图像处理 - 车道线检测：智能驾驶的“眼睛”

引言

在智能驾驶技术飞速发展的今天，车道线检测作为一项基础而关键的技术，扮演着车辆"眼睛"的角色。它不仅关系到车辆的导航和定位，还直接影响到自动驾驶系统的安全性和可靠性。本文将带你深入了解车道线检测技术的原理、方法以及在实际应用中的挑战。

什么是车道线检测？

车道线检测是指通过图像处理技术，从道路图像中识别出车道线的位置，并确定车辆在车道中的位置。这项技术是实现车道保持辅助系统（LKA）、自动车道变更等智能驾驶功能的基础。

图1 车道线图像

车道线检测的关键技术

1. 图像采集

首先，需要通过车载摄像头采集道路图像。这些图像可能包含多种干扰因素，如光照变化、天气条件、路面标记的磨损等，这些都对后续的图像处理提出了挑战。

图2 （1）车道线反光图2 （2）车道线磨损

2. 图像预处理

为了提高检测的准确性，通常需要对采集到的图像进行预处理，包括灰度化、滤波去噪、直方图均衡化等步骤，以增强车道线的特征。

（1）（2）

（3）（4）

图3 预处理效果图

如图3所示，分别为不同预处理操作的效果图。

图（1）为车道线原始图像；

图（2）为对车道线原始图像进行灰度化操作后得到的灰度图；

图（3）为对灰度图像通过高斯滤波去噪后的图像；

图（4）为对滤波后图像进行直方图均衡化获得的图像，可见，直方图均衡化后图像效果还不如原来的，说明并不是所有的图像都需要将所有的前处理过程都进行一遍，可以根据图像本身特征来选择进行哪些前处理操作；

3. 边缘检测

边缘检测是识别车道线的关键步骤。常用的算法包括Canny边缘检测器、Sobel算子等。这些算法能够识别图像中的边缘信息，为后续的车道线识别打下基础。

在高斯滤波去噪图像的基础上进行边缘检测：

图4 canny边缘检测图

如图4所示，通过边缘检测，将图像中的边缘检测得到，即得到了边缘图像。

4. 特征提取

在边缘检测的基础上，进一步提取车道线的特征，如颜色、形状、位置等。这通常涉及到霍夫变换（Hough Transform）等算法，用于从边缘信息中识别出直线。

图5 霍夫直线检测图

如图5所示，左图和有图均为检测到的直线，只是在霍夫之间检测过程中，采用了不同的参数，左侧是设置了霍夫变换中的前五个峰值对应边缘作为直线边缘，右侧是设置了前七个峰值，可见左侧没有将中间的四根车道线全部显示，只显示出来了三条，右侧对中间的四条车道线均显示出来了。

但如图5所示，均没有将虚线的车道线显示出来，只显示出来了实线的车道线，进而需要后续的进一步操作等得到完整的车道线。

5. 车道线跟踪

车道线跟踪涉及到动态地跟踪车道线的位置。这可以通过卡尔曼滤波器、粒子滤波等算法实现，它们能够在连续的图像帧中跟踪车道线的变化。

车道线检测的挑战

1. 复杂环境适应性

车道线检测需要在各种复杂环境下工作，包括不同的光照条件、路面状况以及交通标志的干扰。这要求算法具有很好的鲁棒性。

如下图所示，车道线不都是直线，如图所示，当遇到弯道的车道线时，再通过上面的霍夫之间检测算法就检测不到车道线了，需要我们通过车道线的特征分析，进而对车道线进行检测。

改进专利

以下几个专利是对不同复杂环境下的车道线进行检测的改进方法：

1：CN113239733B

一种多车道车道线检测方法

技术背景：

本发明涉及图像检测领域，特别是多车道车道线检测技术。传统的车道线检测方法主要基于摄像头图像，分为传统图像处理算法和基于深度学习的语义分割网络方法。传统方法在感兴趣区域选择、逆透视处理和霍夫直线检测方面存在局限性，而深度学习方法在实时性和误检滤除方面存在挑战。

现有技术中，车道线检测易受车道边事物影响，检测区域受限，误检漏检较多，对不同环境适应性较差。逆透视方法处理时间长，侧方车道易漏检。霍夫检测只能识别直线，在弯道处难以检测。深度学习方法实时性难以保证，且误检滤除难度高。

解决逻辑和方法：

采集道路图像，选取感兴趣区域，灰度化处理。
通过边缘检测算法提取图像轮廓，二值化操作。
霍夫直线检测识别本车道车道线候选线。
基于候选线确定滑窗检测位置，进一步检测本车道车道线。
判断车道线颜色，决定是否进行侧车道检测。
基于本车道车道线，通过灭点检测和霍夫直线检测识别侧车道候选线。
确定滑窗检测位置，进一步检测侧车道车道线。

改进创新点：

结合滑窗和霍夫检测方法，提高车道线识别精确性，特别是弯道识别准确度。

综合颜色、轮廓、道路结构特征等多种特征的车道线检测，提高检测精度和适用性。

以本车道检测为参考的侧车道筛选检测，提高侧车道检测准确性。

2：CN116682086A

一种基于车道片段的车道线检测方法

技术背景：

本发明涉及自动驾驶中的车道线检测技术。传统的基于点的车道线检测方法在局部车道点定位方面具有优势，但缺乏对车道点整体结构的考虑，导致车道线定位不准确和预测不平滑。

现有技术中，基于点表示的车道线检测方法未能在合适的尺度上构建车道点的相关性，导致在车道线被遮挡或受极端光照影响时，车道线定位精度降低，难以获得可靠的整体车道结构。

解决逻辑和方法：

提取具有局部最大响应的多个车道参考点，提供全局车道结构。
将车道线划分为几个车道片段，预测车道参考点和其他车道点之间的偏移量。
关联可靠的相邻车道点构造每个车道参考点对应的车道片段。
在局部区域的车道片段内构建相邻车道点的结构相关性。
平滑连接所有车道片段重建完整的车道线。

改进创新点：

利用局部车道细节和全局结构信息，实现良好的局部车道定位和平滑的车道结构预测。

通过车道参考点提供全局车道结构，同时在车道片段内构建车道点的局部相关性，充分利用局部和全局信息。

3：CN107209998B

车道线识别装置以及车道线识别方法

技术背景：

本发明涉及车辆行驶辅助控制，特别是车道线识别技术。车辆搭载摄像装置对前方进行拍摄并识别行驶车道线，用于控制车辆行驶。

基于图像识别的车道线形状，推定远距离车道线形状时，识别精度较低，导致推定精度下降，影响车辆行驶控制的控制性。

解决逻辑和方法：

识别车辆前方的行驶车道线。
推定无法识别范围内的行驶车道线形状。
判定识别出的行驶车道线的可靠性。
基于可靠性判定结果，使推定的行驶车道线形状无效。

改进创新点：

通过判定识别出的车道线的可靠性，抑制使用推定精度较低的车道线结果进行车辆行驶控制，提高车辆行驶辅助控制的控制性。

包含车速检测、转向检测等作为可靠性判定条件，提高车道线识别的准确性和可靠性。

2. 实时性要求

对于自动驾驶系统来说，车道线检测需要在极短的时间内完成，以确保车辆能够及时响应。这要求算法具有高效的计算性能。

1：CN116630926A

一种基于斜卷积的弯曲车道线快速检测方法

技术背景：

本发明涉及智能驾驶技术领域，特别是基于斜卷积的弯曲车道线快速检测方法。在车道线检测中，由于车道线在图像中通常呈现倾斜角度，普通卷积难以有效捕获这些倾斜的细长特征，导致检测效果不佳。

现有技术中，车道线检测算法难以适应车道线在图像中的倾斜分布，尤其是在复杂环境下，如车道线变化复杂、遮挡问题、光照影响等，准确识别车道线面临挑战。

解决逻辑和方法：

获取当前时刻目标区域的RGB图像。
利用预训练的斜卷积车道线检测模型处理RGB图像，得到车道线的坐标信息。
斜卷积车道线检测模型包括旋转处理模块、特征提取模块和检测模块。

旋转处理模块对RGB图像进行填充和旋转处理。
特征提取模块对旋转后的特征图进行下采样和可变形卷积操作。
检测模块去除旋转和填充，提取上下文信息，得到车道线的坐标信息。

改进创新点：

通过空间注意力的可变形卷积网络提取旋转后RGB图像的整条车道线信息，提高了对倾斜车道线的检测速度和精度。

利用k-means聚类算法确定图像旋转角度，更好地适应车道线的倾斜分布。

结合语义分割模块进行模型训练，实现全局和局部信息的聚合，提高模型的检测精度。

2：CN116778446A

一种车道线快速检测方法、装置及可读介质

技术背景：

本发明涉及图像识别领域，特别是车道线快速检测技术。车道线识别是自动驾驶环境感知的重要任务，但车道线在不良光照、障碍物遮挡和地面污损等因素的影响下可能不可见，导致检测任务极具挑战性。

现有技术中，车道线检测方法泛化能力弱，难以适应复杂场景，且基于深度学习的方法在模型的实时性和检测精度上仍有提升空间。

解决逻辑和方法：

获取路况图像。
构建基于编码器-解码器的神经网络并训练，得到车道线检测模型。
将路况图像输入车道线检测模型，检测得到车道线图像。

改进创新点：

采用改进的ResNet结构和嵌入CBAM注意力机制模块提取车道线局部特征，提高多尺度细长车道线特征提取能力。

将车道线检测任务由像素级的分类改变为基于行锚框的方式来预测车道线位置，减少计算代价，提高检测速度。

提出新的损失函数以利用车道线先验知识提高各种环境下的检测精度。

3. 多传感器融合

随着技术的发展，越来越多的传感器被用于辅助车道线检测，如雷达、激光雷达（LiDAR）等。如何有效地融合这些传感器的数据，提高检测的准确性和鲁棒性，是一个重要的研究方向。

结语

车道线检测技术是智能驾驶系统中不可或缺的一部分。随着深度学习等先进技术的引入，车道线检测的准确性和鲁棒性得到了显著提升。未来，随着技术的不断进步，我们有理由相信车道线检测技术将更加成熟，为智能驾驶的安全和舒适提供更加坚实的保障。

希望这篇博客能够帮助你了解车道线检测的基本概念、技术流程以及面临的挑战。如果你对这个话题有更多的兴趣，欢迎继续深入研究和探讨。

Matlab 复制代码

% 读取图像
rgbImage = imread('chedaoxian.jpg'); % 替换为你的图像文件路径
figure;
subplot(1,4,1);
imshow(rgbImage);
title('Original RGB Image');

% 灰度化
grayImage = rgb2gray(rgbImage);
subplot(1,4,2);
imshow(grayImage);
title('Grayscale Image');

% 滤波去噪 - 使用高斯滤波
sigma = 1; % 高斯核的标准差
gaussianFiltered = imgaussfilt(grayImage, sigma);
subplot(1,4,3);
imshow(gaussianFiltered);
title('Gaussian Filtered Image');

% 直方图均衡化
equalizedImage = histeq(gaussianFiltered);
subplot(1,4,4);
imshow(equalizedImage);
title('Histogram Equalized Image');

% 显示所有图像
figure;
imshow(rgbImage);
title('Original RGB Image');
figure;
imshow(grayImage);
title('Grayscale Image');
figure;
imshow(gaussianFiltered);
title('Gaussian Filtered Image');
figure;
imshow(equalizedImage);
title('Histogram Equalized Image');


% 边缘检测 - 使用Canny边缘检测算法
edges = edge(gaussianFiltered, 'canny', [0.1 0.2]); % 使用Canny算子进行边缘检测

% 可视化结果
figure;


imshow(edges);
title('Canny Edge Detection');

% 可选：使用霍夫变换检测直线
[H, theta, rho] = hough(edges);
peaks = houghpeaks(H, 5); % 寻找霍夫变换中的5个峰值
lines = houghlines(edges, theta, rho, peaks); % 根据峰值提取直线

% 可视化检测到的车道线
figure;
imshow(gaussianFiltered), hold on;
max_len = 0;
for k = 1:length(lines)
   xy = [lines(k).point1; lines(k).point2];
   plot(xy(:,1), xy(:,2), 'LineWidth', 2, 'Color', 'green');
   
   % 绘制线段的长度
   len = norm(lines(k).point1 - lines(k).point2);
   if (len > max_len)
      max_len = len;
      xy_long = xy;
   end
end
title('Detected Lines');
hold off;


% 读取图像
rgbImage = imread('chedaoxian.jpg'); % 替换为你的图像文件路径
figure;
subplot(1,4,1);
imshow(rgbImage);
title('Original RGB Image');

% 灰度化
grayImage = rgb2gray(rgbImage);
subplot(1,4,2);
imshow(grayImage);
title('Grayscale Image');

% 滤波去噪 - 使用高斯滤波
sigma = 1; % 高斯核的标准差
gaussianFiltered = imgaussfilt(grayImage, sigma);
subplot(1,4,3);
imshow(gaussianFiltered);
title('Gaussian Filtered Image');

% 直方图均衡化
equalizedImage = histeq(gaussianFiltered);
subplot(1,4,4);
imshow(equalizedImage);
title('Histogram Equalized Image');

% 显示所有图像
figure;
imshow(rgbImage);
title('Original RGB Image');
figure;
imshow(grayImage);
title('Grayscale Image');
figure;
imshow(gaussianFiltered);
title('Gaussian Filtered Image');
figure;
imshow(equalizedImage);
title('Histogram Equalized Image');


% 边缘检测 - 使用Canny边缘检测算法
edges = edge(grayImage, 'canny', [0.1 0.2]); % 使用Canny算子进行边缘检测

% 可视化结果
figure;


imshow(edges);
title('Canny Edge Detection');

% 可选：使用霍夫变换检测直线
[H, theta, rho] = hough(edges);
peaks = houghpeaks(H, 7); % 寻找霍夫变换中的5个峰值
lines = houghlines(edges, theta, rho, peaks); % 根据峰值提取直线

% 可视化检测到的车道线
figure;
imshow(gaussianFiltered), hold on;
max_len = 0;
for k = 1:length(lines)
   xy = [lines(k).point1; lines(k).point2];
   plot(xy(:,1), xy(:,2), 'LineWidth', 2, 'Color', 'green');
   
   % 绘制线段的长度
   len = norm(lines(k).point1 - lines(k).point2);
   if (len > max_len)
      max_len = len;
      xy_long = xy;
   end
end
title('Detected Lines');
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