基于嵌入式系統(tǒng)的違章車輛視頻檢測系統(tǒng)

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，各種汽車的數(shù)量大幅度增加，提高交通效率就顯得越來越重要。目前世界各國都投入了大量的人力和物力對智能交通系統(tǒng)(ITS)進(jìn)行研究。作為ITS的重要組成部分，電子警察系統(tǒng)在規(guī)范駕駛?cè)藛T行為、杜絕交通事故、提高交通執(zhí)法水平及道路通行能力等方面起到了重要作用。從現(xiàn)有電子警察系統(tǒng)實(shí)際存在的問題出發(fā)，在系統(tǒng)控制、車輛檢測及系統(tǒng)方面提出了自己的解決方案。概要介紹了基于嵌入式系統(tǒng)的視頻檢測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的組成架構(gòu)。
關(guān)鍵詞：電子警察系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；視頻檢測；智能交通系統(tǒng)

0 引言
    隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動車輛不斷地增長，現(xiàn)有道路等硬件設(shè)施的增長已經(jīng)滿足不了日益膨脹的交通問題，智能交通系統(tǒng)(Intellige nt Transportation System，ITS)越來越受重視。
    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)以及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個地面交通管理系統(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、準(zhǔn)確、高效的綜合交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。近年來，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機(jī)動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)行自動監(jiān)測記錄，做到了無人值守，不間斷監(jiān)測，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、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)平臺控制的模式。環(huán)形線圈的安裝不便、容易受損壞，IPC對室外環(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，車輛違章檢測技術(shù)對電子警察的高精度、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)有車輛違章檢測技術(shù)
    車輛檢測器是交通管理系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，主要是通過數(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器主要包括環(huán)行線圈檢測器、超聲波或微波(雷達(dá)波)檢測器、紅外線檢測器、視頻檢測器等。
    比較幾種檢測方法可以知道，超聲波或微波(雷達(dá)波)檢測器和紅外線檢測器使用的條件比較苛刻，使用比較少，主要用于人工檢測方式。目前最普遍的、經(jīng)常用的是環(huán)行線圈視頻檢測器，但是視頻車輛檢測器與感應(yīng)線圈等檢測器相比，具有如下的技術(shù)特點(diǎn)：
    (1)視頻檢測器安裝與維護(hù)方便，無需開挖路面，對道路交通的影響很小。
    (2)視頻車輛檢測器能檢測較大的交通場景面積，單臺攝像機(jī)就可同時監(jiān)測多個車道，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 嵌入式視頻檢測系統(tǒng)
    根據(jù)交通違章管理的要求和系統(tǒng)主要功能，對交通視頻檢測系統(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)場進(jìn)行圖像處理，再傳送到交通管理中心。同時，選取基于嵌入式系統(tǒng)的電子警察視頻檢測的模式來實(shí)現(xiàn)對傳統(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。

    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都是模擬信號，將模擬電視信號變成數(shù)字電視信號要經(jīng)過模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換過程。模／數(shù)轉(zhuǎn)換包含三個過程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時間上連續(xù)的模擬信號變成時間上離散的信號，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)字信號即為視頻PCM信號。
    在進(jìn)行視頻處理時，從攝像頭輸入模擬信號，這些全電視信號構(gòu)成極為復(fù)雜，因而對視頻信號進(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，通過內(nèi)部寄存器的不同配置可以對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，輸出8位“VPO”數(shù)據(jù)總線。通過設(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，包括信號源選擇，兩個模擬抗混迭濾波器和模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個自動鉗位和增益控制電路，一個時鐘發(fā)生電路(CGC)，一個數(shù)字多制式解碼器，一個亮度／對比度／飽和度控制電路和一個色彩空間轉(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送來的數(shù)字視頻流必須經(jīng)過處理，如對數(shù)字視頻流進(jìn)行解碼，識別出行、場同步信號，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)計要求，對紅燈信號時截取的圖像數(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)存儲器中，并傳輸?shù)浇煌ü芾肀O(jiān)控中心。
    一個路口的電子警察系統(tǒng)一般有多路視頻信號同時傳入，數(shù)據(jù)量大，實(shí)時性要求高。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)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(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)展起來的，克服了ASIC不夠靈活的缺點(diǎn)，F(xiàn)PGA芯片不僅可以和ASIC芯片一樣解決電子傳統(tǒng)小型化、低功耗等問題，還具有高速、高可靠性、開發(fā)周期短、質(zhì)量穩(wěn)定、開發(fā)軟件投入小、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品小需測試及可實(shí)時在線檢測等一系列ASIC無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以根據(jù)后期現(xiàn)場的需要進(jìn)行現(xiàn)場編程，可擦寫多次，使得無論在開發(fā)過程中和后期現(xiàn)場調(diào)試或者增加一定的功能都十分方便，設(shè)計比較靈活；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越低。同時，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)時圖像采集和處理對系統(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，并對圖像進(jìn)行處理，檢測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，對車輛違章行為進(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ARM920T ARM 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、高性能的計算機(jī)寬范圍應(yīng)用提供一個單片解決方案。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)時追蹤等一系列的調(diào)試功能。這些功能使得開發(fā)、調(diào)試所有的應(yīng)用，特別是使實(shí)時性限制的應(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10／100Mb／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 Attachrnent，PMA)、雙絞線物理媒體依賴子層(Twisted Pair Physical Medium Dependent 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。DM9161通過RJ45接口，可實(shí)現(xiàn)與路由器或CDMAMODEM連接。

4 結(jié)語
    車輛視頻檢測是一門多種技術(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系統(tǒng)是整個電子警察系統(tǒng)的核心，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有比較高的檢測率，基于視頻的車輛檢測系統(tǒng)是ITS中的前端信息采集系統(tǒng)，有著廣泛的應(yīng)用，除了用于檢測車輛違章以外，還可以用于交通流量的檢測與統(tǒng)計。