基于視頻技術的嵌入式交通信息采集系統

摘 要：簡要分析了交通信息采集技術的發展狀況，并結合當前智能交通系統的應用需求，設計并實現了一種基于高性價比DSP硬件平臺的嵌入式交通信息采集系統。本系統是一種基于視頻圖像分析和模式識別技術，對交通信息進行實時采集和分析的嵌入式集成系統，具有很好的穩定性和實時性。

關鍵詞：智能交通系統； 交通信息采集系統； 交通特征參數； 數字信號處理器

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)07-2104-03

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Embedded traffic-information acquisition system based on video technique

WU Wei1， ZHU Guang-xi1， CHEN Yun-feng2

（1.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics， Huazhong University of Science Technology， Wuhan430074， China；2.Wuhan Dingtu-Tech Co.，Ltd， Wuhan 430073， China）

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Abstract:This paper gave brief analysis on the development status of technique to acquire traffic information.And then described the design and realization of an embedded traffic-information acquisition system based on the DSP hardware platform combined with the application requirements to current traffic system. It is an embedded and integrated system to the traffic-information real-time collection and analysis， by using the technique of video image analysis and pattern recognition. The experimental results indicate that the system has good stability and very high real-time quality.

Key words：intelligent transportation systems; traffic-information acquisition system; traffic characteristic parameters; digital signal processor

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智能交通系統（ITS）實現的前提是對各種交通特征參數的實時獲取，如車流量、車型類別、車流密度、車道占有率、車道平均速度、車輛違章記錄等。這些數據和信息是交通管理部門在制定政策、采取措施和對交通設施進行規劃、設計時最為科學、客觀的依據。獲取這些參數需要通過安裝在機動車道上的交通信息采集系統來實現。因此，ITS的基礎是構建一個能準確、高效地獲得交通特征參數的交通信息采集系統。

1 國內交通信息采集系統發展現狀

當前我國獲取道路交通信息的主要方式是檢測交通數據的環形線圈＋微波傳感器＋監視道路運行狀況的閉路電視錄像機。其主要缺點為：a）安裝需開挖路面；b)易受路面破損影響；c)出現故障，難以修復；d)功能均單一、系統結構復雜、可靠性低。

基于視頻圖像處理技術的交通信息采集系統可以較全面地解決上述問題。它通過安裝在路面上方的攝像機實時采集道路圖像，通過對視頻圖像的處理獲取車流量、瞬時車速度、時段平均車速、車型分類、道路占有率、平均車距、檢測交通事故等信息。其主要優點在于：a)多道性，一次檢測多條車道；b)不破壞路面，安裝無須中斷交通；c)檢測功能多；d)可記錄現場圖像。鑒于這些優點，基于視頻檢測技術的交通參數采集設備將成為ITS前端設備的一個重要發展方向。

基于視頻技術的交通信息采集系統經歷了兩個發展階段：基于PC平臺和基于DSP的平臺。初階段采用的是基于PC平臺的檢測系統，主要由基于x86系列CPU外加存儲、擴展板卡、通信控制電路模塊構成，處理算法在通用處理器上運行。其主要優點是：軟硬件擴展性好；器件支持廠家多；主要缺點是：功耗高，一般在100 W左右；體積大，不利于安裝；在強光照、強灰塵環境無法穩定工作。現階段主要是基于DSP的嵌入式平臺檢測系統，一般基于TI公司、Freescale公司（原Motorola半導體部）等的高速DSP處理器平臺構建這些DSP，一般集成了通信控制、圖像采集等功能，處理算法在DSP上運行。其主要優點是：功耗低，一般小于10 W；體積小；可在極度惡劣條件下工作；成本低。主要缺點是：硬件擴展性差；器件支持廠家少；開發復雜。但對于特定的交通信息采集系統，這些缺點基本沒有影響。

在國外，基于視頻技術的交通信息采集系統從20世紀90年代就進入了商業化階段，成熟的產品如美國ISS公司的Autoscope系列產品、美國Iteris公司的Iteris系列產品、英國Peek公司的Peek系統等，如Autoscope早期產品就是采用基于PC的平臺。現在這些公司基本上全部使用基于DSP的嵌入式平臺。國內基于視頻技術的交通信息采集系統尚處在初級階段，還沒有大規模進入商業化階段，比較成熟的產品如川大智勝公司的產品是基于PC平臺實現的系統。基于DSP的嵌入式系統還在探索階段，武漢光電國家實驗室一直致力于研究開發基于視頻識別技術、具有自主知識產權、適用于國內先進交通監控系統的嵌入式交通信息采集系統。就國內的研究現狀而言，主要將工作重點集中在了以下兩個方面：研制高速、靈活的嵌入式圖像處理硬件平臺；研究構建一個實時、穩健的車輛檢

測、識別算法平臺。

2 基于視頻技術的嵌入式交通信息采集系統實現

本系統采用基于TI公司專用圖像處理DSP DM64x的平臺。DM64x是專門針對圖像應用的一款DSP，其最高運算速度高達7 200 MHz，集成了多個視頻采集端口、10/100 Mbps以太網MAC控制器等。本系統使用600 MHz的DM642，峰值運算速度達到5 760 MIPS，可以同時檢測多達八個車道，實時獲得八車道的車流量、占有率、車速、車型等信息；因具有10/100 Mbps以太網和RS-232通信接口，可將檢測結果實時回傳到相關的交通信息平臺。

2．1 系統結構

本系統以TMS320DM642為核心，通過擴展視頻編解碼器、存儲器、10/100 Mbps以太網、RS-232等各種接口構成一個完整的系統^[1]。系統框圖如圖1所示。

視頻解碼芯片SAA7113將攝像機的輸出轉換為數字視頻輸入DM642；DM642對圖像數據進行檢測算法的運算，將檢測到的各種參數通過以太網接口或者RS-232接口發送到遠程通信服務器，由遠程通信服務器回傳到信息中心。根據不同的應用環境，通過本地RS-232修改系統的配置參數。系統的檢測結果可以通過OSD的方式直接疊加在原始圖像上，通過SAA7120轉換成復合視頻信號（CVBS）直接在監視器上進行顯示。

2．2 系統硬件設計

系統的視頻解碼芯片使用Philips的SAA7113，負責將攝像機輸出的PAL/NTSC格式的模擬復合視頻信號轉換為BT656格式的數字視頻流。視頻編碼器使用Philips的SAA7120，負責將DSP輸出的BT656格式數字視頻流轉換為PAL格式的復合視頻信號，輸出的復合視頻信號通過監視器直接顯示各種配置參數結果和檢測結果，利于現場調試。

系統存儲器使用兩片MT48LC4M32。MT48LC4M32是4 MB×32 bit的高速SDRAM芯片，其操作速度可以達到143 MHz。MT48LC4M32單片的數據寬度為32 bit，因此系統使用兩片并聯來實現64 bit的數據寬度，使得系統的峰值數據交換速度高達1 064 MBps。

DM642不具備UART模塊，雖然可以通過軟件模擬UART，但過于占用系統的資源，不利于檢測算法的實時實現。本系統采用CPLD構建了一個擴展的UART控制器，不僅能夠實現UART的功能，還可以自動對發送數據進行打包和CRC校驗，對接收數據解包和CRC校驗，整個通信過程基本不需要DM642的參與。擴展UART的基本結構如圖2所示。

DM642內部已集成了10/100 Mbps的MAC處理器，只需要擴展一片PHY芯片就可以構成10/100 Mbps以太網接口，本系統采用臺灣Realtek公司的RTL8201B芯片進行設計。RTL8201B與DM642的連接如圖3所示。

3 系統算法

3．1 車輛檢測算法

交通圖像中車輛的檢測、識別算法是整個系統的另一個核心。本系統采用一種類似于地埋式線圈檢測器的虛擬線圈檢測法，其基本思想是：由用戶在圖像上預先設定檢測區域，通過計算檢測區域內灰度能量的變化來判斷是否有車輛經過，同時獲取車輛的特征參數，并計算其他參數。算法流程如圖4所示。

本算法使用一種基于背景差分的方法作為系統檢測算法的基礎^[2]。具體實現中，采用了多種方法保證檢測算法的性能：背景構建的質量對系統的性能有很大的影響，本系統采用了一種利用連續三幀差分的運動估計方法來構建初始背景，并使用統計打分的策略實時地對背景進行更新；針對運動投射陰影可能被檢測作為車輛的一部分而降低交通特征參數檢測的精度，提出了一種簡單而有效的陰影消除算法；為了保證系統在環境光劇烈變化以及采集設備由于路面的震動、風力的作用等發生抖動的情況下還能正常工作，提出了一種二值差分圖后處理的魯棒濾波算法；針對目前已有檢測系統沒有車輛跟蹤這一環節可能導致流量計數多的問題，提出了同時利用車輛的位置信息、顏色信息和分形維信息對車輛進行匹配跟蹤的策略。

現場的大量應用結果證明，本檢測算法能快速、有效地檢測出各種交通信息參數。車輛檢測算法的效果如圖5所示，圖5（b）中的兩條白色直線即標出了用戶設定的檢測區域。

3．2 系統代碼優化

系統算法主要采用基于DSP的C語言進行編程，同時采用了多種優化策略以提高代碼的運行效率。由于C語言是一種高級編程語言，不能充分利用DM642的指令并行執行特性，對C語言進行優化顯得非常重要，高效的優化可以大大提高算法的運行效率和速度。本系統采用的優化策略如下：

a)合理選擇編譯選項，利用特定的關鍵字和指令向編譯器提供優化信息^[3]。例如，盡量聯合使用-pm和-o3編譯選項；使用關鍵字restrict來消除數據間的相關性，使得編譯器可以安排語句的并行執行；利用內聯函數_nassert進行數據的打包處理；使用宏指令#pragma MUST_ITERATE通知編譯器有關循環迭代次數的信息，使其根據這一信息進行軟件流水。

b)對消耗時間過多的主要C算法模塊進行逐一分析。例如，對C程序中影響性能的循環運算代碼段，特別是多級嵌套循環，較好的方法是抽取循環模塊，使之成為一個單獨文件，對其進行重編寫、重編譯和單獨運行。

c)對C語言優化結果不滿意的算法模塊進行手工匯編改寫。與C代碼和線性匯編代碼相比，純匯編代碼能更好地保證流水線的效率、更充分地利用寄存器，發揮出C64xx強大的運算性能。

匯編語言是DSP的一種高效編程方式，它可以指定多條指令的并行運行以及指定指令用到的寄存器和功能單元^[4]。其優勢主要體現在：具有雙字讀取與存儲指令，如LDDW、STDW；擴展出大量SIMD（單一指令多數據流擴展）指令，如AVGU4、MAXU4；增加了對打包的無符號數據的支持，如UNPKLU4、UNPKHU4；增加了許多“位”操作指令，如位反轉指令BITR；單時鐘周期執行四條16位乘法指令和六個32位算術操作等。因此，代碼基于C64x指令集(VelociTI.2 core)的手工匯編級的優化十分關鍵。表1是代碼優化前后的效率對比，表中所列代碼段均針對分辨率為253×288的交通視頻圖像進行處理。

采用匯編代碼可以大幅地提高運算速度，因此本算法的實現中，對于需要大量重復運算的過程采用匯編編程，并將這些匯編代碼嵌入到C代碼中，同時兼顧了代碼的運算速度和可讀性。

4 結果分析

在實驗室進行的測試表明，本系統的車輛識別率達到96．5％。但是由于環境、車輛、運動等多方面因素的影響，在道路上產生的識別率與實驗室條件下的識別率是不一樣的。

本系統的圖像采集速度為25 fps。在高速公路等條件下，圖像處理和采集過程可同步完成（處理當前幀時，進行下一幀采集），即25 fps；在城市環境下，系統處理速度能保證不小于15 fps，即處理一幀圖像耗時不大于1 000 ms/15＝66．7 ms。假定檢測區域為10 m，則有效檢測的最高車速為10 m/66.7 ms=537 km/h，完全能滿足現有的交通狀況。

5 結束語

本文詳細描述了一個基于DSP平臺的嵌入式交通信息采集系統，對其硬件構架、算法思想及其實現技巧進行了比較詳盡的論述。本系統在長沙、鄭州等國內的高速公路系統經過長時間的試運行，取得了較好的效果。算法的進一步完備和功能的擴展是系統下一步需要改進的方向。

參考文獻：

［1］Texas Instruments.TMS320DM642 video/imaging fixed-point digital signal processor [EB/OL].[2007-01-29].http://www.focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320dm642.pdf.

[2]XU Hai-xiang. Image segmentation and object classification based on support vector machines[D].Wuhan:Huazhong University of Science Technology， 2006.

[3]Texas Instruments.TMS320C6000 optimizing C/C++ compiler user’s guide[EB/OL].[2001-04]. http://www.ti.com/sc/docs/stdterms.htm.

[4]Texas Instruments.TMS320C6000 CPU and instruction set reference guide[EB/OL].[2000-12].http:// www.focus，ti.com/lit/ug/spru189g.pdf.

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”