利用FPGA實現(xiàn)高性能的罪犯抓捕系統(tǒng)

由于高科技工具成為抓捕罪犯的武器中越來越關鍵的部分，因此執(zhí)法機構和安全專業(yè)人員不斷尋求更快更方便的數(shù)據(jù)收集和解讀方式就不足為奇了。針對這一領域的應用越來越復雜，必須適應不斷演變的要求，并把成本控制在機構的有限預算范圍之內(nèi)。鑒于此，具有高性能、靈活性和高成本效益等優(yōu)勢的可編程邏輯(PLD)解決方案無疑是一種理想的解決方案。

兩個大學生團隊利用FPGA和嵌入式軟核處理器開發(fā)了兩個抓捕罪犯系統(tǒng)的原型，一個是帶無線自動追蹤攝像機的警車支持系統(tǒng)，一個是防止安全系統(tǒng)被突破的指紋識別系統(tǒng)。

盯住可疑對象不放-即使是高速情況下

當追蹤行動啟動時，警官只有很短的時間用來激活警笛、向控制中心作匯報并與其他巡邏隊通信。由于這些事情的發(fā)生幾乎是同時的，因此警官還依賴于車輛追蹤系統(tǒng)把逃跑的犯罪分子鎖定在視距內(nèi)。然而，當疑犯在擁擠的交通中急速穿越時，采用固定位置攝像機的傳統(tǒng)追蹤系統(tǒng)很容易失去他們的蹤跡。因此將需要這樣一種車載系統(tǒng)：它能時刻盯住可疑車輛，同時讓警官與現(xiàn)場及總部的同事共享和接收信息。

圖1：設計理念。

韓國仁荷/弘益航空航天大學的學生開發(fā)出的板載警用車輛支持系統(tǒng)原型，該集成解決方案包含以下幾個組件：

• 無線自動追蹤系統(tǒng)：可持續(xù)追蹤可疑車輛，將車輛的圖像顯示在顯示器中心。一部全方向移動的攝像機使用FPGA控制的步進電機實現(xiàn)上下左右的移動，可以通過快速反應捕獲快速行進的車輛。

• 自動語音告警系統(tǒng)：使用嵌入式處理器來實現(xiàn)MPEG音頻解碼，用于向逃跑疑犯發(fā)出警告。

• HSDPA功能：提供實時數(shù)據(jù)和圖像共享。

• 基于FPGA的連接板載診斷系統(tǒng)(OBD-II)的接口：用于監(jiān)視警用車輛的發(fā)動機性能參數(shù)。

FPGA和嵌入式處理器的有機結合使該系統(tǒng)很容易實現(xiàn)圖像、語音、圖像和數(shù)據(jù)處理。


在單系統(tǒng)中實現(xiàn)語音、視頻和數(shù)據(jù)

在技術平臺方面，設計團隊使用了Altera的DE2開發(fā)和教學板，這種板包含了Cyclone II FPGA、Quartus II設計軟件和Nios II嵌入式處理器。

單個Cyclone II FPGA支持整個系統(tǒng)的運行，可以完成圖像處理、壓縮、數(shù)據(jù)傳送、MPEG音頻解碼、電機控制和OBD通信等功能。所有必要的組件都利用SOPC Builder系統(tǒng)設計工具裝配在一起，從而允許設計團隊設計一個模塊，并可以經(jīng)過修改用于或直接復用于其他應用。

圖2：自動追蹤系統(tǒng)的架構。

自動追蹤攝像機

攝像機的圖像處理模塊將全方位移動命令傳送給FPGA上的系統(tǒng)步進電機控制器。根據(jù)這樣的命令，步進電機控制器可以產(chǎn)生操作信號脈沖，然后將這些信號發(fā)送給每個電機。

攝像機的圖像捕捉模塊將模擬圖像信息轉換成DE2板上的ITU656標準數(shù)字流，并使用該數(shù)據(jù)流：控制自動追蹤攝像機的左、右、上、下操作；支持視像共享系統(tǒng)和JPEG壓縮的無線傳送；提供車載顯示。

當警官需要啟動攝像機的追蹤模式時，只需將攝像機對準目標車輛，并按下DE2板上的一個按鍵。接著由同樣在FPGA上運行的圖像處理模塊從目標車輛中提取平均顏色，并估計其位置。一旦車輛開始移動，全方位移動攝像機就開始對它進行追蹤。該系統(tǒng)每隔30分之一秒就向電機控制器傳送一次控制命令，速度是它的關鍵優(yōu)勢之一。捕獲到的圖像被存儲在USB存儲設備中，同時傳送給警局命令中心。當然，追蹤模式只適用于白天。

實時JPEG壓縮通常要求高性能DSP芯片或ASSP。在這個情況下，設計團隊使用Nios II C到硬件的加速編譯器(C2H)執(zhí)行l(wèi)ibjpeg前向離散余弦變換(DCT)函數(shù)來滿足性能目標要求，而不需要外部處理器或DSP芯片。C2H編譯器可以將時間關鍵的ANSI C函數(shù)轉換成FPGA中的硬件加速器，從而提升它們的性能。

圖3：實現(xiàn)自動追蹤系統(tǒng)的原理框圖

自動語音警告

當車輛的自動追蹤攝像機開始工作在追蹤模式時，會觸發(fā)自動語音警告功能打開，并向逃跑疑犯發(fā)出警告。在DE2板上100MHz的嵌入式處理器用于播放MPEG音頻數(shù)據(jù)的定制指令集。最初回放性能是個問題，但通過在Nios II軟核處理器中增加64位乘法定制指令，設計團隊將性能提高了2.5倍。