摘要:随着道路车辆的日渐增多,超速而引起的交通事故数量不断上升,对超速检测系统的要求越来越高,针对目前超速抓拍系统存在的一些问题,提出了一种基于达芬奇6446和3G无线通信技术的新型超速抓拍系统,以达芬奇的ARM核心作为,并搭配嵌入式Linux操作系统,采用达芬奇的DSP处理器进行高速的图像处理,开发了应用程序,并在实际应用中验证了该方案的可行性。
关键词:超速抓拍;达芬奇;嵌入式Linux;3G无线通信;S3雷达
中图分类号:TP391.4 文献表示码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2740-02
Design and Impliment of DaVinci-based Detection Over Speed Snapping System
GAO Xu, JIA Man-lei
(Nanyang Institude of Technology, Nanyang 473004, China)
Abstract: With more and more vehicles on road, the number of traffic accidents caused by speeding is rising, that makes increasing demands of speed detection systems. Take account to the problems of current systems, bring up the DaVinci6446 and 3G based over speed snapping system, which depends on DaVinci"s ARM core drived by an embedded Linux operating system, as the central control module, which uses DaVinci"s DSP to achieve high-speed image processing. Develop the application, and the verify of the application is feasible in practice.
Key words: over-speed snapping; DaVinci; embedded Linux operating; third generation wireless comunication; Stalker Speed Sensor Radar
随着社会的快速发展,车辆的数目在急剧增加,道路交通已经成为最重要的地面运输方式,交通事故不断上升,超速而引发的交通事故尤为严重。要维护道路交通安全,仅靠有限的警力很难做到,必须向科技要“警力”,而建设“超速抓拍”系统是道路交通管理的必然趋势。
然而目前的超速抓拍系统,大多采用工控机作为控制模块,用有线网或局域无线网络通信,用硬盘存储超速车辆数据,设备暴漏在恶劣的外部环境中,容易导致工控机死机,不能保证24小时连续工作,并且在没有有线网的道路上通信难以实现[1]。
鉴于目前系统存在的问题,同时考虑嵌入式系统的数字信号处理能力有限,本文提出了一种基于达芬奇DM6446以及3G无线通讯技术的新型超速抓拍系统。
1 系统组成
本系统主要由视频背景重建模块、前端抓拍控制模块、无线传输模块和中央控制模块四部分组成:1)背景重建模块:通过达芬奇DM6446的高速视频端口从相机读取视频帧,并通过达芬奇的DSP高速处理器进行基于像素的背景帧统计,重建背景;2)前端抓拍模块:前端抓拍模块通过美国S3警用雷达检测来往车辆速度,超速时,将前景和背景比对来检测车辆到达相机视野的合适位置,处理并保存当前图片;3)无线传输模块:无线传输模块负责及时准确的将违章数据从前端抓拍模块传输到远程交通指挥中心;4)中央控制模块:中央控制模块负责协调各模块的数据传输,并负责各模块协调、并行运行,如图1所示。
2 视频背景重建模块
现有视频运动检测所使用的背景减法,它需要建立一个称为背景的参考帧。建立背景时,每个像素都被单独对待,通过在每个像素上建立该像素的背景模型,从而建立并维持了一幅背景参考帧,本文采用能更全面更准确地描述背景的高斯混合背景模型法重建背景[2-3]。
整个视频背景中的每个像素点背景重建算法如下算法所示:
输入:一个背景点(x,y)处以往历史序列X及该点待检测的灰度值Xt,其中Xi,i=1,2,…,m;
输出:该点是否要加入背景点(x,y)的统计序列中;
步骤1:若概率查找表LookupTab不存在就建立并初始化为空,如果概率阈值threshold不存在,则赋以事先配置的值,例如0.8。
步骤2:计算当前像素灰度值|Xt-Xi|,记为V。
步骤3:在查找表中查找有无入口为V所对应的概率值,如果有则取出该点的统计概率并记为Pxt转步骤6;
步骤4:根据式子计算,其中,m为所有|Xi-Xi-1| 的中值。
步骤5:将Pxt根据V作为入口插入到查找表中(查找表以V的值作为哈希入口)。
步骤6:计算Flag = Pxt>threshold。
步骤7:如果Flag为真值,则认为本像素点属于背景像素,需要添加到背景序列X中,m增加一,同时更新背景模型,包括方差和均值,否则属于前景像素,不添加到背景序列X中。
当当前帧的每个像素点都经过本算法处理,就重建了剔除前景运动物体后的真实背景。
3 前端抓拍模块
前端抓拍模块由两个视频中的虚拟线圈检测器和速度检测器构成。当速度检测器从雷达获得了实时车辆速度数据,并判断满足限速条件时,则将当前视频帧和即时背景进行差运算,得到前景帧,判断前景帧中的车辆位置是否在虚拟线圈范围之内的合适位置,若是则此违章车辆已经落入了当前相机的视野之内,则进行当前帧图片的处理和保存,并传递给无线传输模块进行传输。
4 无线传输模块
无线传输模块主要考虑如下几点:传输速度,传输距离,抗干扰能力,功耗,性价比等。在本系统中,虽然要求传输的是图片和少量的通信信息,但由于前端抓拍模块可以将拍摄到的违章照片事先存储起来,并不要求实时性,因此对传输速度要求不高,对于传输距离,在实际应用部署中,前端机与交通控制中心距离较远。综合以上几点考虑,本系统在设计中采用了华为EC1260 3G EVDO无线3G通讯模块,使用中国电信evdo网络,CDMA 2000 1xEV-DO(3g)制式,下行3.1Mbps,上行1.8Mbps,频率800MHz,只要有中国电信基站的地方都可以使用,无需考虑距离问题,满足了系统要求。另外该模块采用usb2.0 host接口,在Linux操作系统内核2.6.18以上可以使用,内核定制时候支持本模块即可,简化了系统设计。
5 中央控制模块
5.1 硬件结构设计
今年来,超速抓拍系统多采用工控机,软件系统多采用Windows或Linux操作系统,存在实时性差,易死机,采用的CPU发热量大,难抗高温,体积不易缩小,即使是嵌入式系统,在对大量图像的实时处理方面也是难以满足要求的,针对目前系统存在的不足,我们选择TI公司生产的达芬奇DM6446作为微处理器[4],内部集成丰富的外部设备资源,使用于需求外设资源丰富、高性能、功耗低、存储容量比较大、工作环境恶劣等工业控制方面,可以很好的满足本系统的要求,系统硬件框架图如图2所示。
达芬奇DM6446采用ARM+DSP双核心结构,其中ARM子系统采用主频为297MHz的ARM926EJ-S核,DSP子系统则采用主频为594MHz的C64X+ DSP核。外围存储支持128M DDR2 RAM和最大40G硬盘。高速DSP的图像处理能力配合ARM子系统和嵌入式Linux操作系统,可以非常好的进行超速抓拍系统的设计。
并且ARM可以访问DSP芯片内存储器(L2RAM 和 L1P/D),DSP可以访问ARM 片内存储器,ARM 和 DSP 共享 DDR2。这使 ARM 与 DSP之间可以快速简单地进行数据交换,即ARM只需传递需要处理的数据地址指针给DSP,而无需大块的数据移动,从而DSP负责道路图像的获取,并计算背景和前景,ARM控制并读取雷达探测的车辆速度,如果满足限速条件,在ARM的控制之下,进行数据的处理、保存和无线传输。
5.2 软件设计
本系统在设计中采用MontaVista Linux嵌入式操作系统,内核为2.6.18+,作为一种源码开放的嵌入式操作系统,它具有高可用性、系统稳定,内核可定制裁切,支持多种外部设备,优良的网络支持等特点。并且提供一整套集成化嵌入式开发环境和交叉编译工具,结合TI公司的CCStudio3.3开发环境进行DSP程序的设计,能够加快系统的开发速度。
本系统应用软件主要完成如下三个功能:读取雷达探测的车辆速度数据,背景重建和前景车辆的分离,将数据通过3G无线网络发送到交通管理中心。
由于系统采用的雷达速度探测器提供RS232通讯接口,因此从中读取数据只需完成串口通讯功能,首先打开所用串口,在Linux下串口文件位于/dev下。串口一为/dev/ttyS0,串口二为/dev/ttyS1,依次类推。打开串口是通过使用标准的文件操作: radar_fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR);然后对串口进行配置,包括波特率等,串口设置主要是设置struct termios结构体的各成员值,在配置完串口的相关属性后,就可以对串口进行读写操作了。使用普通文件读写函数即可,使用文件操作read函数读取雷达数据,write函数设置雷达参数。可以通过fcntl或select实现异步读取。与雷达的数据交互有握手方式和所推荐使用的加强数据通信方式,本系统使用后者,需要注意每次通信的21字节的数据包的最后后两个字节为校验位,每次的读写都需要设置或者判断,避免串口通信出现的数据差错,第9和第10字节组合起来为车辆速度数据。每次程序退出时先关闭雷达再将串口关闭。
网络编程有面向连接的TCP和无连接的UDP两种方式,为了保证数据传输的可靠性,采用基于流套接字TCP实现网络通信[5]。为了实现本系统和远程交通指挥中心进行数据交换,同时考虑到本系统传输的图片等数据的繁杂性,定义了特定的数据交换格式,如下结构体类型所示:
struct package {
int t_size;
TYPE type;
COMMAND command;
BYTE data[1];
};
其中t_size表示结构体变量所需存储空间,即网络将传输的数据大小,type表示结构体变量所属类型,有相机类型、雷达类型、图像类型和系统类型,command根据类型不同实现不同的控制命令,data为根据命令不同而有所不同,即为命令的参数部分,在有的命令需要数据时候存在并有意义,当没有时候就没有意义,数据大小可以根据t_size进行计算。TYPE为枚举类型,为不同类型时,下面的命令和存储的数据各有不同,在系统中根据类型对携带的数据进行分析、解析和处理。
6 结论
本文基于达芬奇6446和3G无线通信技术设计了一种新型超速抓拍系统,通过引入了MontaVista Linux专业版嵌入式操作系统,提供了系统的稳定性和安全性,通过达芬奇6446的DSP高速数字信号处理能力,提供了对视频图片的实时性处理,同时节省了成本,并在此基础上设计了网络通信数据交换格式,以便和远程交通指挥中心进行交互,同时有利于交通指挥中心对各个抓拍终端进行实时有效地控制,经各项测试,系统稳定可靠。
参考文献:
[1] 张晓民.复杂路况电子警察抓拍系统的设计与实现[J].电脑知识与技术,2008,21(11):45-47.
[2] 叶秉威.视频监控系统中的图像分割算法综述[J].计算机应用研究,2009,26(12):4411-4414.
[3] 高超.一种新型电子警察的设计[J].东南大学学报:自然科学版,2008,38(2):177-180.
[4] 鲁达.基于达芬奇平台的智能视频监控算法设计[J].微计算机信息,2009,25(22):5-7.
[5] 邓志刚.Linux环境下的网络编程[J].武汉科技学院学报,2008,21(7):34-36.
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