專(zhuān)利名稱(chēng)：基于fpga的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)的交通信號(hào)控制機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，屬于 信號(hào)處理技術(shù)，通信技術(shù)和交通信號(hào)控制技術(shù)。是在現(xiàn)有的信號(hào)機(jī)基礎(chǔ)上用FPGA芯片實(shí)現(xiàn) 對(duì)數(shù)字圖像感興趣區(qū)域的檢測(cè)，提取出交通路口的車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度并通過(guò)ARM7處理器和信號(hào)機(jī) 主板進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的控制。
背景技術(shù)：
交通信號(hào)控制是利用交通信號(hào)，對(duì)道路上運(yùn)行的車(chē)輛和行人進(jìn)行指揮和疏導(dǎo)，交 通信號(hào)自動(dòng)控制是交通控制的重要組成部分，是科學(xué)交通管理的一種有效手段，路口信號(hào) 機(jī)是交通信號(hào)的控制器，其主要用于路口的信號(hào)燈控制，其既可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)控制，又可以 實(shí)時(shí)地采集交通信息提供給中央控制機(jī)作為決策的依據(jù)?，F(xiàn)有的信號(hào)機(jī)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制的功能已經(jīng)比較強(qiáng)大根據(jù)各交通路口的不同需要可 以實(shí)現(xiàn)多相位控制方式；根據(jù)不同時(shí)間段交通流量的不同可以實(shí)現(xiàn)多時(shí)段的控制方式，并 且還可以根據(jù)工作日與節(jié)假日來(lái)設(shè)置不同的控制方案；控制面板上的按鈕可以方便的實(shí)現(xiàn) 手動(dòng)/自動(dòng)、聯(lián)動(dòng)、感應(yīng)/多時(shí)段、綠沖突等控制，并且配有通信接口，可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控 制，以方便的使指揮中心對(duì)路口的信號(hào)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控或通過(guò)便攜機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，滿(mǎn)足 區(qū)域協(xié)調(diào)控制的要求。在交通信號(hào)控制中至關(guān)重要的是如何通過(guò)對(duì)瞬時(shí)交通流量的預(yù)測(cè)， 來(lái)確定各相位紅綠燈的時(shí)間分配。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)包括以下幾類(lèi)①電磁感應(yīng)、微波檢測(cè)和超聲波檢測(cè)裝置，這類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)電磁感性、微波或超聲波 來(lái)檢測(cè)路口車(chē)輛的通行，根據(jù)通過(guò)車(chē)輛數(shù)在一日或一段時(shí)間內(nèi)的分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)確定信號(hào) 燈控制的綠信比。這類(lèi)檢測(cè)方式的突出問(wèn)題是需要事先挖掘路面，鋪設(shè)檢測(cè)裝置，這造成了 其成本比較高；同時(shí)，由于當(dāng)前時(shí)刻的紅綠燈時(shí)間分配是根據(jù)以往交通流量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律獲 得的，這造成了其無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)車(chē)流量突變的情況；②基于工控機(jī)的路口排隊(duì)檢測(cè)系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)是利用工控機(jī)處理交通路口的序列 圖像，通過(guò)檢測(cè)各路口等待的車(chē)流長(zhǎng)度，來(lái)實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前時(shí)刻路口的交通流量信息，以此為 依據(jù)來(lái)控制各相位的信號(hào)燈。這類(lèi)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，準(zhǔn)確度較高，但由于系統(tǒng)需要安裝在公 路、指定的道路上或在移動(dòng)車(chē)輛上，信號(hào)、圖像傳輸?shù)人心K完全按工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，所 以投資較大；此外，該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)導(dǎo)致了其實(shí)用性能并不理想；③基于DSP+FPGA的排隊(duì)長(zhǎng)度自動(dòng)檢測(cè)方案，這類(lèi)系統(tǒng)是以FPGA作為圖像采集的 邏輯控制單元，DSP作為視頻圖像的處理核心，F(xiàn)PGA將采集的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外擴(kuò)RAM存儲(chǔ) 器中，DSP從RAM中讀取圖像并進(jìn)行處理以獲得路口車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度。這種實(shí)現(xiàn)方式造價(jià) 較低，可靠性高，但實(shí)時(shí)性相對(duì)較差。FPGA芯片具有硬件邏輯處理速度快的特點(diǎn)，可以高速 控制對(duì)圖像的采集，但是DSP要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)處理則需要相對(duì)較多的時(shí)間，兩者 運(yùn)行速度的不匹配造成了整個(gè)系統(tǒng)的處理效率低下。加之DSP芯片還要實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻采集的 管理、對(duì)數(shù)字圖像的處理和對(duì)RAM讀寫(xiě)的控制，導(dǎo)致了這類(lèi)系統(tǒng)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程實(shí)際實(shí)時(shí) 性的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為避免現(xiàn)有技術(shù)實(shí)時(shí)性能差、準(zhǔn)確性低和資金投入大的缺陷，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種 基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)及交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制器，其特征在于以單個(gè)FPGA芯片作 為交叉路口各個(gè)方向車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度的檢測(cè)和處理中心，完成對(duì)交叉路口各個(gè)方向的圖像快 速采集、圖像處理、車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度的提取和信號(hào)與特殊圖像的傳輸管理；該方法首先通過(guò)多 路CCD獲得交叉路口各個(gè)方向的車(chē)輛排隊(duì)圖像信息，通過(guò)解碼芯片將模擬視頻圖象轉(zhuǎn)換成 數(shù)字圖象，并由FPGA控制實(shí)現(xiàn)將多路圖像存入緩沖器，F(xiàn)PGA借助硬件邏輯實(shí)現(xiàn)邊緣提取算 法，提取多路圖像中包含該交叉路口各個(gè)方向車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度信息和行人信息；FPGA邏輯控 制，給路口交通信號(hào)控制機(jī)傳輸決策前的最新信息，路口交通信號(hào)控制機(jī)可以根據(jù)車(chē)輛排 隊(duì)長(zhǎng)度和行人信息得到周期和各個(gè)方向綠信比參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)的優(yōu)化控制；當(dāng)有違 章等異常圖象時(shí)，F(xiàn)PGA還可以直接對(duì)緩沖器中的特殊圖象壓縮，通過(guò)總線(xiàn)接口按要求的通 信方式將圖象傳輸給指定系統(tǒng)。本發(fā)明以FPGA邏輯硬件實(shí)現(xiàn)了交叉路口各個(gè)方向車(chē)輛、行人信息的采集處理，而 不需要計(jì)算機(jī)或DSP等核心處理器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè) 及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是(a)由FPGA完成對(duì)圖像采集的邏輯控制和對(duì)由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字圖 像數(shù)據(jù)的處理。首先，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊、緩沖存儲(chǔ)模塊和ARM7處理器的邏輯控制；其 次，通過(guò)自身豐富的LE單元，搭建出邊緣檢測(cè)模塊、邊緣增強(qiáng)模塊、閾值提取模塊和車(chē)隊(duì)長(zhǎng) 度計(jì)算模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)求取交通路口車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度的硬件處理算法；(b)ARM7處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模塊進(jìn)行必要的控制，并根據(jù)圖像處理的結(jié)果對(duì)信號(hào) 燈驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。另外，芯片可以增加存放代碼和應(yīng)急方案的存儲(chǔ)模塊。本信號(hào) 機(jī)中有兩個(gè)程序數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，一是ARM7芯片的處理和控制程序的代碼；一是信號(hào)機(jī)的應(yīng) 急方案程序。應(yīng)急方案可以提前固化到存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行應(yīng)急方案的時(shí)候，固化的程序 可以自行按照時(shí)鐘信號(hào)一步一步的運(yùn)行；(c)外圍模塊中的綠異常由綠沖突(GGD)模塊和綠不一致(GUF)模塊組成。信號(hào) 機(jī)異常診斷與定位電路模塊主要針對(duì)這兩種情況進(jìn)行檢測(cè)與分析。外圍模塊中還可以設(shè)計(jì) 保安模塊。保安模塊可以對(duì)硬件進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。顯示及鍵盤(pán)輸入模塊主要用來(lái)顯示信號(hào)機(jī) 的一些狀態(tài)參數(shù)以及通過(guò)鍵盤(pán)輸入到信號(hào)機(jī)控制參數(shù)；(d) 一種以步驟(a)所述的基于FPGA的圖像信號(hào)交通控制信號(hào)機(jī)的控制方法， 其特征在于通過(guò)FPGA硬件邏輯在緩沖器中讀入所拍攝圖像，確定停車(chē)線(xiàn)(白線(xiàn))在其中 的位置，然后對(duì)圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，反向查找最后邊緣，取最后邊緣的若干像素，求出這些 像素到白線(xiàn)的距離的均值，得到其隊(duì)長(zhǎng)信息，并通過(guò)ARM7將其發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)給出 各路口的綠信比，送給ARM7在線(xiàn)控制信號(hào)燈。對(duì)圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)采取的方案是取適當(dāng) 的閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化，得到圖像的邊緣；求取最后邊緣的若干像素采取的方案是通 過(guò)搜索出最后的非0值，得到最后邊緣的像素的位置；求取像素到白線(xiàn)的距離的均值采取 的方案是取最后邊緣的象素位置附近的若干象素點(diǎn)，計(jì)算它們到白線(xiàn)的距離，最后取平均 值。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。


附圖1是本發(fā)明基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框 圖。附圖2是本發(fā)明基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處 理單元詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖。附圖3是本發(fā)明基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)車(chē)隊(duì)長(zhǎng) 度提取模塊設(shè)計(jì)圖。附圖4是本發(fā)明基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)控制方 法流程圖。
具體實(shí)施例方式視頻采集單元采用(XD，它可以把現(xiàn)場(chǎng)圖像采集進(jìn)來(lái)并送給A/D轉(zhuǎn)化芯片作進(jìn)一 步處理。A/D芯片采用PHILIPS公司的7111芯片，7111芯片有4個(gè)模擬通道，通過(guò)分時(shí)采集 4路的圖像信號(hào)，分時(shí)進(jìn)行處理，可以通過(guò)編程選擇7111的轉(zhuǎn)換模式，通過(guò)1 總線(xiàn)進(jìn)行編 程，完成7111的初始化工作，信號(hào)的輸出格式也由1 總線(xiàn)進(jìn)行控制，采用CCIR601的4:2:2 格式。這樣，現(xiàn)場(chǎng)圖像就從模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，可以通過(guò)緩存器，送給FPGA芯片進(jìn)行 相應(yīng)的處理。FPGA采用美國(guó)Altera公司的Cyclone系列FPGA中的EP1C12芯片。該芯片密集 度達(dá)12060個(gè)LE單元(每個(gè)LE包括一個(gè)LUT，一個(gè)觸發(fā)器和相關(guān)邏輯，是芯片實(shí)現(xiàn)邏輯的 最基本結(jié)構(gòu)，也是FPGA綜合性能評(píng)價(jià)的主要指標(biāo))，完全能夠滿(mǎn)足圖像處理算法和系統(tǒng)邏 輯控制的需要；169個(gè)用戶(hù)可用I/O端口滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像采集和存儲(chǔ)的多個(gè)芯片連接要 求；緩沖器采用了 FIFO器件1041V。由A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換而來(lái)的視頻數(shù)據(jù)直接進(jìn)入 FIFO，在FIFO中暫時(shí)存放。當(dāng)FPGA需要對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)，可以通過(guò)重復(fù)讀指令進(jìn)行讀操作， 因?yàn)橹貜?fù)指令可以把一條多到5個(gè)周期的指令變?yōu)?個(gè)周期的指令，所以FPGA—次可以讀 大量的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)緩沖的功能。ARM7處理器采用基于32/16位ARM7TDMI-S CPU的LPC2138芯片，該芯片具有靈 活的指令系統(tǒng)和操作性能，其1 位寬存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使得它能夠在最大時(shí) 鐘頻率下運(yùn)行32位代碼，芯片同時(shí)擁有多個(gè)32位計(jì)數(shù)器，8通道ADC接口和47個(gè)通用I/ 0接口，使其可以方便與外圍單元保持聯(lián)系，當(dāng)外圍電路需要ARM7進(jìn)行控制時(shí)，通過(guò)接口電 路可以方便實(shí)現(xiàn)它們之間的對(duì)話(huà)。用來(lái)存放程序代碼和應(yīng)急方案的存儲(chǔ)模塊可以采用256K的SST39VF400A芯片。另 外，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的應(yīng)急方案也可以寫(xiě)到此芯片中。由于LPC2138輸出信號(hào)與信號(hào)燈所要求的電壓，電流等參數(shù)不匹配，所以， LPC2138控制輸出信號(hào)不能直接控制信號(hào)燈。驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)際上就是根據(jù)信號(hào)燈所要求的參 數(shù)所設(shè)計(jì)的電路驅(qū)動(dòng)板。RS232或光纖傳輸模塊是用來(lái)傳輸中央控制單元的控制參數(shù)和FPGA處理得出的排隊(duì)信息的。若用光纖傳輸，需要在信號(hào)機(jī)和中央控制單元的兩端加光電轉(zhuǎn)換模塊。
將圖像信號(hào)采集進(jìn)來(lái)以后，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行邊緣檢測(cè)，將檢測(cè)出的邊緣進(jìn)行組合， 判斷出真正的車(chē)輛的邊緣，提取車(chē)流量的數(shù)字，得到其隊(duì)長(zhǎng)信息數(shù)據(jù)，然后和中央控制單元 進(jìn)行通信，中央控制單元給出相應(yīng)的綠信比，以控制十字路口交通燈的綠燈亮的時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，其特征在于以視頻 采集單元采集道路中的圖像信息，外圍模塊實(shí)現(xiàn)綠異常檢測(cè)與分析，以FPGA硬件邏輯搭建 的圖像處理算法電路實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的圖像信號(hào)的分析、處理，并以其結(jié)果計(jì)算綠信比。實(shí)現(xiàn) 了將圖像處理算法硬件化，而不需要計(jì)算機(jī)或DSP等核心處理器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能好，可擴(kuò)展 性強(qiáng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，其 特征在于由FPGA完成對(duì)圖像采集的邏輯控制和對(duì)由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而來(lái)的數(shù)字圖像數(shù) 據(jù)的處理。首先，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊、緩沖存儲(chǔ)模塊和ARM7處理器的邏輯控制；其次，通 過(guò)自身豐富的LE單元，搭建出邊緣檢測(cè)模塊、邊緣增強(qiáng)模塊、閾值提取模塊和車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度計(jì) 算模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)求取交通路口車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度的硬件處理算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，其 特征在于ARM7處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍模塊進(jìn)行必要的控制，并根據(jù)圖像處理的結(jié)果對(duì)信號(hào)燈 驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。另外，芯片可以增加存放代碼和應(yīng)急方案的存儲(chǔ)模塊。本信號(hào)機(jī) 中有兩個(gè)程序數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)，一是ARM7芯片的處理和控制程序的代碼；一是信號(hào)機(jī)的應(yīng)急 方案程序。應(yīng)急方案可以提前固化到存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)需要執(zhí)行應(yīng)急方案的時(shí)候，固化的程序可 以自行按照時(shí)鐘信號(hào)一步一步的運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA實(shí)現(xiàn)的交通圖像控制信號(hào)機(jī)，其特征在于外圍模 塊中的綠異常由綠沖突(GGD)模塊和綠不一致(GUF)模塊組成。信號(hào)機(jī)異常診斷與定位電 路模塊主要針對(duì)這兩種情況進(jìn)行檢測(cè)與分析。外圍模塊中還可以設(shè)計(jì)保安模塊。保安模塊 可以對(duì)硬件進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。顯示及鍵盤(pán)輸入模塊主要用來(lái)顯示信號(hào)機(jī)的一些狀態(tài)參數(shù)以及 通過(guò)鍵盤(pán)輸入到信號(hào)機(jī)控制參數(shù)。
5.一種用于上述基于FPGA的圖像信號(hào)交通控制信號(hào)機(jī)的控制方法，其特征在于通過(guò) FPGA硬件邏輯在緩沖器中讀入所拍攝圖像，確定停車(chē)線(xiàn)(白線(xiàn))在其中的位置，然后對(duì)圖 像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，反向查找最后邊緣，取最后邊緣的若干像素，求出這些像素到白線(xiàn)的距離 的均值，得到其隊(duì)長(zhǎng)信息，并通過(guò)ARM7將其發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)給出各路口的綠信比，送 給ARM7在線(xiàn)控制信號(hào)燈。對(duì)圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)采取的方案是取適當(dāng)?shù)拈撝担瑢?duì)圖像進(jìn)行 二值化，得到圖像的邊緣；求取最后邊緣的若干像素采取的方案是通過(guò)搜索出最后的非 0值，得到最后邊緣的像素的位置；求取像素到白線(xiàn)的距離的均值采取的方案是取最后邊 緣的象素位置附近的若干象素點(diǎn)，計(jì)算它們到白線(xiàn)的距離，最后取平均值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于FPGA的路口排隊(duì)長(zhǎng)度圖像檢測(cè)及交通信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)，屬于信號(hào)處理技術(shù)，通信技術(shù)和交通信號(hào)控制技術(shù)。是在現(xiàn)有的信號(hào)機(jī)基礎(chǔ)上用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像感興趣區(qū)域的檢測(cè)，提取出交通路口的車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度并通過(guò)ARM7處理器和信號(hào)機(jī)主板進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)燈的控制。其特征在于以FPGA硬件邏輯搭建的圖像處理算法電路實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的圖像信號(hào)的分析、處理，并以其結(jié)果計(jì)算綠信比，將圖像處理算法硬件化，而不需要計(jì)算機(jī)或DSP等核心處理器。
文檔編號(hào)G08G1/04GK102044159SQ200910218418
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者史忠科, 王闖, 賀瑩 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司