基于FPGA的違章車輛視頻檢測(cè)系統(tǒng)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車輛不斷地增長(zhǎng)，現(xiàn)有道路等硬件設(shè)施的增長(zhǎng)已經(jīng)滿足不了日益膨脹的交通問(wèn)題，智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System,ITS）越來(lái)越受重視。
所謂智能交通系統(tǒng)（ITS）就是將先進(jìn)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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。近年來(lái)，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(duì)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(cè)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(duì)機(jī)動(dòng)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(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄，做到了無(wú)人值守，不間斷監(jiān)測(cè)，證據(jù)充分正確，提高交通執(zhí)法的準(zhǔn)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(cè)、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(qiáng)型PC為基礎(chǔ)的工控機(jī)（IPC）平臺(tái)控制的模式。環(huán)形線圈的安裝不便、容易受損壞，IPC對(duì) 室外環(huán)境的適應(yīng)差等缺點(diǎn)，給電子警察正常穩(wěn)定運(yùn)行及維護(hù)工作造成極大的困難。因此，車輛違章檢測(cè)技術(shù)對(duì)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(cè)技術(shù)

車輛檢測(cè)器是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，主要是通過(guò)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(cè)器主要包括環(huán)行線圈檢測(cè)器、超聲波或微波（雷達(dá)波）檢測(cè)器、紅外線檢測(cè)器、 視頻檢測(cè)器等。

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

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

（2）視頻車輛檢測(cè)器能檢測(cè)較大的交通場(chǎng)景面積，單臺(tái)攝像機(jī)就可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)車道，從而減少傳感器的安裝數(shù)目，并可進(jìn)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(jī)可讀的，還可以加以保存。從而為監(jiān)控人員進(jìn)行相關(guān)操作提供了參考。

3 嵌入式視頻檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)交通違章管理的要求和系統(tǒng)主要功能，對(duì)交通視頻檢測(cè)系統(tǒng)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(duì)下面的路況進(jìn)行監(jiān) 視，捕獲的數(shù)字化視頻信息由現(xiàn)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(tǒng)的電子警察視頻檢測(cè)的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)電子警察系統(tǒng)的改 進(jìn)，此電子警察系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察系統(tǒng)構(gòu)成

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(hào)都是模擬信號(hào)，將模擬電視信號(hào)變成數(shù)字電視信號(hào)要經(jīng)過(guò)模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換過(guò)程。模/數(shù)轉(zhuǎn)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(xù)的模擬信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，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(jìn)制數(shù)碼。經(jīng)取樣、量化、編碼所得到的數(shù)字信號(hào)即為視頻PCM 信號(hào)。

在進(jìn)行視頻處理時(shí)，從攝像頭輸入模擬信號(hào)，這些全電視信號(hào)構(gòu)成極為復(fù)雜，因而對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)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(qiáng)大的視頻輸入處理芯片SAA7113,為視頻信號(hào)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(hào)，通過(guò)內(nèi)部寄存器的不同配置可以對(duì)4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入4路CVBS或2路S視頻 （Y/C）信號(hào)，輸出8位VPO數(shù)據(jù)總線。通過(guò)設(shè)置寄存器的值，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)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(hào)源選擇，兩個(gè)模擬抗混迭濾波器和模/數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)字多制式解碼器，一個(gè)亮度/對(duì)比度/飽和度控制電路和一個(gè)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(lái)的數(shù)字視頻流必須經(jīng)過(guò)處理，如對(duì)數(shù)字視頻流進(jìn)行解碼，識(shí)別出行、場(chǎng)同步信號(hào)，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(jì)要求，對(duì)紅燈信號(hào)時(shí)截取的圖像數(shù)據(jù)幀進(jìn)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(chǔ)器中，并傳輸?shù)浇煌ü芾肀O(jiān)控中心。

一個(gè)路口的電子警察系統(tǒng)一般有多路視頻信號(hào)同時(shí)傳入，數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)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(jìn)行處理是不現(xiàn)實(shí)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(chǎng)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(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、數(shù)字信號(hào)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(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(tǒng)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(wěn)定、開(kāi)發(fā)軟件投入小、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn) 品小需測(cè)試及可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等一系列ASIC無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以根據(jù)后期現(xiàn)場(chǎng)的需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，可擦寫多次，使得無(wú)論在開(kāi)發(fā)過(guò)程中和后期現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 試或者增加一定的功能都十分方便，設(shè)計(jì)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(lái)越低。同時(shí)，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(shí)時(shí)圖像采集和處理對(duì)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(jiǎn)單功能的通用DSP都不能在圖像采集處理系統(tǒng)中達(dá)到所需的性能要求，因而更多地采用FPGA來(lái)實(shí)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(shí)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(gè)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(duì)圖像進(jìn)行處理，檢測(cè)是否有車輛違章闖紅燈的行為；（2）當(dāng)有車輛闖紅燈違章行駛時(shí)，對(duì)車輛違章行為進(jìn)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ARM920TARM 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(biāo)準(zhǔn)的接口，從而為低功耗、低成本、高性能的計(jì)算機(jī)寬范圍應(yīng)用提供一個(gè)單片解決方案。為完善性 能，AT91RM9200集成了包括JTAGICE、專門UART調(diào)試通道（DBGU）及嵌入式的實(shí)時(shí)追蹤等一系列的調(diào)試功能。這些功能使得開(kāi)發(fā)、調(diào)試所 有的應(yīng)用，特別是使實(shí)時(shí)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(dú)立接口（Media Independent Interface,MII）或簡(jiǎn)化獨(dú)立媒體接口（RMII），可在半雙工或全雙工模式下提供情報(bào)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(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 Attachment,PMA）、雙絞線物理媒體依賴子層（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(qiáng)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(kuò)展濾波器就能實(shí)現(xiàn)在100BASE-TX 或10BASE-T 媒介中傳輸信號(hào)。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

車輛視頻檢測(cè)是一門多種技術(shù)融合多學(xué)科交叉的綜合學(xué)科，基于嵌入式系統(tǒng)的違章車輛視頻檢測(cè)系統(tǒng)是整個(gè)電子警察系統(tǒng)的核心，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有比較高的檢 測(cè)率，基于視頻的車輛檢測(cè)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(cè)車輛違章以外，還可以用于交通流量的檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。