（仪器科学与技术专业论文）its中电子警察系统的研究和开发.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着经济、社会的发展，城市交通问题日益凸现，交通拥挤和交通事故频发， 给国民经济、社会发展和人们的生产、生活造成了巨大损失。为此，人们提出了 智能交通系统( i t s ) ，以此来解决日益突出的交通问题。智能交通系统能够改善混 乱的交通状况，减少拥堵，提高运输效率，并提高交通的安全性。作为i t s 的重 要组成部分，电子警察系统在规范驾驶人员行为、杜绝交通事故、提高交通执法 水平及道路通行能力等方面起到了重要作用。目前，电子警察系统在重庆城市智 能交通管理中得到了普遍的应用，在提高城市道路交通管理、促进城市健康发展 方面取得了很好的效果。但是，随着城市道路的建设和机动车保有量的增加，现 有电子警察系统在应用中仍有很多问题亟待解决。 本文针对重庆市的电子警察系统在应用中存在的问题和亟待改进地方，在系 统控制、车辆检测及图像传输方面提出了自己的解决方案。文中着重介绍了违章 车辆视频检测系统及基于c d m a 的图像传输系统的研究、设计及实现，概要介绍 了基于嵌入式系统的电子警察控制系统的组成。在违章车辆视频检测方面，根据 路口实际情况、采用路口实拍的视频图像，运用视频帧差算法，并结合差分图像 中前景图像像素点数量及形心位置等信息，实现对路口复杂环境下车辆各种违章 闯红灯行为的检测，取得了较好的效果。在图像传输方面，根据重庆路口网络建 设现状，利用c d m a 无线网络技术，并制定相应的网络传输协议，运用v p n 技 术，采用适宜的图像传输流程以及传输控制、差错处理方法，实现路口车辆违章 图像信息的及时、准确、安全传输。最后，概要介绍了基于嵌入式系统的电子警 察系统及控制系统的组成架构( 视频采集、图像处理、系统控制及网络传输单元) 及各个部分的芯片选用。 本文所提出的电子警察系统改进方案，力求适应予实际应用需求，并在实际 应用中做了大量工作。通过长时间的交通路口实验及使用，本文所设计的车辆视 频图像系统和图像传输系统取得了较好的实验结果，具有较高的实用价值。 此外，本文对该方案的不足也作了探讨并提出了进一步改进的措旌。 关键词：电子警察系统，嵌入式系统，车辆检测，c d m a ，图像传输 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n ds o c i e t y , p r o b l e m so f t r a f f i ci nc i t i e s ，s u c ha s t r a f f i cj a ma n dt r a f f i ca c c i d e n t , b e c a m es e r i o u sa n di tm a d ee n o r m o u sl o s sf o r 叫d a i l y l i v e sa n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y s op e o p l ep r e s e n t e das c h e m et h a t w a si t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) t or e s o l v et h i sp r o b l e m s i t sc o u l dd e v e l o p d i s o r d e rt r a f f i c , r e d u c e 竹a f f i c j a m , i m p r o v et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya n ds a f e t y a s e o f t h ei m p o r t a n tp a r to fi t s ，e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mh a db e e ns i g n i f i c a n ti nr u l i n gt h e d r i v e r s , a v o i d i n gt r a f f i ca c c i d e n t , i m p r o v i n gt h ec o u r s eo fe x e c u t i n gt h el a wa n d i m p r o v i n gt r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y a tp r e s e n t , e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mh a db e e n a b r o a di nc h o n g q i n g , a n di th a dm a d e g r e a tp r o g r e s si n 倘cm a n a g e m e n ta n dh e a l t h y d e v e l o p m e n to f c h o n g q i n g h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec i t ya n dt h ei n c r e a s e o f t h ea m o u n to f t h ev e h i c l e ，t h ep r o b l e mo f e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e l i ih a de m e r g e di ni t s a p p l i c a t i o n , w h i c hw o u l db eu r g e n tt ob er e s o l v e d i nt h ep a p e r , i tp r e s e n t e d $ o m os c h e m e sa b o u ts y s t e mc o n t r o ls y s t e m , v e h i c l e d e t e c t i o n $ y s t o l na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e ma i m e dt ot h ep r o b l e mo ft h ea p p l i c a t i o no f e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m i ti n t r o d u c e dv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nv i d e oa n d i m a g et r a n s m i s s i o ns y s t c mb a s e do nc d m ai nd e t a i l s ，a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do i l e m b e d d e ds y s t e mi nb r i e i nv e h i c l ed e t e c t i o ns y s t e m , i ta d o p t e df b m ed i f f e r e n c e a l g o r i t h ma n da c c o u n t e dt h em o u n to fp i x e l sa n dt h ep o s i t i o no ft h ec e n t r o i di n f o r e g r o u n di m a g et or e a l i z et h ef u n c t i o no f d e t e c t i n gv e h i c l ei nc o m p l e xs i t u a t i o nu s i n g t h ev i d e os c r e e n e di nc r o s s r o a d , a c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o no fc r o s s r o a d , a n di tg o t g o o dr e s u l to f v e h i c l ed e t e c t i o n i ni m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m i ta d o p t e dc d m aw i r e l e s s n e t w o r kt e c h n o l o g y , 吼t h ec u s t o mp r o t o c o l s ，t r a n s m i s s i o nf l o w , s y l 吐e l l lc o n t r o la n dt h e d i s p o s a l so f e r r o rt or e a l i z ei m a g et r a n s m i t t i n ga c c u r a t e l ya n di n6 眦r e s p o n d m gt ot h es i t u a t i o no f n e t w o r ka tc r o s s r o a di nc h o n g q i n g a n di ti n m x l u c e dt h ed e s i g no fe l e c t r o n i cp o l i c es y s t e mw h i c h c o n s i s t e do f v i d e oc o l l e c t i o n , i m a g ep l d 嘲8 ，s y s t e mc o n t r o la n dn e t w o r ku n i t , b a s e d0 1 1e m b e d d e d s y s t e ma n dt h ec h o i c eo f c h i p sw h i c hh a db e e nc o m p o s e dt h es y s t e mi n 晡e t h es c h e m ei nt h i sp a p e rd i di 乜b e s tt ob ec l o s et ot h ea p p l i c a t i o nf u r t h e 咄a n d 岫脚口l _ , t e al o to f w o r kt oi 聊 i t a m r o u # l o n g - t i m e t e s t i n ga n da p p l i c a t i o n , t h i ss c h e m eh a dag o o dr e s u l t a n dw a st h eg o o dw l u a b l ei na p p l i c a t i o n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i na d d i t i o n , t h ef u 劬e rb e t t e r m e n th a db e e na l s od i s c u s s e d k e y w o r d s ：d e c 血 o n i ep o l i c es y s t e m , e m b e d d e ds y s t e m ，v e h i c l ed e t e c t i o n , c d m a , i m a g et r a n s m i s s i o n m 独创性! 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特另o , d n 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：赫 签字日期：2 p 穸年硼3 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：鲰 签字日期： 叼年r 月3 f 日 导师签名：李务趴 签字日期：沙0 年，月；日 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着经济发展和技术进步，交通运输已经成为人们经济生活中不可缺少的重 要组成部分。它在保证社会经济体系及日常生活的正常运转方面发挥着越来越大 的作用。近2 0 年来，我国在城市交通建设发展方面投入了大量的人力、物力、财 力，建立了四通八达的交通运输网络，是当今世界交通基础设施建设发展最快的 国家，然而目前我国的城市交通基础设施建设仍满足不了经济的快速发展和人民 生活水平提高的要求。我国城市交通现状是，交通事故频发、交通拥堵问题日趋 严重，高峰小时机动车的平均时速低至1 0 k m l a ，极大地妨碍了居民的出行速度和 效率。造成这种现象的主要原因是： 道路设施不足，交通供应不能满足机动车辆迅速增长的需要； 路网布局不合理，城市中心区人口过于密集，人口与道路空间分布极不均 衡，交通设施建设受制约，路网存在严重的结构性缺陷； 公共交通发展滞后； 交通管理方面亟待加强。 交通拥堵问题造成时间资源浪费、消耗大量的能源和其它不可再生资源，产 生严重的空气污染、噪声污染。交通事故造成了大量的人员伤亡和高额的直接和 间接经济损失，这些都阻碍了城市社会经济与环境的健康发展【1 1 。 如果单纯依靠修建道路、交通设施和采用传统的管理方式来解决交通问题， 不仅成本昂贵、环境污染严重，而且其缓解交通拥堵、提高交通运输效果也十分 有限。为此早在3 0 多年前人们就提出了智能交通系统的概念，但对智能交通系统 或智能运输系统( r r s ) 进行系统地研究则始于2 0 世纪8 0 年代。i t s 是将驾驶员、交通 工具和道路环境三位一体来考虑。广义上i t s 应包括交通系统的规划、设计、实施 与运营的管理实现智能化；而狭义上r r s 则主要是指交通运输管理和组织的智能 化。其实质就是采用现代高新技术对传统的交通运输系统进行改造而形成一种新 型现代交通系统，以此来改善进而解决日益严重的交通问题。 l 。2 智能交通系统 1 2 1 概述 智能交通系统( i n t e l l i g a a tt r a n s p o r ts y s t e m ，r r s ) 是通过对各种交通资源的优化 配置并利用现代科技成果向广大交通系统使用者提供全方位交通服务的系统。智 能交通系统的实现应该有这样几个条件 2 1 ： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 第一，对道路上的交通信息以及与交通相关信息的采集应该尽量是完整的和 实时的； 第二，交通参与者( 包括驾驶员、乘客、行人等) 、交通管理者、交通工具、道 路管理设施之间的信息交换可以做到实时和高效； 第三，交通管理中心( 包括城市、高速公路的监控中心，收费管理中心、运输 管理中心等) 、用户终端装备有功能强大的计算机系统，该计算机系统中的软件是 按照智能化系统的思想开发的； 第四，整个系统是按照智能化系统和面向知识信息处理而构成的。 根据国内外专家的研究和开发，目前智能交通系统包括的范围大致如下【3 】： 先进的交通管理系统a t m s ( a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ) a t m s 利用监测、通讯及控制等技术，将交通监控系统监测所得的交通状况， 经由通讯网络传输到交通控制中心，中心再结合其他方面所获得的信息，制定及 评估交通控制策略，执行整体性的交通管理，并将相关信息传送给出行者，以达 到运输效率最大化及运输安全等目的。本系统主要特色是强调子系统间协调与实 时控制的功能，提供匝道控制、信号配时方案、事件管理以及替代路线导引的参 考等。 先进的出行者信息系统a t i s ( a d v a n c c dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ) a t i s 由先进的信息、通讯及其他相关技术，提供出行者必要的信息，使其能 于车内、家里、办公室、车站、途中等地点方便地取得所需的出行信息，作为出 行方式与路线选择的实时运行信息。 先进的公共交通系统a p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s l a p t s 采用各种智能技术促进公共交通的发展，如通过个人计算机、闭路电视 等向公众就出行时间和方式、路线及车次选择等提供咨询，在公交车站通过显示 屏向候车者提供车辆的实时运行信息。 先进的车辆控制与安全系统a v c s s ( a d v a n c e dv e h i c l ec o n 打o la n ds a f e t y s y s t e m s ) a v c s s 结合传感器、电脑、通讯、电机及控制技术应用于车辆及道路设施上， 帮助驾驶员提高行车安全性，增加道路容量，减少交通拥挤。本系统主要特色是 利用传感器弥补人类感官功能的不足，减少危险的发生，提高自动控制的程度， 实施更安全、准确、可靠的控制，避免驾驶员因判断错误或技术不熟练所造成的 损失。 商用车辆营运系统c v o ( c o m m e r c i a lv e h i c l e so p e r a t i o n s ) c v o 系利用a t m s 、a t i s 与a v c s s 技术于商业营运车辆，例如车辆自动识 别技术、车辆自动定位技术、车辆自动分类技术等，提高企业内部劳动生产率， 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 提升运输效率及安全，改进突发事件的反应能力，改善车队管理和交通状况，并 减少运输成本，提高生产力。所谓“商用车”不仅包括大型与重型车辆( 如卡车、货 车) ，也包括紧急救援车辆( 如救护车、拖吊车) ，以及每日运作的商用小型车( 如出 租车) 等。 紧急救援管理系统e m s ( e m e r g e n o ym a n a g e m e n ts y s t e m s ) e m s 即为当紧急危难发生时，救援车辆如何救援、救援车辆如何在最短时间 内到达现场，以及如何警示其他驾驶员的系统。本系统包括车辆故障与事故求援、 事故救援派遣以及救援车辆优先通行等部分，为使事件在最短时间获得解除，降 低伤害的程度。 电子付费与电子收费系统e p s e t c ( e l e c t r o n i cp a y m e n ts y s t e m s e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 电子收费系统应用各种通讯和电子技术使得出行者和交通经营管理机构之间 的交易变得更容易。电子收费乃是利用车上单元的电子卡与路侧单元作双向的通 讯，经由电子卡登录的方式进行收费，以取代现行人工收费的方式。 1 2 2 国内外现状 自2 0 世纪8 0 年代末以来，欧洲、北美和日本竞相发展智能交通系统，成立 了许多机构，制订并实施了开发计划。如美国i t s 协会( i t s a m e r i c a ) 、欧洲共同体 的交通信息与控制组织e r t i c o ，日本的路车交通智能协会v e r t i s ( 现改为i t s l a p * m ) ，以及国际标准化组织智能交通系统技术委员会( i s o t c 2 0 4 ) 等。1 9 8 6 年， 欧洲启动智能交通系统研究的第一批项目d r i v e 和p r o m e t h e u s ，日本开始r a c 8 试验研究，其后美国开始启动p a t h f i n d e r 和 2 0 0 0 年的交通模式 研究项目。到 1 9 9 5 年，已经有难以计数的大小项目在开展，从理论规划到实际实施，从现场试 验到形成产业，其发展规模和速度咄咄逼人。 除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始i t s 的全面开发 和研究，如韩国由交通部牵头制定了全面的i t s 框架结构和发展计划，新加坡已 经在全国开始推行不停车电子收费，中东的一些国家也开始讨论本国i t s 的研究 计划。 我国在交通运输和管理中应用电子信息技术的工作早在2 0 世纪7 0 年代末就 已经开始，当时称为交通工程。近十年，我国加速了i t s 的研究。2 0 0 0 年由科学 技术部牵头成立了全国智能交通系统协调指导小组及办公室。在国务院各有关部 门的大力协同和配合下，地方政府及科研单位、院校、企业积极参与，经过不懈 努力，取得了许多令人可喜的研究和建设成果，其中包括建立了国家级的智能交 通系统工程技术研究中心，制定了中国智能交通发展战略和中国智能交通系统体 系框架，一些城市编制了地方智能交通系统发展规划和体系框架，开发了各种智 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 能交通应用系统，在某些关键技术和产品开发及产业化等方面也取得了令人瞩目 的成绩。“十五圾十一五”期间，科学技术部在国家科技攻关计划中设立了“智能 交通系统关键技术开发和示范工程”项目，以及北京、上海、天津、重庆、广州、 深圳、济南、青岛、杭州、中山等1 0 个城市进行的试点示范工程等项目正在顺利 实施。这些成绩得到了社会的广泛关注和认可，社会各界对通过智能交通系统建 设，解决或缓解日益严重的交通问题寄予了厚望。 作为国家i t s 试点示范工程城市，近年来，重庆市在道路交通智能化建设方 面取得了很大的成绩。i t s 在重庆城市交通管理方面得到了普遍应用，在缓解道路 交通、防范交通违章及事故发生等方面获得了良好的效果。本文针对重庆市i t s 应用，特别是电子警察系统的应用，提出了一些改进方案，以适应重庆市i t s 的 发展需求。 1 3 电子警察系统 1 3 1 概述 “电子警察”即抢红灯自动拍摄器”，通过对机动车路口闯红灯这种极易造成恶 性事故的交通违章现象进行自动监测记录，做到路口交通管理的无人值守、不间 断监测，车辆违章证据充分正确。 作为i t s 中重要的组成部分，“电子警察是目前世界各国大、中城市普遍采用 的一种现代化交通管理手段。交通违章行为，是造成交通事故、交通拥堵的主要 原因，也是交通管理的重点之一。城市中交通路口众多，交通流量大，对诸如闯 红灯交通违章行为进行监测、取证，从而建立电子警察系统是非常必要的。电子 警察系统形成强大的威慑效果，可以促使广大驾驶员不敢随意违章，这既保障了 交通安全，减轻了民警的劳动强度，又解放了大量的纠违警力，以便其用于处置 突发事件。因此，建立有效的电予警察系统是交通管理现代化的重要标志之一。 使用“电子警察”进行违章拍摄的优点主要有： 公正文明。“电子警察 对交通违章车辆信息经严格核查后方录入计算机，并 且对营运车、公务车、特种车、私家车、境外车都一视同仁。在此过程中，由于 执勤民警不直接面对违章者，避免了徇私情、求情风等人为因素的干扰，确保了 交警执法的规范、公正和文明。 高效准确。被“电子警察 自录的交通违章车辆图片直观可靠，车辆违章事实 清楚，准确率高，证据性强，能有效地减少交通民警在执法问题上证据不足引起 的争议。 覆盖面广。在市区各主要路口和干道都安装“电子警察”并根据道路交通流量 等不同情况，随时实施监控。 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 不影响交通。违章车辆不必停车受检，通过“电子警察 监控发现和查处交通 违章，避免了日常交通警察路面查车对正常交通秩序的影响。 1 3 2 典型电子警察系统的构成 典型的电子警察系统通常是由系统控制、违章车辆检测、拍摄、传输以及辅 助配套设备等几部分组成。图1 1 为现在普遍使用的电子警察系统的基本结构。 图1 1 典型的电子警察系统结构图 f i g1 if r a m eo f t y p i c a le l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m 系统控制部分 这是电子警察系统的核心，负责车辆检测信号、信号灯信号的接收及处理， 并判断车辆是否闯红灯；实施违章车辆抓拍控制、车辆违章图像及信息的处理、 违章图像信息的传输控制等。 目前，电子警察的系统控制工作大多采用工业控制计算机( i p c ，i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r ) 来实现。工控机是一种加固的增强型个人计算机，与普通计算 机相比有如下特点： 1 ) 采用符合“e i a 标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力； 2 ) 采用总线结构和模块化设计技术，c p u 及各功能模块皆使用插板式结构， 并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力； 3 ) 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘； 4 ) 配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护； 5 ) 电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入； 重庆大学硕士学位论文1 绪论 6 ) 具有自诊断功能，设有看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而 自动复位； 7 ) 开放性好，兼容性好，吸收了p c 机的全部功能，可直接运行p c 机的各种 应用软件； 8 ) 可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行； 9 ) 可采用无源母板( 底板) ，方便系统升级。 i p c 的主要结构为： 1 1 全钢机箱i p c 的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰， 内部可安装同p c b u s 兼容的无源底板。 2 ) 无源底板的插槽由i s a 和p c i 总线的多个插槽组成，i s a 或p c i 插槽的数量 和位置根据需要有一定选择，该板为四层结构，中间两层分别为地层和电源层， 这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各 种板卡，包括c p u 卡、显示卡、控制卡、i o 卡等。 3 ) i 业电源为a t 开关电源，平均无故障运行时间达到2 5 00 0 0 小时。 4 ) c p u 卡i p c 的c p u 卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器 可分为3 8 6 、4 8 6 、5 8 6 、p i i 、p h i 主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特 点是：工作温度0 - 6 0 0 ( 2 ；装有看门狗”计时器；低功耗，最大时为5 v 2 5 a 。 5 ) 其他配件：i p c 的其他配件基本上都与p c 机兼容，主要有c p u 、内存、显 卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。 使用i p c 作为系统控制部分在研发方面实现简单，因而为现在大多数的电子警 察系统所采用。虽然在稳定性方面做了大量工作，i p c 在适宜外界环境，特别是高 温、潮湿等室外环境方面仍有其局限。随着嵌入式系统及相关技术的发展，采用 嵌入式系统来研究开发电子警察工控机，解决i p c 在环境适应方面的问题成为一 种新的趋势。 违章车辆检测部分 在电子警察系统中，检测部分对车辆闯红灯情况进行检测。目前违章车辆检测 设备主要有：环形线圈检测器、超声波或微波( 雷达波) 检测器、红外线检测器、视 频检测器等几种。 1 1 环形线圈检测器 环形线圈检测器具有成本低廉，检测精度和可靠性高，适应性好等优点，为现 在的电子警察系统普遍采用：不过，其存在着需要破路施工，安装不便，易受路 面破损而毁坏，故障率较高又不能实现多车道无缝覆盖和跨越车道线或双实线进 行车辆检测等不足。 超声波或微波和红外线检测器 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 超声波或微波和红外线检测器因易受现场因素干扰，检测精度不高，可靠性较 差等不足而使用较少。超声波或微波检测器有时仅用于人工检测方式。 3 ) 视频检测器 视频检测器除了初期投入的成本相对较高、环境适应性稍差等不足外，其具有 安装、使用及维护简便，设置直观灵活，检测范围大，性价比高，故障率低，功 能全，可实施全过程智能化检测，又没有环形线圈检测器的固有不足等特点，因 而应用渐广。 图像拍摄部分 此部分在电子警察系统中对车辆违章行为进行抓拍，主要由照相机或摄像机 构成。 1 ) 照相机 照相机目前基本上多采用数码照相机，传统的胶片式照相机由于其使用繁琐、 后期使用成本高、实时性差等缺点而极少使用。数码照相机多选用三百万以上像 素、可变焦、自动光圈及白平衡调整等的准专业相机。不过，由于其结构、图像 存取等原因，数码照相机的实时性、连拍续传能力和环境适应性较差，一般多用 于交叉路口的闯红灯车辆抓拍( 需特制机箱，进行温度调控等) 和人工流动拍摄等场 合。 2 ) 摄像机 而摄像机基本上都选用高清晰度( _ 4 8 0 t v l ) ，低照度( 翊i l u x ) 、高信噪比、动 态抗逆光与强光抑制、背景光自动补偿、白平衡自动调整等功能的快速( 快门速度 不能慢于1 1 0 0 0 秒) 工业级摄像机，其配套的镜头则应采用大孔径、可变焦，大光 圈、快速自动光圈调整的专业光学镜头。此外，还应配置合适的室外防护罩。与 数码相机相比较，摄像机分辨率低。摄像机采集的图像分辨率只有3 5 万像素 ( 7 6 8 x 5 7 6 ) ，实际有效像素只有3 0 万左右。在实际应用中，需要同时使用多部摄像 机进行拍摄，其中一部负责拍摄包含违章证据的全景图片，其它摄像机拍摄不同 车道的违章车辆牌照图片，共同构成车辆违章证据。 在使用摄像机时，还需要采用视频采集卡与其配合，实现实时图像序列采集。 视频采集卡的主要作用是将摄像机摄取的模拟视频图像转换成数字视频图像。同 时在厂商提供的驱动程序基础上，对视频采集卡进行二次开发，实现视频图像序 列的处理。 传输部分 传输部分在电子警察系统中占有重要的地位，它通过构建网络，将分散在各 个交通路口抓拍到的违章照片及信息准确、及时传回控制中心，进行分析处理和 保存，并作为违章证据处罚有关的司机。目前，传输方式按传输介质分为有线和 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 无线两种。 1 ) 有线传输 有线传输包括光纤、电话线等。使用光纤传输，数据可以得到高质量地传输， 然而光纤建设及维护费用较高；使用电话线传输，可以租用电信的专用线路，采用 a d s l 1 s d n 等方式。 2 ) 无线传输 无线传输包括使用微波、g p r s 、c d m a 等。这些方式的好处是不需要架设大 规模的线路。但是采用无线方式传输，网络带宽较窄，信号受环境、地形、网络的 影响比较大。 辅助配套设备 这部分包括辅助光源、辅助支架及其他相关配套设备等。辅助光源起到辅助 照明的作用，尤其是在夜间或光线不足时为电子警察系统拍摄补光，提高图像清 晰度。辅助支架用于安装、固定摄像机或照相机和辅助光源。其他相关配套设备 主要起到保证系统设备正常、稳定、可靠运行作用。 目前，重庆市电子警察系统主要还是采用环形线圈感应器、增强型p c 为基础 的工控机( i p c 汗台控制的模式。环形线圈的安装不便、容易受损坏，i p c 对室外 环境的适应差等缺点，给电子警察正常稳定运行及维护工作造成极大的困难。同 时，在违章图像的传输方面，由于各种原因，造成有线网络建设滞后。这给违章 图像及信息的及时传输，进而对交通违章行为进行及时处罚、规范驾驶人员带来 一定困难。 1 4 本论文的主要研究内容及结构 重庆市由于其特殊的地形地貌，主城区发展受地理环境制约较大。主城区内 人口及车辆众多、道路狭窄，造成交通拥堵、交通事故等问题一直是困扰城市发 展的难题之一。近几年来，为解决交通问题，政府投入大量入力物力，在新建改 造道路、完善道路设施的同时，加大了对智能交通系统的研究、应用及推广的投 入力度。电子警察系统作为i t s 的重要组成部分，在重庆城市交通管理中，从无 到有，发展迅速，目前在主城区道路路口的使用基本普及，为城市交通的畅通做 出了巨大贡献。 重庆市电子警察系统从引进整套设备到现在本地自主研发，发展相当快速。 然而，重庆市所使用的电子警察系统的设备相对于发达国家、发达地区来说，还 有一定差距。同时，重庆特有的气候、地形等环境特点及城市建设发展现状，使 电子警察系统在实际应用中暴露出一些问题，这给电子警察系统的稳定性、准确 性及实时性提出了更高的要求。本文根据电子警察系统应用的实际情况，结合重 重庆大学硕士学位论文1 绪论 庆环境特点，提出关于电子警察系统的改进方案。 在导师的悉心指导下，并在重庆易博数字技术有限公司的帮助下，本文完成 了电子警察违章车辆视频检测系统的雏形及基于c d m a 的电子警察图像传输系统 的设计，并对基于嵌入式系统的电子警察控制系统有了初步研究。 本论文主要内容及结构如下： 第一章介绍了智能交通系统的研究发展情况，并介绍了电子警察系统在城 市交通管理方面的重要作用及现有电子警察系统的构成；在对电子警察系统各部 分进行详细分析的同时，提出本文对现有电子警察系统进行改进的方案。 第二章简单介绍了基于嵌入式系统的电子警察系统的构成。主要包括视频 采集单元、图像处理单元、系统控制单元及网络传输单元。 第三章介绍了车辆闯红灯违章行为视频检测系统的算法研究。本文率先介 绍了常见的几种视频检测方法：光流法、背景差法及帧间差分法。接着，本文采 用帧间差分法分离视频图像中车辆图像，并通过计算、记录差分前景车辆图像中 像素点数量及形心位置，来实现在复杂车辆闯红灯违章行为的判断。章末，对所 设计的视频检测算法进行实验，并分析实验结果。 第四章介绍了基于c d m a 的车辆违章图像传输系统的研究。本文先介绍了 c d m a 基本原理。接着，根据c d m a 网络特点，设计网络应用层传输协议，采用 相应的网络传输步骤、控制流程、差错处理，并利用v p n 技术确保信息传输的安 全性，最终来实现车辆违章图像及信息的及时、准确、安全传输。最后，通过实 验，改善传输系统中一些参数的设置。 第五章为本论文的总结与展望，主要总结了本文研究的成果及一些改进措 施。 9 重庆大学硕士毕业论文 2 电子警察系统结构 2 电子警察系统结构 目前，在重庆城市智能交通系统中，所使用的电子警察系统都是采用工业控 制计算机( m c ) 来实现系统控制功能。电子警察系统长时间工作在道路路口等这样 的室外环境中，自然环境条件对电子警察系统的稳定性提出了很商的要求。在对 电子警察系统的开发及使用中，我们发现外界环境特别是像重庆市这样的气候条 件常年空气潮湿且夏季炎热，对电子警察系统的稳定运行造成很大的影响。 潮湿天气对i p c 中各个部件的插接槽口的氧化腐蚀作用很大，常常造成某些部件 接触不好，致使电子警察系统功能失常；夏季天气炎热，加上i p c 本身的发热量 较大，如果没有特殊的外接散热制冷装置，i p c 中散热系统根本无法满足电子警察 系统正常工作的需求，因而常常出现i p c 死机的状况。以上这些问题的发生，一 方面给智能交通管理工作的顺利开展造成很大的影响，同时也给电子警察系统的 维护工作带来了很多困难。 如果通过外接除湿散热设备来解决上述i p c 所遇到的问题，一方面会加大电 子警察系统的成本，不利于市场的推广及应用；另一方面，外接设备会加大系统 体积，不利于在现场环境安装，同时也会加大系统维护的工作量。因此通过采用 外接设备来解决i p c 在实际运行中出现的问题，并不现实。 随着嵌入式系统技术的发展，嵌入式芯片各方面性能得到大幅提高。嵌入式 系统具有集成性好，防潮、抗氧化措施容易实现：系统功耗少、发热量少，运行 稳定性高等特点。这些特点为我们解决i p c 所遇到的问题，提供了很好的途径。 因此采用嵌入式系统来开发工控机，制造出嵌入式工控机，取代以i p c 来实现电 子警察系统的控制功能，已成为电子警察系统发展的趋势。 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是电脑硬件与软件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁剪，从而能适应实际应用中对功能、可靠性、成本、功耗等 严格要求的专用计算机系统【4 】【5 】。嵌入式系统的组成如图2 1 所示。 嵌入式系统是以微处理器为核心、嵌入到其它设备中的专用计算机系统，它 具有许多与通用计算机系统共同的特点，但嵌入式系统并不是独立的，它与所嵌 入的设备紧密关联。因此，与通用台式计算机相比，它还具有以下几个方面的特 点【6 】： 嵌入式系统面向用户、面向产品、面向特定应用 与通用计算机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理 1 0 重庆大学硕士毕业论文2 电子警察系统结构 能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，如果独立于应用自行发展，则 会失去市场。 l竺仝苎竺! 竺竺j 嵌入式操作系统 么、 嵌入 嵌入 嵌入 式操 式核 式系 作系 心芯 统外 统存 部接 储器 片 口 图2 i 嵌入式系统结构 f i g2 1r a m eo f e m b e d d e ds y s t e m 软件层 硬件层 高效性、高可靠性 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 以同样的成本实现更强的功能，这样才能在具体应用的选择面前具有更强的竞争 力。在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体要求，对系统配置进行裁剪和添 加才能达到理想的性能，甚至根据用户的特殊需要，设计不同的系统以面向不同 的用户。在软件方面，力求代码高质量、高可靠性，要求程序编写和编译工具的 质量要高，以减少代码长度、提高执行速度、节省宝贵的存储空间。 相对稳定性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统 中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换， 所以嵌入式系统的生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统 和产品，和通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件 也因此更强调可继承性和技术衔接性，发展比较稳定。嵌入式微处理器的发展也 体现出稳定性，一个体系一般要存在8 1 0 年的时问，一个体系结构及其相关的片上 外设、开发工具、库函数、应用产品是一套复杂的知识系统，用户和半导体厂商 都不会轻易地放弃一种处理器。 软件要求固态化存储 重庆大学硕士毕业论文 2 电子警察系统结构 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 系统软件一般要求较高的实时性 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度 是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成且没有效 率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因此系统软件的实时性 是基本要求。 2 2 系统总体结构 基于第一章中提及到的违章车辆视频检测方式，在设计电子警察嵌入式控制 系统时，本文选取基于嵌入式系统的电子警察视频检测的模式来实现对传统电子 警察系统的改进。本章着重介绍这样的电子警察系统的构成，在第三章中将会介 绍违章车辆视频检测算法的研究工作。 基于嵌入式系统的电子警察主要由三部分组成：视频采集部分、图像处理与 系统控制部分、传输部分。如图2 2 所示： 视频采集单元 i 图像处理及系统控制单元 i 冈络传输单元 图2 2 基于嵌入式系统的系统框架图 f i g2 2f l , l l l n eo f e k 咖y a i cp o l i c es y s t e mb a 8 e d o ne m b e d d e ds y s t e m 2 3 视频采集单元 从c c d 摄像头的光电转换器件得到的视频信号都是模拟信号，将模拟电视信 号变成数字电视信号要经过模数( 刖d ) 转换过程。模数转换包含三个过程，即取 样、量化及编码。其中，取样的目的是将时间上连续的模拟信号变成时间上离散 的信号，量化是将幅度上连续的取样值变成幅度上离散的取样值，而编码的作用 是将离散化的取样值编成二进制数码。经取样、量化、编码所得到的数字信号即 为视频p c m 信号n 在进行视频处理时，从摄像头输入模拟信号，这些全电视信号构成极为复杂， 1 2 重庆大学硕士毕业论文2 电子警察系统结构 其中除了包含图像信号外，还包括行同步信号，行消隐信号、场同步信号、场消 隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后均衡脉冲等。因而对视频信号进行a d 转换的电路也非常复杂，p h i l i p s 公司将这些非常复杂的a d 转换电路集成到了一 块芯片中，从而生产出功能强大的视频输入处理芯片s a a 7 1 1 3 ，为视频信号的数 字化应用提供了极大的方便。 s a a 7 1 1 3 是一种视频解码芯片【引，它可以输入4 路模拟视频信号，通过内部 寄存器的不同配置可以对4 路输入进行转换，输入4 路c v b s 或2 路s 视频( v o 信号，输出8 位 v p o ”数据总线。通过设置寄存器的值，可以输出标准的i t u - r b t 6 5 6 、y 1 4 ：2 ：2 格式。 s a a 7 1 1 3 具有双通道模拟预处理电路，包括信号源选择，两个模拟抗混迭滤 波器和模数转换器，一个自动钳位和增益控制电路，一个时钟发生电路( c g c ) ，一 个数字多制式解码器，一个亮度对比度饱和度控制电路和一个色彩空间转换矩 阵。主要应用于多媒体、可视电话、图像处理及安防等方面。 s a a 7 1 1 3 的特点主要包括： 0 2 4 路视频信号输入源( a n l ，a 1 2 ，a 2 1 ，a 2 2 ) ，片内信号源选择。如4 c w b s 或2 x y c ( 或1 x y c 、2 x l w b s ) 。通过1 2 c 总线对寄存器子地址0 2 h 进行配置，可 以得到想要的片内信号源。 主通道完全可编