装备无线自动跟踪摄像头的警用车辆支持系统*(上)

设计介绍

　　本项目有三个主要目标：首先，提高警用车辆上采集和处理数据的能力；其次，在警察大队与指挥中心之间实现实时的图像传送和信息共享；第三，通过使用 SoPC 的协调设计来考虑高性能和经济效率。

　　现有的警察大队跟踪系统的摄像头是固定在车辆上的，因此会出现在屏幕上丢失嫌疑车辆的问题。本设计提供了一种自动跟踪解决方案，可以将嫌疑车辆始终锁定在屏幕上。为了实现这一目标，实施了可以减轻光效应的自动化临界值计算方法。

　　我们制造了使用步进马达的云台摄像头(Pan-Tilt Camera)，这种摄像头可以上下左右移动。为了实现马达的快速响应，我们还设计了FPGA步进马达控制器。FPGA步进马达控制器的响应时间比软件控制器的响应时间短，因此，即使嫌疑车辆在快速移动，它也可以帮助摄像头将焦点一直放在嫌疑车辆上。

　　自动语音警报系统可以与跟踪摄像头同步运行。针对MPEG音频播放，实施了使用Nios自定义指令的硬件加速技术。因此，不需要为MPEG音频解码提供额外的解码芯片。我们为在DE2主板上运行的WM8731DAC开发了uClinux音频驱动程序

 
图1 设计概念

　　我们还设计了FPGA合成式OBD- II接口，用于获取车辆速度之类的信息，以及从车辆控制系统ECU获取故障状态。OBD- II接口可以测量相对速度，并可监控车辆状态，因此它可以代替高成本的激光测量仪器。我们通过libjpeg和Altera的C2H编译器设计了JPEG压缩模块，用于进行图像存储和无线传输。

　　对于Linux系统上常用的libjpeg进行了加速。利用libjpeg可以不必修改代码就让应用程序提高压缩性能。此设计的另一个主要特色是快速的全球无线HSDPA协议。采集到的实时数据和图像信息可以从警察大队传送到指挥管制中心。

车内 FPGA 的适用性

　　警察大队的支持系统是一个复杂的领域，需要对图像、语音、通信和传感器数据进行处理。车辆的系统复杂性越来越强，因为所加载设备的数量也在逐渐增加。在OBD接口中，由于协议不同，不同的车辆必须使用不同的系统。FPGA 适合于这个领域，因为它拥有易用的重组功能和合成功能。

　　我们在Altera公司的Quarters和Nios IDE 7.0环境中开发了SoPC系统。操作系统和应用程序是使用GUN工具实施的。使用SoPC可以方便地配置系统，uClinux和GUN工具链可以提供相似的环境。

警用车辆中的需求

　　根据追踪制度，追踪车辆时必须在进行追踪时打开警报和记录设备，并且同时还要向命令控制中心报告。同时做几件事情并不容易，因此需要采用自动化的综合解决方案。本设计可以提供解决这些问题的解决方案。

功能描述

自动跟踪摄像头

　　要将目标车辆始终锁定在屏幕中央，我们制造了一种可以垂直和水平移动的摄像头模块。云台摄像头模块的关键部分是响应时间。响应时间越短，目标车辆的丢失率就越低。

　　因此，我们选择了硬件控制的方法，而不是软件控制的方法。步进马达控制器是采用Verilog HDL开发的。图像处理模块发出的云台运动命令会直接传送到FPGA上的步进马达控制器。步进马达控制器随即接收到这些命令，并生成操作信号脉冲。最后，控制器向每个马达发送合适移动距离的信号。

　　要进入跟踪模式，需要将摄像头对准目标车辆，然后按下DE2上的按钮。随后，图像处理模块将提取目标车辆的平均色彩特征，并估计目标车辆的位置。只要车辆一移动，云台摄像头就会跟踪车辆。

　　捕获的640x400图像保存在USB存储中，并同时传送给指挥管制中心。自动跟踪摄像头都经过实际测试，大多数情况下工作效果很好。由于跟踪算法的根据是色彩的差异，因此我们的跟踪机制在夜晚时无效，在某些色彩上的识别能力较弱。

自动语音警报

　　自动跟踪摄像头启动跟踪模式时，就会运行自动语音警报系统。MPEG 音频数据是通过Nios II处理器的自定义指令播放的，无需任何额外的处理器。Nios II处理器在DE2上以100 MHz的速度运行。

　　单片机可以播放128Kbps 44.1KHz的MP3单声道音频，无需加速。但是，该处理器还是需要减少其负载以便进行多任务处理。因此，我们增加了一个64位倍增提高约2.5倍。

 
图2 图像的捕获、处理和传输框图

图像捕获模块

　　摄像头的模拟图像信息会在DE2单片机上转化成ITU656标准的数字流。这种数字流有三种不同的用途：首先，用于控制自动跟踪摄像头的移动操作。其次，用于版本共享系统以及无线传送的JPEG压缩。最后，用于车内显示。该图像捕获模块可以在预处理时修改图像大小、移除隔行扫描模式以及计算帧缓冲区内存地址。

图像处理模块

　　摄像头的自动跟踪功能需要用到移动跟踪算法。我们开发了经过调整的色彩跟踪算法，可以很方便地应用于FPGA。这种算法可以根据方向计算不断变化的车辆色彩的平均值，并生成新的二进制临界值。

　　这种算法的设计目的是处理与 FPGA 电路中的显示输入模块合成的线路单元，而无需进行软件处理。其结果是不再需要外部帧缓冲区内存。这种方法的主要优势就是提高性能。它可以每隔1/30秒就向马达控制器传送控制命令。