裝備無線自動跟蹤攝像頭的警用車輛支持系統*(上)

設計介紹

　　本項目有三個主要目標：首先，提高警用車輛上采集和處理數據的能力；其次，在警察大隊與指揮中心之間實現實時的圖像傳送和信息共享；第三，通過使用 SoPC 的協調設計來考慮高性能和經濟效率。

　　現有的警察大隊跟蹤系統的攝像頭是固定在車輛上的，因此會出現在屏幕上丟失嫌疑車輛的問題。本設計提供了一種自動跟蹤解決方案，可以將嫌疑車輛始終鎖定在屏幕上。為了實現這一目標，實施了可以減輕光效應的自動化臨界值計算方法。

　　我們制造了使用步進馬達的云臺攝像頭(Pan-Tilt Camera)，這種攝像頭可以上下左右移動。為了實現馬達的快速響應，我們還設計了FPGA步進馬達控制器。FPGA步進馬達控制器的響應時間比軟件控制器的響應時間短，因此，即使嫌疑車輛在快速移動，它也可以幫助攝像頭將焦點一直放在嫌疑車輛上。

　　自動語音警報系統可以與跟蹤攝像頭同步運行。針對MPEG音頻播放，實施了使用Nios自定義指令的硬件加速技術。因此，不需要為MPEG音頻解碼提供額外的解碼芯片。我們為在DE2主板上運行的WM8731DAC開發了uClinux音頻驅動程序

 
圖1 設計概念

　　我們還設計了FPGA合成式OBD- II接口，用于獲取車輛速度之類的信息，以及從車輛控制系統ECU獲取故障狀態。OBD- II接口可以測量相對速度，并可監控車輛狀態，因此它可以代替高成本的激光測量儀器。我們通過libjpeg和Altera的C2H編譯器設計了JPEG壓縮模塊，用于進行圖像存儲和無線傳輸。

　　對于Linux系統上常用的libjpeg進行了加速。利用libjpeg可以不必修改代碼就讓應用程序提高壓縮性能。此設計的另一個主要特色是快速的全球無線HSDPA協議。采集到的實時數據和圖像信息可以從警察大隊傳送到指揮管制中心。

車內 FPGA 的適用性

　　警察大隊的支持系統是一個復雜的領域，需要對圖像、語音、通信和傳感器數據進行處理。車輛的系統復雜性越來越強，因為所加載設備的數量也在逐漸增加。在OBD接口中，由于協議不同，不同的車輛必須使用不同的系統。FPGA 適合于這個領域，因為它擁有易用的重組功能和合成功能。

　　我們在Altera公司的Quarters和Nios IDE 7.0環境中開發了SoPC系統。操作系統和應用程序是使用GUN工具實施的。使用SoPC可以方便地配置系統，uClinux和GUN工具鏈可以提供相似的環境。

警用車輛中的需求

　　根據追蹤制度，追蹤車輛時必須在進行追蹤時打開警報和記錄設備，并且同時還要向命令控制中心報告。同時做幾件事情并不容易，因此需要采用自動化的綜合解決方案。本設計可以提供解決這些問題的解決方案。

功能描述

自動跟蹤攝像頭

　　要將目標車輛始終鎖定在屏幕中央，我們制造了一種可以垂直和水平移動的攝像頭模塊。云臺攝像頭模塊的關鍵部分是響應時間。響應時間越短，目標車輛的丟失率就越低。

　　因此，我們選擇了硬件控制的方法，而不是軟件控制的方法。步進馬達控制器是采用Verilog HDL開發的。圖像處理模塊發出的云臺運動命令會直接傳送到FPGA上的步進馬達控制器。步進馬達控制器隨即接收到這些命令，并生成操作信號脈沖。最后，控制器向每個馬達發送合適移動距離的信號。

　　要進入跟蹤模式，需要將攝像頭對準目標車輛，然后按下DE2上的按鈕。隨后，圖像處理模塊將提取目標車輛的平均色彩特征，并估計目標車輛的位置。只要車輛一移動，云臺攝像頭就會跟蹤車輛。

　　捕獲的640x400圖像保存在USB存儲中，并同時傳送給指揮管制中心。自動跟蹤攝像頭都經過實際測試，大多數情況下工作效果很好。由于跟蹤算法的根據是色彩的差異，因此我們的跟蹤機制在夜晚時無效，在某些色彩上的識別能力較弱。

自動語音警報

　　自動跟蹤攝像頭啟動跟蹤模式時，就會運行自動語音警報系統。MPEG 音頻數據是通過Nios II處理器的自定義指令播放的，無需任何額外的處理器。Nios II處理器在DE2上以100 MHz的速度運行。

　　單片機可以播放128Kbps 44.1KHz的MP3單聲道音頻，無需加速。但是，該處理器還是需要減少其負載以便進行多任務處理。因此，我們增加了一個64位倍增提高約2.5倍。

 
圖2 圖像的捕獲、處理和傳輸框圖

圖像捕獲模塊

　　攝像頭的模擬圖像信息會在DE2單片機上轉化成ITU656標準的數字流。這種數字流有三種不同的用途：首先，用于控制自動跟蹤攝像頭的移動操作。其次，用于版本共享系統以及無線傳送的JPEG壓縮。最后，用于車內顯示。該圖像捕獲模塊可以在預處理時修改圖像大小、移除隔行掃描模式以及計算幀緩沖區內存地址。

圖像處理模塊

　　攝像頭的自動跟蹤功能需要用到移動跟蹤算法。我們開發了經過調整的色彩跟蹤算法，可以很方便地應用于FPGA。這種算法可以根據方向計算不斷變化的車輛色彩的平均值，并生成新的二進制臨界值。

　　這種算法的設計目的是處理與 FPGA 電路中的顯示輸入模塊合成的線路單元，而無需進行軟件處理。其結果是不再需要外部幀緩沖區內存。這種方法的主要優勢就是提高性能。它可以每隔1/30秒就向馬達控制器傳送控制命令。