發布日期：2022-04-26 點擊率：104
0 引言
隨著我國經濟的發展，機動車輛不斷地增長，現有道路等硬件設施的增長已經滿足不了日益膨脹的交通問題，智能交通系統（Intelligent Transportation System，ITS）越來越受重視。
所謂智能交通系統（ITS）就是將先進的信息技術、數據通信傳輸技術、電子傳感技術以及計算機處理技術等有效地集成運用于整個地面交通管理系統而建立的一種在大范圍內、全方位發揮作用的、實時、準確、高效的綜合交通運輸管理系統。近年來，ITS在城市交通管理方面得到了普遍應用，在緩解道路交通、防范交通違章及事故發生等方面獲得了良好的效果。本文針對ITS應用，特別是電子警察系統的應用，提出了車輛違章視頻檢測方案，以適應ITS的發展需求。
1 電子警察系統
電子警察主要是針對機動車在路口闖紅燈這種極易造成惡性事故的交通違章現象進行自動監測記錄，做到了無人值守，不間斷監測，證據充分正確，提高交通執法的準確性和效率。傳統典型的電子警察系統通常是由系統控制、違章車輛檢測、拍攝、傳輸以及輔助配套設備等幾部分組成。
目前，一般電子警察系統主要采用環形線圈感應器、以增強型PC為基礎的工控機（IPC）平臺控制的模式。環形線圈的安裝不便、容易受損壞，IPC對室外環境的適應差等缺點，給電子警察正常穩定運行及維護工作造成極大的困難。因此，車輛違章檢測技術對電子警察的高精度、大面積推廣有很大的影響，是電子警察系統中重要的一部分，是交通管理系統中不可缺少的組成部分。
2 現有車輛違章檢測技術
車輛檢測器是交通管理系統中不可缺少的組成部分，主要是通過數據采集和設備監視等方式，向監控系統中的信息處理和信息發布單元提供各種交通參數，作為監控中心分析、判斷、發出信息和提出控制方案的主要依據。常用的交通車輛檢測器主要包括環行線圈檢測器、超聲波或微波（雷達波）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、經常用的是環行線圈視頻檢測器，但是視頻車輛檢測器與感應線圈等檢測器相比，具有如下的技術特點：
（1）視頻檢測器安裝與維護方便，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，單臺攝像機就可同時監測多個車道，從而減少傳感器的安裝數目，并可進行大范圍內的車輛跟蹤。
（3）能提供絕大多數的交通參數信息，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，是人機可讀的，還可以加以保存。從而為監控人員進行相關操作提供了參考。
3 嵌入式視頻檢測系統
根據交通違章管理的要求和系統主要功能，對交通視頻檢測系統進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行監視，捕獲的數字化視頻信息由現場進行圖像處理，再傳送到交通管理中心。同時，選取基于嵌入式系統的電子警察視頻檢測的模式來實現對傳統電子警察系統的改進，此電子警察系統的構成如圖1所示。
圖1 基于嵌入式系統的電子警察系統構成
由圖1可以看出，基于嵌入式設計的電子警察主要由三部分組成：視頻采集部分、圖像處理與系統控制部分、網絡傳輸部分。
3.1 視頻采集單元
從CCD攝像頭的光電轉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字電視信號要經過模/數（A/D）轉換過程。模/數轉換包含三個過程，即取樣、量化及編碼。其中，取樣的目的是將時間上連續的模擬信號變成時間上離散的信號，量化是將幅度上連續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制數碼。經取樣、量化、編碼所得到的數字信號即為視頻PCM 信號。
在進行視頻處理時，從攝像頭輸入模擬信號，這些全電視信號構成極為復雜，因而對視頻信號進行A/D轉換的電路也非常復雜，Philips公司將這些非常復雜的A/D轉換電路集成到了一塊芯片中，從而生產出功能強大的視頻輸入處理芯片SAA7113，為視頻信號的數字化應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，通過內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉換，輸入4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出8位“VPO”數據總線。通過設置寄存器的值，可以輸出標準的ITU-R BT656，YUV 4∶2∶2格式。
SAA7113具有雙通道模擬預處理電路，包括信號源選擇，兩個模擬抗混迭濾波器和模/數轉換器，一個自動鉗位和增益控制電路，一個時鐘發生電路（CGC），一個數字多制式解碼器，一個亮度/對比度/飽和度控制電路和一個色彩空間轉換矩陣。主要應用于多媒體、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送來的數字視頻流必須經過處理，如對數字視頻流進行解碼，識別出行、場同步信號，并根據電子警察系統要求選擇采集的圖像大小，截取每幀圖像數據等。系統控制單元根據電子警察系統的設計要求，對紅燈信號時截取的圖像數據幀進行處理，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信息，保存到系統存儲器中，并傳輸到交通管理監控中心。
一個路口的電子警察系統一般有多路視頻信號同時傳入，數據量大，實時性要求高。如果將這些視頻數據送到電子警察控制單元ARM 芯片進行處理是不現實的。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中，用作系統的核心器件一般有現場可編程門陣列（FPGA）、數字信號處理器（DSP）以及特定用途集成電路（專用ASIC）芯片。FPGA是在ASIC基礎上發展起來的，克服了ASIC不夠靈活的缺點，FPGA 芯片不僅可以和ASIC芯片一樣解決電子傳統小型化、低功耗等問題，還具有高速、高可靠性、開發周期短、質量穩定、開發軟件投入小、開發工具先進、標準產品小需測試及可實時在線檢測等一系列ASIC無法比擬的優點，而且還可以根據后期現場的需要進行現場編程，可擦寫多次，使得無論在開發過程中和后期現場調試或者增加一定的功能都十分方便，設計比較靈活；而且隨著現代工藝的發展和提高，FPGA芯片本身的成本越來越低。同時，在數字圖像處理方面，DSP更適宜于用作高層數據處理。
實時圖像采集和處理對系統性能的要求極高，數據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中達到所需的性能要求，因而更多地采用FPGA來實現。
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，實現視頻圖像采集和處理。
3.3 系統控制單元
系統控制部分是整個電子警察系統的核心，其主要工作為：
（1）獲取FPGA截取的視頻圖像，并對圖像進行處理，檢測是否有車輛違章闖紅燈的行為；（2）當有車輛闖紅燈違章行駛時，對車輛違章行為進行抓拍，并在車輛違章圖像中添加相應信息；（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公司生產的AT91RM9200微處理器。它是完全圍繞ARM920TARM Thumb處理器構建的系統。具有豐富的系統與應用外設及標準的接口，從而為低功耗、低成本、高性能的計算機寬范圍應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調試通道（DBGU）及嵌入式的實時追蹤等一系列的調試功能。這些功能使得開發、調試所有的應用，特別是使實時性限制的應用成為可能。
3.4 網絡傳輸單元
AT91RM9200內部包含了MAC以太網控制，支持媒體獨立接口（Media Independent Interface，MII）或簡化獨立媒體接口（RMII），可在半雙工或全雙工模式下提供情報10/100 Mb/s的以太網接入。以太網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MAC包括所需邏輯與DMA 管理的發送與接收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 網絡應用。
DM9161采用低功耗、高效率CMOS處理器，包含了由IEEE 802.3u規定的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 Attachment，PMA）、雙絞線物理媒體依賴子層（Twisted Pair Physical MediumDependent 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議選擇功能，提供強大的自適應支持。由于DM9161內置有波形塑造濾波器，因而不用外部擴展濾波器就能實現在100BASE-TX 或10BASE-T 媒介中傳輸信號。
DM9161通過RJ45接口，可實現與路由器或CDMAMODEM 連接。
4 結語
車輛視頻檢測是一門多種技術融合多學科交叉的綜合學科，基于嵌入式系統的違章車輛視頻檢測系統是整個電子警察系統的核心，實驗數據表明有比較高的檢測率，基于視頻的車輛檢測系統是ITS中的前端信息采集系統，有著廣泛的應用，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計。
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