基于FPGA的違章車(chē)輛視頻檢測系統

0 引 言

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展，機動(dòng)車(chē)輛不斷地增長(cháng)，現有道路等硬件設施的增長(cháng)已經(jīng)滿(mǎn)足不了日益膨脹的交通問(wèn)題，智能交通系統（Intelligent Transportation System,ITS）越來(lái)越受重視。
所謂智能交通系統（ITS）就是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數據通信傳輸技術(shù)、電子傳感技術(shù)以及計算機處理技術(shù)等有效地集成運用于整個(gè)地面交通管理系統而建 立的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。近年來(lái)，ITS在城市交通管理方面得到了普遍應用，在緩解道路交通、防 范交通違章及事故發(fā)生等方面獲得了良好的效果。本文針對ITS應用，特別是電子警察系統的應用，提出了車(chē)輛違章視頻檢測方案，以適應ITS的發(fā)展需求。

1 電子警察系統

電子警察主要是針對機動(dòng)車(chē)在路口闖紅燈這種極易造成惡性事故的交通違章現象進(jìn)行自動(dòng)監測記錄，做到了無(wú)人值守，不間斷監測，證據充分正確，提高交通執法的準確性和效率。傳統典型的電子警察系統通常是由系統控制、違章車(chē)輛檢測、拍攝、傳輸以及輔助配套設備等幾部分組成。

目前，一般電子警察系統主要采用環(huán)形線(xiàn)圈感應器、以增強型PC為基礎的工控機（IPC）平臺控制的模式。環(huán)形線(xiàn)圈的安裝不便、容易受損壞，IPC對 室外環(huán)境的適應差等缺點(diǎn)，給電子警察正常穩定運行及維護工作造成極大的困難。因此，車(chē)輛違章檢測技術(shù)對電子警察的高精度、大面積推廣有很大的影響，是電子 警察系統中重要的一部分，是交通管理系統中不可缺少的組成部分。

2 現有車(chē)輛違章檢測技術(shù)

車(chē)輛檢測器是交通管理系統中不可缺少的組成部分，主要是通過(guò)數據采集和設備監視等方式，向監控系統中的信息處理和信息發(fā)布單元提供各種交通參數，作 為監控中心分析、判斷、發(fā)出信息和提出控制方案的主要依據。常用的交通車(chē)輛檢測器主要包括環(huán)行線(xiàn)圈檢測器、超聲波或微波（雷達波）檢測器、紅外線(xiàn)檢測器、 視頻檢測器等。

比較幾種檢測方法可以知道，超聲波或微波（雷達波）檢測器和紅外線(xiàn)檢測器使用的條件比較苛刻，使用比較少，主要用于人工檢測方式。目前最普遍的、經(jīng)常用的是環(huán)行線(xiàn)圈視頻檢測器，但是視頻車(chē)輛檢測器與感應線(xiàn)圈等檢測器相比，具有如下的技術(shù)特點(diǎn)：

（1）視頻檢測器安裝與維護方便，無(wú)需開(kāi)挖路面，對道路交通的影響很小。

（2）視頻車(chē)輛檢測器能檢測較大的交通場(chǎng)景面積，單臺攝像機就可同時(shí)監測多個(gè)車(chē)道，從而減少傳感器的安裝數目，并可進(jìn)行大范圍內的車(chē)輛跟蹤。

（3）能提供絕大多數的交通參數信息，包括車(chē)流量、單車(chē)速度、平均車(chē)速、車(chē)間距等。

（4）獲得的視頻及圖像信息很直觀(guān)，是人機可讀的，還可以加以保存。從而為監控人員進(jìn)行相關(guān)操作提供了參考。

3 嵌入式視頻檢測系統

根據交通違章管理的要求和系統主要功能，對交通視頻檢測系統進(jìn)行了研究并形成了可行方案。其思想是將視頻攝像頭安裝在路桿上并對下面的路況進(jìn)行監 視，捕獲的數字化視頻信息由現場(chǎng)進(jìn)行圖像處理，再傳送到交通管理中心。同時(shí)，選取基于嵌入式系統的電子警察視頻檢測的模式來(lái)實(shí)現對傳統電子警察系統的改 進(jìn)，此電子警察系統的構成如圖1所示。

圖1 基于嵌入式系統的電子警察系統構成

由圖1可以看出，基于嵌入式系統的電子警察主要由三部分組成：視頻采集部分、圖像處理與系統控制部分、網(wǎng)絡(luò )傳輸部分。

3.1 視頻采集單元

從CCD攝像頭的光電轉換器件得到的視頻信號都是模擬信號，將模擬電視信號變成數字電視信號要經(jīng)過(guò)模/數（A/D）轉換過(guò)程。模/數轉換包含三個(gè)過(guò) 程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時(shí)間上連續的模擬信號變成時(shí)間上離散的信號，量化是將幅度上連續的取樣值變成幅度上離散的取樣值，而編碼的 作用是將離散化的取樣值編成二進(jìn)制數碼。經(jīng)取樣、量化、編碼所得到的數字信號即為視頻PCM 信號。

在進(jìn)行視頻處理時(shí)，從攝像頭輸入模擬信號，這些全電視信號構成極為復雜，因而對視頻信號進(jìn)行A/D轉換的電路也非常復雜，Philips公司將這些 非常復雜的A/D轉換電路集成到了一塊芯片中，從而生產(chǎn)出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7113,為視頻信號的數字化應用提供了極大的方便。

SAA7113是一種視頻解碼芯片，它可以輸入4路模擬視頻信號，通過(guò)內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進(jìn)行轉換，輸入4路CVBS或2路S視頻 （Y/C）信號，輸出8位VPO數據總線(xiàn)。通過(guò)設置寄存器的值，可以輸出標準的ITU-R BT656,YUV 4∶2∶2格式。
SAA7113具有雙通道模擬預處理電路，包括信號源選擇，兩個(gè)模擬抗混迭濾波器和模/數轉換器，一個(gè)自動(dòng)鉗位和增益控制電路，一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生電路 （CGC），一個(gè)數字多制式解碼器，一個(gè)亮度/對比度/飽和度控制電路和一個(gè)色彩空間轉換矩陣。主要應用于多媒體、可視電話(huà)、圖像處理及安防等方面。

3.2 視頻圖像處理單元

從視頻A/D芯片SAA7113送來(lái)的數字視頻流必須經(jīng)過(guò)處理，如對數字視頻流進(jìn)行解碼，識別出行、場(chǎng)同步信號，并根據電子警察系統要求選擇采集的 圖像大小，截取每幀圖像數據等。系統控制單元根據電子警察系統的設計要求，對紅燈信號時(shí)截取的圖像數據幀進(jìn)行處理，并判斷是否有車(chē)輛違章行為；如有車(chē)輛闖 紅燈，則將截取到的圖像添加相應信息，保存到系統存儲器中，并傳輸到交通管理監控中心。

一個(gè)路口的電子警察系統一般有多路視頻信號同時(shí)傳入，數據量大，實(shí)時(shí)性要求高。如果將這些視頻數據送到電子警察控制單元ARM 芯片進(jìn)行處理是不現實(shí)的。因此必須在A(yíng)RM 芯片前端增加專(zhuān)門(mén)的圖像采集處理器件。在目前市場(chǎng)上的圖像采集處理系統中，用作系統的核心器件一般有現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、數字信號處理器 （DSP）以及特定用途集成電路（專(zhuān)用ASIC）芯片。FPGA是在A(yíng)SIC基礎上發(fā)展起來(lái)的，克服了ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)，FPGA 芯片不僅可以和ASIC芯片一樣解決電子傳統小型化、低功耗等問(wèn)題，還具有高速、高可靠性、開(kāi)發(fā)周期短、質(zhì)量穩定、開(kāi)發(fā)軟件投入小、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標準產(chǎn) 品小需測試及可實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測等一系列ASIC無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以根據后期現場(chǎng)的需要進(jìn)行現場(chǎng)編程，可擦寫(xiě)多次，使得無(wú)論在開(kāi)發(fā)過(guò)程中和后期現場(chǎng)調 試或者增加一定的功能都十分方便，設計比較靈活；而且隨著(zhù)現代工藝的發(fā)展和提高，FPGA芯片本身的成本越來(lái)越低。同時(shí)，在數字圖像處理方面，DSP更適 宜于用作高層數據處理。

實(shí)時(shí)圖像采集和處理對系統性能的要求極高，數據流量一般情況下也比較大，因此幾乎所有只具有最簡(jiǎn)單功能的通用DSP都不能在圖像采集處理系統中達到所需的性能要求，因而更多地采用FPGA來(lái)實(shí)現。

綜上所述，采用FPGA 代替DSP或者ASIC芯片作為在A(yíng)RM 芯片前端的圖像采集處理器件，實(shí)現視頻圖像采集和處理。

3.3 系統控制單元

系統控制部分是整個(gè)電子警察系統的核心，其主要工作為：

（1）獲取FPGA截取的視頻圖像，并對圖像進(jìn)行處理，檢測是否有車(chē)輛違章闖紅燈的行為；（2）當有車(chē)輛闖紅燈違章行駛時(shí)，對車(chē)輛違章行為進(jìn)行抓拍，并在車(chē)輛違章圖像中添加相應信息；（3）控制車(chē)輛違章圖像及信息的傳輸。

為了能很好地完成以上控制功能，可以采用Atmel公司生產(chǎn)的AT91RM9200微處理器。它是完全圍繞ARM920TARM Thumb處理器構建的系統。具有豐富的系統與應用外設及標準的接口，從而為低功耗、低成本、高性能的計算機寬范圍應用提供一個(gè)單片解決方案。為完善性 能，AT91RM9200集成了包括JTAGICE、專(zhuān)門(mén)UART調試通道（DBGU）及嵌入式的實(shí)時(shí)追蹤等一系列的調試功能。這些功能使得開(kāi)發(fā)、調試所 有的應用，特別是使實(shí)時(shí)性限制的應用成為可能。

3.4 網(wǎng)絡(luò )傳輸單元

AT91RM9200內部包含了MAC以太網(wǎng)控制，支持媒體獨立接口（Media Independent Interface,MII）或簡(jiǎn)化獨立媒體接口（RMII），可在半雙工或全雙工模式下提供情報10/100 Mb/s的以太網(wǎng)接入。以太網(wǎng)MAC是OSI參考模型物理層（PHY）和邏輯鏈路層（LLC）間MAC子層的硬件工具。以太網(wǎng)MAC包括所需邏輯與DMA 管理的發(fā)送與接收FIFO.然而，AT91RM9200并未提供物理層接口，故需外接一片物理層芯片，以提供以太網(wǎng)的接入通道。

DM9161是一款單芯片、低功耗、物理層傳輸接口芯片，支持100BASE-TX 及10BASE-T 網(wǎng)絡(luò )應用。

DM9161采用低功耗、高效率CMOS處理器，包含了由IEEE 802.3u規定的100BASE-TX所有物理層功能，包括物理代碼子層（Physical Coding Sublayer,PSC）、物理媒體捆綁（Physical Medium Attachment,PMA）、雙絞線(xiàn)物理媒體依賴(lài)子層（Twisted Pair Physical MediumDependent Sublayer,TP-PMD）、10BASE-TX 編碼/解碼（10BASE-TX Encoder/Decoder,ENC/DEC）及雙絞線(xiàn)媒體接入單元（Twisted Pair Media AccessUnit,TPMAU）。DM9161利用自動(dòng)媒體速度和協(xié)議選擇功能，提供強大的自適應支持。由于DM9161內置有波形塑造濾波器，因而 不用外部擴展濾波器就能實(shí)現在100BASE-TX 或10BASE-T 媒介中傳輸信號。

DM9161通過(guò)RJ45接口，可實(shí)現與路由器或CDMAMODEM 連接。

4 結 語(yǔ)

車(chē)輛視頻檢測是一門(mén)多種技術(shù)融合多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科，基于嵌入式系統的違章車(chē)輛視頻檢測系統是整個(gè)電子警察系統的核心，實(shí)驗數據表明有比較高的檢 測率，基于視頻的車(chē)輛檢測系統是ITS中的前端信息采集系統，有著(zhù)廣泛的應用，除了用于檢測車(chē)輛違章以外，還可以用于交通流量的檢測與統計。