数字信号处理技术在环境感知中的应用现状浅析

摘要：智能网联汽车作为近几年出现的新概念汽车产品，在保障日常出行的安全性和便利性方面发挥了巨大的作用。数字信号处理技术作为现如今数字化时代的一项主流技术，其应用领域也延伸到了智能网联汽车的环境感知技术当中，文章在详细分析数字信号处理技术基本原理的基础上，对其在智能网联汽车环境感知技术中的应用现状进行了总结分析，对数字信号处理技术助力智能网联汽车的发展，实现无人驾驶甚至自动驾驶具有现实意义。

1 引言

随着人工智能技术的不断发展，汽车的自动驾驶级别也快速提高，迎来智能网联汽车的蓬勃发展，且呈现出巨大的发展前景。智能网联汽车的发展在提高人们出行安全和便利方面发挥了巨大作用，不但保障了交通的通畅，提高了驾驶舒适性，更重要的是减少了由于人工驾驶的不当操作带来的交通事故，提高了驾驶安全性，目前，无人驾驶汽车已在全国多个城市实现了试运行[1]。

数字信号处理技术作为现如今数字化时代的一项主流技术，其应用领域不仅涵盖通信、电子、图形图像、生物医疗等，在汽车电子系统、智能网联汽车的主要技术中也得到了新的应用，数字信号处理技术为实现汽车自动驾驶、无人驾驶发挥了巨大作用。本文在介绍数字信号处理技术原理的基础上，总结了目前数字信号处理技术在智能网联汽车环境感知技术中的应用现状，对数字信号处理技术助力智能网联汽车的发展，实现无人驾驶、自动驾驶具有现实意义。

2 数字信号处理技术基本原理

数字信号处理技术（Digital Signal Processing，DSP）是一种处理数字信号的技术。所谓数字信号，即信号随时间以一定规律离散变化，并且幅度值取自以二进制编码的离散数据域的信号，而模拟信号则是指信号随时间连续变化，并且幅度值取自连续数据域的信号，自然界中大部分信号均为模拟信号。

数字信号处理是将时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的数字信号的形式进行处理[2]。数字信号处理的基本流程如图1所示，其中A/D（模拟-数字）转换器是将模拟信号转换成数字信号的电子器件，而D/A（数字-模拟）转换器则将负责实现将数字信号还原成原始模拟信号的过程。数字信号处理的基本原理包括采样、量化、编码和解码四个步骤，如图2所示。通过采样获取模拟信号的样本，量化是将采样的样本量化成数值形式的过程，编码是将量化后的数值形式的信号存储在计算机中的过程，解码是将数值形式的信号还原成模拟信号的过程[3]。

数字信号处理技术的优越性主要体现在：（1）可通过软件实现。纯粹的模拟信号由于其时间上的连续性，必须通过硬件来实现，而经过数字化处理后则不仅可以通过器件实现，而且可以通过软件程序的方式实现，由此带来的好处之一就是系统不仅仅能够进行一系列的复杂处理，而且占用内存空间相对较小；（2）操作灵活性较强。数字信号处理系统的相关参数一般保存在存储器当中，进行系统调试时对这些参数的修改也较为简便，而模拟信号处理系统的调试和相关参数的修改相比较而言就较为不便，同时，由于数字器件及其可软件化实现的特点，数字信号处理系统复制起来也较为容易，有利于实现大规模生产；（3）抗干扰能力强。由于模拟信号时间连续性的特点，当模拟器件受到如电磁波、温度等干扰因素的影响时，将会直接引起模拟信号的变化，相比较而言，数字器件由于其属于逻辑器件，一定范围内的外界干扰并不会使得其数字值产生变化，因此，数字信号处理系统可靠性较高，具有较强的抗干扰能力，且其数据能够长期被保存下来，使用便利。

3 智能网联汽车环境感知技术

3.1 环境感知技术的定义及系统组成

智能网联汽车的环境感知技术是通过视觉传感器、雷达等采集道路信息、车辆自身及周围车辆相关信息及其他外界信息，然后将采集到的这些信息传输给电子控制单元（ECU），为智能网联汽车提供决策依据，是实现自动驾驶或无人驾驶的第一步[4-5]。简单的说，环境感知技术充当了人类的眼睛和耳朵，在驾驶过程中感知周围环境，主要借助视觉传感器、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达来检测行车环境中的道路、周围车辆、行人、交通标志、交通信号灯等信息，其中，道路信息包括道路的类型、车道宽度、车辆在道路中的位置和方向等，车辆信息包括车辆的速度、前车车速、与前车的距离、方位、相对速度等，除此之外，还要对行人和车辆的行为进行预判，有无发生碰撞的可能，对交通标志和交通信号灯进行有效识别。环境感知系统的组成如图3所示。

由图3可知，环境感知系统主要由信息采集单元、信息处理单元和信息传输单元三部分组成，信号处理技术则主要应用于信息处理单元当中，是整个环境感知系统的核心部分，承担了环境感知系统的主要算法工作量，其算法的优劣直接影响了环境感知系统性能的实现。信息采集单元通过视觉传感器、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等车载传感器，及高精度地图、导航定位来获取外部环境信息，如行人、车辆、障碍物等，然后将采集到的信息传送到信息处理单元[6]。信息处理单元主要接收来自信息采集单元传送来的信号，并对其中的车辆、行人、道路、交通标志、交通信号灯进行分析和识别，然后将结果传送到信息传输单元，用于做出控制与决策，进行人机交互的仪表板显示，或通过座椅或方向盘振动、声音警报器等发出警告，提醒驾驶员安全驾驶或直接控制车辆保证安全行驶。

3.2 环境感知技术的应用

对环境的准确感知和快速判断是智能网联汽车工作的前提和基础，其性能将决定智能网联汽车是否能够适应复杂多变的交通环境。智能网联汽车的智能驾驶程度越高，对环境感知的要求就越高，而无人驾驶汽车对环境感知的要求则最高。环境感知技术在智能网联汽车方面的应用主要体现在各种高级驾驶辅助系统（ADAS）的应用上，从而辅助驾驶员驾驶汽车从始发地安全、舒适地到达目的地。

以车道线检测技术（如图4所示）为例，智能网联汽车通过视觉传感器采集前方道路原始图像，通过分析处理这些图像信息，实现对车道线的检测。系统将采集到的原始彩色图像进行灰度转换，经过图像灰度化和二值化、滤波处理，通过减少图像像素点来降低图像处理难度。由于图像在采集、量化和传送等环节均有可能产生噪声，常见的如高斯噪声，因此经过灰度转换之后的图像还需要进行降噪，即通过高斯滤波进行处理[7]。图像经过滤波降噪之后，由于车道线与周围的道路灰度值差值明显，因此可以对图像进行区域分割、特征提取，最后检测出车道线，为车道偏离预警、车道保持辅助等智能网联汽车ADAS功能提供算法支持。车道线检测流程如下图5所示。

4 数字信号处理技术在环境感知中的应用现状

随着智能网联汽车的不断发展，大量车企及一些科创公司纷纷布局，数字信号处理技术在其领域的应用也越来越广泛，为智能网联汽车的快速崛起奠定了坚实的基础。深入研究发现，智能网联汽车环境感知技术的各种ADAS应用中均有数字信号处理技术的身影，除车道偏离预警系统、车道保持辅助系统外，像自适应巡航控制系统、自动紧急制动、自动泊车辅助等，均有数字信号处理技术的应用。

在未来，数字信号处理技术在智能网联汽车环境感知系统中的应用有待于进一步研究、推广，随着汽车智能技术的不断发展，汽车智能化等级的不断提升，L5级别自动驾驶甚至无人驾驶汽车将不再只停留在概念上，数字信号处理技术将不仅助力于环境感知系统，还可以结合用户的特定需求，为用户提供更多的个性化定制服务，在提高驾驶安全性的基础上，增强用户的驾驶体验和驾驶乐趣。

5 结束语

数字信号处理技术应用广泛，在智能网联汽车中的环境感知技术中发挥了巨大的作用，保障了人们的安全出行，极大的便利了人们的日常生活，在未来的发展中，数字信号处理技术还将应用于智能网联汽车领域的其他方方面面，为用户定制全新的个性化定制服务，为自动驾驶，甚至无人驾驶提供技术支持，增加驾驶的安全性和舒适性。

浅谈数字信号处理器的定义、作用、原理及应用场景

数字信号处理器（DSP） 作为一种关键的电子元件，在通信、音频、图像处理等领域扮演着不可或缺的角色。然而，对于许多人来说，数字信号处理器的概念可能依然模糊，其作用和原理也许并不为人所熟知。因此，小编接下来将浅谈数字信号处理器的本质与作用，从定义、原理到应用场景，全面解析数字信号处理器的重要性和广泛应用。

一、数字信号处理器的定义与概述

数字信号处理器（DSP）是一种专用的微处理器，其设计用于执行数字信号处理相关的任务。与通用微处理器相比，DSP更专注于数字信号处理应用，具有高效处理数字信号的能力。

二、数字信号处理器的基本工作原理

数字信号处理器通过一系列算法和指令来处理数字信号。其基本工作原理包括以下几个关键步骤：

取样与量化 ：将模拟信号转换为数字信号，通过取样和量化操作获取信号的离散表示。数字信号处理 ：利用内置的算法和指令对数字信号进行各种处理，如滤波、变换、编解码等。输出重构 ：将处理后的数字信号重新转换为模拟信号输出，供后续电路或设备使用。

三、数字信号处理器的作用与优势

数字信号处理器在以上应用场景中发挥着重要的作用，并具有以下优势：

高效性 ：专门优化的硬件结构和算法设计，使得其在数字信号处理方面具有高效性能。灵活性 ：可编程的特性使得数字信号处理器能够适应不同的信号处理需求，具有较高的灵活性。实时性 ：快速的处理速度和低延迟使得数字信号处理器能够实现对实时信号的处理要求。

四、数字信号处理器的应用场景

数字信号处理器广泛应用于许多领域，包括但不限于：

1、通信领域

数字信号处理器在通信领域有着广泛的应用，其中最典型的案例之一是在基站中的使用。通过数字信号处理器，基站能够高效地处理信号、调制解调、错误校正等，实现数据的传输和通信的稳定性。例如，4G和5G网络中的基站使用了先进的数字信号处理器技术，提供了更快的数据传输速度和更稳定的网络连接。

2、音频处理领域

在音频处理领域，数字信号处理器也发挥着重要作用。例如，音频处理器和音频编解码器中常常集成了数字信号处理器，用于实现音频信号的滤波、均衡、混响等处理。许多音频设备，如数字音频播放器、音频接口等，都采用了数字信号处理器技术，为用户提供高品质的音频体验。

3、图像处理领域

数字信号处理器在图像处理领域也有着重要的应用。例如，数字相机、图像传感器等设备中常常集成了数字信号处理器，用于图像的采集、处理和压缩。此外，数字信号处理器还可以用于图像增强、目标识别等领域，为图像处理提供了强大的技术支持。

4、医疗设备领域的应用：

医学成像 ：数字信号处理器在医学成像设备中广泛应用，如CT（计算机断层扫描）、MRI（磁共振成像）、超声波和X射线成像等。它们用于图像重建、去噪、增强和实时图像处理。心电图（ECG）分析 ：在心电图监测和分析中，DSP用于提取心电信号中的特征，诊断心脏病变、心律失常等。生物医学信号处理 ：DSP可用于处理各种生物医学信号，如脑电图（EEG）、心电图（ECG）、肌电图（EMG）等，以实现生理状态的监测、分析和诊断。医疗仪器控制 ：DSP被用于控制医疗设备，如手术机器人、呼吸机、除颤器等，以实现精确的运动控制、信号处理和反馈控制。医疗图像处理 ：在医疗图像处理中，DSP可用于图像重建、分割、配准和特征提取，帮助医生进行诊断和治疗规划。

5、工业控制领域的应用：

机器视觉 ：在自动化生产线上，DSP用于机器视觉系统，进行图像采集、处理和分析，用于质量控制、物体识别、位置测量等。运动控制 ：DSP被广泛用于工业机器人、数控机床等运动控制系统中，实现高精度的运动控制和路径规划。信号处理和控制 ：在工业自动化中，DSP用于实时信号处理和控制，例如PID控制、滤波、采样和数据处理等。智能传感器网络 ：DSP可以用于处理从传感器获取的数据，如温度、压力、湿度等，以实现智能化的监测和控制。电力电子 ：在电力电子领域，DSP用于控制电力转换器、逆变器、变频器等，实现电能的高效转换和控制。

在数字信号处理器的应用过程中，我们可以总结到一些成功经验 ，如下：

合理选择型号 ：根据实际需求选择合适的数字信号处理器型号，考虑性能、功耗、成本等因素。充分发挥性能 ：充分利用数字信号处理器的处理能力，优化算法和程序设计，提高系统的性能和效率。精心设计系统架构 ：设计合理的系统架构，合理分配资源，优化系统性能，提高系统的稳定性和可靠性。不断创新和优化 ：持续关注新技术的发展，不断进行创新和优化，保持系统在竞争中的竞争力。

上海羊羽卓进出口贸易有限公司

行业展会

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