利用可編程邏輯實現(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(guān)鍵的部分，因此執(zhí)法機構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越復(fù)雜，必須適應(yīng)不斷演變的要求，并把成本控制在機構(gòu)的有限預(yù)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(shè)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(yīng)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(jié)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(shù)平臺方面，設(shè)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(shè)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(shè)計工具裝配在一起，從而允許設(shè)計團隊設(shè)計一個模塊，并可以經(jīng)過修改用于或直接復(fù)用于其他應(yīng)用。

圖2：自動追蹤系統(tǒng)的架構(gòu)。

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(zhuǎn)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(guān)鍵優(yōu)勢之一。捕獲到的圖像被存儲在USB存儲設(shè)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(shè)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(guān)鍵的ANSI C函數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計團隊將性能提高了2.5倍。

定制的OBD-II接口

連接OBD-II的接口不僅貫通了汽車電子設(shè)備之間的通信，而且也將診斷工具連接到發(fā)動機控制單元(ECU)，實現(xiàn)汽車維護和監(jiān)視。SOPC Builder UART組件連接到OBD-II接口，用于收集車輛行駛速度、燃油狀態(tài)和車輛故障狀態(tài)等信息。

因此，設(shè)計團隊能夠利用Nios II定制指令的性能優(yōu)勢和C到硬件的加速功能創(chuàng)建一個高性能系統(tǒng)，為現(xiàn)場警察提供幫助。由于使用了FPGA，團隊可以靈活地根據(jù)需要提升性能，不需要增加時鐘頻率和降低功耗，也無需采用高速設(shè)計。當團隊遇到要求修改硬件設(shè)計的性能問題時，他們只需重新編程FPGA就能應(yīng)對這些變化。

將指紋轉(zhuǎn)換成供認證據(jù)

指紋識別技術(shù)具有很高的性價比和安全性，支持用于保護敏感數(shù)據(jù)和防止未授權(quán)進入系統(tǒng)的各種應(yīng)用。傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)基于PC或DSP芯片。然而，在PC上處理圖像很慢，DSP芯片缺少支持全部所需功能的靈活性。FPGA則有效填補了高性能處理和系統(tǒng)靈活性之間的空白。來自中國華中科技大學的一個學生團隊使用包含有Cyclone II FPGA和Nios II處理器的DE2板創(chuàng)建出了原型化的指紋識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了FPGA技術(shù)的高性能和靈活性優(yōu)勢。

快速而靈活的系統(tǒng)增強功能

采用系統(tǒng)級可編程芯片(SOPC)方法，該團隊成功開發(fā)出具有認證和集中管理功能的網(wǎng)絡(luò)指紋識別系統(tǒng)。作為主機的PC運行著提供各種管理功能的軟件。嵌入在Cyclone II FPGA上的50MHz Nios II/f內(nèi)核運行相關(guān)算法以實現(xiàn)包含系統(tǒng)初始化、指紋收集、圖像處理、主從通信和用戶接口在內(nèi)的各種功能。在SOPC Builder的支持下，該團隊不僅能以高效的方式將各個組件集成到單個系統(tǒng)中，還能根據(jù)需要對各個部件進行配置。

圖4：指紋處理的次序。

以下是指紋識別系統(tǒng)的工作原理：當指紋收集器檢測到手指存在時，它將從睡眠模式中蘇醒過來采集圖像，并提交最高質(zhì)量的圖像。DE2板上的12.5MHz SPI內(nèi)核將圖像數(shù)據(jù)傳送給嵌入式處理器，由該處理器執(zhí)行相應(yīng)圖像處理算法以完成對指紋的以下一些處理：

? 模式發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)首先根據(jù)目標點周圍的點的灰度等級值計算單點的方向，然后使用統(tǒng)計方法得到5x5的塊模式，并在沒有關(guān)于背景的明確條件下對塊進行標記。

? 圖像濾波：系統(tǒng)將沿著脊線增強圖像連續(xù)性，同時提高與脊線垂直的圖像對比度，以分割相鄰脊線。

? 二進制化：圖像脊線在濾波后將十分清晰，因此一個固定門限的二進制化功能可以將固定灰度值作為標準而將圖像分割成黑白版本。

? 脊線細化：在這個階段，圖像將經(jīng)過并行的細化過程，這個過程會逐漸調(diào)整脊線，直到脊線薄成單個像素的寬度，從而為圖像進行細節(jié)定位做好準備。

? 定位細節(jié)：在這最后一步，系統(tǒng)對圖案進行掃描以定位指紋的中心點。從細化的脊線圖像開始，系統(tǒng)將定位指尖點，并分割這些點來評估指紋的唯一性。

通過定制指令和定制外設(shè)，該團隊極大地提高了圖像處理算法的性能。由于要求52次乘法累加操作，設(shè)計團隊設(shè)計了一條定制指令，該指令可在三個時鐘周期內(nèi)完成單次乘法累加操作，從而將沒有定制指令時的36.4s時間縮短到用定制指令時的4.77s,使圖像濾波性能提高了7倍；脊線細化要求對目標像素進行16次比較，該團隊設(shè)計了兩個定制外設(shè)，可在6個時鐘周期內(nèi)完成16次比較，從而將沒有定制外設(shè)時的13.5s縮短到有定制外設(shè)時的2.67s，使其性能提高了5倍。

當有人在終端提供他們的指紋和其他識別信息時，該系統(tǒng)會先在數(shù)據(jù)庫中尋找匹配信息，以判斷是否允許訪問。系統(tǒng)的錯誤接受率(將不一致的指紋錯誤判斷為一致的可能性)小于5%。它的錯誤拒絕率(將一致的指紋判斷為不一致的可能性)小于20%。

利用PLD深度挖掘罪犯

就像警車支持應(yīng)用一樣，DSP器件或ASSP也可以用于指紋識別系統(tǒng)。然而設(shè)計團隊發(fā)現(xiàn)，通過簡單地實現(xiàn)Nios II定制指令和定制外設(shè)可以極大地提高處理速度。在優(yōu)質(zhì)的FPGA基礎(chǔ)上，設(shè)計團隊還集成了多個組件，從而減少了解決方案的復(fù)雜性、成本和功耗。

大多數(shù)應(yīng)用都需要一定程度的靈活性來滿足性能和成本要求。這些團隊展示了如何利用硬件來加速算法，從而允許以較低時鐘頻率運行，因此有效降低功耗和簡化了總體設(shè)計。同時，他們還利用系統(tǒng)生成工具來幫助自己方便地復(fù)用和修改組件以用于其他應(yīng)用。