嵌入式視頻檢測電子警察設(shè)計(jì)方案(初步稿)

1、嵌入式視頻檢測電子警察設(shè)計(jì)方案（初步稿） 鄒托武2009-03-14目錄1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)31.1.前言31.2.系統(tǒng)簡介31.3.設(shè)計(jì)依據(jù)51.4.設(shè)計(jì)目標(biāo)與原則61.5.系統(tǒng)原理71.6.系統(tǒng)的組成101.7.系統(tǒng)功能101.8.系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)11隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，城市的人口和機(jī)動(dòng)車擁有量也在急劇增長，交通流量日益加大，交通擁擠堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，交通事故時(shí)有發(fā)生。交通問題已經(jīng)成為城市管理工作中的首要問題，阻礙和制約著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展。因此，深入研究解決城市交通問題有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。要解決城市交通問題，就必須準(zhǔn)確掌握交通信息。目前國內(nèi)常見的交通信息采集方法有人工監(jiān)測、地埋感應(yīng)線圈、

2、超聲波探測器、紅外線檢測以及視頻檢測等方法，其中，視頻檢測方法以其操作直觀靈活、安裝簡便、維護(hù)容易、費(fèi)用低、檢測范圍廣等特點(diǎn)，比其他方法更具優(yōu)越性。 交通視頻檢測系統(tǒng)是一種利用圖像處理技術(shù)對交通目標(biāo)檢測和識別的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。通過對道路交通狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)路段上行駛機(jī)動(dòng)車數(shù)量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，行駛車輛速度和車輛類別等交通參數(shù)的自動(dòng)計(jì)算操作，達(dá)到監(jiān)測道路交通狀況，采集有關(guān)交通參數(shù)信息的作用。同時(shí)，將檢測到的交通信息存儲(chǔ)起來，為分析和管理交通提供依據(jù)，并且可以同時(shí)捕捉違章車輛。國內(nèi)外情況簡介:視頻檢測技術(shù)的應(yīng)用始于二十世紀(jì)七十年代末。在美國聯(lián)邦公路管理局的資助下，加州jet propulsion實(shí)驗(yàn)

3、室于1978年開始嘗試使用視頻技術(shù)來檢測車輛的運(yùn)行，并取得了初步的進(jìn)展。此后，歐美其它國家及日本等國相繼展開了對視頻檢測技術(shù)的研究，一些視頻檢測系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。其中，比較有代表性的是由明尼蘇達(dá)大學(xué)研制開發(fā)并逐漸投入應(yīng)用的autoscope視頻檢測系統(tǒng)(iss公司是目前國際上視頻檢測交通上的老大擁有二十多年的its方面的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并且有一系列產(chǎn)品，從中我們可以學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念)。伴隨著視頻檢測在交通管理控制應(yīng)用范圍的增大，一些針對各種視頻檢測設(shè)檢測系統(tǒng)的評價(jià)研究也相繼展開，為視頻檢測技術(shù)的與發(fā)展提供了寶貴的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)及改進(jìn)的策略與方向。二十一世紀(jì)，在研究界、企業(yè)界和交通管理部門的共同努力下，視頻

4、檢測技術(shù)日趨成熟，逐漸取代傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈、雷達(dá)等檢測技術(shù)，成為實(shí)際交通管理工作中獲取交通息的重要來源與手段。同時(shí)，韓國漢城奧林匹克高速公路、紐約gwanus快速路、香港機(jī)場隧道等諸多的成功應(yīng)用實(shí)例，使視頻檢測技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注。由于我國在視頻檢測技術(shù)的研究應(yīng)用方面起步較晚，所以還處于初步的嘗試階段。盡管國內(nèi)高德威智能交通系統(tǒng)有限公司、深圳神州交通系統(tǒng)有限公司、北京漢王等企業(yè)推出了視頻檢測的產(chǎn)品，美國autoscope視頻檢測系列產(chǎn)品也在國內(nèi)開始推廣，視頻檢測技術(shù)的市場占有率仍然很低。影響推廣的主要因素包括：(1)初期設(shè)備投資高，要求用戶有較高的經(jīng)濟(jì)承受能力；(2)產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和規(guī)模

5、有待提高；(3)公路管理者認(rèn)識上的局限性等。但是應(yīng)該看到，隨著視頻檢測產(chǎn)品的不斷完善，視頻檢測技術(shù)必將以其獨(dú)有的優(yōu)勢與先進(jìn)性，成為我國公路交通管理系統(tǒng)乃至智能交通系統(tǒng)的生力軍。（特別是針對目前金融危機(jī)，我國出臺經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃未年幾年內(nèi)要投入2000億資金發(fā)展交通行業(yè)，因此視頻檢測產(chǎn)品在未來具有相當(dāng)好的前景）根據(jù)市場現(xiàn)狀現(xiàn)在的視頻檢測電子警察實(shí)施方案，仍然是兩種主要的情況：一種是以路口工控機(jī)為主體的實(shí)現(xiàn)模式為：數(shù)字視頻攝像機(jī)+視頻檢測圖像卡+工控機(jī)。該方案以工控機(jī)為核心，配備攝像機(jī)、視頻圖像采集卡、調(diào)制解調(diào)器/gprs、硬盤等，采用虛擬線圈取代地感線圈，在信號機(jī)提供的紅燈信號配合下，實(shí)現(xiàn)一個(gè)路口多

6、至四個(gè)方向的闖紅燈違章監(jiān)測。對每個(gè)違章闖紅燈的車輛實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)、近景抓拍圖像，作為違章證據(jù)，并通過多種通訊方式將抓拍的圖像傳送到監(jiān)控中心。另一種是利用嵌入式是一體化抓拍單元、數(shù)字視頻攝像或拍照單元、車輛檢測單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、紅綠燈信號監(jiān)測單元組成，主機(jī)通過地感線圈與車檢器的檢測及紅綠燈信號來對過往車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)抓拍。利用嵌入式系統(tǒng)替代前端工控主機(jī)。這兩種方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，工控機(jī)方案利用市場上成熟的工控機(jī)、圖像采集卡可以非常方便的搭建起系統(tǒng)，采用上位機(jī)編程方式例如vc就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的采集平臺，工作主要集中在上位機(jī)編程，利用圖像的方式抓拍違章車輛主要依靠圖像算法的先進(jìn)性。嵌入式平臺依靠成熟的車道

7、上的車輛檢測單元，對違章車輛的捕捉相對可靠，嵌入式平臺對環(huán)境適應(yīng)性好，結(jié)構(gòu)簡單成本相對低，但安裝并不方便由其是針對四方向多車道時(shí)候并不能有效的降低成本，而且功能相對單一沒有升級的能力。針對上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我在這里提出一種全新的純嵌入式方案，利用ti公司的專門視頻處理芯片dm642來完成視頻處理功能也就是利用數(shù)字圖像判別車輛違章的捕捉，利用專門cpu（如idt79rc32k438）或者arm來完成網(wǎng)絡(luò)、圖片處理存儲(chǔ)、以及dsp管理功能與通訊功能。在系統(tǒng)中每一路方向由一個(gè)dm642來完成判別，每路方向的dsp通過pci橋相互與cpu聯(lián)接，cpu訪問每路dsp并且通過pci橋從dsp的緩存中收

8、取捕捉下來的闖紅燈圖片。cpu可以一方面緩存在自己的nand flash中或者ata的硬盤中，在特定的時(shí)間通過網(wǎng)絡(luò)把圖片上傳給監(jiān)控中心?，F(xiàn)分別針對這個(gè)嵌入式系統(tǒng)來詳細(xì)描述一下系統(tǒng)構(gòu)成。一、 電子警察整體：本系統(tǒng)采用視頻信號作為觸發(fā)源,它的工作原理為:在路口每一方向安裝一個(gè)全景攝像機(jī),全天候監(jiān)視著路口行駛的車輛；如果有車輛進(jìn)入基于dsp視頻圖像檢測處理模塊所設(shè)置的虛擬線圈中,就會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)，該觸發(fā)可以傳遞給前端攝像機(jī)，并且開啟dsp實(shí)時(shí)跟蹤車輛系統(tǒng)；同時(shí)，dsp系統(tǒng)不斷地檢測交通參數(shù)（具體指車速、車流量、車型）并保存；當(dāng)機(jī)動(dòng)車違反交通規(guī)則即闖紅燈時(shí)，dsp系統(tǒng)馬上就會(huì)控制全景攝像機(jī)進(jìn)行連續(xù)一系列的

9、違章過程及全景環(huán)境認(rèn)證拍照,近景攝像機(jī)進(jìn)行車牌特寫拍照，將所拍得的相片存儲(chǔ)，并且利用空閑時(shí)間對存儲(chǔ)圖片進(jìn)行jpeg壓縮，隨時(shí)提供給cpu系統(tǒng)。通過cpu控制系統(tǒng)將抓拍到的違章圖片和交通參數(shù)通過光纖(或ptsn,isdn,ddn,gprs無線傳輸)傳送到指揮中心,為管理部門進(jìn)行違章處罰和交通數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。視頻電子警察系統(tǒng)由三大部分組成，即前端嵌入式檢測系統(tǒng)（包括多路dsp及cpu）、中心計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。用下圖來說明實(shí)例:一個(gè)方向雙車道交通信號 近景攝像機(jī)1光端機(jī) 嵌入式視頻檢測處理器 全景攝像機(jī) 近景攝像機(jī)2光端機(jī) 違章處理單位公安網(wǎng) 車管所服務(wù)器一個(gè)方向四車道近景攝像機(jī)1交

10、通信號近景攝像機(jī)2 嵌入式視頻檢測處理器 全景攝像機(jī)近景攝像機(jī)3前端系統(tǒng)部分 近景攝像機(jī)4全景攝像機(jī)近景攝像機(jī)（抓拍車牌）15米人行橫道停止線虛擬線圈四方向的安裝示意范圖：本系統(tǒng)的特點(diǎn):1、不用破路用“視頻檢測”方法，只需在初始本底圖片上設(shè)置虛擬線圈（在這里我還在考慮是否能實(shí)時(shí)修改虛擬線圈的設(shè)置,在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)很有作用，根據(jù)每路方向上攝像機(jī)安裝的不同會(huì)造成虛擬線圈的設(shè)置的差異，具體虛擬線圈算法思路會(huì)在下面詳細(xì)介紹）進(jìn)行車輛信號觸發(fā)，抓拍全景和近景照片，不須在道路上施工安裝電感線圈。2、維護(hù)方便系統(tǒng)的維護(hù)，不用更換線圈，不用破路，不會(huì)影響交通，延長了路面壽命，減少工程量,嵌入式系統(tǒng)工作穩(wěn)定不會(huì)經(jīng)常

11、出現(xiàn)死機(jī)或損壞現(xiàn)象并且由于功耗相對工控機(jī)方面要小的很多，對使用環(huán)境也沒有太大的要求，在這里我主張盡量使用工業(yè)級芯片確保嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定。3、使用壽命長虛擬線圈的壽命無限長，可無數(shù)次設(shè)置和使用，根據(jù)環(huán)境的改變或者是道路狀況的改變，操作人員可以通過本底圖片或者現(xiàn)場視頻進(jìn)行更改虛擬線圈從而修正系統(tǒng)。4、設(shè)置靈活視頻檢測區(qū)的大小、數(shù)量和位置，通過遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)屏幕可以方便、靈活地對相關(guān)路口設(shè)定。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心設(shè)置的數(shù)據(jù)文件可以通過網(wǎng)絡(luò)回傳給cpu起到配置文件的作用，從而影響dsp的工作。5、排除干擾使用圖像匹配算法及道路區(qū)域特征、運(yùn)動(dòng)識別的判斷，有效濾除檢測區(qū)域內(nèi)的行人、自行車以及燈光等形成的干擾。6、適合

12、多相位系統(tǒng)按多相位或箭頭指示燈的多種組合，形成闖紅燈的取證判據(jù)，正確區(qū)分左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)的行車路線。在系統(tǒng)中必須存在與信號燈主機(jī)對接的模塊，用以區(qū)分各個(gè)方向不同車道的紅綠燈的情況，通過串口發(fā)送指令給cpu去解析，從而給dsp發(fā)出不同處理指令。7、遠(yuǎn)程控制：前端系統(tǒng)自診斷獲得路口拍攝現(xiàn)場設(shè)備故障信息（每個(gè)嵌入式模塊具有判別連接的攝像機(jī)的工作情況好壞，因攝像機(jī)是安裝在桿子上的全天侯工作非常容易出現(xiàn)各種異常情況）反饋到中心計(jì)算機(jī)，便于組織維修；中心計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)遙測路口攝像機(jī)的工作狀態(tài)，檢測信號燈及虛擬線圈信號；中心計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)，對前端系統(tǒng)主機(jī)的日期、時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置；8、多種獲取數(shù)據(jù)方式單點(diǎn)應(yīng)

13、用：現(xiàn)場嵌入式系統(tǒng)具有一定的存儲(chǔ)圖片能力至少能保儲(chǔ)三天左右時(shí)間的闖紅燈圖片，并且可以不通過網(wǎng)絡(luò)讀取。聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用：遠(yuǎn)程傳送按光纖、ptsn、isdn、ddn、gprs無線傳輸?shù)榷喾N方式選用，實(shí)現(xiàn)路口和中心兩端的數(shù)據(jù)傳輸。9、交通參數(shù)檢測：實(shí)現(xiàn)主要三種交通參數(shù)檢測：車型分類、車流量檢測、車速檢測。10、可擴(kuò)展性好。能夠在條件具備的情況下，檢測跨越中心線行駛、逆向行駛、違章停車、臨時(shí)變道、超速行駛、視頻監(jiān)控和實(shí)時(shí)錄像等功能； 根據(jù)闖紅燈自動(dòng)記錄系統(tǒng)通用技術(shù)條件的學(xué)習(xí),提出了對本系統(tǒng)的的技術(shù)指標(biāo)： 自動(dòng)抓拍響應(yīng)時(shí)間： 95 照片有效率：85%，即指抓拍到的圖像可使用率 照片正確率：100%，即指抓拍到可

14、有效使用的照片能夠100%作為執(zhí)法處罰的證據(jù) 圖像分辨率不低于768576 拍照監(jiān)視區(qū)域路面最小光照度：0.5 lx 連續(xù)抓拍車輛的間隔時(shí)間： 1s 前端系統(tǒng)可暫存至少3000張違章圖片 車型分類：對100輛車的分類差異 =threshold，這里i = 0,1.l-1,l為相應(yīng)的虛擬線圈的塊數(shù)。threshold為設(shè)定的mad閾值，根據(jù)白天與晚上分別取相應(yīng)的值。對發(fā)生變化的塊計(jì)數(shù)完后，根據(jù)最后的計(jì)數(shù)值來判定圖像在虛擬線圈區(qū)域的變化是不是由運(yùn)動(dòng)車輛引起的，如果改變的塊數(shù)與總線圈塊數(shù)之比大于一定的百分比，則認(rèn)為有車輛經(jīng)過。整個(gè)流程用自定義的三步法來判斷。敘述如下：第一步：首先匹配第一層線圈是否產(chǎn)

15、生變化，用來判斷車輛是否已經(jīng)開到停止線上來。如果第一層線圈沒有就化，繼續(xù)執(zhí)行第一步，否則進(jìn)入第二步。第二步：匹配第二層線圈，判斷車輛是否已經(jīng)行駛在斑馬線上。如果第二層沒有變化，則回到第一步，不然進(jìn)入第三步過程。第三步：通過對第一層線圈的匹配及第一層線圈的特征分析，和匹配第二層線圈，用來發(fā)現(xiàn)車輛是否以開過第一層線圈既停止線，并且還在繼續(xù)的運(yùn)行。如果第一層線圈不變化以及第一層線圈里的亮度值與色度值保持在一定的范圍內(nèi)，并且第二層線圈有變化，則說明了有一個(gè)闖紅燈的過程發(fā)生，保存相應(yīng)的三個(gè)過程的圖片。不然回到第一步判斷過程。闖紅燈檢測程序算法流程參數(shù)及變量定義和初始化 遠(yuǎn)景和近景圖象分配內(nèi)存 進(jìn)入檢測循

16、環(huán)：while(1)讀取兩幅遠(yuǎn)景及所有需檢測近景 車道循環(huán)：for(i=0;ilane;i+)，所有車道循環(huán)完畢返回到檢測循環(huán)檢測紅綠燈：紅燈則檢測，綠燈則進(jìn)入下一個(gè)車道。按照信號三分量來區(qū)分車道，我們設(shè)定第一車道對應(yīng)左轉(zhuǎn)信號，最后一個(gè)車道對應(yīng)右轉(zhuǎn)信號，中間的所有車道對應(yīng)直行信號 綠燈或者該車道不檢測 綠燈時(shí)檢測標(biāo)志位復(fù)位 檢測該車道且對應(yīng)信號為紅燈根據(jù)抓拍圖片數(shù)標(biāo)志確定執(zhí)行下列哪一步：switch(flagi)，i為車道號 loop flagi= 0 flagi=1 flagi=2 匹配第一層線圈匹配第二層線圈匹配第一層線圈 動(dòng)則返回匹配第二層線圈變化達(dá)到閾值否變化達(dá)到閾值否 loop no

17、 yes yes no白天檢測停止線（如果路面燈光條件不好晚上在近景圖片中檢測尾燈）匹配第一層晚上判斷是否是燈光的影響保存第二張圖片標(biāo)志flagi置2 一層不動(dòng)，二層動(dòng)且白天有停止線（晚上有尾燈）變化很小返回到loop，否則延遲，延遲次數(shù)超過4，刪除圖片標(biāo)志置0返回loop loop yes no loop保存第一張圖片標(biāo)志flagi置1滿足且是紅燈則抓第3張立即切換到近景抓第4張否則延遲，次數(shù)過多flag標(biāo)志復(fù)位，返回 loop對于闖紅燈檢測系統(tǒng)調(diào)試的重點(diǎn)在檢測程序部分，首先要合適的設(shè)置好虛擬線圈和道路參數(shù)，特別是兩層虛擬線圈的位置，因?yàn)樽罱K檢測時(shí)是依靠線圈的位置來啟動(dòng)抓拍的時(shí)機(jī)，兩層的位置

18、根據(jù)系統(tǒng)采用切換卡的特性，不能設(shè)置的相對太高，應(yīng)該保持在實(shí)際的4到5米左右。在啟動(dòng)檢測程序前，先啟動(dòng)一下信號燈檢測程序，看信號燈的信號是否能正確的接收。各種設(shè)置完成后，就可以啟動(dòng)抓拍程序，因?yàn)閷?shí)際的路面情況是相當(dāng)繁雜的，在紅燈狀態(tài)下時(shí)常有一些逆行或者人行、陰影的干擾，這時(shí)我們在抓第一張時(shí)，不僅僅只判斷第一層線圈的變化，還要判斷第二層不要產(chǎn)生變化，同時(shí)要保證停止線模型產(chǎn)生了變化（用來防止陰影或者是攝像機(jī)閃爍產(chǎn)生的干擾），保證變化的趨勢是向前動(dòng)作的。在抓拍第二張的過程中，首先要判斷第二層的虛擬線圈發(fā)生變化超過閾值，而且為了防止兩輛車連續(xù)逆行而對程序的干擾，在判斷完第二層變化后，把第二層線圈的位置向前移動(dòng)20個(gè)像素，判斷這一層的變化值，如果車輛是向前移動(dòng)闖紅燈的話，這一層的變化不大，但如果是逆向來的車，這一層也會(huì)發(fā)生變化，由于要合理的捕捉到車牌，相對而言第三張捕捉的過程要繁雜些，首先要保證車輛車尾開到了斑馬線附近，因?yàn)榈谝粚拥木€圈此時(shí)的變化應(yīng)該很小，我們在處理時(shí)適當(dāng)在這里把第一層線圈的位置前移5到10個(gè)像素，然后還要判斷停止線模型，停止線模型也是在虛擬線圈設(shè)置時(shí)設(shè)計(jì)好的（停止線因?yàn)槭且桓儼椎挠幸欢?/p>