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基于BF533的智能交通图像处理分析与开发.pdf

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声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。如f口年易月坫日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。弦矽年二月才日硕I论文 基于BF533的智能交通图像处理研究.。j开发1绪论1.1课题研究背景及意义近年来随着我国经济的迅速发展,道路交通建设越来越发达,机动车保有量也迅速增加,随之而来人、车、路之间的矛盾也越来越突出,各种交通违章、违法现象严重破坏着城市交通的秩序,交通事故发生率急剧上升,有限的交通道路资源被无数个体交通占用,道路交通越来越拥挤和阻塞,严重影响了经济的发展和人民生活。城市交通拥堵主要有两个方面的原因一是迅速增长的道路交通需求与有限的道路交通基础设施建设之间的矛盾;二是道路交通管理水平的落后,无法实时有效地解决交通拥堵难题Il J。虽然城市道路交通萨在加大建设力度,但由于历史原因,主干道改造加宽,次干道相对变窄,宽敞道路引来越来越多的车辆,同时也导致了分路口成为堵车节点,加之各种各样占道现象严重,单靠不停地加大道路交通建设无法从根本上解决城市交通拥堵问题,因此加强交通管理设施的建设是解决拥堵问题的重要环节【ll。我国主要的交通管理设施有完善道路基础设施建设,设立道路交通标线,路面标线,专用车道标线,隔离带和交通信号灯控制等;分散交通流量,采用单向交通、分流交通、禁行交通等;合理安排道路注意设施及安全设施的连续性由罩向外按车速大小划分车道,最里为快车道,最5 I-N为人行道。但交通管理设施的建立加大了交通管理部门的工作量,各个交通管理部门不断地应付着层出不穷的交通问题,处于出现问题再整治问题的被动状态,加剧了警力资源浪费,且人为的管理容易滋生执法不严,有法不依等问题。为了从根本上解决城市道路交通拥堵问题,除了改建,扩宽道路路面,增加各种交通设施,加强交通管理系统的建设外,智能道路交通管理系统ITMS逐渐成为交通管理行业的热门。智能交通管理系统将先进的信息、通讯传输、电子传感、控制等技术有效地集成运用于整个交通运输管理体系中,克服了人为管理中的警力不足,执法不严和被动状态,建立起全方位,实时,准确,高效的管理系统,成为解决道路交通管理瓶颈问题的根本途径。1.2智能交通管理系统ITMS的概述与发展智能交通管理系统ITMS是将高新技术加入传统的交通管理系统中以形成一种智能化、信息化的运输管理系统。它主要包括智能卡口系统、电子警察系统、地理信息系统、道路指挥中心和交通诱导系统。绪论 硕l论文智能卡口系统是指在车辆经过所设卡口时,能够自动捕获到车辆的相关信息,包括规范行驶、逆向行驶和跨车道行驶的车辆图像与车牌号码等数据信息,并通过计算机网络,将捕获到的信息实时传至指挥中心,存入车辆数据库,便于交通管理部门对违章事故的调查和处理,同时智能卡口系统也能够对可疑车辆进行实时报掣引。电子警察系统是利用视频技术,抓拍设备,信息处理技术等来判断车辆是否有各种违规行为,准确拍摄违规车辆的照片并存储。电子警察系统中对抓拍系统要求很高,不但需要准确记录车辆特征,还需要清晰抓拍到牌照信息【2J。地理信息系统是对当日l『道路上的交通状况和治安状况进行监控,通过采集的数据分析当前交通信息,并传输到指挥中心构成交通管理系统信息平台的核心。地理信息系统不但包括当前交通状况,地图等基本信息,还包括智能交通管理系统中子系统的运行状况、故障查询和管理系统相关的统计分析【2J。指挥中心是通过数据信息传输,接收所有交通管理子系统信息,并通过软件设计,能够搜索、统计、浏览指挥中心的数据,对违规车辆发出处罚通知。作为用户能够通过指挥中心提供的平台查询车辆处罚信息f21。交通诱导系统是交通管理中监控指挥的环节,它能将智能交通管理子系统提供的道路堵塞、事故发生路段状况等信息向指挥中心汇总并通过道路上的电子屏幕显示各种路况信息。交通诱导系统大大减少了交通堵塞,缓解了道路交通压力。j智能交通管理系统不但解决了道路交通的拥堵,而且对交通安全、交通事故的处理与救援、道路收费系统等都带来了巨大的便利。ITMS的功能主要表现在增加机动车的运营效率,提高了城市道路的通行能力,降低了调控交通的人力需求;减少了道路交通事故的可能性,并有效防止了事故后灾难的扩大;加强了道路交通违规行为的整治力度,遏制了执法不严,有法不依的不良作风12J。美、日、欧等发达国家在上世纪八十年代中后期,道理基础设施已基本完善,为了解决交通管理瓶颈问题,满足人们的出行要求,提出了智能交通管理系统。经过十多年的发展,国外的交通管理系统在自动收费、紧急事件处理、交通诱导、交通监控等领域取得了显著的成绩,成功缓解了道路交通拥堵,有效减少了交通事故的发生f3】。我国在本世纪以来,高速发展的经济带动了道路交通的全速发展,基础设施建设在逐渐完善,为智能变通管理系统的发展提供了基础条件。在一线城市,建立了以视频监控为核心的道路交通指挥系统,使用网络和计算机管理机动车量,提高了车辆管理所的工作效率。但当前的交通管理系统还没有完整的发展规划,子系统相对独立分散,交通管理系统仍需大量的技术支持。1.3本文的主要工作及内容安排监测道路交通中违法违规行为的智能交通管理系统也称为电子警察子系统,它能2硕一i论文 基于BF533的智能交通图像处理研究,’j开发够自动监测和记录机动车闯红灯,压黄线,逆向行驶,超速行驶等违法违舰行为。本系统主要实现电子警察的功能,可提高交通管理效率,减轻交通管理人员工作强度。本文中,主要论述了智能交通监控系统中的压黄线监测,实现对过往车辆是否压黄线进行判断,并对违规车辆拍照,保存违规行为证据。本文完成的主要工作有1硬件系统方案设计,包括电源模块、视频输入模块、数字图像处理模块、通信模块、存储器模块、字符叠加模块等的设计。2硬件系统的原理图和PCB板的设计。3硬件系统各个模块的调试,包括视频输入模块调试、存储器的读写、通信模块的调试、字符叠加的实现等。4软件系统的设计,包括图像的增强,图像的分割,边缘检测。5系统整体调试,监控压黄线的违规车辆,并实现拍照保存违规车辆照片的功能。论文内容安排第一章首先介绍智能交通管理系统的背景及研究的必要性,然后阐述了智能交通管理系统的概念及其发展概况。第二章论述了本系统的功能,实现指标,系统整体框图和软、硬件框图。第三章讨论了智能交通图像硬件系统的设计与实现,处理器模块的选择和设计,图像传感器的选择,视频输入模块的设计,外部存储器SDRAM和FLASH的读写设计,与PC机之间通信模块设计,字符叠加模块设计和系统电源模块设计。第四章分析了硬件系统的调试工作,包括视频输入模块的调试,SDRAM和FLASH的读写,通信模块的调试,字符叠加模块调试。第五章给出了图像处理算法的研究,其中包括图像的增强、分割、边缘检测等算法,并论述了各个算法在压黄线中的应用。第六章实现了智能交通系统的整体调试,说明了系统调试的实现过程,通过实际道路中的测试分析了系统性能和可行性。智能交通陶像处理系统方案设汁 硕l论文2智能交通图像处理系统方案设计2.1引言系统方案设计在整个系统中发挥着重要的作用,它决定了系统的复杂度,系统成本和性能,因此讨论系统的方案设计是本文的关键。本章给出了智能交通图像处理系统的技术指标,系统整机功能,硬件和软件系统实现框图,论述了系统实现方案和工作流程。2.2智能交通图像处理系统实现功能和技术指标该系统主要实现功能判断过往车辆是否压黄线,通过高清数字相机抓拍违规车辆照片,照片通过网口传送至PC机中。系统技术指标为输入电压直流12V,电流800mA视频输入格式ITU.R 656模式工作温度.20℃一60℃图像存储速率133MB通信方式串口通信,USB通信输出控制方式电平触发抓拍模式连续抓拍三张视频输入输出接口BNC接口2.3智能交通图像处理系统组成2.3.1系统整机功能实现系统整体功能实现流程PC机通过串口或USB连接设备,管理员根据上传到PC机的路面图像勾画出黄线的边界,设置报警时间等,参数设置完成后,PC机将参数发回给处理板。图像视频由摄像头经过视频线进入数字信号处理板,由其判断车辆是否压黄线,若监控到压黄线的车辆,拍摄下当前画面,并传送给PC机。系统实现框图如图2.1所示。4硕.1论文 基于BF533的智能交通图像处理研究‘j开发图2.1系统实现结构框图数字信号处理板包括硬件系统和软件系统阿个部分。硬件系统主要完成道路交通图像的输入、存储、输出和与PC机之间的通信。软件系统主要在DSP中完成对车辆压黄线的判断和PC机界面程序的编写。2.3.2硬件系统实现框图硬件系统主要任务是将输入的视频信号转为数字信号,用以送入DSP中进行图像处理;发送触发信号给高清相机,拍摄的图片保存于高清相机自带的SD卡中并通过网口发送至PC机。整个系统包括视频输入输出模块,外部存储模块,通信模块和电源模块。图2.2硬件系统实现结构框图硬件系统实现结构框图如图2.2所示,视频信号输入后通过视频分配,一路不做任何处理直接输出原始信号,并在原始信号上做字符叠加用于智能交通处理系统调5智能交通图像处理系统方案设计 硕.i二论文试,一路通过A/D转换送入到DSP。由于DSP中自身内存容量有限,选择外部存储器SDRAM存储图像信息。用户代码通过FLASH存储,上电初时,FLASH自动给DSP加载程序。抓拍的违规车辆照片通过网口存入PC机中。整个硬件板系统通过看门狗保证程序的运行。PC机通过串口或USB与硬件板通信,完成读取图像,发送参数设置等功能。2.3.3软件系统实现框图本系统程序设计包括系统图像采集,压黄线检测参数设置,图像处理和压黄线图像检测。系统程序设计流程图如图2.3所示。图像采集 ◆ 参数设置 ◆ 图像处理 ◆ 压黄线检测图2.3系统程序设计流程图整个软件系统核心是图像处理和压黄线检测的算法部分,采集的图像输入后如图2.4所示,首先需要图像增强,主要是改善图像的视觉效果,能够突出图像中黄线和车辆的边界的轮廓,以弥补在弱光条件下图像清晰度的不足,然后对图像进行分割,根据道路中黄线的实际所在位置,分割出感兴趣的图像区域,最后做图像的边缘检测,分析出黄线和车辆的边缘,提取相关信息。通过上述算法得到的信息做压黄线检测,使用目标特征提取,链码跟踪,水平边缘检测和相关系数等方法判断车辆是否压黄线。输入视频流、L / 垌‘图2.4压黄线检测算法流程框图2.4本章小结智能交通图像处理系统方案设计中主要包括三个部分系统整机功能、硬件系统和软件系统。本章主要论述了系统整机实现功能和系统框图,给出了系统的技术指标,列出了硬件系统和软件系统设计流程框图,讨论了系统在实际应用中的具体工作流程。6硕_论文 罐于BF533的智能交通图像处理研究与开发3智能交通图像处理硬件系统设计与实现3.1引言本系统主要分为硬件系统和软件系统两个部分,硬件系统的主要任务是采集、存储图像,提供系统电源和搭建系统板与外部设备之问的通信。其中包括处理器模块,视频输入输出模块,外部存储器模块,通信模块、字符叠加模块和电源模块。本章主要讨论了上述各个模块的设计,元器件的选择及硬件电路的实现。硬件系统设计流程框图如下图所示。3.2处理器模块设计图3.1系统信号流程框图3.2.1处理器的选择数字信号处理板核心为图像信号处理,输入的图像信号为模拟信号,由于数字信号处理有较多的算法,数字信号相比模拟信号存储方便,易于传输,且数字信号可提高图像的处理精度,故图像处理过程中将输入的模拟信号通过模数转换为数字信号。数字信号处理实现方法有MATLAB软件实现,单片机实现,通用DSP和专用DSP芯片实现。MATLAB为纯软件工具,无法满足处理板的硬件要求。单片机的优点是设计简单,速度快,但对于复杂的图像信号处理,单片机难以实现复杂数据的运算和实时控制。专用DSP芯片是将相关算法集成于DSP中,其速度高,但灵活性差且价格高。通用DSP芯片采用改进的哈佛结构,不但数据总线和程序总线相互分离,7智能交通图像处理硬件系统设计‘j实现 硕.L论文而且数据存储器和程序存储器也相互独立编址和访问;使用流水线技术,在每个指令周期内各个步骤都有不同的指令在执行,大大缩短了指令执行周期;配有单独的乘法器和加法器,使得DSP能完成复杂的数据运算,且运算速度高;带有DMA直接访问存储器通道,不仅提高了数据传送速率且不占用CPU资源;具有丰富的外设接口,提供与外设之间的无缝连接。上述优点使得DSP芯片得到广泛应用,所以选用通用DSP芯片作为数字信号处理板的核心,完成图像信号处理工作。目前通用DSP市场上,ADI公司和TI公司生产的DSP占据领先地位,ADI可编程DSP芯片销售份额占全球的40%。ADI与Intel联合开发的高性能体系结构产品Blackfin系列DSP,主要用来处理图像、声音、数据流等信息,具有高的性价比。3.2.2 Blackfin系列处理器ADSP.BF561是Blackfin系列的双核嵌入式处理器,具有600MHz的执行速度,561处理器的特点具有328KB的片内存储空间,每个内核带有16KB内存的可配置成SRAM或Cache,32KB的数据存储器可配置成SRAM或Cache,4KB的暂存器SRAM。外加128KB的片上L2 SRAM。内核结构各自包含2个16位乘法.累加器MACs,执行定点乘法-力H法操作;2个40位的算术逻辑单元ALUs,执行定点算术逻辑操作;4个8位视频算术逻辑单元和40位的移位寄存器。提供与SDRAM,SRAM,FLASH和ROM等外部寄存器之间的无缝连接。具有两个并行外设接口PPl/GPl0,支持ITU.656视频数据流格式,2个全双工通用串行口,两个16通道DMA,SPI兼容端口,12个32位计时/计数器,支持PWM,支持IrDA的通用异步接收/发送UAI订,实时时钟模块,2个看门狗定时器,48个可编程管脚,自带0.5x~64xPLL。BF533/53l为单核嵌入式处理器,533和531均为16位定点DSP内核,内核结构和外设接口与561相似,差别在于561有A,B睡个核,每个核带有自己的内部存储器、乘法器、加法器和移位寄存器等,而533/531只有一个核。BF533和BF531区别如表3.1所示。8表3.1 BF533和BF531区别BF533 BF531最高工作频率 600M/-Iz 400MHz指令存储器 80KB SRAM 32KB SRAM和32KBROM硕.I论文 基于BF533的智能交通图像处理研究‘j开发l数据存储器 f 1个16KB的Bank 2个32KB SRAM的Bank IADSP,BF561相当子两个BF533芯片,在本系统中,一个PPI口已经足够,若选择ADSP.BF561芯片,过于浪费DSP资源。ADSP.BF53 1和BF533主要差别在工作频率和内部存储器的大小上,通过实验板测试,ADSP.BF53l加载了动闷标检测程序后,由于算法复杂,工作频率低,无法完成实时检测的要求。总的来说, BF533不仅可满足所有功能的实现,且有高的性价比。故选用BF533作为该系统的数字信号处理芯片。3.3视频输入模块设计3.3.1图像传感器的选择图像传感器即为成像器件,其原理是将可视的空间分稀图像信号通过光电转换功能转换为串行电信号。目前常用的有三种,CCD电荷耦合器件,CMOS互补型金属氧化物半导体,CIS接触式图像传感器。CCD的基本单元为微小光敏物质,每个基本单元称为一个像素,像素越高,图像分辨率越高。CCD具有体积小、功耗低、抗冲击性强、性能稳定、寿命长、速度快、图像畸变小、无残像、生产成本低等优点。CMOS图像传感器利用硅和锗两种元素,形成带N级也带P级的半导体,CMOS和CCD原理相似,区别在于CCD集成在半导体单晶材料上,而CMOS集成于金属氧化物半导体材料上。CMOS与CCD相比功耗小、集成度高、价格低。CIS接触式图像传感器,是与扫描宽度桐同的一行光电传感阵列,CIS集成于条形盒内,优点是结构简单,体积小,使用方便,但获取图像质量不如CCD和CMOS。在点钞机,传真,扫描仪中应用广泛。实际工程中,采集的图像为道路上的交通状况图,不能选用CIS图像传感器。而相同像素的CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。CMOS产品由于自身物理特征的原因,往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光效果不太好。由于摄像头需要在室外工作,并应具备高的分辨率,故选用分辨率高,抗冲击能强,性能稳定的CCD摄像头。3.3.2视频输入模块设计从CCD采集的图像通过视频线传给信号处理板,此时图像信号为模拟信号,需要采用A/D转换芯片将模拟信号转换为DSP能够识别的数字信号。A/D转换芯片的主要指标包括分辨率,转换速率,量化误差,偏移误差,满刻度误差和线性度等。选用的A/D转换芯片必须保证不但能够将模拟信号完整转化为数字信号,并能提供与DSP的无缝连接。9
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