基于嵌入式系統(tǒng)的違章車輛視頻檢測系統(tǒng)

摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，各種汽車的數(shù)量大幅度增加，提高交通效率就顯得越來越重要。目前世界各國都投入了大量的人力和物力對智能交通系統(tǒng)(ITS)進行研究。作為ITS的重要組成部分，電子警察系統(tǒng)在規(guī)范駕駛?cè)藛T行為、杜絕交通事故、提高交通執(zhí)法水平及道路通行能力等方面起到了重要作用。從現(xiàn)有電子警察系統(tǒng)實際存在的問題出發(fā)，在系統(tǒng)控制、車輛檢測及系統(tǒng)方面提出了自己的解決方案。概要介紹了基于嵌入式系統(tǒng)的視頻檢測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的組成架構(gòu)。
關(guān)鍵詞：電子警察系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；視頻檢測；智能交通系統(tǒng)

0 引言
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，機動車輛不斷地增長，現(xiàn)有道路等硬件設(shè)施的增長已經(jīng)滿足不了日益膨脹的交通問題，智能交通系統(tǒng)(Intellige nt Transportation System，ITS)越來越受重視。
所謂智能交通系統(tǒng)(ITS)就是將先進的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)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地面交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的、實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統(tǒng)。近年來，ITS在城市交通管理方面得到了普遍應(yīng)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(yīng)用，特別是電子警察系統(tǒng)的應(yīng)用，提出了車輛違章視頻檢測方案，以適應(yīng)ITS的發(fā)展需求。

1 電子警察系統(tǒng)
電子警察主要是針對機動車在路口闖紅燈這種極易造成惡性事故的交通違章現(xiàn)象進行自動監(jiān)測記錄，做到了無人值守，不間斷監(jiān)測，證據(jù)充分正確，提高交通執(zhí)法的準確性和效率。傳統(tǒng)典型的電子警察系統(tǒng)通常是由系統(tǒng)控制、違章車輛檢測、拍攝、傳輸以及輔助配套設(shè)備等幾部分組成。
目前，一般電子警察系統(tǒng)主要采用環(huán)形線圈感應(yīng)器、以增強型PC為基礎(chǔ)的工控機(IPC)平臺控制的模式。環(huán)形線圈的安裝不便、容易受損壞，IPC對室外環(huán)境的適應(yīng)差等缺點，給電子警察正常穩(wěn)定運行及維護工作造成極大的困難。因此，車輛違章檢測技術(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(tǒng)中重要的一部分，是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

2 現(xiàn)有車輛違章檢測技術(shù)
車輛檢測器是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，主要是通過數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)視等方式，向監(jiān)控系統(tǒng)中的信息處理和信息發(fā)布單元提供各種交通參數(shù)，作為監(jiān)控中心分析、判斷、發(fā)出信息和提出控制方案的主要依據(jù)。常用的交通車輛檢測器主要包括環(huán)行線圈檢測器、超聲波或微波(雷達波)檢測器、紅外線檢測器、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)行線圈視頻檢測器，但是視頻車輛檢測器與感應(yīng)線圈等檢測器相比，具有如下的技術(shù)特點：
(1)視頻檢測器安裝與維護方便，無需開挖路面，對道路交通的影響很小。
(2)視頻車輛檢測器能檢測較大的交通場景面積，單臺攝像機就可同時監(jiān)測多個車道，從而減少傳感器的安裝數(shù)目，并可進行大范圍內(nèi)的車輛跟蹤。
(3)能提供絕大多數(shù)的交通參數(shù)信息，包括車流量、單車速度、平均車速、車間距等。
(4)獲得的視頻及圖像信息很直觀，是人機可讀的，還可以加以保存。從而為監(jiān)控人員進行相關(guān)操作提供了參考。

3 嵌入式視頻檢測系統(tǒng)
根據(jù)交通違章管理的要求和系統(tǒng)主要功能，對交通視頻檢測系統(tǒng)進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行監(jiān)視，捕獲的數(shù)字化視頻信息由現(xiàn)場進行圖像處理，再傳送到交通管理中心。同時，選取基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察視頻檢測的模式來實現(xiàn)對傳統(tǒng)電子警察系統(tǒng)的改進，此電子警察系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

由圖1可以看出，基于嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)字電視信號要經(jīng)過模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換過程。模／數(shù)轉(zhuǎn)換包含三個過程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的信號，量化是將幅度上連續(xù)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制數(shù)碼。經(jīng)取樣、量化、編碼所得到的數(shù)字信號即為視頻PCM信號。
在進行視頻處理時，從攝像頭輸入模擬信號，這些全電視信號構(gòu)成極為復(fù)雜，因而對視頻信號進行A／D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜，Philips公司將這些非常復(fù)雜的A／D轉(zhuǎn)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(shù)字化應(yīng)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，通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉(zhuǎn)換，輸入4路CVBS或2路S視頻(Y／C)信號，輸出8位“VPO”數(shù)據(jù)總線。通過設(shè)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(yù)處理電路，包括信號源選擇，兩個模擬抗混迭濾波器和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個自動鉗位和增益控制電路，一個時鐘發(fā)生電路(CGC)，一個數(shù)字多制式解碼器，一個亮度／對比度／飽和度控制電路和一個色彩空間轉(zhuǎn)換矩陣。主要應(yīng)用于多媒體、可視電話、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送來的數(shù)字視頻流必須經(jīng)過處理，如對數(shù)字視頻流進行解碼，識別出行、場同步信號，并根據(jù)電子警察系統(tǒng)要求選擇采集的圖像大小，截取每幀圖像數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)控制單元根據(jù)電子警察系統(tǒng)的設(shè)計要求，對紅燈信號時截取的圖像數(shù)據(jù)幀進行處理，并判斷是否有車輛違章行為；如有車輛闖紅燈，則將截取到的圖像添加相應(yīng)信息，保存到系統(tǒng)存儲器中，并傳輸?shù)浇煌ü芾肀O(jiān)控中心。
一個路口的電子警察系統(tǒng)一般有多路視頻信號同時傳入，數(shù)據(jù)量大，實時性要求高。如果將這些視頻數(shù)據(jù)送到電子警察控制單元ARM芯片進行處理是不現(xiàn)實的。因此必須在ARM芯片前端增加專門的圖像采集處理器件。在目前市場上的圖像采集處理系統(tǒng)中，用作系統(tǒng)的核心器件一般有現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)以及特定用途集成電路(專用ASIC)芯片。FPGA是在ASIC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，克服了ASIC不夠靈活的缺點，F(xiàn)PGA芯片不僅可以和ASIC芯片一樣解決電子傳統(tǒng)小型化、低功耗等問題，還具有高速、高可靠性、開發(fā)周期短、質(zhì)量穩(wěn)定、開發(fā)軟件投入小、開發(fā)工具先進、標準產(chǎn)品小需測試及可實時在線檢測等一系列ASIC無法比擬的優(yōu)點，而且還可以根據(jù)后期現(xiàn)場的需要進行現(xiàn)場編程，可擦寫多次，使得無論在開發(fā)過程中和后期現(xiàn)場調(diào)試或者增加一定的功能都十分方便，設(shè)計比較靈活；而且隨著現(xiàn)代工藝的發(fā)展和提高，F(xiàn)PGA芯片本身的成本越來越低。同時，在數(shù)字圖像處理方面，DSP更適宜于用作高層數(shù)據(jù)處理。實時圖像采集和處理對系統(tǒng)性能的要求極高，數(shù)據(jù)流量一般情況下也比較大，因此幾乎所有只具有最簡單功能的通用DSP都不能在圖像采集處理系統(tǒng)中達到所需的性能要求，因而更多地采用FPGA來實現(xiàn)。
綜上所述，采用FPGA代替DSP或者ASIC芯片作為在ARM芯片前端的圖像采集處理器件，實現(xiàn)視頻圖像采集和處理。
3．3 系統(tǒng)控制單元
系統(tǒng)控制部分是整個電子警察系統(tǒng)的核心，其主要工作為：
(1)獲取FPGA截取的視頻圖像，并對圖像進行處理，檢測是否有車輛違章闖紅燈的行為；
(2)當有車輛闖紅燈違章行駛時，對車輛違章行為進行抓拍，并在車輛違章圖像中添加相應(yīng)信息；
(3)控制車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ARM920T ARM Thumb處理器構(gòu)建的系統(tǒng)。具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)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(yīng)用提供一個單片解決方案。為完善性能，AT91RM9200集成了包括JTAGICE、專門UART調(diào)試通道(DBGU)及嵌入式的實時追蹤等一系列的調(diào)試功能。這些功能使得開發(fā)、調(diào)試所有的應(yīng)用，特別是使實時性限制的應(yīng)用成為可能。
3．4 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元
AT91RM9200內(nèi)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10／100Mb／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(yīng)用。DM9161采用低功耗、高效率CMOS處理器，包含了由IEEE 802．3u規(guī)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 Attachrnent，PMA)、雙絞線物理媒體依賴子層(Twisted Pair Physical Medium Dependent Sublayer，TP-PMD)、10BASE-TX編碼／解碼(10BASE-TX Encoder／Decoder，ENC／DEC)及雙絞線媒體接入單元(Twisted Pair Media AccessUnit，TPMAU)。DM9161利用自動媒體速度和協(xié)議選擇功能，提供強大的自適應(yīng)支持。由于DM9161內(nèi)置有波形塑造濾波器，因而不用外部擴展濾波器就能實現(xiàn)在100BASE-TX或10BASE-T媒介中傳輸信號。DM9161通過RJ45接口，可實現(xiàn)與路由器或CDMAMODEM連接。

4 結(jié)語
車輛視頻檢測是一門多種技術(shù)融合多學科交叉的綜合學科，基于嵌入式系統(tǒng)的違章車輛視頻檢測系統(tǒng)是整個電子警察系統(tǒng)的核心，實驗數(shù)據(jù)表明有比較高的檢測率，基于視頻的車輛檢測系統(tǒng)是ITS中的前端信息采集系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用，除了用于檢測車輛違章以外，還可以用于交通流量的檢測與統(tǒng)計。