裝備無線自動(dòng)跟蹤攝像頭的警用車輛支持系統(tǒng)*(上)

設(shè)計(jì)介紹

　　本項(xiàng)目有三個(gè)主要目標(biāo)：首先，提高警用車輛上采集和處理數(shù)據(jù)的能力；其次，在警察大隊(duì)與指揮中心之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像傳送和信息共享；第三，通過使用 SoPC 的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)來考慮高性能和經(jīng)濟(jì)效率。

　　現(xiàn)有的警察大隊(duì)跟蹤系統(tǒng)的攝像頭是固定在車輛上的，因此會(huì)出現(xiàn)在屏幕上丟失嫌疑車輛的問題。本設(shè)計(jì)提供了一種自動(dòng)跟蹤解決方案，可以將嫌疑車輛始終鎖定在屏幕上。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，實(shí)施了可以減輕光效應(yīng)的自動(dòng)化臨界值計(jì)算方法。

　　我們制造了使用步進(jìn)馬達(dá)的云臺(tái)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(xiàn)馬達(dá)的快速響應(yīng)，我們還設(shè)計(jì)了FPGA步進(jìn)馬達(dá)控制器。FPGA步進(jìn)馬達(dá)控制器的響應(yīng)時(shí)間比軟件控制器的響應(yīng)時(shí)間短，因此，即使嫌疑車輛在快速移動(dòng)，它也可以幫助攝像頭將焦點(diǎn)一直放在嫌疑車輛上。

　　自動(dòng)語音警報(bào)系統(tǒng)可以與跟蹤攝像頭同步運(yùn)行。針對(duì)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(yùn)行的WM8731DAC開發(fā)了uClinux音頻驅(qū)動(dòng)程序

 
圖1 設(shè)計(jì)概念

　　我們還設(shè)計(jì)了FPGA合成式OBD- II接口，用于獲取車輛速度之類的信息，以及從車輛控制系統(tǒng)ECU獲取故障狀態(tài)。OBD- II接口可以測量相對(duì)速度，并可監(jiān)控車輛狀態(tài)，因此它可以代替高成本的激光測量儀器。我們通過libjpeg和Altera的C2H編譯器設(shè)計(jì)了JPEG壓縮模塊，用于進(jìn)行圖像存儲(chǔ)和無線傳輸。

　　對(duì)于Linux系統(tǒng)上常用的libjpeg進(jìn)行了加速。利用libjpeg可以不必修改代碼就讓應(yīng)用程序提高壓縮性能。此設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要特色是快速的全球無線HSDPA協(xié)議。采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像信息可以從警察大隊(duì)傳送到指揮管制中心。

車內(nèi) FPGA 的適用性

　　警察大隊(duì)的支持系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的領(lǐng)域，需要對(duì)圖像、語音、通信和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。車輛的系統(tǒng)復(fù)雜性越來越強(qiáng)，因?yàn)樗虞d設(shè)備的數(shù)量也在逐漸增加。在OBD接口中，由于協(xié)議不同，不同的車輛必須使用不同的系統(tǒng)。FPGA 適合于這個(gè)領(lǐng)域，因?yàn)樗鼡碛幸子玫闹亟M功能和合成功能。

　　我們?cè)贏ltera公司的Quarters和Nios IDE 7.0環(huán)境中開發(fā)了SoPC系統(tǒng)。操作系統(tǒng)和應(yīng)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(tǒng)，uClinux和GUN工具鏈可以提供相似的環(huán)境。

警用車輛中的需求

　　根據(jù)追蹤制度，追蹤車輛時(shí)必須在進(jìn)行追蹤時(shí)打開警報(bào)和記錄設(shè)備，并且同時(shí)還要向命令控制中心報(bào)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(shè)計(jì)可以提供解決這些問題的解決方案。

功能描述

自動(dòng)跟蹤攝像頭

　　要將目標(biāo)車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(tái)攝像頭模塊的關(guān)鍵部分是響應(yīng)時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，目標(biāo)車輛的丟失率就越低。

　　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(dá)控制器是采用Verilog HDL開發(fā)的。圖像處理模塊發(fā)出的云臺(tái)運(yùn)動(dòng)命令會(huì)直接傳送到FPGA上的步進(jìn)馬達(dá)控制器。步進(jìn)馬達(dá)控制器隨即接收到這些命令，并生成操作信號(hào)脈沖。最后，控制器向每個(gè)馬達(dá)發(fā)送合適移動(dòng)距離的信號(hào)。

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

　　捕獲的640x400圖像保存在USB存儲(chǔ)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)過實(shí)際測試，大多數(shù)情況下工作效果很好。由于跟蹤算法的根據(jù)是色彩的差異，因此我們的跟蹤機(jī)制在夜晚時(shí)無效，在某些色彩上的識(shí)別能力較弱。

自動(dòng)語音警報(bào)

　　自動(dòng)跟蹤攝像頭啟動(dòng)跟蹤模式時(shí)，就會(huì)運(yùn)行自動(dòng)語音警報(bào)系統(tǒng)。MPEG 音頻數(shù)據(jù)是通過Nios II處理器的自定義指令播放的，無需任何額外的處理器。Nios II處理器在DE2上以100 MHz的速度運(yùn)行。

　　單片機(jī)可以播放128Kbps 44.1KHz的MP3單聲道音頻，無需加速。但是，該處理器還是需要減少其負(fù)載以便進(jìn)行多任務(wù)處理。因此，我們?cè)黾恿艘粋€(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(jī)上轉(zhuǎn)化成ITU656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字流。這種數(shù)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(tǒng)以及無線傳送的JPEG壓縮。最后，用于車內(nèi)顯示。該圖像捕獲模塊可以在預(yù)處理時(shí)修改圖像大小、移除隔行掃描模式以及計(jì)算幀緩沖區(qū)內(nèi)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。我們開發(fā)了經(jīng)過調(diào)整的色彩跟蹤算法，可以很方便地應(yīng)用于FPGA。這種算法可以根據(jù)方向計(jì)算不斷變化的車輛色彩的平均值，并生成新的二進(jìn)制臨界值。

　　這種算法的設(shè)計(jì)目的是處理與 FPGA 電路中的顯示輸入模塊合成的線路單元，而無需進(jìn)行軟件處理。其結(jié)果是不再需要外部幀緩沖區(qū)內(nèi)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(dá)控制器傳送控制命令。