（微电子学与固体电子学专业论文）基于niosii的车牌识别技术.pdf

摘要 本篇论文提出一套能够进行实时车牌识别，并把能够进行车牌识别流程处理 步骤的硬件模块加入系统平台上，同时达到即时识别的功能。本论文在车牌识别 的数字信号处理的算法上，主要以离散小波转换算法来行进车牌定位，再利用二 值化，准确的分辨出每一独立区域，并找出图像中车牌位置坐标点，再将车牌区 域内的字符分割出来，得到车牌中每一字符坐标点后，最后将字符图像传送至字 符识别软体( o r c ) ，完成车牌字符识别。利用上述演算流程方法，我们可以将此 架构实现在友晶科技d e 2 7 0f p g a 实验板上，并以a l t e r an i o s i i 嵌入式软核处 理器及s o p c 平台为开发环境，结合c c d 摄图机当作图像来源，通过n i o s i i 软核的处理，使系统识别到车牌位置和成功切割出字符的画面，最终通过o c r 识别出车牌上的字符。 关键字：离散小波转换，字符分割，车牌识别，f p g a a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no far e a l - t i m ef p g al i c e n s ep l a t e r e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n dw ea c h i e v et h ed e t e c tl i c e n s ed e t e c t i o np l a t eh a r d w a r eb a s e o ns o p c ，w eg o tg o o dp e r f o r m a n c eo fr e a l - t i m ed e t e c t i o n i n t h i sp a p e r , t h el i c e n s e p l a t ed e t e c t i o n w ea c l l i e v eb yu s i n gd i s c r e t e w a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) a n d m o r p h o l o g y f u r t h e r m o r et h eo b j e c t c o n n e c tc o m p o n e n tl a b e l i n gm e t h o d t o s e g m e n te a c hi n d e p e n d e n tb l o c ka n d i d e n t i f yt h ei m a g e sl i c e n s ep l a t el o c a t i o n c o o r d i n a t e s b e f o r ew eg e tt h ec h a r a c t e r so fe a c hr e g i s t r a t i o nc o o r d i n a t e s ，w es h o u l d s e g m e me a c hr e g i o no ft h ec h a r a c t e r sf r o mt h ep l a t e t h ec h a r a c t e ri m a g ew i l lb e s e n dt oc h a r a 肚e rr e c o g n i t i o ns o f t w a r e ( o c r ) a f t e rt h a t ，t h el i c e n s ep l a t ec h a r a c t e r s i d e n t i f i c a t i o nw i l lb ef m i s h u s i n ga b o v em e 也o d ，w ec a i la c h i e v et h i sp u r p o s eo n t e r a s i cc o m p a n y sd e 2 - 7 0 f p g ad e v e l o p m e n tk i t ，w h i c hc o m p o s eo fa l t e r an i o s i i s o f tc o r ee m b e d d e d p r o c e s s o ra n ds o p cp l a t f o r md e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a f t e rt h es y s t e mf i n i s h e d t h ep l a t ed e t e c t i o na n dc u t t i n go u tc h a r a c t e r s k e vw o r d s ：dis c r e t ew a v e ie tt r a n s f o r m ( d w t ) c h a r a c t e rs e g m e n t lic e r i s e p i a t ed e t e c t i o rf p g a 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于n i o s i i 的车牌识别技术是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 年月幺日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：年上月鲨日 指导导师签名： 空骘妒如丝日 2 1 1 引言 第一章绪论 随着汽车等交通工具的迅猛发展，智能交通系统( i t s ) 在交通管理中越来越受到 广泛的关注。而在i t s 中，车牌识别【2 1 ( l i c e n s ep l a t er e c o g n i t i o n ，简称l p r ) 是其最核 心的技术。车牌识别系统主要由数据采集系统和软件识别系统两个主要部分组成。由 于车牌清晰程度、摄像机性能、气候条件这些因素的影响，车牌照上面的字符可能出 现不清楚、扭曲、缺损或污迹干扰，这都给识别造成一定难度。因此，在复杂背景中 快速准确地进行车牌定位成为车牌识别系统的难点，同时也看出在车牌识别系统中， 摄像机性能是一个比较重要的前驱条件，所以在摄像机的选择上，尽可能的选择性能 指标较高的。l p r 其任务是处理、定位、分析摄取的汽车图像，以自动识别出汽车牌 口 芍o l p r 系统具有广泛的应用范围，主要应用于： ( 1 ) 高速公路收费、监控管理系统； ( 2 ) 小区、停车场管理； ( 3 ) 城市道路监控、违章管理； ( 4 ) 车牌登录、验证； ( 5 1 车流统计、安全管理。 l p r 系统应用在上述方面，可以解决违章通缉车辆的自动稽查问题，可以解决车 流高峰时期因出入口车流较大造成的路桥卡口、停车场交通堵塞问题，也可以用最快 捷，方便的方式完成交通部门的车辆信息联网，解决数据统计自动化，模糊查询的问 题。由此可见，l p r 系统具有非常广大的应用前景。车辆牌照图像( 字符) 识别也是计算 机智能化的关键技术之一，涉及到模式识别、图像处理、人工智能、信息论、计算机 等多个学科，是一门综合的技术，有着及其广泛的实际应用价值。 随着传感器、通讯与网络技术、图像处理和计算机视觉等高新技术的发展，车牌 识别也得到了长足的进步，对交通系统的管理水平和自动化程度具有重要的作用。而 现在用来做车牌识别系统时有很多种技术手段，例如可用单片机来实现对整个系统的 控制与调用，但在应用过程中，由于车牌识别所需要的处理的数据量太大，这就要求 系统的数据处理芯片必须有着十分强大的计算功能，且因为又要有实时监控的功能， 那么就要系统具有一定的智能性等，而各类单片机在一般的小监控场合还可以应用， 但在比如在交通路口或小区门口这些数据量很多的地方，单片机对数据的处理能力就 远远不够用了存在着整个系统的体积过大，造价很高，维修十分不便的普遍问题，但 随着复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的出现，使得上述的问题得到了很好的缓解，但仍因 为存在与之相关的外围模块的价格过高，限制其发展，比如，一个的c p l d 芯片加上 用于图像处理的数字信号处理( d s p ) 芯片、相关的外围电路及计算机等，整体的价格仍 然很高，限制了车牌识别系统的进一步发展，这几年，随着现场可编程门阵歹u ( f p g a ) 的出现，问题得到了解决，但集成度不够，但在f p g a 出现几年后，在f p g a 的基础 上集成了s o p c 系统平台，该平台的作用是用来协调和调用f p g a 上的逻辑门和其他 器件的，在这个基础上又发展了n i o s i i ，在本文中只简单说明下所涉及到n i o s i i 软核 这部分，现在的f p g a 中都有一些乘法器，这样就可以通过用q u a r t u s i i 这个软件在 f p g a 中直接完成对数字信号的处理，极大解决了降低成本这一问题，且具有便携性， 易维护性等优点。 1 2 国内外研究现状及主要研究内容 1 2 1 f p g a 发展及其应用 f p g a l 3 j 是英文f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，是 由可配置( 可编程) 逻辑块组成的数字集成电路( i c ) ，这些逻辑块之间用可配置的互连资 源。设计工程师可以对这类器件进行( 编程) 配置来完成各种各样的任务。f p g a 的应用 领域最初为通信领域，但目前，随着信息产业和微电子技术的发展，可编程逻辑嵌入 式系统设计技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围遍及航空航天、医疗、 通讯、网络通讯、安防、广播、汽车电子、工业、消费类市场、测量测试等多个热门 领域。并随着工艺的进步和技术的发展，向更多、更广泛的应用领域扩展。越来越多 的设计也开始以a s i c 转向f p g a ，f p g a 正以各种电子产品的形式进入了我们日常 生活的各个角落。 早在1 9 8 0 年代中期，f p g a 已经在p l d 设备中扎根。c p l d1 4 j 和f p g a 包括了一 些相对大数量的可以编辑逻辑单元。c p l d 逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之 间，而f p g a 通常是在几万到几百万。 c p l d 和f p g a 的主要区别是他们的系统结构。c p l d 是一个有点限制性的结构。 这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存 器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单符对连接 单元高比率的优点。而f p g a 却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的 编辑，但是结构却复杂的多。 c p l d 和f p g a 另外一个区别是大多数的f p g a 含有高层次的内置模块( l k 女r l ：j n 法 器和乘法器) 和内置的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的f p g a 支持完全的 或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。 一些f p g a 可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。 2 1 2 2s o p c 及应用 s o p cp 1 ( s y s t 锄o n a _ p r o 酣珈m a b l e c b i p ) 可编程片上系统：是一种特殊的嵌入式系 统。第一，它是( s o c ) 片上系统的一个分支，是由一个独立的芯片用来实现系统的核 心数字逻辑功能；第二它支持在线编程，所以在使用时具有灵活性，扩充性、可在 线升级，而且实现了把硬件和软件结合在一起，用可编程的片上系统来来控制。如图 l1 、1 2 所示为q u a n u s l i 中的s o p c 系统结构 一口口 “ v “t 一” 圈l1s o p c 系统一i 曼三i 一一= = =：+ 一= k ，一 ：= ， v 一- - 一 一_ = = = 一：| - ：= 一 ：= ，= ：= 。= = ” 。：一：= - = = ： 。 ：一 三一i 兰一 广_ 一一i 量：= 、一一= ：一二 。= ：1 。 “1。 = 一三! 一一 ：l 一一一1 图l2s o p c 系统之 由于s o p c 的特点：它是集成在f p g a 之上的，可通过软件的编程，仿真来控制整 个硬件过程，所以s o p c 具有这样几个基本特征： 1 1 它包含了至少一个s o c 芯片； 2 ) 具有一定容量的r a m 存储器； 3 ) 含有异常丰富的知识产权核( i pc o 陀) 用来可以选择； 4 ) 片上可编程系统的逻辑门集成度非常高； 5 ) 具有多种内部接口和丰富的外部接口； 6 ) 可以通过软件来模拟软核或数字逻辑器件： s o p c 的技术 s o p c 技术是美国a l t r e a 公司于2 0 0 0 年最早提出的，并同时推出了相应的开发软 件q u a r t u si i 。它是一种基于f p g a 的灵活，高效的s o c 解决方案。s o p c 设计可以说 覆盖了所有嵌入式系统设计技术的全部内容，它从整个系统的层面上，把芯片的核心 结构，数学算法，物理建模，底层到顶层的电路以及必需的处理机制和外围的电子器 件紧密的结合起来，用一个或几个芯片完成整个的系统功能，s o p c 是以知识产权核( i p 核) 做为核心，用硬件描述语言至顶向下或从下向上的两种方式分层次的来描述系统功 能及结构的，以计算机为辅助平台的e d a 工具。与传统的i c 组成系统相比，由于s o c 设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，能实现高性能的系统指标，同时也促 进了软件，硬件协调设计。 i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yc o r e ) 是用硬件描述语言，通过程序的编写来模拟数字逻 辑电路的功能，形成一个可调用的模块，该模块可成为知识产权核( i p 核) ，这样i p 核 和传统的i c 芯片无关，可以任意的移植到不同的i c 制造商制造的集成电路芯片中。 那么在使用i p 核去设计整个电子系统时，引用方便，使得在构建底层数字电路系统时 十分的方便灵活。p 核可分为两种，一种是与i c 集成电路制造无关的，用硬件描述语 言来编写的程序称为软核；另一种是具有特定电路功能的集成电路版图称为硬核。由 于硬核的造价高，且可移植性差，限制了其应用发展，而软核只是一段程序，所以在 应用中十分的灵活，且购买的途径较多，性价比很高，在数字电路系统设计中的应用 也越来越多。 1 2 3 n i o s i i 发展及应用 目前最有代表性的软核嵌入式系统处理器分别是a l t e r a 的n i o s i i 哺1 核，a l t e r a 的 n i o s i i 软核是用户可随意配置和构建的3 2 位1 6 位总线( 用户可选的) 指令集和数据通 道的嵌入式系统微处理器口核。a l t e r a n i o s i i 处理器所具有的完全可定制特性、性能、 较低的产品和实施成本、易用性、适应性和不会过时等优势使其在每次设计中，都能 够实现完美的配合。n i o s i i c p u 系列是一种采用流水线技术、单指令流的r i s c 处理 器具有超过2 0 0d m i p 的性能，如图1 - 3 所示，其大部分指令可以在一个时钟周期内完 成，n i o s i i 软核处理器家族包括3 2 位和1 6 位两种体系结构。 n i o sc p u 规格 3 2 位n i o sc p u 1 6 位n i o sc p u 数搬总线宽f 雯( 位) 3 21 6 a l u 宽度( 位) 3 21 6 内部奇存嚣宽度( 位) 3 21 6 地埘：总线宽度( 缎) 3 21 6 l 主旨令斑瞍( 位) 1 61 6 图1 3n i o s i i 软核处理器 4 图1 4n i o s l l 软核架构 如图1 4 所示，所展示的n i o s i i 软核是一个具有5 级流水线及指令总线和数据总 线分开的r i s c 微处理器，a v a l o n 总线主作为整个软核处理器的主端口包含了指令、 数据、通信的控制接口，我们可以把n i o s i i 软核的a v a l o n 7 】总线主端口通过a v a l o n 总线和任意的从端口互联起来，同时也可使用s o p cb u i l d e r ，根据功能所需加入仲裁 器。n i o s i i 是可配置、可升级、可优化的软核，可以由用户设计的数字逻辑系统一起 移植到a l t e r af p g a 芯片中，通过q u a r t u s l i 软件来调用、仿真。 此外，用户可以通过q u a r t u si i 平台和n i o si d e 来编辑软核中含有的可配置接口 模块，这些模块包括：具有嵌入式的可编程存储模块( 包括：片内r a m ，片外s s r a m 或s d r a m ) ，可配置r s 2 3 2 串行接口、u s b 接口、标准以太网数据通讯接口、直接存 储器接口( d m a ) 、定时器，g p r s 通讯接口等。 使用v h d l 隅3 等硬件描述语言通过m a t l a b 和d s pb u i l d e r 编写程序和使用i p 核， 生成q u a r t u s l l 支持的数据指令格式，这样用户就可以通过n i o s i i 嵌入式处理器来实 现f i r 滤波器、解码编码、f f t ( 快速傅立叶变换) 等运算密集型应用，最后在q u a r t u s l i 中，通过调用数据指令，烧录到f p g a 中，从而成为n i o s i i 系统的一个接口设备，与 整个由f p g a 构成的片内嵌入式系统融为一体。例如，用户可以根据设计项目的具体 要求，随心所欲地构建自己的d s p 处理器系统，而不必拘泥于其他d s p 公司已上市的 有限款式的d s p 处理器。 n i o s i i 开发包含有一套通用外设和接口库，关于可进行s o p cb u i l d e r 设计的完整 知识产权( i p ) 和外设清单，利用s o p cb u i l d e r 软件中的用户逻辑接口向导，您还可以生 成自己的定制外设，并将其集成在n i o s i i 处理器系统中。使用s o p cb u i l d e r ，您可以 在a l t e r af p g a 中，组合实现现有处理器无法达到的嵌入式处理器配置，每次都能得到 您所需的结果。 1 3 主要研究内容 智能交通系统关键部分的车牌识别系统，对城市道路、停车场的自动化管理起着 非常重要的作用。传统的车辆牌照识别大多以p c 硬件平台或d s p 处理器为核心来实 现。由p c 机扩展的图像采集系统体积大，不能满足便携要求，也不适合在露天环境下 使用，因此该方法主要用于前期算法的研究。而以通用的数字信号处理器( d s p l 国1 为核 心的车牌识别系统外围电路设计复杂，开发调试困难，系统的可扩展性和可升级性效 果较差。a l t e r a 公司的s o p c 为构建实时、便携的车牌自动识别系统提供了一种有效、 可行的解决方案，它既可以解决便携性和数据传输实时性的要求，还可以改善d s p 系 统灵活性不高、外设资源有限、接口配置繁琐以及软硬件设计复杂等问题。 本系统采用a l t e r a 公司的3 2 位嵌入式n i o si i 软核处理器，结合图像处理和模式识 别算法，通过i p 核复用技术，采用s o p cb u i l d e r 配置生成片上系统，并将系统内嵌在 f p g a 内部，灵活地执行数据的并行处理，大大提高了系统的实时性、准确性和可靠性。 系统使用面阵c c d 摄像头实时捕获车牌的图像，在n i o si i 处理器的控制下，采集的 图像信息经过处理器和图像处理模块的协同分析快速定位出车牌区域并进行字符识 别。将识别结果通过以太网传送至控制中心的数据库，在对车辆的监控过程中，还可 通过扩展的g p r s 与交通执行警察进行实时通信，方便对违规车辆施行必要的拦截与 管理。此外，车牌识别结果还可以在l c d 显示器上显示。本系统因为采用a l t e r a 公司 的d e 2 7 0 实验板作为试验平台，具有携带方便、性价比高、操作简单等特点。 1 ) 本文使用a l t e r a 公司出的q u a r t u s l l 7 2 版本的仿真系统，该系统由q u a r t u s l i d e s i g n 、s o p cb u i l d e r 、n i o s i ii d e 、d s pb u i l d e r 等共同构成，上述所说主要是用来完 成系统的控制部分，最低层的硬件之间的协调和调用是由q u a r t u s l id e s g i n 来主导的， 采用v h d l 或v e r i l o gh d l 语言来编写，s o p c ( 片上可编程系统) 是用来构建系统的整 体调用，包括对n i o s i i 软核与q u a r t u s l id e s i g n 之间的相互调用，以及n i o s i i 和a v a l o n 总线之间的调用或n i o s i i 软核与外设之间的协调等，而n i o s i ii d e 主要是用来搭建 系统核心( c p u ) 的，n i o s i i 软核可以理解为采用a l t e r a 公司所提供的i p 核( 知识产权核) 或库，来模拟出c p u 的功能。因此n i o s i i 软核的应用也是论文的核心部位之一。 2 1 数字信号处理：是用m a t l a b 中的s i m u l i n k n 们部分来做数字信号处理的，s i m u l i n k 可采用q u a r t u s l i 中所提供的库文件或自建的库文件来构建信号处理系统的f i r 滤波器 以及f p g a 中乘法器的调用，可构成数字信号处理部分，构建完了，可用q u a r t u s 运行， 生产v h l d 程序，最后用此程序来模拟仿真d s p 。 3 ) 数学算法：用软件来模拟出c p u ，在数据处理方面及系统整体的性价比上有着 十分明显的优势，系统能从一幅图像中，通过离散小波( d w t ) u 妇算法定位、分割自动 提取车牌图像，数字形态学及物件连通法及二值化对字符进行识别，这里运用算术模 式识别、人工智能对采集到的车辆图像进行分析，能够实时、准确地智能识别出车牌 的数字、字母及汉字字符，并以计算机光标识别软件可直接运行的数据形式来换算出 识别结果，使得车辆的智能化监控和管理变为现实。 6 2 1 硬件系统 第二章系统的硬件架构 鉴于目前的车牌识别系统普遍对工作环境要求比较高，具有不可移动性，整个系 统的造价极高，需要检查的车辆必须经过车牌识别系统固定的地方才能被检测，因此 对整个行业的发展造成了很大的限制。而随着现在电子行业，各种主控芯片的集成度 越来越高及各种仿真软件的出现，用软件来模拟硬件功能的模块，使整个系统芯片化， 集成化，提高性价比，有效的减小体积，提高系统的稳定性及运行速度。本文创新点 是对图像进行分析，并结合s o p c 技术提出的一种新的基于n i o s i i 的车牌识别系统。 那么，由于本系统涉及到电视视频模拟，数字信号转换读取、图像处理、字符分割、 字符识别等技术，对系统中c p u 及d s p 处理速度具有极高的要求，所以本系统中使用 了a l t e r a 公司c y c l o n ei i2 c 7 0 系列f p o a ，具有高性能、低成本，并且在使用 q u a r t u s i l 7 2 及n i o si d e 仿真，可在软件上创建n i o s i i 软核和使用p 核，共同搭建 一个系统，完成对c c d 传感器，数据传输，信号采集、数据处理及字符的识别，达到 车牌识别的功能。由于采用了高集成度的s o p c 技术，本设计功能灵活，提高了处理 速度和控制可靠性，同时降低了开发成本和周期，更易于系统使用和维护。 如图2 1 所示为系统的硬件结构图： 图2 1 硬件系统结构图 从图中我们可以看到本系统大约分成这样几个部分： 1 、图像采集：本部分包括c c d 传感器、a d v 7 1 2 3 。当c c d 采集到信号后，输出 一系列连续的视频模拟量，通过a d v 7 1 2 3 转换为数字信号，可通过传送总线把数据保 存到板载s d r a m 或外置s s r a m 中，再由n i o s i i 调用，最后a d v 7 1 2 3 转换成视频 信号，由v g a 接口输出，或在转换成数字信号后，由n i o s i i 直接协调成与a d v 7 1 2 3 7 信号同步后，直接由v g a 接口输出。 2 、图像处理：利用d e 2 - 7 0 平台中强大的c y d o n ei i2 c 7 0 中的多个1 8 18 乘法器 1 2 2 1 搭建成d s p 模块来处理数字信号的，并由于n i o s i i 软核处理器强大的运算能力， 将由图像采集部分处理所得图像数据进行车牌字符与背景的分离“利用离散小波算 法对真实数据进行定位，车牌范围切割最终得到测量结果。 3 、视频输出模块：当需要视频信号输出时，本论文采用a d v 7 1 2 3 “”这个芯片来完 成，该芯片具有很强的视频数据处理功能在由系统搭建完i u t 6 5 6 “”协议后，可直接 把视频信号从v g a 接口输出到计算机上。 在确定整个系统的硬件架构后，根据用户提出的要求，明确系统的性能需求，确 定软件结构，且规划出需要哪些软核模块( p 核1 及硬件模块，确定系统都有哪些硬件和 信息数据需要由s o p c 去搭建软硬件调用平台，哪些功能可以设计在n i o s u 上，通过 自行建立的口库、大学计划的i p 库及系统本身的口库，共同来构建系统的n i o s i i 软核及d s p 软核。整体系统设计完成后，可以依据功能将所需的功能通过q u a t t u s i ! 和m a t l a b 搭建为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的i p 核。决定模块之后， 可以用v h d l 硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用v h d l 的电路仿真器，对 设计进行功能仿真，确定设计。那么在论文开始实验时，首先，需要我们要选择一款 性价比高的f p g a 实验板，本文中选用的是d e 2 7 0 。 2 2 d e 2 - 7 0 开发板 d e 2 7 0 “”是a | t e r a 公司针对大学教学及研究机构推出的f p g a 多媒体开发平台。 d e 2 为用户提供了丰富的外设及多媒体特性，并具有灵活而可靠的外围接口设计，d e 2 能帮助使用者迅速理解和掌握实时多媒体工业产品设计的技巧，并提供系统设计的验 证。d e 2 平台的设计和制造完全按照工业产品标准进行，可靠性很高。 图2 2 d e 2 7 0 开发板 四 = 如图2 2 所示，d e 2 7 0 开发板的核心是一个8 9 6 引脚的c y c l o n ei i2 c 7 0 的f p g a ， 有7 0 万个逻辑门，以及d e 2 7 0 开发板上周边元件连接的各种控制界面、传输界面( s p i 或1 2 c ) 存储体控制界面及嵌入的n i o s i i 处理器等，都可全部整合至此f p g a 芯片中， 如此可将复杂的系统芯片化，提高可靠性，并降低系统成本。 d e 2 7 0 开发板对外连接管道有一个u a r t 、三个u s b 插槽( b l a s t e r 、h o s t 、s l a v e p o r t ) 一个2 4 位c o d e c 标准音频模块、一组v g a 插槽( 1 0 。b i td a c ) 、两个 t v d e c o d e r ( n t s c p a l s e c a m ) 及输入接口、一个r j 4 5 网络插槽及i r d a 模块、及一 倜p s 2 插槽。资料存储部分由一个s s r a m ( 2 m b y t e ) 、2 个s d r a m ( 3 2 m b y t e ) 、1 个 f l a s hm e m o r y ( 8 m b y t e ) 及一组s d 卡插槽。i o 部份足够数量且强健的按钮及开关、 l e d ( r e d 1 8 g r e e n 9 ) 、一组七段数码管、一个文字型l c d 模块和两组外接扩充标 准连接插槽( 4 0 p i n 2 ) ，开发板上的电源是1 2 vd c 。开发板内芯片介绍( a l t e r af p g a c y c l o n ei i2 c 7 0 ) c y c l o n ei if p g a 使用9 0 n mf p g a 芯片制造，成本比第一代c y c l o n e 元件低3 0 ，但芯片的逻辑门密度则提升了3 倍多，逻辑单符可高达6 8 k ，其新增特 性包括可用于高性能数字信号处理器( d s p ) 功能的1 5 0 个1 8 1 8 嵌入式乘法器以，含 1 1m b i t s 的f l a s h 。利用a l t e r a 公司提供的d s pb u i l d e r 和其他d s p 的i p 库，可以用 e p 2 c 7 0 低成本地实现数字信号。 - - _ 一 i u s b2 0h o s t d e v i c e 卜啼 - - c y c l o n el l f p g a 2 c 7 0 2 4 - b i t a u d i oc o d e c = = = = = = = = = = = = = 墨= = = x s g 矗 o - b i tv i d e od c 图2 3c y c l o n e1 12 c 7 0 与周罔的设备连接图 由于d e 2 7 0 具有强大的视频数据处理功能，如图2 3 所示，包括了对模拟视频信 号及数字视频信号，都能直接进行处理和解析，但其处理的功能和f p g a 本身自带的 外设部分及相关的n i o s i i ( i p ) 、d s p ( i p ) 等软核是分不开的，而整个系统本身也是集成 9 兰磊 娑一 在这个平台上的。系统的控制部分和数字信号处理部分是用a l t e t a 公司出的q m r m s z 2 仿真软件匹配上n i o s h i d e 、d s p b u i l d e r 、m o d o l s i m ，m e g a c o 撵i p 7 - 2 及m a t l a b 软件 共同构建的，困此，为系统本身提供了无比强大了理论支持。因为系统采用的是c c i ) 成像系统是m t c - 6 3 v 6 h ，c c d 本身输出的视频信号是模拟视频信号，那就要求系统 本身需要一个模拟信号输入端，此端口由d e 2 - 7 0 的v i d o o l 端口提供，而所需的模拟 信号处理是由a d v 7 1 舳来提供的。 2 3 c c d 的选取 功能描述：屏幕选单显示，图像加强功能，区域遮覃功能，负片功能，背光补偿 功能，2 倍数字放大功能，非闪烁功能，内置彩色条纹信号。 参数： 图像传感器：i 3 英寸； c c d 总像素：4 7 0 k ( p a l 制式y 4 t 珊叩口t s c 制式) ， 扫描系统：6 2 5 线。5 0 场 - # ( p a l 制式瑚2 5 线，印场l 9 0 c r s c 制式) 同步系统：内同步； 最低照度：0 3l t t c ( f i 2 ，5 6 0 0 。k 1 ； 电源；直流1 士i v ) 功耗 1 8 0 m a 2 & i c c d 信号采集 在本论文中，c c d 传感器的输出信号采集是通过v k l e o l 接口传输到d e 2 - 7 0 中的， 经由a d v t l s 0 转换由模拟量变为教字量，此时，可用c p u 调用，直接把数据存储 到s 躲 m 中或s d r a m 中，再由s o i ) c 调用数据，进行视频信号输出。也可直接由 y p , p b 转换至r g b ，r g b 数据直接传输到a d v 7 1 2 3 中，最终由v g a 显示。 在由v i d o o l 接口传输后可通过n i o s h 的调用，把c c d 信号通过i o 接口直接输 出，在这里我们为了能对实验使用的数据直观的认识，可把通过示波器进跟踪、采样。 当c c d 传瘟器对车牌进行采集时，我们可以看到如图2 4 所示 ( d ) 采样平均值 ( e 1 视频信号 田2 5 c c d 采集的模拟信号轴 啦号，鳓爝营母完垒信号。柚廉样平坶位。橱辊纂信号 一般的模拟视频信号硼是由行，场偿号共同组成驰，行信号就是水平扫描倍号， 场信号就是垂直扫描信号从( i ) 脚圈中我们可取看到在c c d 经由v m l e o l 接口出入 到d e 2 - ? 0 实验板上t 由n i o s i i 的调用。采样得到e 述渡形，可以到采集到信号的噪 声比撮低，失真度小这样对本文在后期进行图像处理和还系时，有着十分重要的作 用，可以把c c d 所采集到的图像根清晰地还原出来。这里把采集到的数据有n i o s i 调用，由a 】) v 7 1 舯进行转换 2 4 视频信号输入 用d e 2 平台实现视频解码 a d v 7 1 8 0 n 7 1 是一款集成的视频解码器，支持多种格式的模拟视频信号输入，包括 各种制式的s - v i d e o 、y p r p b 和c v b s 信号分量；可以自动检测n t s c ，p a l ，s e c a m 及其兼容的各种标准模拟基带电视信号，包括p a l b g h i d ，p a l m n ， p a l 。c o m b i n a t i o nn ，n t s c m ，n t s c j ，s e c a m5 0 h z 6 0 h z ，n t s c 4 4 3 和p i a l 6 0 等。a d v 7 1 8 0 的数字输出为1 6 位或8 位的、与c c i r 6 5 6 标准兼容的y c ，c b4 ：2 ：2 视频 数据，还包括垂直同步v s ，水平同步h s 及场同步等信号。 d e 2 平台将a d v 7 1 8 0 作为电视解码器使用。d e 2 平台的电视解码电路如图2 6 所 示。 图2 6a d v 7 1 8 0 原理图 a d v 7 1 8 0 共有6 路模拟输入，通过配置可以接收c v b s 复合视频、s v i d e o 及y p r f b p 分量等多种模拟信号，d e 2 平台只选用a i n 6 作为c v b s 复合视频信号的输入，没有 使用其他5 个模拟输入口。a d v 7 1 8 1 的数字输出可以是8 位宽度的，也可以是1 6 位 宽度的，d e 2 平台上采用8 位数据宽度。通过1 2 c 总线读写a d v 7 1 8 0 的寄存器来控 制a d v 7 18 0 的行为，d e 2 平台上a d v 7 18 0 的1 2 c 总线读地址时为0 x 4 0 ，写地址时为 0 x 4 1 。 在视频解码的过程，首先看一下视频编码。从摄像机获得的原始视频信号是r g b 分量模拟信号，经过卡玛校正对非线性进行补偿之后，得到r g b 信号，经过一个矩 阵转换，获得一个较高带宽的视频亮度信号： y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 11 4 b 及两个低带宽的色度信号r y 。和b 一y 。两路低带宽的色度信号分别经过低通滤波后 与彩色负载波进行正交调制并相加得到色度信号，此时模拟视频信号变为亮度信号和 色度信号等两个信号，由这两个分量信号组成的输出为s v i d e o 或y c 输出，再将亮 度信号、色度信号、复合同步信号与基准彩色负载波群或称色同步信号相加得到复合 1 2 视频信号，即c v b s 信号。如图2 7 所示 g 来n 豫织帆 酾r ( m 兮箍_ 糗托挝锁“ 信 ； b 图2 7 从r g b 分量生成c v b s 的原理 在视频信号转换完了后，通过3 2 位的n i o sc p u 在多种系统设置组合中进行选择 搭配后，采用n i o s i i 处理器和f p g a 中以多个1 8 1 8 乘法器为主体所组成的数字信 号处理器( d s p ) ，再把处理完成的数字信号用a d v 7 1 2 3 进行转换后，最后通过v g a 接口把最终的结果显示出来，这里我们可以使用a l t e r a 公司出的4 3 寸的触摸液晶屏来 做显示屏或者在计算机中显示。( 而相关的数字信号处理在下章详细说明) 2 5 视频信号的输出 一般的v g a n 印显示器是由5 种信号所控制的，分别是红色、绿色、蓝色、水平同 步号及垂直同步信号。3 个颜色信号，统称为r g b 信号，负责控制屏幕上某个规定位 置像素的颜色，它们是o 至o 7v 的电压类比信号，透过改变电压可得到不同的颜色， 简单的来说，可以把这3 个类比信号当作数位信号来控制开与关。 r g b 显示的视频信号电平如图2 8 所示，图中的i r e 单位是国际无线电工程师学 会制定的国际通用电视电平计算法，它以消隐电平为零电平基准点，向上将0 7 v ( p - p 值) 的视频信号分为1 0 等分，每一单符为1 0 i r e ：向下将0 3 v ( p - p 值) 的同步信号分为 4 等分，每一单符为l o i r e ，该计量方式以整数为单位，非常方便。有一些资料中直接 认为1i r e 为0 7 v ，则同步电平为一4 3 i r e ，实际上都是0 3 v 。在一些设计中，同步信 号在三种颜色的信号中都出现，而日前常用的设计中，同步信号只在绿色信号中出现， 即所谓绿同步( ( s y n co ng r e e n ) 。绿色信号的范围为0 v - 1 0 v ，红色和蓝色信号的范围 为0 0 7 v 。r g b 模拟输出实际上是电流输出，一般在模拟视频传输线两端各有一个7 5 欧姆的终端电阻，当输出电平为0 7 v 时，输出电流为1 8 6 7 m a ；输出电平为1 0 v 时， 输出电流为2 6 6 7 m a 。 图28 r g b 显示的视频信号电平 高速视频d a 转换器a d v 7 1 2 3 “”的原理框图如图2 9 所示。a d v 7 1 2 3 最高支持 1 0 0 h z 刷新频率时1 6 0 0 x1 2 0 0 像素的分辨率，由完全独立的三个1 0 位高速d a 转换 器组成，r g b 视频数据分另从r g r 0 ，g g - _ 0 0 和b g b 0 输入，在时钟c l o c k 的上 升沿锁存至数据寄存器中，然后经高速d a 转换器转换成模拟信号。三个独立的视频 d a 转换器都是电流型输出，可以接成差分输出，也可以接成单端输出，d e 2 上按单 端输出连接- 为满足工业标准，在模拟输出端用7 5 欧姆的电阻接地。消隐及同步逻辑 控制输出信号的同步和消隐，低电平有效的b l a n k 信号是复合消酶信号，当b l a n k 为低电平时，模拟视频输出消隐电平，此时从r g r 0 0 9 埘 0 和b 9 b 0 输入的所有 数据被忽略。同样是低电平有效的s y n c 信号是复台同步信号，控制输出信号韵同步， s y n c 为低电平时，d a 转换器关断4 0 i r e 的电流源。a d v 7 1 2 3 只有在绿色输出通道 才有同步信号出现。b l a n k 和s y n c 信号都是在c l o c k 的上升沿被锁存的。d e 2 平台上视频d a 转换器韶分的原理如图2 9 所示，f p g a 输出视频数据信号 v g a _ r 0 - - v g ar 9 v g ag 0 v g a _ c - 9 ，v g a _ b 0 , - v g a _ b 9 ，分别连接到a d v 7 1 2 3 的r 0 p , 9 ，g 0 4 3 9 和b 啦b 9 。另外f p g a 为a d v 7 1 2 3 提供消隐信号v g ab l a n k ， 同步信号v g as y n c 及时钟信号v g ac l o c k 。输出到v g a 显示器的水平同步信号 v g a _ h s 和垂直同步信号v g a _ v s 由f p g a 直接给出。 鬻瞪p * 磊。 ”。 瞎毒 黧# 轳。 i h 。 。土：f 。 圈29 a d v 7 1 2 3 驱动原理图 v g a 显示的基本时序如图21 0 所示，垂直和水平的时间周期都可以分为四个区间： 同步脉冲a 、