裝備無(wú)線(xiàn)自動(dòng)跟蹤攝像頭的警用車(chē)輛支持系統*(上)

設計介紹

　　本項目有三個(gè)主要目標：首先，提高警用車(chē)輛上采集和處理數據的能力；其次，在警察大隊與指揮中心之間實(shí)現實(shí)時(shí)的圖像傳送和信息共享；第三，通過(guò)使用 SoPC 的協(xié)調設計來(lái)考慮高性能和經(jīng)濟效率。

　　現有的警察大隊跟蹤系統的攝像頭是固定在車(chē)輛上的，因此會(huì )出現在屏幕上丟失嫌疑車(chē)輛的問(wèn)題。本設計提供了一種自動(dòng)跟蹤解決方案，可以將嫌疑車(chē)輛始終鎖定在屏幕上。為了實(shí)現這一目標，實(shí)施了可以減輕光效應的自動(dòng)化臨界值計算方法。

　　我們制造了使用步進(jìn)馬達的云臺攝像頭(Pan-Tilt Camera)，這種攝像頭可以上下左右移動(dòng)。為了實(shí)現馬達的快速響應，我們還設計了FPGA步進(jìn)馬達控制器。FPGA步進(jìn)馬達控制器的響應時(shí)間比軟件控制器的響應時(shí)間短，因此，即使嫌疑車(chē)輛在快速移動(dòng)，它也可以幫助攝像頭將焦點(diǎn)一直放在嫌疑車(chē)輛上。

　　自動(dòng)語(yǔ)音警報系統可以與跟蹤攝像頭同步運行。針對MPEG音頻播放，實(shí)施了使用Nios自定義指令的硬件加速技術(shù)。因此，不需要為MPEG音頻解碼提供額外的解碼芯片。我們?yōu)樵贒E2主板上運行的WM8731DAC開(kāi)發(fā)了uClinux音頻驅動(dòng)程序

 
圖1 設計概念

　　我們還設計了FPGA合成式OBD- II接口，用于獲取車(chē)輛速度之類(lèi)的信息，以及從車(chē)輛控制系統ECU獲取故障狀態(tài)。OBD- II接口可以測量相對速度，并可監控車(chē)輛狀態(tài)，因此它可以代替高成本的激光測量?jì)x器。我們通過(guò)libjpeg和Altera的C2H編譯器設計了JPEG壓縮模塊，用于進(jìn)行圖像存儲和無(wú)線(xiàn)傳輸。

　　對于Linux系統上常用的libjpeg進(jìn)行了加速。利用libjpeg可以不必修改代碼就讓?xiě)贸绦蛱岣邏嚎s性能。此設計的另一個(gè)主要特色是快速的全球無(wú)線(xiàn)HSDPA協(xié)議。采集到的實(shí)時(shí)數據和圖像信息可以從警察大隊傳送到指揮管制中心。

車(chē)內 FPGA 的適用性

　　警察大隊的支持系統是一個(gè)復雜的領(lǐng)域，需要對圖像、語(yǔ)音、通信和傳感器數據進(jìn)行處理。車(chē)輛的系統復雜性越來(lái)越強，因為所加載設備的數量也在逐漸增加。在OBD接口中，由于協(xié)議不同，不同的車(chē)輛必須使用不同的系統。FPGA 適合于這個(gè)領(lǐng)域，因為它擁有易用的重組功能和合成功能。

　　我們在A(yíng)ltera公司的Quarters和Nios IDE 7.0環(huán)境中開(kāi)發(fā)了SoPC系統。操作系統和應用程序是使用GUN工具實(shí)施的。使用SoPC可以方便地配置系統，uClinux和GUN工具鏈可以提供相似的環(huán)境。

警用車(chē)輛中的需求

　　根據追蹤制度，追蹤車(chē)輛時(shí)必須在進(jìn)行追蹤時(shí)打開(kāi)警報和記錄設備，并且同時(shí)還要向命令控制中心報告。同時(shí)做幾件事情并不容易，因此需要采用自動(dòng)化的綜合解決方案。本設計可以提供解決這些問(wèn)題的解決方案。

功能描述

自動(dòng)跟蹤攝像頭

　　要將目標車(chē)輛始終鎖定在屏幕中央，我們制造了一種可以垂直和水平移動(dòng)的攝像頭模塊。云臺攝像頭模塊的關(guān)鍵部分是響應時(shí)間。響應時(shí)間越短，目標車(chē)輛的丟失率就越低。

　　因此，我們選擇了硬件控制的方法，而不是軟件控制的方法。步進(jìn)馬達控制器是采用Verilog HDL開(kāi)發(fā)的。圖像處理模塊發(fā)出的云臺運動(dòng)命令會(huì )直接傳送到FPGA上的步進(jìn)馬達控制器。步進(jìn)馬達控制器隨即接收到這些命令，并生成操作信號脈沖。最后，控制器向每個(gè)馬達發(fā)送合適移動(dòng)距離的信號。

　　要進(jìn)入跟蹤模式，需要將攝像頭對準目標車(chē)輛，然后按下DE2上的按鈕。隨后，圖像處理模塊將提取目標車(chē)輛的平均色彩特征，并估計目標車(chē)輛的位置。只要車(chē)輛一移動(dòng)，云臺攝像頭就會(huì )跟蹤車(chē)輛。

　　捕獲的640x400圖像保存在USB存儲中，并同時(shí)傳送給指揮管制中心。自動(dòng)跟蹤攝像頭都經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，大多數情況下工作效果很好。由于跟蹤算法的根據是色彩的差異，因此我們的跟蹤機制在夜晚時(shí)無(wú)效，在某些色彩上的識別能力較弱。

自動(dòng)語(yǔ)音警報

　　自動(dòng)跟蹤攝像頭啟動(dòng)跟蹤模式時(shí)，就會(huì )運行自動(dòng)語(yǔ)音警報系統。MPEG 音頻數據是通過(guò)Nios II處理器的自定義指令播放的，無(wú)需任何額外的處理器。Nios II處理器在DE2上以100 MHz的速度運行。

　　單片機可以播放128Kbps 44.1KHz的MP3單聲道音頻，無(wú)需加速。但是，該處理器還是需要減少其負載以便進(jìn)行多任務(wù)處理。因此，我們增加了一個(gè)64位倍增提高約2.5倍。

 
圖2 圖像的捕獲、處理和傳輸框圖

圖像捕獲模塊

　　攝像頭的模擬圖像信息會(huì )在DE2單片機上轉化成ITU656標準的數字流。這種數字流有三種不同的用途：首先，用于控制自動(dòng)跟蹤攝像頭的移動(dòng)操作。其次，用于版本共享系統以及無(wú)線(xiàn)傳送的JPEG壓縮。最后，用于車(chē)內顯示。該圖像捕獲模塊可以在預處理時(shí)修改圖像大小、移除隔行掃描模式以及計算幀緩沖區內存地址。

圖像處理模塊

　　攝像頭的自動(dòng)跟蹤功能需要用到移動(dòng)跟蹤算法。我們開(kāi)發(fā)了經(jīng)過(guò)調整的色彩跟蹤算法，可以很方便地應用于FPGA。這種算法可以根據方向計算不斷變化的車(chē)輛色彩的平均值，并生成新的二進(jìn)制臨界值。

　　這種算法的設計目的是處理與 FPGA 電路中的顯示輸入模塊合成的線(xiàn)路單元，而無(wú)需進(jìn)行軟件處理。其結果是不再需要外部幀緩沖區內存。這種方法的主要優(yōu)勢就是提高性能。它可以每隔1/30秒就向馬達控制器傳送控制命令。