基于FPGA+嵌入式处理器的违章车辆视频检测系统

随着我国经济的发展，机动车辆不断地增长，现有道路等硬件设施的增长已经满足不了日益膨胀的交通问题，智能交通系统（Intelligent Transportation System,ITS）越来越受重视。
   所谓智能交通系统（ITS）就是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。近年来，ITS在城市交通管理方面得到了普遍应用，在缓解道路交通、防范交通违章及事故发生等方面获得了良好的效果。本文针对ITS应用，特别是电子警察系统的应用，提出了车辆违章视频检测方案，以适应ITS的发展需求。
   1 电子警察系统
   电子警察主要是针对机动车在路口闯红灯这种极易造成恶性事故的交通违章现象进行自动监测记录，做到了无人值守，不间断监测，证据充分正确，提高交通执法的准确性和效率。传统典型的电子警察系统通常是由系统控制、违章车辆检测、拍摄、传输以及辅助配套设备等几部分组成。
   目前，一般电子警察系统主要采用环形线圈感应器、以增强型PC为基础的工控机（IPC）平台控制的模式。环形线圈的安装不便、容易受损坏，IPC对室外环境的适应差等缺点，给电子警察正常稳定运行及维护工作造成极大的困难。因此，车辆违章检测技术对电子警察的高精度、大面积推广有很大的影响，是电子警察系统中重要的一部分，是交通管理系统中不可缺少的组成部分。
   2 现有车辆违章检测技术
   车辆检测器是交通管理系统中不可缺少的组成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式，向监控系统中的信息处理和信息发布单元提供各种交通参数，作为监控中心分析、判断、发出信息和提出控制方案的主要依据。常用的交通车辆检测器主要包括环行线圈检测器、超声波或微波（雷达波）检测器、红外线检测器、视频检测器等。
   比较几种检测方法可以知道，超声波或微波（雷达波）检测器和红外线检测器使用的条件比较苛刻，使用比较少，主要用于人工检测方式。目前最普遍的、经常用的是环行线圈视频检测器，但是视频车辆检测器与感应线圈等检测器相比，具有如下的技术特点：
   （1）视频检测器安装与维护方便，无需开挖路面，对道路交通的影响很小。
   （2）视频车辆检测器能检测较大的交通场景面积，单台摄像机就可同时监测多个车道，从而减少传感器的安装数目，并可进行大范围内的车辆跟踪。
   （3）能提供绝大多数的交通参数信息，包括车流量、单车速度、平均车速、车间距等。
   （4）获得的视频及图像信息很直观，是人机可读的，还可以加以保存。从而为监控人员进行相关操作提供了参考。
   3 嵌入式视频检测系统
   根据交通违章管理的要求和系统主要功能，对交通视频检测系统进行了研究并形成了可行方案。其思想是将视频摄像头安装在路杆上并对下面的路况进行监视，捕获的数字化视频信息由现场进行图像处理，再传送到交通管理中心。同时，选取基于嵌入式系统的电子警察视频检测的模式来实现对传统电子警察系统的改进，此电子警察系统的构成如图1所示。
   
   图1 基于嵌入式系统的电子警察系统构成
   由图1可以看出，基于嵌入式系统的电子警察主要由三部分组成：视频采集部分、图像处理与系统控制部分、网络传输部分。
   3.1 视频采集单元
   从CCD摄像头的光电转换器件得到的视频信号都是模拟信号，将模拟电视信号变成数字电视信号要经过模/数（A/D）转换过程。模/数转换包含三个过程，即取样、量化及编码。其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用是将离散化的取样值编成二进制数码。经取样、量化、编码所得到的数字信号即为视频PCM 信号。
   在进行视频处理时，从摄像头输入模拟信号，这些全电视信号构成极为复杂，因而对视频信号进行A/D转换的电路也非常复杂，Philips公司将这些非常复杂的A/D转换电路集成到了一块芯片中，从而生产出功能强大的视频输入处理芯片SAA7113,为视频信号的数字化应用提供了极大的方便。
   SAA7113是一种视频解码芯片，它可以输入4路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置可以对4路输入进行转换，输入4路CVBS或2路S视频（Y/C）信号，输出8位"VPO"数据总线。通过设置寄存器的值，可以输出标准的ITU-R BT656,YUV 4∶2∶2格式。
   SAA7113具有双通道模拟预处理电路，包括信号源选择，两个模拟抗混迭滤波器和模/数转换器，一个自动钳位和增益控制电路，一个时钟发生电路（CGC），一个数字多制式解码器，一个亮度/对比度/饱和度控制电路和一个色彩空间转换矩阵。主要应用于多媒体、可视电话、图像处理及安防等方面。
   3.2 视频图像处理单元
   从视频A/D芯片SAA7113送来的数字视频流必须经过处理，如对数字视频流进行解码，识别出行、场同步信号，并根据电子警察系统要求选择采集的图像大小，截取每帧图像数据等。系统控制单元根据电子警察系统的设计要求，对红灯信号时截取的图像数据帧进行处理，并判断是否有车辆违章行为；如有车辆闯红灯，则将截取到的图像添加相应信息，保存到系统存储器中，并传输到交通管理监控中心。
   一个路口的电子警察系统一般有多路视频信号同时传入，数据量大，实时性要求高。如果将这些视频数据送到电子警察控制单元ARM 芯片进行处理是不现实的。因此必须在ARM 芯片前端增加专门的图像采集处理器件。在目前市场上的图像采集处理系统中，用作系统的核心器件一般有现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）以及特定用途集成电路（专用ASIC）芯片。FPGA是在ASIC基础上发展起来的，克服了ASIC不够灵活的缺点，FPGA 芯片不仅可以和ASIC芯片一样解决电子传统小型化、低功耗等问题，还具有高速、高可靠性、开发周期短、质量稳定、开发软件投入小、开发工具先进、标准产品小需测试及可实时在线检测等一系列ASIC无法比拟的优点，而且还可以根据后期现场的需要进行现场编程，可擦写多次，使得无论在开发过程中和后期现场调试或者增加一定的功能都十分方便，设计比较灵活；而且随着现代工艺的发展和提高，FPGA芯片本身的成本越来越低。同时，在数字图像处理方面，DSP更适宜于用作高层数据处理。
   实时图像采集和处理对系统性能的要求极高，数据流量一般情况下也比较大，因此几乎所有只具有最简单功能的通用DSP都不能在图像采集处理系统中达到所需的性能要求，因而更多地采用FPGA来实现。
   综上所述，采用FPGA 代替DSP或者ASIC芯片作为在ARM 芯片前端的图像采集处理器件，实现视频图像采集和处理。
   3.3 系统控制单元
   系统控制部分是整个电子警察系统的核心，其主要工作为：
   （1）获取FPGA截取的视频图像，并对图像进行处理，检测是否有车辆违章闯红灯的行为；（2）当有车辆闯红灯违章行驶时，对车辆违章行为进行抓拍，并在车辆违章图像中添加相应信息；（3）控制车辆违章图像及信息的传输。
   为了能很好地完成以上控制功能，可以采用Atmel公司生产的AT91RM9200微处理器。它是完全围绕ARM920TARM Thumb处理器构建的系统。具有丰富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提供一个单片解决方案。为完善性能，AT91RM9200集成了包括JTAGICE、专门UART调试通道（DBGU）及嵌入式的实时追踪等一系列的调试功能。这些功能使得开发、调试所有的应用，特别是使实时性限制的应用成为可能。
   3.4 网络传输单元
   AT91RM9200内部包含了MAC以太网控制，支持媒体独立接口（Media Independent Interface,MII）或简化独立媒体接口（RMII），可在半双工或全双工模式下提供情报10/100 Mb/s的以太网接入。以太网MAC是OSI参考模型物理层（PHY）和逻辑链路层（LLC）间MAC子层的硬件工具。以太网MAC包括所需逻辑与DMA 管理的发送与接收FIFO.然而，AT91RM9200并未提供物理层接口，故需外接一片物理层芯片，以提供以太网的接入通道。
   DM9161是一款单芯片、低功耗、物理层传输接口芯片，支持100BASE-TX 及10BASE-T 网络应用。
   DM9161采用低功耗、高效率CMOS处理器，包含了由IEEE 802.3u规定的100BASE-TX所有物理层功能，包括物理代码子层（Physical Coding Sublayer,PSC）、物理媒体捆绑（Physical Medium Attachment,PMA）、双绞线物理媒体依赖子层（Twisted Pair Physical MediumDependent Sublayer,TP-PMD）、10BASE-TX 编码/解码（10BASE-TX Encoder/Decoder,ENC/DEC）及双绞线媒体接入单元（Twisted Pair Media AccessUnit,TPMAU）。DM9161利用自动媒体速度和协议选择功能，提供强大的自适应支持。由于DM9161内置有波形塑造滤波器，因而不用外部扩展滤波器就能实现在100BASE-TX 或10BASE-T 媒介中传输信号。
   DM9161通过RJ45接口，可实现与路由器或CDMAMODEM 连接。
   4 结 语
   车辆视频检测是一门多种技术融合多学科交叉的综合学科，基于嵌入式系统的违章车辆视频检测系统是整个电子警察系统的核心，实验数据表明有比较高的检测率，基于视频的车辆检测系统是ITS中的前端信息采集系统，有着广泛的应用，除了用于检测车辆违章以外，还可以用于交通流量的检测与统计。