基于FPGA DSP的視頻控制的智能交通燈設(shè)計(jì)理念

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1、基于FPGA+DSP的視頻控制的智能交通燈設(shè)計(jì) 智能交通燈是未來交通管理和車流量控制的發(fā)展方向，通過它可以更高效地對交通流進(jìn)行限制、調(diào)整、疏導(dǎo)以改善通行效率、保障交通安全。 本設(shè)計(jì)通過綜合目前各種交通燈的利弊，針對國內(nèi)車輛種類多、隨機(jī)性大、影響因素多等實(shí)際情況，提出1套完整的新型的基于視頻監(jiān)控的智能交通燈設(shè)計(jì)方案，該交通燈由視頻采集、圖像處理和控制模塊組成，使用FPGA核心搭建專用高速視頻采集模塊，使用DSP處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像運(yùn)算，通過圖像算法提取車流量信息，最終結(jié)合模糊算法實(shí)現(xiàn)智能控制。 1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)完成了1種新型智能交通燈的設(shè)計(jì)，分為視頻采集模塊、視頻分析模塊和控制模塊

2、3部分，該系統(tǒng)把精簡性、高效性、智能性和實(shí)用性進(jìn)行了極大的集成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。視頻采集模塊以FPGA為核心，其高速并行的邏輯運(yùn)算能力用于控制CMOS圖像傳感器的時(shí)序，并高效地存儲和傳輸圖像數(shù)據(jù)。 圖1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖像處理模塊以DSP為核心，其豐富的硬件運(yùn)算部件和加強(qiáng)的CPU多總線結(jié)構(gòu)用來實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)、分析交通流量狀態(tài)。 控制模塊主要由軟件控制算法和DSP端口組成，這種預(yù)留的控制接口外接上不同的驅(qū)動電路即可控制不同規(guī)格的信號燈。 2、視頻采集模塊 視頻采集模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)模塊以FPGA為核心，外圍擴(kuò)展了CMOS圖像傳感器以及SDRAM存儲器。 圖

3、2 視頻采集模塊結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器OV7660的控制信號端和數(shù)據(jù)信號端直接與FPGA相連，通過近400個(gè)狀態(tài)機(jī)精確完成OV7660各類指令的時(shí)序操作。為了協(xié)調(diào)各模塊的處理速率，采集過程以幀為單位對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在SDRAM中開辟緩存空間存儲當(dāng)前幀和前一幀，在當(dāng)前幀寫入的時(shí)候進(jìn)行前一幀讀取。 DSP通過EMIF接口將FPGA模擬為外部SRAM進(jìn)行圖像幀的讀取。使用定時(shí)器控制DMA將圖像數(shù)據(jù)送入圖像處理模塊。 該信號鏈路精簡高效，極大地發(fā)揮了FPGA時(shí)序控制優(yōu)勢，并通過優(yōu)化緩存方案提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，為后端圖像數(shù)據(jù)分析打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 3、圖像處理模塊 車流檢測是智能交通

4、系統(tǒng)的重要組成部分。通過視頻圖像來分析車流相比其他方式具有更大的優(yōu)勢，如成本低、系統(tǒng)精簡、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等。圖像處理模塊的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)前景分離，即分離出靜止的背景和相對運(yùn)動的車輛。 傳統(tǒng)的運(yùn)動目標(biāo)檢測方法有光流法、幀間差分法和背景差分法。背景差分法是目前最常用的1種前景檢測方法，背景差分法通過當(dāng)前幀減去背景參考幀，然后對差分圖像選擇合適的閾值二值化后，就得到了運(yùn)動目標(biāo)。 背景差分法檢測運(yùn)動目標(biāo)的效果在很大程度上取決于背景圖像的質(zhì)量。背景圖像會隨著光照和其他因素而變動，背景差分法的關(guān)鍵在于找到1個(gè)背景模型的自適應(yīng)更新算法。本系統(tǒng)采用均值法獲取初始背景圖像，利用卡爾曼濾波原理建立背景模型

5、，OTSU算法進(jìn)行圖像的二值化分割。圖像處理模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。 圖3 ?視頻圖像處理流程 3.1、幀灰度化 DSP從雙口RAM中讀到16位RGB565格式的彩色圖像數(shù)據(jù)，為了提高圖像處理的速度同時(shí)保留圖像的大部分細(xì)節(jié)，可以提取圖像中的亮度信息，將圖像轉(zhuǎn)換為YUV格式。其中亮度信息： 處理效果如圖4（b）所示。 3.2、去噪 攝像頭采集到的原始圖像通常包含椒鹽噪聲和白噪聲。椒鹽噪聲是由傳感器，傳輸信道等引起的噪點(diǎn)，白噪聲是頻率意義上的隨機(jī)信號干擾，服從高斯分布。為了提高后續(xù)處理效果，必須對原始圖像進(jìn)行去噪處理。去噪操作同時(shí)會一定程度降低圖像質(zhì)量，所以在方法選擇上應(yīng)適度權(quán)

6、衡。 本系統(tǒng)采用3x3滑動窗口中值濾波進(jìn)行去噪處理，其去噪效果明顯且能較好保存圖像邊緣。雖然中值濾波執(zhí)行效率一般，但經(jīng)優(yōu)化后對實(shí)時(shí)性影響甚微。 將3x3的數(shù)據(jù)序列分為3組分別排序，獲得最大值組、中值組、最小值組，然后在最大值組的最小值、中值組的中值和最小值組的最大值3個(gè)值中取中值，結(jié)果即為序列的中值。處理效果如圖4（c）所示。 3.3、背景提取與更新 常用的目標(biāo)檢測算法主要有：光流法、幀差法、背景差分法。光流法計(jì)算復(fù)雜度高，主要用在有硬件支持和場合;幀差法運(yùn)算速度快且適應(yīng)性強(qiáng)，但對于不同速度的物體容易出現(xiàn)前景空洞現(xiàn)象，影響準(zhǔn)確性;背景差分法的核心思想為分離靜態(tài)背景和動態(tài)前景，通過背景幀

7、和當(dāng)前幀個(gè)像素的差分來提取前景。 本系統(tǒng)采用卡爾曼濾波思想建立背景模型，提取和更新背景?？柭鼮V波是根據(jù)過去的信號，利用統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論，并使用線性最小均方誤差作為最優(yōu)準(zhǔn)則，預(yù)測將來某個(gè)時(shí)刻的值。初始背景通過多幀平均求得。背景更新的迭代公式為： 式中：B（x，y，t）為當(dāng)前背景，B（x，y，t+1）是對下一幀背景的預(yù)測，I（x，y，t）是輸入圖像，M（x，y，t）是前景的二值化圖像，TH為分割閾值。根據(jù)卡爾曼濾波理論，以上計(jì)算將預(yù)測值和1個(gè)相關(guān)項(xiàng)來計(jì)算出新的背景估計(jì)。背景提取效果如圖4（d）所示。 3.4、前景提取及增強(qiáng) 二值化操作由差分圖像獲取前景目標(biāo)，由于光線和環(huán)境因素的影響，固定

8、閾值法不能適應(yīng)多變的現(xiàn)場，本系統(tǒng)采用OTSU方法進(jìn)行自適應(yīng)閾值分割。OTSU方法的基本思想是選取的最佳閾值T應(yīng)該使得不同類之間的分離性最好。 經(jīng)典OTSU方法法在沒有前景或者前景與背景灰度較接近時(shí)，閾值會趨近極小值而出現(xiàn)誤判。對此本系統(tǒng)將差分圖像進(jìn)行灰度拉伸，即將每個(gè)像素的灰度值擴(kuò)大一定倍數(shù)，加大背景和前景的灰度差，便于對黑色車輛的分割;同時(shí)對閾值下限進(jìn)行處理，以避免沒有車輛時(shí)出現(xiàn)誤判。二值化效果如圖4（e）所示。 圖4 ?視頻圖像處理效果 由于一些不定因素的影響，二值圖中存在以下2點(diǎn)缺陷：一是背景環(huán)境中有噪點(diǎn)干擾;另一是前景未提取完全，存在空洞現(xiàn)象。為了彌補(bǔ)以上缺陷，使后續(xù)模塊能更

9、好的得到車流信息，使用形態(tài)學(xué)方法來增強(qiáng)二值圖像，針對白色像素，先膨脹后腐蝕，即可消除一定大小范圍內(nèi)的背景噪聲和前景空洞。膨脹和腐蝕像素范圍都設(shè)置成2時(shí)的結(jié)果如圖4（f）所示。 3.5、提取車流信息 本系統(tǒng)需要得到的車流信息為紅燈時(shí)每一相位上等待的車流量和綠燈時(shí)每一相位通行的車流量，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行交通燈的智能控制。紅燈時(shí)每一相位等待的車流量通過統(tǒng)計(jì)二值圖像中前景的面積，根據(jù)相應(yīng)的上下限范圍得到車流量。 綠燈時(shí)每一相位通行的車流量通過分析警戒線后矩形區(qū)域內(nèi)二值圖像的面積變化得出。當(dāng)矩形內(nèi)前景面積由小到大大于某一閾值再減小視為檢測到一輛車通過。 4、交通燈的模糊控制 對單交叉口的信號燈進(jìn)行控制，主要是尋找最佳信號周期和各相位的綠信比，使交叉口排隊(duì)長度盡可能短，車輛平均延誤盡可能小。 模糊控制器的輸入此時(shí)為紅燈相位上等待的車流量和綠燈相位上通行的車流量，輸出為下一周期亮紅燈的時(shí)間。車流量的模糊集合取5個(gè)等級，隸屬函數(shù)如圖5所示。模糊規(guī)則的制定原則是使通行的車流量最大，同時(shí)使等待的時(shí)間不至于過長。模糊規(guī)則如表1所示。 圖5 ?車流量隸屬函數(shù) 表1模糊控制規(guī)則 5、結(jié)論 本設(shè)計(jì)以FPGA為核心搭建專用高速視屏傳輸通道，通過DSP實(shí)時(shí)視頻處理得出車流信息，再通過模糊控制原理生成單相交通燈控制字，實(shí)現(xiàn)交通燈的智能控制。