（信号与信息处理专业论文）基于dsp和fpga的车牌识别系统设计及实现.pdf

摘要 摘要 随着我国国民经济的高速发展，国内高速公路、城市道路、停车场建设越来 越多，对交通控制、安全管理的要求也日益提高，智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称i t s ) 已成为当前交通管理发展的主要方向，而车牌 识别系统( l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e m ，简称l p r s ) 技术作为智能交通系统的 核心，起着举足轻重的作用，可以被广泛地应用于高速公路自动收费( e l e c t r o n i c t o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 、停车场安全管理、被盗车辆的追踪、车流统计等。 目前，车牌识别系统大多都是基于p c 平台的，其优势是实现容易，但是成本 高、实时性不强、稳定性不高等缺点使其不能广泛推广。为了克服以上的缺点， 且满足识别速度和识别率的要求，本文在原有车牌识别硬件系统设计的基础上做 了一定的改进( 原系统在图像采集、接口通信、系统稳定、脱机工作等方面存在 一定问题) ，与团队成员一起设计出了新的车牌识别硬件系统，采用单d s p + f p g a 和双d s p + f p g a 双板子的方式来共同实现( 本人负责单d s p + f p g a 的原理图和 p c b 绘制，另一成员负责双d s p + f p g a 的原理图和p c b 绘制) 。 本文所涉及的该车牌硬件系统，主要工作由以下几个部分组成： 1 团队共同完成了新车牌识别系统的硬件设计，采用两个板子实现。其中， 本人负责单d s p + f p g a 板子绘制。 2 团队一起完成了整个系统的硬件电路调试。主要分为如下模块进行调试： 电源，d s p ，f p g a ，s a a 7 1 1 3 h 视频解码器，l c d 液晶显示和u a r t 接口等。 3 负责完成了整个系统的d s p 应用程序设计。采用d s p b i o s 操作系统来构 建系统的框架，添加了多个任务对象进行管理系统的调度；用c s l 编写了d s p 上 的底层驱动：完成了车牌识别算法在d s p 上的移植与优化。 4 参与完成了部分f p g a 程序的开发，主要包括图像采集、存储、传输几个 模块等。 最终，本系统实现了高效、快速的车牌识别，各模块工作稳定，能脱机实现 图像采集、传输、识别、结果输出和显示为一体化的功能；为以后进行高性能的 车牌识别算法开发提供了一个很好的硬件平台。 关键词：车牌识别，d s p ，f p g a ，d s p b i o s ，c c s a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fl i v i n gs t a n d a r d s ，t h e i n c r e a s e si nt h en u m b e ro fv e h i c l e sa n dt r a f f i cc o n d i t i o n sd e t e r i o r a t i o nh a v eb r o u g h tt h e c o m m u n i t ya n dt h ee n v i r o n m e n tt r e m e n d o u sp r e s s u r e c r o w d e du r b a nt r a f f i cn e e d s m o r ea d v a n c e da n dm o r ee f f e c t i v et r a f f i ca d m i n i s t r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m n l e l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e m ( l p r s ) h a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o r a i s em a n a g e m e n te f f i c i e n c y , t r a f f i c e f f i c i e n c ya n dt r a f f i cs e c u r i t y o f i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m ( i t s ) m a n a g e m e n t l p r sc a nb eu s e di nh i g hw a ye l e c t r o n i ct o l l c o l l e c t i o n ( e t c ) m a n a g e m e n t ，s e c u r e - a c c e s sc o n t r o l l i n g a t p a r k i n gl o t s ，l o c a t i n g v e h i c l e ss t o l e n , c o u n t i n gt h eq u a n t i t yo fv e h i c l ep a s s i n gi nac e r t a i np e r i o dt i m e ，e t c a tp r e s e n t ，m o s to ft h ep r o d u c t si nl p r sa r eb a s e do np c ，i t sa d v a n t a g ei se a s yt o r e a l i z e ，b u ti tc a l ln o tb eu s e dw i d e l yd u et os o m ep r o b l e m si nt h ef i e l do fc o s t ，r e a l t i m e a n ds t a b i l i t y , e t c t os o l v et h i sp r o b l e m ，o nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a ll p rs y s t e mw h i c h h a ss o m ep r o b l e m si nt h ef i e l do fi m a g ed a t aa c q u i s i t i o n ，i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ，a n d s t a b i l i t y , t h i sp a p e rd e s i g n san o v e le m b e d d e dl p r sb a s e do nt h r e ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a n dd u a l f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r m y ( f p g a ) f o rt h eq u i c k r e c o g n i t i o ns p e e da n dh i g hr e c o g n i t i o nr a t e ，w h i c hi sc o n s t i t u t e db yt h e1d s p + 1 f p g a s u b s y s t e ma n d2 d s p + 1 f p g as u b s y s t e m i nt h es y s t e md e s i g n , iw a sr e s p o n s i b l ef o r t h e1d s p + 1f p g a s u b s y s t e mp c bf a b r i c a t i o n , a n dt h ep a r m e rw a sr e s p o n s i b l ef o rt h e 2 d s p + 1f p g as u b s y s t e mp c bf a b r i c a t i o n t 1 1 ew o r ka b o u tt h i st h e s i si sd e s c r i b e da sf o l l o w s ： 11 d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h i sn o v e le m b e d d e dl p r sw i t l lp a r t n e r s i nt h es y s t e m d e s i g n iw a sr e s p o n s i b l ef o rt h e1d s p + 1f p g as u b s y s t e mp c b f a b r i c a t i o n 2 ) d e b u g g e dt h eh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e so fl p r s 谢t l lp a r t n e r s ，i n c l u d i n g p o w e r , d s p , f p g a ，s a a 7113 hv i d e od e c o d e r , l c dd i s p l a ya n du a r tp o r t ，e t c f i n a l l y , a l lt h em o d u l e sc o u l dw o r ks t a b l y 3 1 d e s i g n e da na p p l i c a t i o np r o g r a mo fd s pb a s eo nt h ed s p b i o sr t o s ； d e v e l o p e da l lt h el o w l e v e ld r i v e rs u p p o r t i n gp o r ta c c e s s i n g ；t r a n s p l a n t e dt h el i c e n s e p l a t ei d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mt ot h es y s t e m 、析mcl a n g u a g e a n do p t i m i z e dt h ep r o g r a m i l a b s t r a c t t h r o u g hm a n yw a y s 4 ) p a r t i c i p a t e di nt h ef p g ap r o g r a md e v e l o p m e n t ，i n c l u d i n gt h ei m a g ed a t a a c q u i r e m e n t ，s t o r a g e ，t r a n s m i s s i o nm o d u l e ，e t c f i n a l l y , t h i ss y s t e mi sr e l i a b l e ，a n di tc a r lr e a l i z et h er u n i o ni n c l u d i n gt h ei m a g e a c q u i s i t i o n , t r a n s p o r t a t i o n ，r e c o g n i t i o n , r e s u l to u t p u ta n dd i s p l a yo fl p rw i t hh i g h e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n , d s p , f p g a ，d s p b i o s ，c c s i i i 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，除了文中特别加以标注和致谢的地 方夕 ，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：盛毖呈! 日期：0 1 年夕月。泊 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 弛导师签名： 日期：眇9 年矽s reg 日 第一章绪论 第一章绪论 自从改革开放以来，我国的交通运输行业得到了飞速的发展，大面积的扩建 了交通枢纽，同时运输交通工具也在成倍的增长，这些在很大程度上都方便了人 们的日常生活。与此同时，由此产生的交通问题也日趋加重，先前采用的人工方 法来处理这一系统交通问题，已经很难满足要求，会造成很大的人力资源浪费。 于是智能交通系统f l 】( 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 ，简称i t s ) 作为当前交通管理 发展的主要方向应运而生了，而车牌识别系统【2 j ( l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o ns y s t e m ， 简称l p r s ) 技术作为i t s 的核心部分，起着非常重要的作用。 尤其是嵌入式车牌识别系统由于它的优越性( 稳定、实时、灵活) ，而得到广 泛的研究以及逐渐推广使用。本文所介绍的系统就是摒弃了传统的摄像头+ 工控机 模式，而是采用了无论从安装、控制、还是从成本方面考虑都更加有优势的基于 d s p 和f p g a 的嵌入式车牌识别系统。 本章主要简单介绍l p r s 在国内外的研究以及应用情况，以此来对车牌识别技 术领域有个粗略的了解。同时，在章节最后，对本人在此课题中所做的主要工作 进行了归纳总结，并对本论文内容的具体安排进行了简单描述。 1 1 课题开展的背景与现实意义 智能交通系统是目前我国以及世界上其他发达国家在交通运输管理和运营中 的一个重要的研究方向。它的前身是智能车辆道路系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a y s y s t e m ，简称i v h s ) 。智能交通系统将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电 子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个交通运 输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高 效的综合运输和管理系统。自动化以及信息化的管理系统能够极大的缓解日益增 加的交通运输压力，节省人力资源成本，增加机动车辆管理的透明性和精确性。 随着我国经济的发展，机动车辆日益增多，对车辆的自动化管理日益重要。 以往的管理大多采用人工完成，这不仅耗费了大量的人力资源，同时在管理中出 现一些人为的管理不善，造成一些国家财务的损失，最终责任却往往很难追究， 这就不断的推动着智能交通管理系统的开发。而大量研究人员表明，车牌识别技 电子科技大学硕士学位论文 术在此方面是一个不错的解决方案。目前，在已经开发的车牌识别系统中，大多 数是采用摄像机作为前端采集，大型工控机作为后台处理的架构( 算法运行于工 控机上，采集的图像直接读入工控机中供算法处理) 。很显然，这种解决方案存在 着很多难以解决的问题，如安装复杂、不便利、安装费用过高、实时性差等缺点， 在大多数应用中已经很难满足要求。 因此，嵌入式车牌识别系统由于它的优越性( 稳定、实时、灵活、低成本) ， 而逐渐得到了广泛的研究以及逐渐推广使用。相比较人力管理和传统的工控机管 理，嵌入式车牌识别系统具有以下优势： 自动完成车辆的智能管理，避免人为不当的介入，同时节省了人力资源。 体积小，重量轻、功耗低。以微处理器为核心的系统，只要按照一定的布 局、布线，完全可以做到类似掌上电脑形式的产品，特别方便携带；其功 耗低的特点，使得客户只需要安装一般电池即可使用，非常便利。 可靠性高、实时操作性能好。很多嵌入式系统的软件部分都是基于实时操 作系统的，如本文提出的这个基于d s p 的车牌识别系统，就是以d s p b i o s 操作系统为核心进行应用程序的构架。具有相当好的实时性，对时间有相 当好的度量性。 车牌图像经过系统处理，仅输出为几个字节大小的车牌字符串信息，有利 于减少信息量的存储与传输，加快传输速度。 综上考虑，嵌入式识别系统有着很大的开发空间和市场潜力。尤其是对于我 国这样一个交通大国，高性能的车牌识别嵌入式系统将会对整个交通体系乃至国 民经济的发展有着积极的推动作用。对其进行研究开发具有相当大的理论意义和 实际应用价值。 1 2 车牌识别技术的现状、特点以及难点 发达国家在2 0 世纪就已经出现了图像识别理论在i t s 管理系统中的应用，并 以此实现了车辆的自动化管理，因此有着很成熟的应用体系。在我国，由于信息 技术发展起步比较晚，同国外的单一牌照相比较，国内的车牌特征复杂度为自动 识别的开发带来了一定的难度。 由于我国的嵌入式技术较发达国家发展的晚，相对不是很成熟；且加上自身 车牌识别算法的性能无法保证。这就促使了目前嵌入式车牌识别系统的开发存在 着很多问题，例如误识率高、环境因素干扰大、实时性能不高，这就限制了很多 2 第一章绪论 开发系统只是限制于实验室的验证阶段。总之，造成现状的原因有以下几点： ( 1 ) 硬件平台开发的不成熟，实时操作系统不完善。经常导致系统不稳定， 且识别速度跟不上。 ( 2 ) 车牌自身算法的鲁棒性很差。经常对同一车牌，在不同环境及角度下所 得到的车牌图像难以识别。 ( 3 ) 我国的车牌不是很统一。大车，小车，警车等都有着不同的车牌形状和 车牌颜色等信息。造成编写一套通用性算法往往会比较困难。 ( 4 ) 前端摄像机采集部分总是存在价格和清晰度的矛盾。国内外研究表明， 前端采集的装置设备如果比较先进，在任何环境下都能够采集很清晰的图像，那 么可以适当弥补因为环境造成的影响，对算法的要求也就可以适当降低，能很明 显的改善识别率。然而，先进的装置就需要昂贵的成本，这和产品推广理念格格 不入。因此，目前开发一套成本低，识别率高的车牌识别系统是当务之急。 另外，针对上面所述的这种基于图像处理方面的车牌识别技术的不足与缺陷， 近年来也有其它车牌识别技术被提出以及应用，比如条形码识别技术 3 1 和无线射频 技术【4 1 。实际上，这两种技术难以推广，这个主要是因为需要给每一辆车试先安装 专门的条形码或射频标识卡，并且每个关口、卡口需要安装非常昂贵的接收、发 送装置，成本是十分昂贵的，很难让客户接收。而本嵌入式系统只需要价格低廉 的微处理器为核心，再嵌入鲁棒性较好的车牌识别算法，就可以以低成本的优势 占领市场，具有更好的市场应用前景。 目前，有很多科研院校以及研究所在自动识别算法方面做了大量的研究，并 取得了很多成果，如基于投影的定位方法、基于块匹配的分割算法、以及基于神 经网络和支持向量机( s v m ) 的识别算法。经过近几年的发展，无论是车牌识别 算法，还是硬件平台方面，都取得了很大的发展，尤其是基于d s p 为核心的硬件 平台【5 1 。国内外已经有不少公司已经很好的结合了算法和硬件平台，把它们推广于 市场，进入商用阶段。 北京文安车辆牌照自动识别系统( v t - l p r ) ：v t - l p r 是文安公司自主研发的 一系列智能交通产品的核心之一。系统运用国际上先进的计算机视觉技术和人工 智能技术，采用视频识别和图片识别两种方式，能对视频流或图片中的一个或多 个车辆进行实时、准确的抓拍和识别。文安车辆牌照自动识别系统采用先进的机 器学习方法，能很好的适应各种恶劣环境，已被广泛应用在国内外的治安卡口、 城市道路、智能小区、停车场和收费站等领域。 北京汉王科技公司在手写识别领域居于国际领先水平，凭借其文字识别及图 电子科技大学硕士学位论文 像处理方面的雄厚实力，于九七年起开展车牌自动识别方面的研究。目前，在车 牌识别技术上已取得了重大的突破，推出了“汉王眼”。它采用了嵌入式、一体化 的结构形式，照明、拍摄、图像采集、车牌辨识算法及通信模块都集成在一起， 作为一个整体设备加以设计和实现。目前，该款产品已经广泛应用于国内的诸多 交通控制领域。 随着我国智能交通系统建设的逐步展开，我国的车牌识别技术已经开始在一 些交通控制领域得到了应用，管理领域和高速公路自动收费系统中。尤其是在停 车场。 1 3 车牌识别技术的应用领域及发展趋势 车牌识别技术是i t s 的一个重要的组成方面，在很多的领域有着广泛的应用 需求。尤其是基于图像处理的嵌入式车牌识别系统，由于它的优越性( 稳定、实 时、灵活) ，而得到广泛的应用。 总的来说，目前车牌识别系统具体应用可概括为1 6 1 ： ( 1 ) 各种路段实现自动收费r7 1 。实现无人化管理，降低人力资源。 ( 2 ) 各种停车场所实现有效管理。对停车场所进行实时监控，记录车辆信息， 方便车辆统一管理。 ( 3 ) 各种卡口自动放行。对已登记的车辆进行自动放行，如果所识别出的车 牌号是违章车辆，则进行相关警报措施处理。 ( 4 ) 城市交通车辆管理。有效监控车辆状态，确保交通状况有效管理。 车牌识别技术正以高速发展的态势和日益重要的作用呈现在人们面前，随着 全球信息化的推进，智能交通普及化已经不再是遥不可及，因此车牌识别技术进 入了一个全面发展的时机。 1 4 本课题需要完成的主要工作 本课题研究的是一个基于多d s p 和多f p g a 的嵌入式车牌识别系统，为了满 足识别率和识别速度的要求，本系统在原有嵌入式车牌识别系统的基础上，在算 法和硬件电路设计方面都进行了改善，改进了系统的解决方案：采用双摄像机采 集图像进行处理：三套算法并行对不同图像处理；三d s p + 双f p g a 系统协调处理。 为了有更好的维护性和扩展性，最终本系统具体实现方式是由单d s p + f p g a 和双 4 第一章绪论 d s p + f p g a 双板子共同来完成三路图像处理。本人在此系统的设计及实现中主要 工作为： ( 1 ) 与团队一起设计出了整个系统的具体方案。 ( 2 ) 完成单d s p + f p g a 的板子绘制，另一板子的绘制由团队另一成员完成。 ( 3 ) 与团队一起完成整个系统的硬件调试。 ( 4 ) 负责系统的d s p 应用程序开发，包括用c s l 进行d s p 底层驱动的开发 和基于d s p b i o s 应用程序开发。 ( 5 ) 负责完成基于彩色图像的车牌识别算法在d s p 上的移植和优化。 ( 6 ) 协调另一成员完成f p g a 程序开发。 ( 7 ) 整个系统联调，团队配合完成了每个模块的调试。最终，系统工作稳定， 能脱机实现车牌图像实时采集、图像传输、车牌算法识别、结果输出和l c d 显示 为一体化的功能。 1 5 本文的主要内容 本文所设计的嵌入式车牌识别系统可分为两大部分：系统的硬件平台搭建和 软件实现。其中硬件平台采用两个板子形式实现，分别为单d s p + f p g a 子系统和 双d s p + f p g a 子系统。软件部分包括f p g a 程序开发和d s p 应用程序开发，其中， d s p 应用程序开发是本文描述的重点。本文首先介绍车牌识别系统的研究及发展 情况，对总体结构进行一个粗略说明，以对该技术有个初步的了解；然后重点介 绍系统硬件平台的搭建及驱动的设计：接着简要介绍f p g a 程序设计；最后对d s p 应用程序开发进行详细介绍。 全文共分为六章，每章的主要内容如下： 第一章绪论 本章主要简单介绍l p r s 在国内外的研究以及应用情况，以此来对车牌识别技 术领域有个粗略的了解。同时，在章节最后，对本人在此课题中所做的主要工作 进行了归纳总结，并对本论文内容的具体安排进行了简单描述。 第二章嵌入式车牌识别系统 本章介绍了车牌识别系统的总体结构，从硬件、算法、应用程序三方面进行 了简要介绍。并对系统中用到的几个核心芯片进行了介绍，包括数字信号处理器 d s p 、f p g a 和视频解码器s a a 7 1 1 3 h 。 第三章车牌识别系统硬件及驱动设计 电子科技大学硕士学位论文 本章主要围绕由本人完成p c b 绘制的单d s p + f p g a 车牌子系统进行描述，着 重介绍了系统硬件设计的各个功能模块以及驱动设计。主要从车牌图像获取模块、 车牌图像处理模块、l c d 液晶显示模块、f p g a 控制模块以及电源管理模块展开 介绍。在本章最后给出了硬件电路板设计和调试方面的一些心得体会。 第四章f p g a 程序设计 本章f p g a 程序设计主要由另一成员完成，而本人主要负责d s p 程序开发。 所以这章节中只是粗略的介绍了f p g a 整体模块的设计流程，其各个模块的编写 未进行详细展开介绍。最后，对本系统的f p g a 调试方面的一些心得体会进行了 总结。 第五章d s p 应用程序设计 本章对基于d s p b i o s 的应用程序构建及实现进行了详细介绍。然后对本人完 成的d s p 车牌识别算法的移植过程进行了描述。随后介绍了本系统的基于f l a s h 自举的详细流程，接着，对本人在d s p 调试过程中出现的一些问题进行了经验总 结。并在章节最后，对系统的测试结果进行了总结，从图像采集，算法定位，分 割，识别，显示方面来证明系统的可行性，同时从识别率和识别速度两方面给出 了系统的测试结果。 第六章总结 本章做了全文总结，对本人的主要工作和研究成果进行了一个归纳，并对系 统的一些不足之处及未来的努力方向进行了说明。 6 第二章嵌入式车牌识别系统 第二章嵌入式车牌识别系统 本章首先对车牌识别系统的总体结构进行了一个粗略的说明，从硬件平台、 应用程序和算法实现三方面对新车牌识别系统进行了粗略的描述。并对该车牌识 别系统过程中所涉及到的主要芯片及其应用进行介绍，包括数字信号处理器d s p 、 现场可编程逻辑器件f p g a 和视频解码芯片s a a 7 11 3 h 。 2 1 车牌识别系统总体结构 车牌识别系统中的算法部分是系统性能的主要体现，需要编写鲁棒性很好的 车牌识别算法来保证系统的识别率。同时，实现算法的硬件平台是系统应用在哪 种场合的主要体现，。目前，实现车牌算法的硬件平台主要有两种： ( 1 ) 采用摄像头、视频采集卡、工控机几个主要模块搭建出来的传统的车牌 识别系统。优点是可以建立庞大的数据库，进行海量存储；缺点是复杂、不灵活、 成本高、实时性不强、安装和维护不便。 ( 2 ) 基于m c u 的嵌入式车牌识别系统。其特点是仅需要一个微型的系统即 可以脱机实现车牌识别功能，输出仅为几个字符信息的车牌识别结果，方便存储 和传输。一般具有识别性能高、实时性强、安装维护简单、成本低等特点，特别 适用于对灵活性、实时性要求很高的场合。 本系统所实现的车牌识别系统就是一个以微处理器为核心，基于图像处理、 模式识别、神经网络等技术的嵌入式电子系统埔j 。 总体而言，一个基本的车牌识别系统通常由如图2 1 所示的几部分组成。 i 车牌预处理i j r _ _ 1 ： 掣弛鲻晤丽 ，i l i 车牌分割i ! 一 v i 奎膣识剔i ； 图2 1 车牌识别系统的总体流程图 7 电子科技大学硕士学位论文 如上图2 1 所示，图像的采集部分及算法识别部分统一构成本文所设计的嵌入 式车牌识别系统。虚线框内为一个基本完整的车牌识别算法，本系统中将该算法 移植到数字信号处理器d s p 中完成。这些在后续章节中都会详细展开介绍。 本文所描述的系统是在原有基于单d s p 和f p g a 的车牌识别硬件系统基础上 的改进和增强，原系统在图像采集、接口通信、系统稳定、脱机工作等方面设计 的不够理想。例如：原系统数据通信很不稳定，无法脱机正常运行，且无法采集 到彩色图像，原系统的d s p 应用程序也未用操作系统来实现，移植的算法也不能 正常投入实际应用等。 总体而言，本车牌系统分为三方面技术重点与难点：硬件平台搭建、车牌算 法实现、应用程序设计。本节将对这三方面内容进行简要介绍，后续章节将会对 其进行详细展开说明。 2 1 1 车牌识别系统的硬件部分 系统采用高速芯片d s p ( t i 公司s 0 3 2 0 c 6 7 1 3 b ) 1 9 j 作为识别算法的运行硬 件平台、f p g a ( a l t e r a 公司c y c l o n e 系列e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 ) 【l o 】作为协调整个系统 的工作与相关的图像采集及控制、再加上一些外围器件共同构成该系统。 其中采用以d s p 和f p g a 作为核心的系统设计最大特点是通用性强、适合于 模块化设计，从而能够实现高效率的算法和实时控制。同时其开发过程可以并行 进行。 考虑到原有基于单d s p 和f p g a 的车牌识别硬件系统在平台搭建和调试方面 存在着一些问题( 如原系统在图像采集、接口通信、系统稳定、脱机工作等方面 设计的不够理想) ，使系统一直无法正常运行。而又为了有更好的识别率和识别速 度，本文在原有的车牌识别系统硬件设计的基础上做了一定的改进。提出了一套 三d s p 和双f p g a 的设计方法，最后经调试运行证明是可行的。 通过查阅大量相关资料，且在保证识别速度和识别率的前提下，新系统进行 了如下的三点改进： ( 1 ) 采用双c c d 模拟相机来采集图像。 ( 2 ) 采用三套不同算法同时对图像进行处理。 ( 3 ) 三d s p 和双f p g a 共同构成系统硬件平台。 因为系统设计之初，考虑到系统以后的实际应用场所，往往需要识别出的号 码是保证正确的。因此，这里为了能保证识别出的车牌号码具有很高的正确率， 8 第二章嵌入式车牌识别系统 可以说以宁可拒识、也不能误识的原理来进行考虑，设计了用三套不同的算法来 实现并行处理。且同时为了能保证识别速度的要求，最好的设计方法就是三套算 法运行在三个不同的d s p 上，这样并行的进行运算就能确保快速识别。该新的车 牌识别系统硬件设计框图如图2 2 所示。 图2 - 2 基于三d s p 和双f p g a 的车牌识别系统硬件设计框图 如图2 2 所示，该新的车牌识别硬件系统的具体实现是由单d s p + f p g a 和双 d s p + f p g a 双板子共同来完成三路图像处理。 具体实现为： 第一个c c d 所采集数据，交由单d s p 车牌子系统处理。 第二个c c d 采集两路数据，交由双d s p 车牌子系统处理。 两个板子通过f p g a 接口进行通信，系统采用f p g a 模拟u a r t 协议来 进行双板通信。 9 电子科技大学硕士学位论文 通过f p g a 这个双板通信接口，把双d s p 系统的两个识别结果传送到单 d s p 系统中。然后由该d s p 完成三路识别结果比对，得到结果。 识别结果一方面显示到单d s p 外挂的l c d 上，同时通过f p g a 模拟的 u a r t 串行接口把结果传输到p c 上。供后续系统使用。 如上图2 2 所示，系统由两个摄像机采集三路信号分别给三个d s p 进行算法 处理，最终输出结果。考虑到系统的应用场合( 如公路收费系统中) ，这里建议两 个摄像机的安装方法如图2 3 所示。其他应用场合安装方法需要根据实际要求做出 相应更改。这样的摄像机安装方法能保证采集到三路图像数据不具有重叠性，这 样更有利于最终的识别结果正确。 一摄像机馀1 路) r ) 、 一一l 彳一、 惹卜s 料 地 感 线i、。线 - 、r ：。 l 圈f 7 小 7 圈 一 一一一一三摄像姆星2 z p 路) 3 飞j 图2 3 摄像机安装方案 如图2 2 所示，系统采用了双板方式来实现。当然，本系统完全可以把三d s p 和双f p g a 都设计在一个主板上，来完成三路图像的算法处理。不过，考虑到自 身能力的有限，如果一开始就设计这么一个庞大的系统，一旦出错，会造成很大 的浪费，尤其进行这么庞大系统的调试，很不方便，维护性很差。因此，综合考 虑各个方面的因素，如后期的维护性、开发并行性、以及灵活性，最终选择了用 双板子方式实现。采用双板设计的另一个好处是，考虑到当车牌识别算法的鲁棒 性已经非常好的时候，以后只需要采用单d s p 就可以实现车牌识别系统，确保能 继承先前设计的系统，而不必考虑重新设计再投入成本，造成浪费。 在整个项目的进程中，本人首先负责单d s p + f p g a 子板的原理图、p c b 制作。 等板子出来，大家共同开始调试( 本入主要负责d s p 调试，另一成员主要负责f p g a 调试) 。同时，另一成员开始进行双d s p + f p g a 的原理图、p c b 制作。这样确保 了设计的正确性，经验的共享性以及工作的高效性。最终实现系统的稳定工作。 能脱机实现车牌图像实时采集、图像传输、车牌算法识别、结果输出和l c d 显示 为一体化的功能。 1 0 第二章嵌入式车牌识别系统 2 1 2 车牌识别系统的应用程序部分 一个系统正常的运行离不开系统的硬件和软件两部分。硬件好比人的支架， 软件好比人的血液，只有两者共同作用，系统才具有实现功能的前提。在本章的 上面简要介绍了系统的硬件部分，且从图2 2 可以看出，本系统主要有两方面的程 序开发，包括f p g a 程序编写和d s p 程序开发。 f p g a 的主要任务就是编程，其硬件结构相对比较简单。工程师可以按照自己 的思想通过原理图输入法或是硬件描述语言设计来设计任何一个具有一定功能的 数字系统。通过功能仿真、综合后仿真和时序仿真后，确保编写出的模块正确性， 就可以把编写好的各个功能模块下载到f p g a 内部或者片外的配置器件中。本系 统设计中，在f p g a 上实现的主要模块为图像采集模块、s r a m 访问模块、f i f o 乒乓操作模块、d s p 通信模块及r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口模块等。 d s p 程序的开发不同于f p g a 的程序开发，其内部具有丰富的片上外设，具 有很多可配置的寄存器。一般上对d s p 的操作，就是如何初始化这些外设，如何 写入正确的值到寄存器，从而完成相应功能。本系统设计中，d s p 程序开发主要 分为驱动的编写以及整个应用程序的有效管理。由于1 1 公司的开发环境c c s l l l 】 ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 中自带了片上支持库c s l l l 2 1 ( c h i ps u p p o r tl i b r a r y ) 和 嵌入式实时操作系统d s p b i o s 。这两个功能模块方便了系统的操作。其中，c s l 用来底层驱动编写；d s p b i o s 用来应用程序框架构建。这两个功能模块的详细介 绍将再第五章节中详细展开，这里不作详述。 2 1 3 车牌识别系统的算法实现部分 系统应用程序主要功能是使系统能正常跑起来，而要对图像进行处理，需要 把算法部分嵌入到程序中去。车牌识别系统的算法部分实现功能就是把输入的车 牌图像进行处理后，得到该车牌所代表的车牌号码。 一般可把算法分成主要这三部分：车牌定位提取、字符分割和字符识别。 如图2 _ 4 所示，即从一副拥有很多信息的车牌图像中提取车牌区域。然后对这 部分车牌区域进行字符分割，逐个分离出车牌字符。接着采用相关算法进行字符 识别，如模板匹配、支持向量机、神经网络等方法。最后把识别结果传送到后台 控制系统中，供后续操作使用。这部分算法实现部分主要由项目组另一成员完成， 本文将不再展开介绍。 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 4 车牌识别系统算法流程图 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 13 bd s p 介绍 考虑到车牌系统的应用场合，往往需要很高的识别率和识别速度，且车牌算 法的运算量又比较大。所以为了满足系统的实时性和精确度要求，本系统选择用 1 r i 公司的高性能3 2 位浮点聊s 3 2 0 c 6 7 1 3 bd s p 作为整个系统的核心处理器【9 1 。 c 6 7 1 3 b 是t i 公司的一款高性能的3 2 位浮点d s p 。其本系统选择的型号是 b g a 封装，最高主频可达3 0 0 m h z ，全速运行时可每秒执行2 4 0 0 m i p s 和 1 8 0 0 m f l o p s 。片上资源也非常丰富，只要对外设进行相应的配置，就能使d s p 全速运行。由于只要对相应寄存器进行操作，所以配置起来比较简单，能够大大 的缩短开发周期。 2 2 1t m s 3 2 0 c 6 7 13 b 的特点 c 6 7 1 3 b 的c p u 结构框图如图2 5 所示，具有以下特点： 采用了修正的哈佛结构( 内部具有多套总线结构) 和具有执行、译码、执 行三级主体流水线技术，每级流水线又可分为多个节拍，保证了在单周期 内就可执行一条指令。 具有多款不同主频、封装的型号。 片内采用2 级高速c a c h e 结构，大大提高访问速度。 存储器是以字节编址，数据和程序空间统一编址。 体系结构上采用甚长指令字( v l i w ：v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结构， 每次读取2 5 6 b i t ( 8 条3 2 b i t 指令) 宽度取值包到c p u 进行执行。 片内具有8 个独立的功能单元，2 个通用寄存器组( a 和b ) 。多个并行的 功能单元能加快程序的执行速度，最高可达8 倍速度。 具有丰富的片上外设。包括g p i o 通用输入输出接口、m c a s p 多通道音频 接口、e m i f 外部存储器接口、t i m e r 定时器等。 1 2 第二章嵌入式车牌识别系统 图2 - 5t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 的c p u 结构 2 2 2t m s 3 2 0 c 6 7 13 b 的片上外设及应用 本系统使用到的t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 片内资源主要有p l l 锁相环、t i m e r 模块、 二级c a c h e 、e m i f 外部存储器接口、1 2 c 总线、m c b s p 多通道缓冲串口及g p i o 通用输入输出接口等。下面对d s p 片内资源及其应用作简要的介绍。而对这些外 设的编程，以及与外部器件的连接将在第三、五章节中详细介绍。 ( 1 ) p l l 模块 锁相环模块可以通过外部时钟输入，经过其内部的倍频、分频器后，产生其 它用于工作的频率。内部主要有一个倍频器，4 个分频器组成。通过外部输入的时 钟，经过p l l 后，主要产生三种类型的时钟：内核时钟，片上外设时钟，e m i f 时钟。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 系统设计中，外部输入时钟为1 0 m h z 。通过倍频和分频后，产生d s p 内核时 钟( 3 0 0 m h z ) 、其他外设时钟( 1 0 0 m h z ) 和e m i f 时钟( 1 0 0 m h z ) 。而1 2 c ，m c b s p 又通过其内部的自身模块结构进行时钟分频得到需要的时钟频率信号。 ( 2 ) 二级缓存c a c h e 结构 片内r a m 采用2 级高速c a c h e 结构，程序和数据都拥有各自独立的高速c a c h e 。 图2 - 6 是片内2 级高速缓存的结构。 片内的第1 级程序c a c h e 成为l i p ，第1 级数据c a c h e 称为l 1 d 。 l 1 p 采用直接映射结构( d i r e c tm a p p e dc a c h e ) 。 l 1 d 采用双路组联想结构( 2 w a ys e ta s s o i c i a t i v ec a c h e ) 。 l 1 p 和l 1 d 都为4 k b 大小，只能做c a c h e 使用。 程序和数据共享的第2 级存储器称为l 2 。 l 2 为2 5 6 k b 大小，前1 9 2 k b 只作r a m ，后6 4 k b 是c a c h e 和r a m 共享。 l 2 控制器处理的申请来自3 个方向：l 1 p 、l 1 d 和e d m a 。来自l 1 p 的 只有读请求，它们之间是1 跳2 5 6 b i t 宽的单向数据总线。l 1 d 和l 2 间接 口包括1 条l 1 d 到l 2 的写总线和1 条l 2 到l 1 d 的读总线。l 2 与e d m a 间是1 条6 4 b i t 的读写总线。 图2 - 6t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 的片内2 级高速缓存的结构 1 4 第二章嵌入式车牌识别系统 系统设计中，通过d s p b i o s 配置工具来开启d s pc a c h e 功能。将2 5 6 k bl 2 配置为1 9 2 ks r a m 和6 4 kc a c h e 。同时l 1 p 和l i d 都以系统默认方式进行工作。 这里同时用c s l 的a p i 函数来进行配置，使这个c a c h e 专门对e m i f 的c e o 空间进行映射处理。因为程序放在c e 0 空间的s d r a m 中，把c a c h e 对其映射能 加快处理速度。如，函数c a c h ee n a b l e c a c h i n g ( c a