性能并降低功耗，使其適用于散熱和尺寸受限的嵌入式空間。TI 的 Jacinto TDA4VM SoC采用硬件加速器、專用處理器核心、數(shù)字信號處理器（DSP）、通用處理器和微控制器 (MCU)，可幫助設(shè)計人員制定高效的系統(tǒng)解決方案。TI 精選并設(shè)計了各種具有知識產(chǎn)權(quán) (IP) 的組件，以幫助解決具體問題并符合各種終端系統(tǒng)的要求。

表 2 說明了簡單環(huán)視監(jiān)控應(yīng)用和更復(fù)雜的自動代客泊車用例中常用的處理步驟和 IP 組件。

處理步驟	SoC IP 組件
圖像采集	圖像輸入/輸出（攝像頭串行接口 [CSI]-2）
圖像處理	ISP 和視覺加速組
	件
用于特征提取的分析處理	DSP 和深度學(xué)習(xí)加速器
融合處理（利用多傳	通用處理器，MCU
感器輸入）
顯示圖像制備	GPU
顯示輸出	多顯示子系統(tǒng)

表 2.環(huán)視和自動泊車應(yīng)用的處理步驟以及所用的 SoC IP。

異構(gòu)方法要求每種處理器內(nèi)核或加速器使用特定的軟件。可通過更高級的軟件理念抽象封裝低級軟件棧，并針對硬件優(yōu)化，從而簡化開發(fā)并提供高性能訪問權(quán)限。OpenVX就是這樣的一種免版稅開源軟件框架，專為實時嵌入式視覺處理而設(shè)計。TI 的 Processor SDK 通過基于 OpenVX的例程，展示如何利用 SDK 中的軟件組件構(gòu)建應(yīng)用（如環(huán)視監(jiān)控）。

綜上所述：Jacinto TDA4VM SoC
泊車輔助和自動化應(yīng)用基本上都需要采集攝像頭和圖像傳感器數(shù)據(jù)，并為處理階段進(jìn)行預(yù)處理。處理階段處理圖像數(shù)據(jù)并執(zhí)行分析和深度學(xué)習(xí)算法，從而抽取與泊車應(yīng)用相關(guān)的主要特性。這一階段整合（或融合）其他傳感器的數(shù)據(jù)，從而形成汽車周圍環(huán)境更全面的感知，并提供給決策應(yīng)用，此例中是安全操控汽車駛?cè)牒婉傠x停車位。最后一步則是以直觀的方式向駕駛員展示圖像數(shù)據(jù)，從而幫助他們安全駕駛車輛。保存視頻數(shù)據(jù)留作日后查看也很有必要，尤其是在全自動場景中。所有這些操作都必須在能提供冗余并將任務(wù)關(guān)鍵型功能與其他操作進(jìn)行邏輯（或物理）分區(qū)的功能安全環(huán)境中進(jìn)行。

TI 在 TDA4VM SoC 的設(shè)計中已考慮所有這些應(yīng)用要求。基于對該系統(tǒng)的理解和提供高效、靈活且易用的解決方案的目標(biāo)，TDA4VMSoC 包含多種組件來滿足采集、處理和渲染要求。其中的一個主要設(shè)計是平衡處理和數(shù)據(jù)需求，從而確保本地存儲有足夠的空間且能適當(dāng)訪問高速外部存儲，同時確保處理系統(tǒng)高效運行。

圖 1 所示為 TDA4VM 器件在環(huán)視用例中的簡化方框圖。

圖 1.基于 TDA4VM 的簡化環(huán)視系統(tǒng)。

環(huán)視/自動泊車應(yīng)用階段	TDA4VM SoC 特性
圖像數(shù)據(jù)捕獲	• 適用于低電壓差分信號攝像頭的 CSI-2 接口 • 適用于以太網(wǎng)攝像頭的以太網(wǎng) • 第七代 TI ISP • 鏡頭失真校正硬件加速器 • 噪聲濾波硬件加速器 • 多級圖像縮放硬件加速器
傳感器融合和分析處理	• C66x 和 C7x DSP 內(nèi)核 • 適用于深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的矩陣乘法加速器 • 稠密光流硬件加速器 • 雙目深度硬件加速器 • 兩個 Arm® Cortex®-A72 中央處理器 • 四個 Arm Cortex-R5F MCU • CAN-FD和UART接口 • 大規(guī)模片上共享存儲器 (8MB) • 高效、高帶寬片上互聯(lián)結(jié)構(gòu) • 具有 17GBps 峰值帶寬的LPDDR4
圖像顯示和保存	• Imagination GE8430 GPU 內(nèi)核 (100GFLOPS) • H.264 編碼硬件 • H.265 解碼硬件 • 4K 和 2.5K 分辨率視頻顯示輸出
安全性	• 雙核鎖步 R5F MCU（ASIL-C 安全島） • 保護(hù) IP 安全、防入侵和攻擊的系統(tǒng)方法

表 3.環(huán)視應(yīng)用階段與對應(yīng)的 TDA4VM 器件特性。

顯示視頻和其他傳感器輸入、顯示輸出和對壓縮視頻文件存儲器的訪問。表 3 介紹環(huán)視和自動泊車應(yīng)用的處理階段，以及支持這些處理階段的TDA4VM 器件的主要特性。如上所述，TDA4VM 器件是非常完整的片上系統(tǒng)，適用于這類泊車應(yīng)用。芯片解決方案必須擁有與芯片配套的軟件環(huán)境。TDA4VM SoC 由適用于 Linux 的完整軟件套件和TI 實時操作系統(tǒng) (RTOS) 內(nèi)核支持。Processor SDK 套件包括一整套驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、應(yīng)用庫、啟動例程、基于 OpenVX 的應(yīng)用框架以及說明如何在真正的系統(tǒng)應(yīng)用中使用軟件和硬件組件的應(yīng)用示例。這些軟件開發(fā)套件（SDK）都在由 TI提供的評估板卡上經(jīng)過了驗證。

Jacinto TDA4 是一個產(chǎn)品系列，其中 TDA4VM 是本系列的第一款產(chǎn)品型號。該處理器系列的后續(xù)產(chǎn)品將包括同一芯片級 IP 的各種組合，從而為ADAS市場的各個領(lǐng)域（無論是偏重計算性能的應(yīng)用還是對消費類汽車的更多成本優(yōu)化需求）提供更多優(yōu)化產(chǎn)品。由于這些器件采用相同的基本硬件 IP 和軟件架構(gòu)，因此具有良好的兼容性。為特定型號開發(fā)的軟件可重復(fù)用于本系列中的其他器件，不僅可以提高開發(fā)效率，還方便在所有汽車型號中引進(jìn)具有不同功能子集的完整產(chǎn)品線。您可以使用 Jacinto系列產(chǎn)品輕松開發(fā)向泊車輔助和自動代客泊車方向發(fā)展的環(huán)視系統(tǒng)類應(yīng)用。

其他資源
• 了解有關(guān)適用于 ADAS 應(yīng)用的 Jacinto TDA4x 處理器的詳細(xì)信息。
• 獲取有關(guān)適用于 ADAS 的 TI 解決方案和設(shè)計資源的更多信息。
• 了解我們適用于 ADAS 應(yīng)用的 FPD-Link攝像頭串行器和解串器產(chǎn)品系列。

平臺標(biāo)識和 Jacinto 是德州儀器 (TI) 的商標(biāo)。所有其他商標(biāo)均為其各自所有者的財產(chǎn)。

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