利用FPGA實現高性能的罪犯抓捕系統

由于高科技工具成為抓捕罪犯的武器中越來越關鍵的部分，因此執法機構和安全專業人員不斷尋求更快更方便的數據收集和解讀方式就不足為奇了。針對這一領域的應用越來越復雜，必須適應不斷演變的要求，并把成本控制在機構的有限預算范圍之內。鑒于此，具有高性能、靈活性和高成本效益等優勢的可編程邏輯(PLD)解決方案無疑是一種理想的解決方案。

兩個大學生團隊利用FPGA和嵌入式軟核處理器開發了兩個抓捕罪犯系統的原型，一個是帶無線自動追蹤攝像機的警車支持系統，一個是防止安全系統被突破的指紋識別系統。

盯住可疑對象不放-即使是高速情況下

當追蹤行動啟動時，警官只有很短的時間用來激活警笛、向控制中心作匯報并與其他巡邏隊通信。由于這些事情的發生幾乎是同時的，因此警官還依賴于車輛追蹤系統把逃跑的犯罪分子鎖定在視距內。然而，當疑犯在擁擠的交通中急速穿越時，采用固定位置攝像機的傳統追蹤系統很容易失去他們的蹤跡。因此將需要這樣一種車載系統：它能時刻盯住可疑車輛，同時讓警官與現場及總部的同事共享和接收信息。

圖1：設計理念。

韓國仁荷/弘益航空航天大學的學生開發出的板載警用車輛支持系統原型，該集成解決方案包含以下幾個組件：

• 無線自動追蹤系統：可持續追蹤可疑車輛，將車輛的圖像顯示在顯示器中心。一部全方向移動的攝像機使用FPGA控制的步進電機實現上下左右的移動，可以通過快速反應捕獲快速行進的車輛。

• 自動語音告警系統：使用嵌入式處理器來實現MPEG音頻解碼，用于向逃跑疑犯發出警告。

• HSDPA功能：提供實時數據和圖像共享。

• 基于FPGA的連接板載診斷系統(OBD-II)的接口：用于監視警用車輛的發動機性能參數。

FPGA和嵌入式處理器的有機結合使該系統很容易實現圖像、語音、圖像和數據處理。


在單系統中實現語音、視頻和數據

在技術平臺方面，設計團隊使用了Altera的DE2開發和教學板，這種板包含了Cyclone II FPGA、Quartus II設計軟件和Nios II嵌入式處理器。

單個Cyclone II FPGA支持整個系統的運行，可以完成圖像處理、壓縮、數據傳送、MPEG音頻解碼、電機控制和OBD通信等功能。所有必要的組件都利用SOPC Builder系統設計工具裝配在一起，從而允許設計團隊設計一個模塊，并可以經過修改用于或直接復用于其他應用。

圖2：自動追蹤系統的架構。

自動追蹤攝像機

攝像機的圖像處理模塊將全方位移動命令傳送給FPGA上的系統步進電機控制器。根據這樣的命令，步進電機控制器可以產生操作信號脈沖，然后將這些信號發送給每個電機。

攝像機的圖像捕捉模塊將模擬圖像信息轉換成DE2板上的ITU656標準數字流，并使用該數據流：控制自動追蹤攝像機的左、右、上、下操作；支持視像共享系統和JPEG壓縮的無線傳送；提供車載顯示。

當警官需要啟動攝像機的追蹤模式時，只需將攝像機對準目標車輛，并按下DE2板上的一個按鍵。接著由同樣在FPGA上運行的圖像處理模塊從目標車輛中提取平均顏色，并估計其位置。一旦車輛開始移動，全方位移動攝像機就開始對它進行追蹤。該系統每隔30分之一秒就向電機控制器傳送一次控制命令，速度是它的關鍵優勢之一。捕獲到的圖像被存儲在USB存儲設備中，同時傳送給警局命令中心。當然，追蹤模式只適用于白天。

實時JPEG壓縮通常要求高性能DSP芯片或ASSP。在這個情況下，設計團隊使用Nios II C到硬件的加速編譯器(C2H)執行libjpeg前向離散余弦變換(DCT)函數來滿足性能目標要求，而不需要外部處理器或DSP芯片。C2H編譯器可以將時間關鍵的ANSI C函數轉換成FPGA中的硬件加速器，從而提升它們的性能。

圖3：實現自動追蹤系統的原理框圖

自動語音警告

當車輛的自動追蹤攝像機開始工作在追蹤模式時，會觸發自動語音警告功能打開，并向逃跑疑犯發出警告。在DE2板上100MHz的嵌入式處理器用于播放MPEG音頻數據的定制指令集。最初回放性能是個問題，但通過在Nios II軟核處理器中增加64位乘法定制指令，設計團隊將性能提高了2.5倍。