基于TMS320DM6446的視頻車檢一體化設(shè)計(jì)*

郝建豹 桑林

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 2.深圳市新創(chuàng)中天科技發(fā)展有限公司）

0 引言

運(yùn)動(dòng)車輛視頻檢測(cè)在智能交通系統(tǒng)中起著人眼的作用。基于車輛視頻處理分析的視頻檢測(cè)系統(tǒng)，是在獲取道路實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻的基礎(chǔ)上，對(duì)交通場(chǎng)景視頻進(jìn)行車輛檢測(cè)、車輛跟蹤，以獲得視頻場(chǎng)景中有用的交通信息。視頻檢測(cè)系統(tǒng)和其它傳統(tǒng)的檢測(cè)方法如線圈、微波雷達(dá)相比，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)備維護(hù)方便；無(wú)須將路面破壞，不會(huì)影響道路正常交通；視頻檢測(cè)范圍大，可同時(shí)監(jiān)控檢測(cè)多條車道；通過視頻檢測(cè)提供更全面的交通管理和事故信息，可得到包括車流量、車速、車流密度、車型、是否堵塞等交通信息；可以為交通管理部門提供可視化監(jiān)控，方便管理，同時(shí)進(jìn)行錄像，方便日后進(jìn)行事故錄像提取查詢[1]。

現(xiàn)有的視頻車檢器一般使用模擬攝像機(jī)+嵌入式處理器的模式構(gòu)成，作為交通監(jiān)管控制領(lǐng)域最前端的構(gòu)成設(shè)備，必須滿足系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高可靠穩(wěn)定運(yùn)行和高準(zhǔn)確的車輛檢測(cè)性能。雖然部分視頻車檢器在應(yīng)用LINUX系統(tǒng)后，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，但笨重的體積、線路的繁瑣和明顯的功耗，限制了此類視頻檢測(cè)器的應(yīng)用[2-3]。

圖像傳感器得到的原始圖像數(shù)據(jù)需經(jīng)過圖像處理 DSP芯片優(yōu)化處理后，再行進(jìn)行壓縮，然后通過通信線路傳輸給嵌入式處理器的 DSP芯片做圖像識(shí)別運(yùn)算，增加了系統(tǒng)處理時(shí)間[4]。

基于達(dá)芬奇技術(shù)的一體化視頻車檢器，采用一體化方案，將圖像處理DSP芯片和圖像識(shí)別分析DSP芯片合二為一，體積小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能針對(duì)性強(qiáng)。全功能狀態(tài)下功耗會(huì)降低40%左右，可使用風(fēng)、光發(fā)電機(jī)等再生能源供電裝置。采用達(dá)芬奇架構(gòu)的雙核數(shù)字多媒體處理器，處理速度大大提高。車檢器中包含了視頻采集、算法處理、數(shù)據(jù)通訊模塊。車檢器安裝在前端路口，視頻無(wú)需往中心傳送，直接實(shí)現(xiàn)了交通信息的檢測(cè)，為交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

1 一體化視頻車檢器硬件設(shè)計(jì)

一體化視頻車檢器以TMS320DM6446為算法處理的核心芯片，其采用達(dá)芬奇技術(shù)架構(gòu)，基于ARM926和TMS32064x+DSP的高度集成的雙核數(shù)字多媒體處理器，適合數(shù)字信號(hào)的處理、視頻處理[5-6]。該車檢器的硬件設(shè)計(jì)是在 TMS320DM6446的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些外設(shè)電路實(shí)現(xiàn)的，視頻采集系統(tǒng)的框架圖如圖1所示，系統(tǒng)框架分為2個(gè)部分：

1) 以ARM為中心的系統(tǒng)管理層部分

以ARM 為中心的系統(tǒng)管理層部分包含 FLASH存儲(chǔ)模塊、有線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊和串口通訊模塊。FLASH存儲(chǔ)模塊包含F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器，主要用來(lái)存儲(chǔ)ARM程序、DSP的程序和系統(tǒng)配置信息；有線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊包含局域網(wǎng)控制芯片，通過該網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，視頻采集系統(tǒng)可以通過本地局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入到外部Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制中心的有線通訊；為配合信號(hào)機(jī)進(jìn)行自適應(yīng)控制，系統(tǒng)提供了一個(gè) UART口。

圖1 視頻采集系統(tǒng)框架圖

2) 以DSP為中心的交通視頻處理的算法層部分

以DSP為中心的交通視頻處理的算法層部分主要作用是交通視頻的算法處理，主要包含輸入模塊、算法處理部分和視頻輸出模塊。視頻輸入模塊由視頻解碼芯片和視頻存儲(chǔ)芯片VRAM構(gòu)成，主要作用是把視頻信號(hào)（CVBS）經(jīng)過視頻解碼芯片解碼，變成數(shù)字視頻并存儲(chǔ)到圖像存儲(chǔ)器（VRAM）上。算法模塊是本系統(tǒng)最重要的模塊，包含DSP、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DRAM和用于存儲(chǔ)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)的 FLASH。其主要作用是進(jìn)行數(shù)字視頻信息并行算法處理，把產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)交通信息按不同用途進(jìn)行解析并上傳或存儲(chǔ)或疊加處置。視頻輸出部分由 FPGA和視頻編碼芯片構(gòu)成，其作用是把算法模塊產(chǎn)生的當(dāng)前動(dòng)態(tài)交通信息疊加到視頻圖像上，提供給遠(yuǎn)程控制中心。

2 一體化視頻車檢器軟件設(shè)計(jì)

該車檢器選用LINUX作為視頻采集系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，并在此平臺(tái)上運(yùn)行算法任務(wù)、視頻疊加任務(wù)、通訊任務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)。為了提高本系統(tǒng)的研發(fā)效率、高可靠性與良好的可移植性，采用3層軟件結(jié)構(gòu)，由外到內(nèi)分別是硬件層、任務(wù)層、操作系統(tǒng)層，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 視頻處理算法任務(wù)從VRAM中提取當(dāng)前幀數(shù)字視頻圖像，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，提取車輛特征，連同前邊若干幀處理結(jié)果計(jì)算出瞬時(shí)車速，得到車流量、平均速度、占有率、車型分類等動(dòng)態(tài)交通信息，生成適合于實(shí)施、戰(zhàn)略、歷史3種用途的數(shù)據(jù)。算法模塊是核心，為保證與視頻同步，算法模塊在系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級(jí)。

2) 視頻疊加任務(wù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)模式顯示，其功能是把動(dòng)態(tài)交通信息如車流量、瞬時(shí)速度和車長(zhǎng)分類疊加到當(dāng)前的視頻圖像上，再通過視頻編碼芯片轉(zhuǎn)化為CVBS格式的視頻輸出。

3) 通訊任務(wù)負(fù)責(zé)與ARM通訊。通過HPI接口把動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)交通事件和設(shè)備狀態(tài)上傳到ARM。通過ARM把這些數(shù)據(jù)上傳到控制中心，或者上傳到信號(hào)控制機(jī)中為信號(hào)機(jī)提供控制依據(jù)。

4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)主要功能是把統(tǒng)計(jì)好的檢測(cè)數(shù)據(jù)存入FLASH中。其任務(wù)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 視頻處理運(yùn)行流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一體化視頻車輛檢測(cè)最大輸出分辨率為720×576，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求，采用FFMpeg輸出視頻的分辨率為320×240。圖4為夜間高速公路上的車輛檢測(cè)效果圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可清晰地識(shí)別被監(jiān)控車輛，視頻速率達(dá)到18幀/ s，滿足車輛視頻監(jiān)控的要求。

圖4 運(yùn)動(dòng)車輛檢測(cè)圖像

4 結(jié)語(yǔ)

將圖像處理 DSP芯片和圖像識(shí)別分析芯片合二為一，體積小巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能針對(duì)性強(qiáng)，全功能狀態(tài)下功耗降低到5 W以下?？墒褂蔑L(fēng)、光發(fā)電機(jī)等再生能源供電裝置，更具環(huán)保意識(shí)。直接將算法軟件嵌入到圖像處理 DSP中，提高了系統(tǒng)反應(yīng)和處理的速度。

先進(jìn)的達(dá)芬奇技術(shù)應(yīng)用于視頻車檢，應(yīng)用空間將十分廣闊，達(dá)芬奇技術(shù)要想應(yīng)用于復(fù)雜的交通環(huán)境當(dāng)中，還應(yīng)進(jìn)行大量的測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這也是筆者下一步的努力方向。

[1]李志軍,許萬(wàn)里,黃玉蘭,等.基于達(dá)芬奇技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2010,28(6):625-631.

[2]郭波,樊丁,彭凱.基于 DaVinci技術(shù)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安防科技,2010(1):22-24.

[3]李長(zhǎng)進(jìn).基于達(dá)芬奇平臺(tái)的交通視頻檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2012.

[4]張曉民.復(fù)雜路況電子警察抓拍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008,21(11):45-47.

[5]王宏志,蘇令華,王曉紅,等.基于達(dá)芬奇平臺(tái)的視頻編碼器實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2011,19(5):1158-1160.

[6]Texas Instruments TMS320DM644x DMsoc Video Processing Back End(VPBE)[M]. SPRUE37A April , 2007:43-115.