（机械制造及其自动化专业论文）智能交通中fpga图像采集系统及灯控系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国城市化进程的加快，机动车数量的急剧增加，交通拥堵成为各个 城市面临的一个共同问题。本文研究智能交通视频图像采集控制系统和灯控系 统。目的是通过采集道路上车辆通行的视频图像，给下一步图像分析处理提供 数据，进而由图像分析结果给出交通灯控制命令，智能化、实时地控制和调节 道路的通禁时间。论文围绕视频图像采集和交通灯控制系统机理，设计了一种 基于现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 的视频图像采 集系统和一种基于单片机的交通灯控制系统。论文相对较多地关注了系统硬件 电路的构建和内部程序的设计。 本文对比、研究了目前几种比较常见的交通信息获取方法，分析了它们各 自的优缺点，最终选择采用视频检测的方法实现交通信息采集。论文分析了当 今市场上图像采集的现状，比较了其核心芯片的优缺点，最终选用f p g a 作为 图像采集系统的核心器件。论文研究了通用的图像采集系统结构，提出了适合 本课题实际的系统整体架构。图像采集系统硬件围绕f p g a 辅以少量外围芯片 实现，f p g a 芯片内部根据功能要求运用现代化的电子设计思想设计了相应的 逻辑功能模块。灯控系统基于单片机设计了系统的硬件电路和软件程序。完成 了电路原理图和p c b 图的设计，并对制作出的电路实物进行了全面的调试和验 证。另外论文设计了适用于智能交通灯控系统的自定义通讯协议，此协议也为 整个智能交通检测系统构建了通讯规范。 本文的创新点是：提出了一套基于f p g a 的交通路口视频图像采集系统架 构；设计了一套模块化的灯控系统，能够挂接于不同的上位机系统下，并兼容 交直流电压；设计了一套智能化的灯控系统自定义通讯协议。 本课题社会实践性较强，实际应用价值较高，文中所提出的设计思路和所 采用的控制措施以及自定义的通信协议满足系统的要求，对类似的系统具有一 定的参考意义。 关键词智能交通；图像采集；f p g a ；单片机；通讯协议 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i cc i t i e s t h ea m o u n to fm o t o rv e h i c l e si n c r e a s er a p i d l y t r a f f i cj a mb e c o m e st h ep r e v a l e n tp r o b l e mw h i c hb e e nf a c e db ye v e r yc i t y t h i sa r t i c l er e s e a r c h t h ei n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o nv i d e oi m a g ec o l l e c t i o ns y s t e ma n dt r a f f i cl i g h t sc o n t r o ls y s t e m t h e p u r p o s ei sp r o v i d ed a t a st oi m a g ea n a l y s i sb yc o l l e c t i n gt h ev i d e oi m a g eo fv e h i c l e so nt h e r o a d t h e nt h er e s u l to fi m a g ea n a l y s i ss e n do u tt h ec o m m a n do ft r a f f i cl i g h t s a c c o r d i n g l yt h e t r a f f i cc a nb ec o n t r o l l e di n t e l l i g e n t l ya n dr e a l - t i m e l y t h i sa r t i c l ed e s i g nav i d e oi m a g ec o l l e c t i o n s y s t e mb a s e do nt h ef p g aa n dat r a f f i cl i g h t sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ud e p e n do nt h e p r i n c i p l eo f v i d e oi m a g ec o l l e c t i o na n dt r a f f i cl i g h t sc o n t r 0 1 t h i sa r t i c l et a k e sm o r ea t t e n t i o nt o t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fs y s t e ma n dt h ed e s i g no fi n n e rp r o g r a m 1 1 l i 8a r t i c l er e s e a r c hs e v e r a lf a m i l i a rt e c h n i q u e so ft r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，a n a l y s e t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ，f i n a l l yc h o o s et h ep r o j e c to fv i d e od e t e c tt oa c h i e v et h e c o l l e c t i o no ft r a f f i ci n f o r m a t i o n ，n l i s p a p e r h a d a n a l y s e d t h ea c t u a l i t yo f i m a g e c o l l e c t i o n ，c o m p a r e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o r ec h i p ，f i n a l l yc h o o s e dt h ef p g a a s t h ec o r ec h i po fi m a g ec o l l e c t i o ns y s t e m t h i sp a p e rh a dr e s e a r c h e dt h ec u r r e n ts t r u c t u r eo fi m a g e c o l l e c t i o ns y s t e m ，a n ds e tu pt h ea c t u a ls y s t e mh o l i s t i cf r d l n ew h i c hi sb e c o m i n gt ot h i s p r o j e c t t h eh a r d w a r eo fi m a g ec o l l e c t i o ns y s t e mi sm a d eu po ff p g aa n ds o m eo t h e rc h i p s 啊地 l o g i cm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n th a db e e nd e s i g n e di nt h ei n s i d eo ff p g ab y m o d e me l e c t r o n i cd e s i g ni d e a s t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mo ft r a f f i cl i g h t s c o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do nm c u t h i sp a p e rh a de o m p l i s h e dt h ec i r c u i ts c h e m a t i ca n d t h ep c b ，a n dr o u n d l yd e b u g g e da n dv a l i d a t e dt h ea c t u a lc i r c u i t b e s i d e s ，t h i sp a p e rh a dd e s i g n e d t h eo w n - d e s i g n e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rt h et r a f f i cl i g h t sc o n t r o ls y s t e m t h i sp r o t o c o la l s o h a de s t a b l i s h e dt h ec o m m u n i c a t i o nc r i t e r i o nf o r t h ei t s 1 1 1 ei n n o v a t i o np o i n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ：d e s i g n e daf r a m eo ft r a f f i ci n t e r s e c t i o n v i d e oi m a g ec o l l e c t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a d e s i g n e dam o d u l a r i z a t i o nt r a f f i cl i g h t sc o n t r o l s y s t e m ，t h i ss y s t e mc a nb ej o i n t e dt od i f f e r e n tu p p e rc o n t r o ls y s t e ma n di sc o m p a t i b l ef o rt h ea c a n dd cv o l t a g e d e s i g n e dai n t e l l i g e n to w n - d e s i g n e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rt r a f f i cl i g h t s c o n t r o ls y s t e m n i sp r o j e c th a sb e t t e ra p p l i c a t i o nf o r e g r o u n dt h ed e s i g ni d e a sa n dc o n t r o lm e t h o da n dt h e p r o t o c o li nt h ea r t i c l es u i tc o m m o n l yo t h e rd e s i g n so fm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m , a n dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ef r a m ei sa l s oc u r r e n ta n dp r a c t i c a b l ei no t h e rp r o j e c t s k e y w o r d si n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n ；i m a g ec o l l e c t i o n ；f p g a ；s i n g l e c h i p ； c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名壹塑一日期：珥 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盘! 坠 导师签名： 一一， 猃 - ： 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 随着我国城市化进程的加快，机动车数量的急剧增加，城市交通成为各个 城市面临的一个共同问题。交通拥挤的加剧，不仅造成经济损失，严重时甚至 会导致城市功能的瘫痪；另外，机动车辆低速行使增加油耗，导致燃料费用增 加、能源浪费；汽车尾气排放的增加造成环境质量恶化。这些逐渐成为制约经 济和社会发展的全球性公共问题。 解决车和路的矛盾，传统的思路是从这个矛盾体本身的两方面入手。一是 控制车的数量，二是增加道路的修建。但是我们必须考虑到：一方面，交通是 社会发展和人民生活水平提高的基本条件，经济的发展必然带来出行的增加， 单纯地限制车辆的数量牵涉到方方面面的问题，实行起来难度极大；另一方面， 面对有限的资源和财力以及环境的压力等问题，大量修筑交通基础设施目前也 是不现实的。特别是在交通问题严重的市区，建筑格局已经比较固定，进行大 规模的道路建设是不切实际的。显而易见这两个办法都有局限性。 长期的实践中，人们逐渐认识到，要缓解日益增长的交通压力，必须另找 出路。在这种情况下，利用现代化的计算机技术、通信技术、网络技术、控制 技术等辅助手段解决交通问题成为必然的选择，近年来智能交通系统( i t s ， i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 概念的产生，就是这种思想的体现。 智能交通监控系统实质上就是利用高新技术对传统的交通监控系统进行改 造而形成的一种信息化、智能化的新型交通监控系统。它能使交通基础设施发 挥出最大地效能，提高服务质量；同时使社会能够高效地使用交通设施和能源， 从而获得巨大的社会和经济效益【l 】。 全面、准确地采集道路交通信息是实现交通智能化的基本保障，也是交通 信息监控系统研究与开发的基础。研究与开发道路交通信息采集设备，目的是 使它能正确地获得道路上的运行信息，包括车流量、车速、车型，占道率、交 通密度，以及车辆排队长度、车辆转弯、停止或肇事情况等信息。正确的交通 信息采集可以使智能交通监控管理系统正确及时地获得交通状况信息，对交通 状况进行有效管理，并发出诱导信息，从而自动调节车流，减少车辆在道路顺 畅时在红灯前停留地时间，安排疏导交通、肇事报警等。因而，在智能交通监 控系统中，交通信息采集设备是交通监控管理系统的基础，是先进的智能交通 管理技术得以实时并正确地控制与引导交通、提高交通安全性和效率的前提。 所以道路交通信息采集设备的研究开发十分重要。 北京工业人学1 = 学硕十学位论文 本课题属于智能交通系统项目的一部分。主要研究基于f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的动态交通信息采集系统的设计与开发。课题来自于 北京九段智能交通技术有限公司，属于横向企业合作课题。 1 2 本课题研究现状及发展的分析 在世界各个国家，交通信息采集设备的研究都得到了普遍的重视。各个机 构、公司以及大学、研究所纷纷投入相关技术的研究开发。交通信息采集的方 法和技术很多，例如超声波检测、激光雷达检测、微波多普勒检测、红外线视 频检测、声学检测、磁力计检测、感应线圈检测、以及视频检测等。其中，视 频检测技术具有大区域、大信息量、多功能的特点，正成为交通动态信息采集 技术主流。 对智能交通系统的研究许多国家都投入了巨大的人力物力。一些发达国家 早在2 0 世纪7 0 年代就开始了对i t s 技术的研究。目前已经形成美国、日本和 欧洲为代表的三大研究中心。日本是对i t s 进行研究最早、实用化最高的国家， 早在上世纪7 0 年代就开始了对汽车交通综合控制系统的研究，8 0 年代以后， 日本又先后进行了路车间通信系统和先进的汽车交通信息通信系统的研究。目 前，日本已经建立了较为完备的交通控制、信息服务等综合体系，智能交通的 应用程度已相当高。美国对i t s 的研究起步较晚，但投入较多，目前在该领域 已处于领先水平。美国的i t s 主要是基于射频通信的。 交通信息采集设备开发商在国外主要有美国i t e r i s 公司和比利时 t r a f i c o n 路畅通公司。美国i t e r i s 公司是一家专业开发信息技术、软件及 传感器设备的，处于行业技术领先地位的产品制造商。t e r i s 开发出一系列用 于解决当前智能交通问题的、开放性的解决方案，其中v a n t a g e 系列产品便是 其中之一。 v a n t a g e 视频交通数据采集系统，是专门为解决交通数据采集工作设计的。 v a n t a g e 采用了先进的数字视频技术，它除了能够融入于道路交通数据采集系 统，还能够无缝的整合到感应式十字路口信号灯控制系统、电子警察抓拍系统。 其双重功用被广泛的应用于城市道路事故监控及交通诱导、高速公路交通数据 采集、以及公路隧道、桥梁的意外事故监控系统中。目前，v a n t a g e 视频车辆检 测器在全球已有3 0 0 0 0 个系统的运用案例。其核心部件如图1 1 所示。 比利时t r a f i c o n 路畅通公司在1 9 8 2 年就开始着手有关研究，到现在为 止已经有超过1 0 0 0 0 个t r a f i c o n 系统在世界各地被安装使用。主要在欧洲、 美国、东南亚以及中国的大城市如：北京、上海和深圳等。t r a f i c o n 公司的 主要产品是t r a f i c o nv 口视频监控系统。其v m ，d 检测模块见图1 2 所示。 第l 章绪论 我国在i t s 领域的研究起步较晚，但是随着全球范围智能交通技术研究的 兴起进入8 0 年代，我国也加快了进行智能交通研究的步伐。一方面，北京、 上海、广州等大城i l j 陆续从国外引进了一些较为先进的城市交通控制、道路监 图i - 1v a n t a g e e d g e 2 视频处理模块 f i g1 - 1v a n t a g e e d g e 2 u i d e o p r o c e 船m o d u l e 控等系统；另一方面，还加大了自主开发的步伐。现在，我国已经把智能交通 系统的研究放在“国家自然科学基金”的重要位置。几年来，“十五”国家科技 攻关计划“智能交通系统关键技术开发和示范工程”中有一项就是交通信 息采集设备开发。主要承担单位有成都深港监控技术有限公司、公安部第三研 究所以及浙大中控。这些单位对于交通信息采集设备开发都有自己的优势和特 点，对“智能交通系统关键技术开发和示范工程”做出了一定的贡献。 图1 - 2v 1 p d 检测模块 f i 9 1 - 2 v i p dd e t e c t m o d u l e 北京t 业大学t 学硕一l ：学位论文 1 3目前交通信息获取的几种方法 智能交通监控的首要任务就是交通信息的获取，信息获取的方法多种多样， 它们各有利弊，下面对目前几种比较常见的信息获取方法作一个大致的介绍。 ( 1 ) 环路感应器通过探测金属物体在感应线圈上造成的电感量变化来检 测金属物体的存在。这是一种比较传统的信息获取方式，它的系统设计较为简 单，但是这种方法只能收集车流量等简单的信息，在很多特定的需求条件下是 不适用的。同时，由于电感线圈需要埋入地下，因此环路感应器的安装和维护 比较麻烦，并且故障率相对较高。 ( 2 ) 微波检测技术利用雷达的线性调频特性，向路面发射微波，通过对 反射波进行处理来获取车流量、车辆行驶速度、路面占有率和车型等信息。微 波检测技术是一种比较先进的技术，它的成本较低并且具有很高的可靠性，但 是识别的准确率有待提高。 ( 3 ) 无线射频识别技术( r f l d )r f i d 是一种通过无线电波做到“非接触 资料存取的技术。近年来，在国内外相关部门的大力推动下，r f i d 技术得到了 越来越广泛的应用。一个完整的r f i d 系统由识读器( r e a d e r ) ，标签( t a g ) 以及计 算机系统组成。这种系统在智能交通监控中也有着非常重要的应用，其中比较 典型的应用有高速公路的不停车收费系统、车辆证照信息管理系统等等。r f i d 技术成本较低，读取速度较快，但是这种技术必须事先在目标物体( 比如车辆) 上放置标签，这需要投入大量的人力精力，同时，此技术的精确度在一定程度 上会受到环境的影响。 ( 4 ) 视频检测技术这种技术具有非常大的的灵活性。顾名思义，视频检 测技术是一种基于图像的智能交通监控技术。一个典型的图像监控系统通常包 括图像采集、处理以及传输部分。图像所包含的丰富信息为后期的处理提供了 极大的施展空间。通过视频流或者单帧图像并结合相应的软件算法可以提取各 种各样的有用信息，例如车流量、车型、车速、道路占有率以及车牌信息等等。 本课题采用的技术就是基于这种视频检测技术的。 需要说明的是实际的应用中通常会将各种不同的智能交通监控技术结合起 来，取长补短，以进一步提高系统的可靠性，拓宽系统的应用场合。这就对系 统的设计者提出了更高的要求。 1 4 本课题研究的主要内容和重点 本人主要研究采用f p g a 作为主芯片构成的视频图像采集系统和采用单片 机作为主芯片构成路口交通灯控制系统的设计与开发任务。主要工作包括以下 几方面： ( 1 ) 对f p g a 视频图像采集系统和灯控系统提出具体的实现方案，对系统 各模块进行详细规划，构建一套以f p g a 为核心的高速图像采集系统和一套模 块化的灯控系统。图像采集系统对视频图像采集、存储后，交由后端数字信号 处理器，为进一步的图像分析奠定基础。灯控系统用来接收图像数据判断后给 出的控制命令，根据控制命令智能化的控制路口交通灯运行。 ( 2 ) 确定视频图像采集系统硬件选型，设计、改进系统硬件电路。按高速 电路设计原则对电路原理图和硬件p c b 板的设计进行改进提高，提高硬件电路 的稳定性、经济性。对f p g a 芯片采用硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 编写片内各个模块。分别编写时钟管理模块、系统时钟模块( 分频 器) 、串口控制器、译码器、三态驱动桥、总线控制器( 仲裁器) 、视频分析模 块、视频区域分割阵列、视频采样时钟倍频器等单元，并对这些模块进行了综 合编译和验证。以上工作在q u a r t u s i i 软件平台下按照f p g a 的设计流程进行开 发，q u a r t u s l i 用作代码和原理图输入以生成硬件模块。 ( 3 ) 构建用于交通灯控制的模块化灯控系统。设计其硬件电路和软件系统。 并且根据升级功能要求，设计灯控系统的扩展接口，使其能够与各种类型上位 机或者无限射频收发模块进行挂接。最后要对系统进行测试和验证。 ( 4 ) 设计适用于灯控系统的自定义智能通讯协议。该协议整体构架也用于 智能交通监控系统的各个模块之间的通讯，作为电路之间的通讯规程。 课题综合运用现代的计算机、电子、图像采集、e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ，电子设计自动化) 等技术来设计并开发道路交通监控系统中实时 视频数据采集系统以及灯控系统。 本课题研究的重点是以视频技术为主体的交通动态信息采集系统和模块化 的灯控系统。视频采集技术是便于使用、信息量大、功能全面的新型道路交通 信息检测手段，代表了交通流信息采集技术的发展方向。随着人们对它认识的 进一步增加和它本身技术的不断完善，视频交通信息采集技术有逐步取代现有 的其他方法的趋势。视频采集技术要求能够准确地采集路面交通通行情况，并 能够高速实时地进行视频图像数据的传输，所以在设计和开发时，需要采用高 速电路板设计方法保证信号的实时性和稳定性。灯控系统设计为模块化的结构， 要求能够具有简单、通用的通信接口与上位机或者其他模块进行挂接，这就需 要灯控系统的主芯片具有良好的扩展能力和技术通用性，综合考虑单片机是最 好的选择， 本课题从道路交通实时视频图像采集系统研究和交通灯控制系统的要求出 发，需要对道路交通高速实时视频图像采集和交通灯控制系统提出总体构想与 系统框图，并进行实际产品系统的研究与开发，最终目的是研制一套用于智能 北京t , j k 大学丁学硕上学位论文 交通监控领域内的、以实时视频数据采集处理系统为核心的实时视频数据采集、 传送、存储、具备可灵活升级且可扩展性强的视频图像采集系统和模块化的灯 控系统。 1 5 本章小结 本章首先通过对我国城市交通形势的介绍，指出当前我国城市道路交通问 题的紧迫性。通过分析国内外道路交通管理现状，强调了运用高科技手段解决 道路交通问题的必要性和重要性。另外本章介绍了本课题研究现状及发展以及 目前交通信息获取的几种方法。结合我国城市交通状况和实际面临的问题进行 分析，提出开发研究一种智能型道路交通信息采集系统和灯控系统。本章最后 还对该课题的主要内容、重点和完成的主要工作做了简要的介绍。 第2 章系统整体设计方案 第2 章系统整体设计方案 2 1 智能交通视频检测控制系统的应用场合 本课题所研究的内容智能交通视频图像采集和灯控系统是应用于城市道路 路口交通监控的一种自适应控制系统的一部分。通常的视频自适应系统是通过 视频摄像机作传感器，在视频范围内设置虚拟线圈而得知车辆的存在，并以此 检测车辆的流量和速度。这样就较容易与传统地埋式感应线圈控制系统相结合， 从而实现图像自适应控制。通常这种类型的系统要求在同一路口安装多个摄像 机，而且位置、角度均有一定的特殊要求，因而在安装、调试及维护方面困难 重重，且费用高昂。 本文研究的这种新型的自适应道路交通信号控制系统，只要一个摄像头与 该控制系统配合即可实现路口红绿灯自适应控制。首先由摄像头将路口视频图 像信息拍摄下来，传送给模块化的检测控制系统，由系统进行图像前端存储、 处理，然后将处理后的图像信息传送给后端模块进行图像分析判断，最后将判 断后的控制信号传送给灯控模块，控制交通的的运行。该方法克服了地感线圈 的易损坏、维护难的缺点，运用了视频点阵先进技术，克服了其他控制方式的 复杂与成本高、施工较难、稳定性不高的问题。相对来说，该系统较为容易实 现旧路口的升级改造，而且费用较低。如图2 1 所示为视频检测系统的应用示 意图。 图2 1 视频检测系统应用示意图 f i g 2 - l v i d e od e t e c ts y s t e ma p p l i c a t i o ns k e t c h 北京工业大学_ t 学硕r 1 学位论文 该视频检测系统整体采用图像处理技术实现了一套控制系统加一个摄像头 ( 也可以多个) 便可实现一个路口自适应控制的低成本方案。图像头的位置可 在路口周边的任何位置，安装高度一般在4 米到8 米就行，前提是只要能有效 监视路口的中央区域。该系统适用于城市的中小型路口。图像的采集、分析与 处理由系统中的嵌入式独立模块来完成。该视频检测系统与其他检测技术相比， 其优势在于： ( 1 ) 安装方便，不破坏路面，施工时基本不影响交通； ( 2 ) 利用多种探测器，实现不同的检测功能； ( 3 ) 探测器设置方便、灵活； ( 4 ) 可以实现大区域检测； ( 5 ) 系统采用模块化、结构化设计，可扩展性好、系统运行效率高； ( 6 ) 系统软件可以在线升级； ( 7 ) 维护方便。 该系统各个控制部件采用独立模块，模块之间用智能总线相连接，能够让 用户按功能需求自由组合与挂接控制模块，当将来有新功能模块时只要升级主 控模块的系统程序就可以支持新模块。系统由主控系统、视频图像采集系统、 流量检测分析系统、兼容交直流智能灯控系统、自适应高容错通讯协议等部分 组成。 2 2 视频图像采集系统典型方案 一个图像采集系统从原理上分主要由三部分组成：图像的获取、图像的存 储与控制、输出或显示。一般图像的获取由图像传感器来完成，例如c c d 摄像 头；然后通过模数转换单元送入图像采集系统，而图像的存储与控制、输出均 在图像采集系统中实现。上述三个部分在图像采集处理系统内部可以详细的分 成如下几部分功能：图像传感器模块、模数转换单元、图像帧缓存模块、通讯 模块、数据控制模块、图像预处理模块、外部接口模块等：如图2 2 所示。 图2 2 典型视频图像采集系统构成 f i g 2 - 2 c t i l i eo fr e p r e s e n t a t i v ev i d e oi m a g ec o l l e c t i o ns y s t e m 一8 一 第2 章系统整体设汁方案 图像采集实际上是一个光电转换过程，即将被测物体的模拟视频图像信号 转换成能被系统处理的数字图像信号。图像分析和处理过程包括图像信息存储、 特征提取和判断。该过程首先进行图像滤波以除去背景、噪声，平滑图像，提 高图像质量。然后提取用于计算被测目标的特征。最后利用模式识别等算法对 图像进行分析决策，做出判断。输出的判断结果驱动执行机构完成产品预期的 功能。 视频图像采集系统工作时，首先由c c d 摄像头摄取目标的图像信息，传送 给专用的视频a d 转换芯片，转变成数字信号，然后采用先进的硬件与软件技 术对图像信号进行各种控制、处理，来抽取目标的特征并由此实现对象参数判 断、选取等功能，最后，将得到的图像信息传送给下一步的图像高级处理器件 进行图像的分析、对比、判断，根据判断结果对控制系统发出指令，指挥执行 机构完成产品预期的控制功能。 智能交通检测中前端图像采集系统是智能交通视频检测系统的基础，采用 什么样的图像采集方式和图像数据存储、控制方式对图像后端的高级处理都有 着重要的意义，是开发中的基础和重点所在。 2 3 基于f p g a 图像采集系统与基于其他芯片系统的比较 在目前市场上的图像采集系统中，用作系统核心器件的一般有f p g a ，数 字信号处理器( d s p , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 以及特定用途集成电路( 专用 a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ；签, 片。 基于d s p 的解决方案。d s p 作为当今信号处理的主流芯片，是在原有通用 c p u 的基础上，发展改进硬件结构和指令集结构而来的。d s p 能够更好的完成 在数字信号处理的滤波、卷积和f f t 中重复出现的乘加和操作。采用d s p 处理 器虽然拥有高度流水线化的并行处理，在某些特定算法上速度很快，但是优化 运算固定有限，指令执行的顺序性不可能为众多算法提供所需的高性能。通常 需要在单板上嵌入多个d s p ，以得到必需的并行处理能力，这无疑将增加程序 资源开销和数据存储器资源开销。 a s i c 芯片与通用集成电路相比，a s i c 芯片具有体积小、重量轻、功耗低、 可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时，可降低成本。但a s i c 的 缺点在于生产周期长，非大批量应用场合，造价昂贵且功能单一，而且a s i c 一旦投入应用，构建的系统灵活性差，新的技术和算法只能重新设计芯片来实 现，这样导致a s i c 芯片通用性较差。 基于f p g a 的图像采集处理系统与核心器件为d s p 的传统图像采集处理系 统相比较，结合f p g a 和d s p 各自硬件结构的特点，具有各自的应用领域。从 北京t 业大学工学硕1 ：学位论文 图像处理算法的角度来针对两种芯片的不同应用领域进行分析，可以将图像处 理算法根据算法的复杂度和运算量作出分类。图像处理算法可以大概的分为两 种：低层信号处理和高层数据处理。图像信号处理类的低层信号处理运算主要面 向图像象素操作，核心算法部分是乘加等算术逻辑运算和最值运算、二值分割、 绝对值等非线性运算，特点是数据量大但运算简单机械，适于采用f p g a 并行 操作流水线方式实现，虽然d s p 有专用的硬件乘法器，但与f p g a 相比较，在 此类算法上，f p g a 有更大的数据吞吐量；而在目标识别和数据处理算法和控 制算法面向图像内容的高层分析、全局处理和系统控制的高层数据处理算法中， 主要是采用各种复杂计算和条件判断，适合于采用高速d s p 处理。再从总体性 能上看，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，因此几乎所有只具最简单功能的通用d s p 都不能在图像采集处理系统 中达到所需的性能要求。可编程逻辑器件f p g a 允许设计人员利用并行处理技 术实现图像信号处理算法，并且只需单个器件就能实现期望的性能。 综上所述，结合国内图像采集系统的现状，针对智能交通检测过程的特点， 我们采用f p g a 作为核心器件代替d s p 或者a s i c 芯片来实现图像采集，设计 基于f p g a 的高速高分辨率图像采集系统。f p g a 芯片不仅可以和a s i c 芯片 一样解决使电子系统小型化、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、标准产品不需测试及可实 时在线检测等一系列a s i c 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。采用f p g a 作为核心芯片，使该系统 具有极大的灵活性，为以后进一步实现视频图像的分析处理建立了良好的平台， 在此基础上还能使用f p g a 实现外围逻辑控制，提高系统的集成度。鉴于f p g a 芯片与a s i c 芯片以及d s p 芯片相比的优越性，基于f p g a 的应用方案最终被 选取。 2 4f p g a 作为图像采集核心器件的技术优点 ( 1 ) f p g a 作为当今主流的大规模可编程专用集成电路，随着v l s i ( v e r y l a r g es c a l ei c ) t 艺的不断提高，f p g a 芯片的集成规模也越来越大，它所能实 现的功能也将越来越强，可以实现系统集成，具有实现宏函数的嵌入式阵列及 实现普通功能的逻辑阵列，提供异步的“乘积项 或者“和项”构成的寄存器 的置位复位信号【2 】； ( 劲对于i o 驱动能力强的器件，可以在印刷线路板上直接驱动总线，每个 i 0 引脚都有一个独立的三态输出使能控制，从而可以方便地实现总线结构，另 第2 章系统整体设汁方案 外每个i o 引脚都有漏极开路选择，还有单独的、可编程的输出电压摆率控制 位，可配置成高摆率或低摆率输出，在速度要求低的情况下，采用低摆率可减 小印制板上线间干扰和地线上的毛刺【3 4 】： ( 3 ) 每一种器件都有多种封装，每一种封装都有多种容量的器件，且引脚 兼容，便于设计移植和升级，针对某种器件的某一种封装形式都有不同速度等 级的芯片，以满足不同速度要求的需要；时钟信号可以由器件外部输入，也可 以由内部产生异步时钟，时钟信号的有效边沿可以选择为上升沿和下降沿，提 供一定的全局网线和缓冲器，全局网线由全局缓冲器驱动，为信号提供最短的 延时和可忽略的扭曲； ( 4 ) f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投 片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境 来完成芯片的最终功能设计。所以，f p g a 的资金投入小，研制开发费用相对 较低： ( 5 ) 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不 同软件就可实现不同的功能。所以，用f p g a 试制样片，能以最快的速度占领 市场。f p g a 软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器 等全线产品，电路设计人员在较短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、 仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a 的优势； ( 6 ) 目前，大多数的f p g a 器件都具有符合i e e e1 1 4 9 1 技术规范的边界扫 描测试( j t a g ) 电路，可以方便地进行芯片和板级的测试。 随着现代工艺的发展和提高，f p g a 芯片本身的成本越来越低，被广泛应 用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 万件以下) 之中。f p g a 芯片是当 今电子设计应用的热点领域和发展趋势。 2 5f p g a 图像采集系统构成 本课题采用以f p g a 可编程逻辑器为核心器件、搭配周边辅助电路的图像 采集方案。选用f p g a 构成前端系统作为图像采集核心器件，可以实现图像处 理算法的硬件化，能够降低图像处理的时间开销。f p g a 既具有类似于软件的 灵活性，又具有接近于专用硬件的高速性，同时还有很高的性能价格比，编程 技术也相对成熟。由于f p g a 现场可编程，可以在不改变硬件设计的条件下改 变图像处理的算法，能够满足视频检测中的多种需要，使系统具有很好的适应 性。系统的整体构成框图如图2 3 所示。 其中，c c d 传感器、视频a d 芯片s a a 7 1 1 1 a 作为图像采集与刖d 转换 单元，f p g a 和两块s r a m ( s t a t i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y , 静态随即存 北京工业大学t 学硕十学位论文 取存储器) 作为图像低级处理单元构成图像预处理系统；后端d s p 数字信号处 理系统为图像高级处理检测系统。该系统有效的实现了图像低级处理的硬件化， 使图像 c c d 摄像头 视频d 转换 s r a m a 帧存储器 f p g a 现场可编程门阵 列处理器 s r a m b 帧存储器 图2 3f p g a 图像采集系统整体框图 f i g 2 3 f p g ai m a g ec o l l e c t i o ns y s t e mf r a m e 底层处理算法可以并行执行，大大减少了传输的数据量，减轻了后端图像处理 部分的负荷，提高了视频检测系统的测量速度，满足智能交通对检测系统的要 求。 f p g a 芯片内部设计实现如下几个逻辑模块：时钟管理模块、系统时钟模块 ( 分频器) 、串口控制器、移码器、三态驱动桥、总线控制器( 仲裁器) 、视频 分析模块，视频区域分割阵列、视频采样时钟倍频器；外部有f p g a 配置电路 模块。来自c c d 摄像头的视频信号，经视频芯片s a a 7 1 l l a 解码后流经f p g a 内部各个模块，完成图像的采集、变换和低级处理运算。然后通过接口送至后 端d s p 处理器进行图像高级处理，做进一步检测。由于f p g a 设计灵活、编程 方便，易于实现并行运算和流水线结构。所以f p g a 图像预处理系统执行速度 快、现场可编程，具有良好的适应性。 2 6 灯控系统总体方案说明 智能交通检测系统将路口的视频信息采集、处理后，接下来应该将处理结 果转换成控制命令控制交通管理设备。在本课题中就是控制灯控系统的运行。 后端图像处理系统 第2 章系统整体设计方案 交通灯控制系统是现代城市智能交通监控指挥系统中重要的组成部分，也称为 交通灯控制子系统。它是城市交叉路口红绿灯的直接控制模块。在现代化的城 市中，在每个交叉路口都需要使用红绿灯进行交通指挥和管理，红、黄、绿灯 的转换要有一个准确的时间间隔和转换顺序。这就需要有一个安全、自动的灯 控系统对交通灯的进行管理， 以前普通的交通灯控制器只能根据事先给定时间进行通道的通禁控制。考 虑本课题研究智能交通视频图像采集控制的要求，目的是实现交通灯的自动控 制，减少不合理的堵车现象的发生，因此设计了这种可以针对通道上车辆的密 集度来实时控制和调节此通道的通禁时间的交通灯控制系统。 传统的交通信号灯控制系统电路复杂、体积大、成本高。采用模块化的单 片机系统控制交通信号，不仅可以简化电路结构、降低成本、减小体积，而且， 控制能力强，配置灵活，易于扩展，能够根据上位机对交通流量进行监测而得 出的控制命令，方便高效地进行路口交通灯运行模式的设定。本系统设计的这 种新型交通灯单片机控制系统，就是配合上端视频图像采集处理系统，根据车 道实时流量进行交通信号控制的子系统。如图2 4 所示为灯控系统在智能交通 检测系统中的应用示意图。 f i g 2 _ 4l i g h t sc o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o ns k e t c hi ni t s 北京- t 业人学丁学硕十学位论文 本课题设计的这种灯控系统是一种稳定、高效的灯控系统模块，能够挂接 于配套的智能交通控制系统下作为下位机，根据上位机的控制要求或命令，方 便灵活地控制交通灯。与传统的交通信号机相比，该控制系统有很强的控制能 力及良好的控制接口，并且安装灵活，设置方便；模块化、结构化的设计使其 具有良好的可扩展性，系统运行安全、稳定，效率高。 2 7 本章小结 本章介绍了智能交通视频图像采集系统和灯控的整体方案以及应用场合； 比较分析了几种交通信息采集系统方案；重点分析了视频图像采集系统的架构； 说明了采用f p g a 为图像采集系统核心芯片的理由，给出了灯控系统的设计说 明和总体方案。 第3 章f p g a 图像采集系统原理及结构 第3 章f p g a 图像采集系统原理及结构 3 1 核心硬件和开