基于聲與圖像融合的車輛識別硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃 亮，彭冬亮，郭寶峰

(杭州電子科技大學(xué)通信信息傳輸與融合技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310018)

0 引言

車輛識別就是通過分析處理車輛特征信號，將車輛歸為事先規(guī)定的某一類型。車輛識別信息是交通規(guī)劃和管理部門重要的信息來源。目前，國外和國內(nèi)使用到的車輛識別方法有基于圖像、感應(yīng)線圈、微波、壓電特性、聲音等原理。其中基于圖像的車輛識別率可達(dá)到90%，但是基于圖像的車輛識別最大的局限性在于系統(tǒng)特性受到環(huán)境和光線的影響較大［1］。信息融合是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的信息科學(xué)領(lǐng)域，它主要是應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，但近年在民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，多傳感器采集的信息經(jīng)過融合大大地提高了目標(biāo)識別的準(zhǔn)確率，所以信息融合技術(shù)在車輛識別領(lǐng)域有著非常實(shí)用的價(jià)值［2］。本文提出的方法是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)布置傳感器節(jié)點(diǎn)采集聲音信號和圖像信號進(jìn)行信息融合來分辨車輛目標(biāo)。

圖1 聲信號融合系統(tǒng)的工作示意圖

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在十字交通路口布置基于zigbee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集終端節(jié)點(diǎn)利用聲傳感陣列采集聲信號然后傳送到路由器上，最后轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器上［3］。如圖1所示，協(xié)調(diào)器是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器不僅負(fù)責(zé)聲信號的以太網(wǎng)傳送而且還要完成視頻圖像的采集以及遠(yuǎn)端的傳送。協(xié)調(diào)器上有視頻采集器進(jìn)行視頻圖像的采集，采集的視頻圖像和聲信號數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過融合的得到的最終結(jié)果可以很準(zhǔn)確的判斷車輛目標(biāo)，從而達(dá)到車輛識別的目的。

1.1 采集終端的電路設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)采集終端主要是實(shí)現(xiàn)聲信號采集的功能。采集終端是一個(gè)以ADSP-218x為核心的嵌入式系統(tǒng)。ADSP-218x是具有50MIPS處理能力的16位定點(diǎn)DSP芯片，它不僅數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，而且功耗較?。?］。在采集終端上，ADSP-218x主要是負(fù)責(zé)聲信號的初步處理，聲傳感陣列采集的聲信號中有很多雜波信號，采集的數(shù)據(jù)在ADSP-218x上進(jìn)行FFT變換可以帥選出有用數(shù)據(jù)。采集終端的電路原理圖如圖2所示，最前端為聲傳感陣列平面圖，聲傳感陣列由6個(gè)微音監(jiān)聽器在二維平面圓內(nèi)按照60°角等均勻分布，圓的半徑為1m。利用聲傳感陣列采集6路聲信號通過信號調(diào)理電路后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器TLC2543轉(zhuǎn)換傳送到ADSP-218x上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)再通過串口傳輸?shù)綗o形傳感芯片CC2530上進(jìn)行無線通訊。

圖2 終端設(shè)備電路原理圖

1.2 聲信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

聲信號是雙極性的信號，所以在對聲信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前要進(jìn)行一定的信號處理。如圖3所示，聲傳感陣列采集的聲信號Vi通過放大器U1A進(jìn)行比例運(yùn)算，V1=Vi，R2用來調(diào)節(jié)比例系數(shù)，使得輸入信號轉(zhuǎn)換為－2～+2V［5］。輸出的V1信號再經(jīng)過電容C1把雙極性信號耦合疊加到由R4和R5組成的分壓電路上，這樣雙極性信號就轉(zhuǎn)換為單極性的信號，Vout=V1+2.5V。前端的輸入信號Vi通過放大器把信號進(jìn)行比例縮小后再進(jìn)行疊加后輸出的電壓控制在5V以下。

1.3 協(xié)調(diào)器的電路設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，協(xié)調(diào)器主要是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置，一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個(gè)路由器。路由器的功能主要是:允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的子終端設(shè)備的通訊。在本系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，路由器和協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)基本一致，只不過協(xié)調(diào)器上要進(jìn)行視頻的采集以及以太網(wǎng)的通訊，而在路由器上只進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，路由器和協(xié)調(diào)器都是以 ARM11處理器 S3C6410為核心的嵌入式系統(tǒng)。S3C6410處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它不僅低功耗而且處理性能強(qiáng)大，而且可以實(shí)現(xiàn)視頻的H.264、MPEG4硬編碼和解碼。本系統(tǒng)就是利用它的硬件H264編碼器MFC對采集視頻進(jìn)行編碼從而進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器都是通過移植嵌入式linux操作系統(tǒng)來進(jìn)行軟件的開發(fā)。但是，由于在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中扮演的角色不同，所以協(xié)調(diào)器和路由器實(shí)現(xiàn)的功能也不盡相同。路由器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，可以看做是單任務(wù)系統(tǒng)，而協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，不僅是采集數(shù)據(jù)的接收，而且還有進(jìn)行視頻采集以及以太網(wǎng)傳送，所以是多任務(wù)系統(tǒng)。在協(xié)調(diào)器上的軟件設(shè)計(jì)主要是圍繞兩個(gè)核心任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì):一是聲信號數(shù)據(jù)包的接收和傳輸，二是視頻圖像信號的采集以及傳輸。

圖3 聲信號調(diào)理電路

圖4 協(xié)調(diào)器電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 聲信號的數(shù)據(jù)處理

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)包含6個(gè)聲信號采集通道，所有的6路數(shù)據(jù)都要通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞到路由器上，假設(shè)各通道的數(shù)據(jù)是分散的傳輸，這樣的話不僅效率低下而且容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)混亂，所以在本系統(tǒng)中，6通道的數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝成一個(gè)數(shù)據(jù)包然后進(jìn)行傳遞。終端節(jié)點(diǎn)上各個(gè)通道循環(huán)采集的100次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)保存在浮點(diǎn)型的數(shù)組里，然后對6個(gè)數(shù)組進(jìn)行封裝。用struct PID0_PACKET表示終端節(jié)點(diǎn)1采集的數(shù)據(jù)包。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，S3C6410通過串口讀入聲信號數(shù)據(jù)包然后經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，但是串口的數(shù)據(jù)讀入與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送是異步的，所以在設(shè)計(jì)中要設(shè)立一個(gè)緩沖區(qū)使得串口讀入的數(shù)據(jù)與以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)環(huán)形隊(duì)列作為數(shù)據(jù)同步的緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。如圖5所示，建立兩個(gè)互斥線程:寫線程和讀線程。寫線程的工作過程是處理器經(jīng)過串口從CC2530讀入數(shù)據(jù)包后再寫入到環(huán)形隊(duì)列中，而讀線程主要是把環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包讀出并通過以太網(wǎng)傳送。這兩個(gè)線程是互斥線程，數(shù)據(jù)讀寫都要進(jìn)行保護(hù)。

圖5 數(shù)據(jù)同步示意圖

2.2 視頻的采集以及H.264編碼

Video4linux2是linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為linux中視頻設(shè)備的訪問提供了通用接口，也是下開發(fā)視頻設(shè)備程序的接口標(biāo)準(zhǔn)。S3C6410處理器內(nèi)部自帶了高性能的視頻編碼器MFC［6］，MFC支持視頻H.263、MPEG－4以及H.264的編解碼，在對采集的視頻進(jìn)行編碼時(shí)，只需要調(diào)用MFC函數(shù)庫的函數(shù)即可完成。本系統(tǒng)就是利用V4L2接口函數(shù)采集視頻然后進(jìn)行MFC的H.264編碼，最后進(jìn)行UDP傳送。在S3C6410上的視頻編碼主要是調(diào)用編碼函數(shù)庫的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)的主要步驟如下:

(1)采集的視頻格式必須設(shè)置為 YUV420，codec_fmt.fmt.pix.pixelformat=V4L2_PIX_FMT_YU V420。打開視頻設(shè)備open("/dev/video0"，O_RDWR);開始采集視頻ioctl(fd，VIDIOC_STREAMON，＆buf_type);取出FIFO緩存中已經(jīng)采樣的幀緩存，ioctl(fd，VIDIOC_DQBUF，＆buf)。幀緩存就是視頻待處理的數(shù)據(jù);

(2)視頻編碼初始化，SsbSipH264EncodeInit(width，height，frame_rate，bitrate，gop_num);其中，width、heigh表示視頻的寬度和高度，frame_rate表示幀編碼率，rame_size=(width* height* 3)＞＞1;

(3)在完成視頻編碼的初始化后，利用SsbSipH264EncodeGetInBuf(handle，0)函數(shù)可以得到視頻編碼去的函數(shù)地址，通過memcpy函數(shù)把視頻幀填充到編碼緩沖區(qū)然后執(zhí)行編碼，SsbSip H264 Enco deExe(handle)。編碼完成后取出視頻幀，SsbSipH264EncodeGetOutBuf(handle，size)。最后得到的幀就是編碼得到的圖像信息;

(4)完成所有的編碼后，退出編碼并調(diào)用SsbSipH264EncodeDeInit(handle)函數(shù)，停止視頻的采集，ioc(fd，VIDIOC_STREAMOFF，＆buf_type)，并且關(guān)閉視頻設(shè)備，close(fd)。

3 結(jié)束語

本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)布置聲信號采集節(jié)點(diǎn)采集聲信號，然后利用嵌入式硬件平臺采集聲信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合進(jìn)而辨別車輛信息。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅很好的實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)的傳遞，而且它擴(kuò)大了車輛識別的區(qū)域范圍。它的低功耗、價(jià)格低廉、布設(shè)簡單等特點(diǎn)也決定了它在車輛識別領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用到車輛識別中提高了識別的正確率。當(dāng)前，實(shí)際的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)已通過測試，后續(xù)研究的重點(diǎn)就是融合算法。

［1］ 崔遜學(xué)，趙湛，王成.無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域應(yīng)用與設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009:103－126.

［2］ 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:23－45.

［3］ 彭冬亮，文成林，薛安克.多傳感信息多源信息融合理論及應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:20－41.

［4］ 王維強(qiáng)，陳勇，閆琳.ADSP-218x在某嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，29(6):73－77.

［5］ 魏偉，胡瑋，王永清.嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)［M］.北京:北京化學(xué)工業(yè)出版社，2010:165.

［6］ 李岸，許雪梅，郭巧云，等.基于ARM11的視頻實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19(11):15－18.