CN102044159A - 基于fpga的路口排队长度图像检测的交通信号控制机 - Google Patents

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史忠科
王闯
贺莹
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本发明涉及一种基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，属于信号处理技术，通信技术和交通信号控制技术。是在现有的信号机基础上用FPGA芯片实现对数字图像感兴趣区域的检测，提取出交通路口的车队长度并通过ARM7处理器和信号机主板进行通信以实现对交通信号灯的控制。其特征在于：以FPGA硬件逻辑搭建的图像处理算法电路实现对采集到的图像信号的分析、处理，并以其结果计算绿信比，将图像处理算法硬件化，而不需要计算机或DSP等核心处理器。

Description

基于FPGA的路口排队长度图像检测的交通信号控制机
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，属于信号处理技术，通信技术和交通信号控制技术。是在现有的信号机基础上用FPGA芯片实现对数字图像感兴趣区域的检测，提取出交通路口的车队长度并通过ARM7处理器和信号机主板进行通信以实现对交通信号灯的控制。
背景技术
交通信号控制是利用交通信号，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导，交通信号自动控制是交通控制的重要组成部分，是科学交通管理的一种有效手段，路口信号机是交通信号的控制器，其主要用于路口的信号灯控制，其既可以独立地实现控制，又可以实时地采集交通信息提供给中央控制机作为决策的依据。
现有的信号机实现独立控制的功能已经比较强大：根据各交通路口的不同需要可以实现多相位控制方式；根据不同时间段交通流量的不同可以实现多时段的控制方式，并且还可以根据工作日与节假日来设置不同的控制方案；控制面板上的按钮可以方便的实现手动/自动、联动、感应/多时段、绿冲突等控制，并且配有通信接口，可以实现联网远程控制，以方便的使指挥中心对路口的信号机进行远程监控或通过便携机进行现场监控，满足区域协调控制的要求。在交通信号控制中至关重要的是如何通过对瞬时交通流量的预测，来确定各相位红绿灯的时间分配。目前市场上常见的车辆检测系统包括以下几类：
①电磁感应、微波检测和超声波检测装置，这类系统通过电磁感性、微波或超声波来检测路口车辆的通行，根据通过车辆数在一日或一段时间内的分布统计规律来确定信号灯控制的绿信比。这类检测方式的突出问题是需要事先挖掘路面，铺设检测装置，这造成了其成本比较高；同时，由于当前时刻的红绿灯时间分配是根据以往交通流量的统计规律获得的，这造成了其无法实时响应车流量突变的情况；
②基于工控机的路口排队检测系统，这类系统是利用工控机处理交通路口的序列图像，通过检测各路口等待的车流长度，来实时获取当前时刻路口的交通流量信息，以此为依据来控制各相位的信号灯。这类系统实时性较好，准确度较高，但由于系统需要安装在公路、指定的道路上或在移动车辆上，信号、图像传输等所有模块完全按工业级标准设计，所以投资较大；此外，该系统在实际运行时稳定性差的缺点导致了其实用性能并不理想；
③基于DSP+FPGA的排队长度自动检测方案，这类系统是以FPGA作为图像采集的逻辑控制单元，DSP作为视频图像的处理核心，FPGA将采集的图像数据存储在外扩RAM存储器中，DSP从RAM中读取图像并进行处理以获得路口车辆的排队长度。这种实现方式造价较低，可靠性高，但实时性相对较差。FPGA芯片具有硬件逻辑处理速度快的特点，可以高速控制对图像的采集，但是DSP要实现对数字图像的实时处理则需要相对较多的时间，两者运行速度的不匹配造成了整个系统的处理效率低下。加之DSP芯片还要实现对视频采集的管理、对数字图像的处理和对RAM读写的控制，导致了这类系统远不能满足工程实际实时性的要求。
发明内容
为避免现有技术实时性能差、准确性低和资金投入大的缺陷，本发明设计了一种基于FPGA的路口排队长度检测及交通信号协调控制器，其特征在于：以单个FPGA芯片作为交叉路口各个方向车辆排队长度的检测和处理中心，完成对交叉路口各个方向的图像快速采集、图像处理、车辆排队长度的提取和信号与特殊图像的传输管理；该方法首先通过多路CCD获得交叉路口各个方向的车辆排队图像信息，通过解码芯片将模拟视频图象转换成数字图象，并由FPGA控制实现将多路图像存入缓冲器，FPGA借助硬件逻辑实现边缘提取算法，提取多路图像中包含该交叉路口各个方向车辆排队长度信息和行人信息；FPGA逻辑控制，给路口交通信号控制机传输决策前的最新信息，路口交通信号控制机可以根据车辆排队长度和行人信息得到周期和各个方向绿信比参数，以实现交通信号的优化控制；当有违章等异常图象时，FPGA还可以直接对缓冲器中的特殊图象压缩，通过总线接口按要求的通信方式将图象传输给指定系统。
本发明以FPGA逻辑硬件实现了交叉路口各个方向车辆、行人信息的采集处理，而不需要计算机或DSP等核心处理器，系统实时性能好，可扩展性强。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，其特点是：
(a)由FPGA完成对图像采集的逻辑控制和对由A/D转换模块转换而来的数字图像数据的处理。首先，实现对A/D转换模块、缓冲存储模块和ARM7处理器的逻辑控制；其次，通过自身丰富的LE单元，搭建出边缘检测模块、边缘增强模块、阈值提取模块和车队长度计算模块，来实现求取交通路口车辆的排队长度的硬件处理算法；
(b)ARM7处理器实现对外围模块进行必要的控制，并根据图像处理的结果对信号灯驱动模块进行驱动控制。另外，芯片可以增加存放代码和应急方案的存储模块。本信号机中有两个程序数据需要存储，一是ARM7芯片的处理和控制程序的代码；一是信号机的应急方案程序。应急方案可以提前固化到存储器内，当需要执行应急方案的时候，固化的程序可以自行按照时钟信号一步一步的运行；
(c)外围模块中的绿异常由绿冲突(GGD)模块和绿不一致(GUF)模块组成。信号机异常诊断与定位电路模块主要针对这两种情况进行检测与分析。外围模块中还可以设计保安模块。保安模块可以对硬件进行过压保护。显示及键盘输入模块主要用来显示信号机的一些状态参数以及通过键盘输入到信号机控制参数；
(d)一种以步骤(a)所述的基于FPGA的图像信号交通控制信号机的控制方法，其特征在于：通过FPGA硬件逻辑在缓冲器中读入所拍摄图像，确定停车线(白线)在其中的位置，然后对图像进行边缘增强，反向查找最后边缘，取最后边缘的若干像素，求出这些像素到白线的距离的均值，得到其队长信息，并通过ARM7将其发送至上位机，上位机给出各路口的绿信比，送给ARM7在线控制信号灯。对图像进行边缘增强采取的方案是：取适当的阈值，对图像进行二值化，得到图像的边缘；求取最后边缘的若干像素采取的方案是：通过搜索出最后的非0值，得到最后边缘的像素的位置；求取像素到白线的距离的均值采取的方案是：取最后边缘的象素位置附近的若干象素点，计算它们到白线的距离，最后取平均值。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
附图1是本发明基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现结构框图。
附图2是本发明基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现数据处理单元详细结构框图。
附图3是本发明基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现车队长度提取模块设计图。
附图4是本发明基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现控制方法流程图。
具体实施方式
视频采集单元采用CCD，它可以把现场图像采集进来并送给A/D转化芯片作进一步处理。A/D芯片采用PHILIPS公司的7111芯片，7111芯片有4个模拟通道，通过分时采集4路的图像信号，分时进行处理，可以通过编程选择7111的转换模式，通过I2C总线进行编程，完成7111的初始化工作，信号的输出格式也由I2C总线进行控制，采用CCIR601的4:2:2格式。这样，现场图像就从模拟数据转换成数字数据，可以通过缓存器，送给FPGA芯片进行相应的处理。
FPGA采用美国Altera公司的Cyclone系列FPGA中的EP1C12芯片。该芯片密集度达12060个LE单元(每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关逻辑，是芯片实现逻辑的最基本结构，也是FPGA综合性能评价的主要指标)，完全能够满足图像处理算法和系统逻辑控制的需要；169个用户可用I/O端口满足系统实现图像采集和存储的多个芯片连接要求；
缓冲器采用了FIFO器件1041V。由A/D转换芯片转换而来的视频数据直接进入FIFO，在FIFO中暂时存放。当FPGA需要对其进行处理时，可以通过重复读指令进行读操作，因为重复指令可以把一条多到5个周期的指令变为1个周期的指令，所以FPGA一次可以读大量的数据，从而实现缓冲的功能。
ARM7处理器采用基于32/16位ARM7TDMI-S CPU的LPC2138芯片，该芯片具有灵活的指令系统和操作性能，其128位宽存储器接口和独特的加速结构使得它能够在最大时钟频率下运行32位代码，芯片同时拥有多个32位计数器，8通道ADC接口和47个通用I/O接口，使其可以方便与外围单元保持联系，当外围电路需要ARM7进行控制时，通过接口电路可以方便实现它们之间的对话。
用来存放程序代码和应急方案的存储模块可以采用256K的SST39VF400A芯片。另外，根据历史数据所设计的应急方案也可以写到此芯片中。
由于LPC2138输出信号与信号灯所要求的电压，电流等参数不匹配，所以，LPC2138控制输出信号不能直接控制信号灯。驱动模块实际上就是根据信号灯所要求的参数所设计的电路驱动板。
RS232或光纤传输模块是用来传输中央控制单元的控制参数和FPGA处理得出的排队信息的。若用光纤传输，需要在信号机和中央控制单元的两端加光电转换模块。
将图像信号采集进来以后，对图像信号进行边缘检测，将检测出的边缘进行组合，判断出真正的车辆的边缘，提取车流量的数字，得到其队长信息数据，然后和中央控制单元进行通信，中央控制单元给出相应的绿信比，以控制十字路口交通灯的绿灯亮的时间。

Claims (5)

1.一种基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，其特征在于：以视频采集单元采集道路中的图像信息，外围模块实现绿异常检测与分析，以FPGA硬件逻辑搭建的图像处理算法电路实现对采集到的图像信号的分析、处理，并以其结果计算绿信比。实现了将图像处理算法硬件化，而不需要计算机或DSP等核心处理器，系统实时性能好，可扩展性强。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，其特征在于：由FPGA完成对图像采集的逻辑控制和对由A/D转换模块转换而来的数字图像数据的处理。首先，实现对A/D转换模块、缓冲存储模块和ARM7处理器的逻辑控制；其次，通过自身丰富的LE单元，搭建出边缘检测模块、边缘增强模块、阈值提取模块和车队长度计算模块，来实现求取交通路口车辆的排队长度的硬件处理算法。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的路口排队长度图像检测及交通信号控制实现，其特征在于：ARM7处理器实现对外围模块进行必要的控制，并根据图像处理的结果对信号灯驱动模块进行驱动控制。另外，芯片可以增加存放代码和应急方案的存储模块。本信号机中有两个程序数据需要存储，一是ARM7芯片的处理和控制程序的代码；一是信号机的应急方案程序。应急方案可以提前固化到存储器内，当需要执行应急方案的时候，固化的程序可以自行按照时钟信号一步一步的运行。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA实现的交通图像控制信号机，其特征在于：外围模块中的绿异常由绿冲突(GGD)模块和绿不一致(GUF)模块组成。信号机异常诊断与定位电路模块主要针对这两种情况进行检测与分析。外围模块中还可以设计保安模块。保安模块可以对硬件进行过压保护。显示及键盘输入模块主要用来显示信号机的一些状态参数以及通过键盘输入到信号机控制参数。
5.一种用于上述基于FPGA的图像信号交通控制信号机的控制方法，其特征在于：通过FPGA硬件逻辑在缓冲器中读入所拍摄图像，确定停车线(白线)在其中的位置，然后对图像进行边缘增强，反向查找最后边缘，取最后边缘的若干像素，求出这些像素到白线的距离的均值，得到其队长信息，并通过ARM7将其发送至上位机，上位机给出各路口的绿信比，送给ARM7在线控制信号灯。对图像进行边缘增强采取的方案是：取适当的阈值，对图像进行二值化，得到图像的边缘；求取最后边缘的若干像素采取的方案是：通过搜索出最后的非0值，得到最后边缘的像素的位置；求取像素到白线的距离的均值采取的方案是：取最后边缘的象素位置附近的若干象素点，计算它们到白线的距离，最后取平均值。
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