（交通信息工程及控制专业论文）交通事件视频检测系统嵌入式软件研究与实现.pdf

摘要 高效可靠的交通参数和事件检测系统可以提高交通管理和交通安全部门快速的应 急反应能力。本文针对交通事件检测系统的开发，研究了基于视频的交通事件检测系统 嵌入式软件的相关问题。 论文在综合分析国内外视频检测技术研究现状的基础上，设计了基于t ic 6 4 x + 系列 d s p 的嵌入式交通事件视频检测软件系统。系统以专用于视频和图像处理的d s p 芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 为核心，结合视频采集、处理模块和网络传输模块，处理p a l 制式的 视频信号，通过网络传输模块将所检测出的现场交通状况和已发生的交通事件信息上传 到交通管理服务器系统中。 论文详细研究了d s p 操作系统类型与系统结构，运用d s p 简单监控式实时操作系 统d s p b i o s ，实现了d s p 外围接口设备控制和多任务管理。同时，论文详细阐述了 d s p 系统的启动模式和软件各个模块的功能和结构，设计了基于e m i f a 的系统启动方 式、图像采集与处理、j p e g 图像压缩、t c p f l p 网络通信等软件功能模块。 现场测试结果表明，本软件系统能够较为准确地检测出现场交通参数和交通事件， 较好的解决交通参数及交通事件的检测问题，具有较高的应用价值。 关键词：智能交通系统、交通视频检测、嵌入式软件、d s p 操作系统、t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 a b s t r a c t t h eh i g h l ye f f e c t i v ea n dr e l i a b l et r a f f i cp a r a m e t e r sa n di n c i d e n td e t e c t i o ns y s t e mc a n e n h a n c et h er a p i dr e s p o n s ec a p a b i l i t yo ft h et r a f f i cm a n a g e m e n ta n dr o a ds a f e t yd e p a r t m e n t f o rt h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ci n c i d e n td e t e c t i o ns y s t e m ，h e r ew ea r eg o i n gt or e s e a r c ht h e r e l a t e di s s u e sa b o u tt h ee m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mo ft r a f f i ci n c i d e n tv i d e od e t e c t i o n f o u n do nt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so nt h er e s e a r c ho fv i d e od e t e c t i o nt e c h n o l o g yf r o m h o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e r d e s i g n e dt h ee m b e d d e dt r a f f i ci n c i d e n tv i d e od e t e c t i o ns o f t w a r e s y s t e mb a s e do nt ic 6 4 x + s e r i e sd s p u s i n gt h ed e d i c a t e dv i d e oa n di m a g ep r o c e s s i n gd s p c h i pt m s 3 2 0 d m 6 4 3 7a st h ec o r e ，t h es y s t e mu n i t e dt h ev i d e oc a p t u r ea n dp r o c e s s i n g m o d u l e sa sw e l la st h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e st op r o c e s st h ev i d e os i g n a l so fp a l s t a n d a r d ，t h e nu p l o a d e dt h ed e t e c t e dt r a f f i cc o n d i t i o na n dt h et r a f f i ci n c i d e n t si n f o r m a t i o nt o t r a f f i cm a n a g e m e n ts e r v e rt h r o u g ht h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nm o d u l e t h ep a p e rr e s e a r c h e dt h ed s p o p e r a t i n gs y s t e mt y p ea n ds t r u c t u r ei nd e t a i l ，a n dr e a l i z e d t h ed s pp e r i p h e r a li n t e r f a c ed e v i c ec o n t r o la n dm u l t i - t a s k i n gm a n a g e m e n tb yd s p s i m p l e s u p e r v i s e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e md s p b i o s a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e re l a b o r a t ed s p s y s t e mb o o tm o d ea n de a c hm o d e sf u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h es o f t w a r e ，a n dd e s i g n e d s o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e ss u c ha s s y s t e mb o o tm o d eb ye m i f a , i m a g eg r a b b i n ga n d p r o c e s s i n g ，j p e gi m a g ec o m p r e s s i o na n dt c p i pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n f i e l dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h i se m b e d d e ds o f t w a r es y s t e mc a nr e l a t i v e l ya c c u r a t e l y d e t e c tt h et r a f f i cp a r a m e t e r sa n di n c i d e n t s ，w h i c hc a np r e f e r a b l ys o l v et h ed e t e c t i n gp r o b l e m o ft h et r a f f i cp a r a m e t e r sa n dt r a f f i ci n c i d e n t s ，s oi th a sa h i g h l ya p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d 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 r a f f i cv i d e od e t e c t i o n ；e m b e d d e ds o f t w a r e ； d s p o p e r a t i n gs y s t e m ；t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：井寸尔y 可年厂月矽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：彳井厅、 导师签名! 刎。 叫年，月哆日 叫年，月7 日 长安人学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 随着当今世界经济的快速发展、科技的不断进步，公路建设的步伐也不断的加快。 据统计，2 0 0 1 年底，我国高速公路总里程已达1 9 万公里，跃居世界第二位，仅次于美 国；2 0 0 4 年底，已通车的高速公路总里程已超过3 4 万公里，保持世界第二位；2 0 0 8 年底我国高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，继续保持世界第二位。高速公路的快速 发展带来客流、物流、信息流的高速运转，极大地提高了运输的效率，带来显著的社会 效益和经济效益。然而由于我国土地资源有限，随着高速公路通车里程的不断增长，路 网结构日益复杂，同时机动车辆的个人占有率迅速攀升，公路路运输过程中导致交通拥 堵、运输效率下降、运输成本增加等一系列问题也日趋显著。 为了解决公路交通所引发的各种问题，智能交通系统【1 】( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ) 的研究被提到了重要的位置。我国在7 0 年代就开始将电子技术和信息技术应 用于交通运输领域，到9 0 年代引入了智能交通系统的概念。现在智能交通系统已经成 为交通行业研究的热点。 智能交通系统是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制 技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大 范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通系 统通过电子信息处理、电子通信、自动控制等先进的技术，使人、车、路更加协调地结 合在一起，减少交通事件的发生，从而提高交通运输效率。 i t s 系统可以为交通管理和安全部门及时提供准确的交通信息，从而使交通控制管 理系统能够适应各种复杂的交通状况。通过运用各种控制系统；智能交通系统能够在相 对宏观的高度进行合理的疏导或者调配，使交通管理和安全部门在交通监视、交通控制、 紧急救援等方面发挥最大的调控能力。 在智能交通系统中，道路交通动态信息采集是交通管理智能化的前提，建立道路交 通动态信息采集系统也就成为交通管理智能化的首要任务。交通动态信息采集系统的主 要目标是获取车辆交通信息，其中包括道路流量、车长、车速、道路饱和度等，主要侧 重于对道路的宏观管理，该系统对交通道路的管理、公路规划设计有着十分重要的意义。 第一章绪论 随着我国智能交通系统的迅速发展，交通信息采集系统应作为智能交通系统的重中之重 优先进行发展。交通信息采集系统包括了基础交通信息和交通事件信息，基础交通信息 主要包括流量、车型、车速、车头时距、道路占有率等【2 j 。 交通事件是指在高速公路上发生的如交通事故、车辆抛锚、车辆逆行、超速行驶、 低速行驶、货物抛落、行人、火灾等行为。交通事件会对交通流状态产生负面影响，造 成直接、间接的经济损失，很大程度上影响了人们的生活和经济发展。 交通事件检测系纠3 j 是智能交通系统的一个重要组成部分。事件检测系统根据实时 采集的交通数据信息，通过一组复杂的算法，自动判断交通事件是否发生，从而采取有 效的措施来提高公路运输效率。基于视频图像处理的交通事件检测系统【3 l 是近年来逐步 发展起来的一种新型的交通事件检测方法。通过视频检测系统，能够使交通管理和安全 部门加强对道路的可视化管理，对车辆进行检测跟踪，判断是否异常。在记录数据的同 时，检测系统及时将信息传送到交通数据管理中心，使系统起到实时监控、及时报警等 作用。通过该系统与智能交通系统的其他子系统协同工作，检测道路实时发生的交通事 件，实时报警、记录和发布道路交通拥堵等事件，达到自动监测、平衡各路网交通流量、 方便出行的目的。 1 1 2 研究意义 在高速公路上发生交通事件后，如果不能及时处理，就可能中断交通流、阻塞交通， 造成经济损失甚至人员伤亡等后果。如果能够及时检测到交通事件，并及时协调有关部 门处理交通事件，缩短事件在高速公路上的持续时间，就能够提高救援的有效性和可靠 性，就能够降低事件造成的损失，最大限度保护旅客生命财产的安全，并且能够在一定 程度上减少二次事件发生的可能性，增加人们出行安全，减少经济损失【4 】o 目前，通过 各种交通事件自动检测算法来分析高速公路上的实时交通信息，判断事件是否发生，以 达到及时处理交通事件，改善交通状况的目的。 交通事件报警是引起交通管理和交通安全部门注意事件的前提，任何事件管理系统 的快速反应能力都在很大程度上依赖于高效、可靠的事件检测系统。尽早的事件检测对 于采取恰当的响应策略、控制和引导其它车辆避开事发地点、为驾驶员提供了非常重要 的实时交通信息，从而使事件的影响降到最低。 事件检测不但对于事件应急管理本身意义重大，而且对于i t s 的其它子系统也有重 要作用。事件检测为这些系统提供了非周期性交通流状态变化信息( 这些信息是无法从 2 长安大学硕士学位论文 历史数据中得到的，也是交通流变化实时性的表现) 。为使这些系统能够高效运行也必 须建立快速、可靠的事件检测系统。另外，高效的事件检测系统还可以进一步提高高速 公路匝道控制和城市道路信号控制之间的协调。 交通事件检测是通过分析交通流的流量特性，确定潜在的、将要发生的事件。因此， 除了监控的功能以外，它还应尽量减少检测时间，使系统在拥挤形成之前采取必要的措 施。同时，通过对道路交通状况信息与交通目标的各种行为( 如违章超速，停车，超车 等) 的实时检测，实现自动统计交通路段上行驶的机动车的数量、计算行驶车辆的速度 以及识别划分行驶车辆的类别等各种有关交通参数，能够达到监测道路交通状况信息的 作用，这对于缓解交通堵塞现象、缓解城市的人口和机动车拥有量的矛盾、减少交通事 故给人民的生命和财产带来的伤害、推进我国城市管理和城市经济建设有重要而积极的 意义【5 】o 此外，将检测和识别到的交通信息存储起来，可以为日后分析和管理提供依据。 鉴于以上原因，对交通事件检测技术的进一步研究具有重要的实际意义和应用价 值。 1 2 事件检测技术国内外的研究现状 1 2 1 国外研究现状 自2 0 世纪6 0 年代起，交通事件检测技术发展起来以后，形成了各种各样的检测算 法和技术。目前的事件检测方法大致可分为非自动检测方法和自动检测算法。非自动检 测方法主要包括闭路电视系统、航空监视系统、警察、市民或专职人员报告和公路巡逻 车等。非自动检测方法的运行成本较高，受时间和天气影响较大，检测周期较长，检测 率较低。因此，各国交通工程专家纷纷积极研究和开发运行成本低、能够全天候及全程 的发挥作用、检测率高的自动事件检测( a i d ：a u t o m a t i o ni n c i d e n td e t e c t i o n ) 方法，如 感应线圈、雷达、视频图像等1 6 j 。 欧美等发达国家非常重视高速公路交通事件的管理，特别是自动事件检测技术的研 究1 7 1 。二十世纪七十年代末，在美国联邦公路管理局的资助下，1 9 7 8 年加州j e tp r o p u l s i o n 实验室开始尝试使用视频技术来检测车辆的运行，并取得了初步的进展。1 9 8 4 年美国明 尼苏达大学首次研制成功使用的大区域视频车辆检测系统，获得此项技术的专利，并成 立了i s s ( i m a g es e n s i n gs y s t e m ) 公司。目前，该公司是世界上在视频交通检测领域著 名的公司。该公司的主要产品是a u t o s c o p e 系列的视频交通检测系统。i s s 公司对 3 第一章绪论 a u t o s c o p e 视频交通检测技术的研究始于八十年代初期，目前a u t o s c o p e 系列主要有： a u t o s c o p e 2 0 0 2 ，a u t o s c o p e 2 0 0 4 ，a u t o s c o p e 2 0 2 0 ，a u t o s c o p es o l op r o 和a u t o s c o p es o l op r o n c 等。a u t o s c o p e 是全世界研发最早并最先获得国际专利的视频交通检测技术的产品， 经过近年的不断发展，已成为全球安装最多、满足国际各种工业标准、在实际使用中经 过广泛检验的、成熟的视频交通检测技术【8 1 。1 9 9 1 年，i s s 公司采用先进的工业用计算 机，进一步提高了系统的性能，并且在现场测试中证实了该系统在户外运行的可靠性和 实时检测的可行性。同时，欧美其它国家及日本等国相继展开了对视频检测技术的研究， 一些视频检测系统也应运而生。 进入二十一世纪后，在世界各国研究界、企业界和交通管理部门的共同努力下，视 频检测技术日趋成熟，并逐渐取代传统的感应线圈、雷达等检测方式，成为实际交通管 理工作中获取交通信息的重要手段。同时，韩国汉城奥林匹克高速公路、纽约g o w a n u s 快速路、香港机场隧道等诸多的成功应用实例，使视频检测技术受到了越来越广泛的关 注。 1 2 2 国内研究现状 在我们国内，智能交通系统的研究起步较晚，在7 0 年代末、8 0 年代初开始在交通 运输和管理中应用电子信息技术。在随后的近2 0 年时间里，通过广泛的国际交流与合 作，我国在i t s 领域进行了较深入的理论研究、产品研发、工程应用示范，并取得了一 定的成果。大批从事i t s 研究开发的研究机构和企业正在迅速成长，具体表现在以下几 个方面【9 1 。 ( 1 ) 城市交通领域 全国先后建立了4 0 多个交通控制中心和交通指挥中心，这些系统为监视和快速处 理城市交通事件发挥了重要的作用。建立了驾驶员信息系统，开展城市交通管理智能化 诱导技术的研究，包括交通信息的采集、传输、处理和发布、城市交通的群体诱导和单 车诱导等。将数字地图的开发、g p s 的应用、单车诱导技术、公交调度指挥系统、报警 求援系统等集成在一起，奠定了我国城市交通智能运输系统产业化的基础。 ( 2 ) 公路交通领域 积极开展高速公路监控、通讯系统和紧急事故救援系统、不停车收费系统等的研制 及应用。目前，在江苏、浙江、上海、广东、四川、辽宁、山东等省已开始建设高速公 路联网收费系统。 4 长安大学硕上学位论文 ( 3 ) 公共交通领域 在公共交通方面主要发展高速轨道、公交专用道，配以最先进的通讯设备，如北京、 上海等城市先后建立了公交调度指挥系统。 因此，国内的i t s 技术研究和成果转化正处在方兴未艾的阶段，i t s 高新技术产品 正在不断出现，国内交通运输业对i t s 高新技术产品的需求十分迫切。 由于我国交通事业的飞速发展、智能交通系统的不断完善，交通管理及控制的应用 需求也在不断增加，越来越多的研究机构和厂家开始关注该技术的研究，也出现了一些 应用产品，例如湖南天翼信息技术有限公司推出的智能交通视频图像处理系统、哈尔滨 工业大学的v t d 2 0 0 0 系列视频交通动态信息采集系统、厦门恒深智能软件系统有限公司 研制的h e a d s u n s m a r t v i e w e r i i i 视频交通检测器、亚洲视觉公司的路段交通信息系统、 清华紫光开发的v s 3 0 0 1 视频检测系统以及深圳市神州交通系统有限公司的v i d e o t r a c e 智能视频交通信息采集系统等。这些系统都比较好的实现了视频检测的功能，但在实际 的推广当中效果并不明显，还远远没有达到实际应用的要求，同国外的产品相比还有相 当大的差距。因此，我们国内在这方面的研究还要继续加强、不断开发和完善技术，真 正推出适合于国情的交通视频检测产品。 目前我国视频交通检测主要应用方向可以分为如下几个部分，所要实现的基本功能 及所采用的视频检测关键技术如下所述【1 0 】： ( 1 ) 交通信息采集。实时地采集交通管理者或驾驶员所需要的交通信息，反映交 通流的运行情况。 ( 2 ) 事件管理。针对这一部分的工作，视频检测系统所必须完成如下功能：为事 件的诊断、响应及清除等提供是否出现交通事件及事件的地点、类型、严重程度等信息。 因此，除检测流量、速度、密度等基本交通流信息外，所要采用的视频检测关键技术包 括：事件自动检测算法、模式识别技术等，即通过软件算法等手段实现事件的自动检测。 ( 3 ) 违章处理。高速公路上车辆违章包括违章掉头、违章变道、违章停车、超速 等，这些都是交通管理中需要监视防范的内容。视频检测技术以其监视视角广域性的特 点，可以很好的解决以上问题：视频检测系统在摄像头的视线范围内，通过车辆跟踪技 术获取车辆逆行、变道、停车及车速等信息，再通过与监视区域内驾驶规则的对比，从 而得出是否违章的判断。 ( 4 ) 拥挤控制。高速公路监控所研究的主要问题是如何避免因拥挤而引起的延误、 堵塞等运行问题。针对这一要求，视频检测技术可以在分析所获得的交通流运行参数变 s 第一章绪论 化的基础上，通过一定的拥挤检测算法或模式识别技术，得出是否产生拥挤，拥挤发生 的地点、时间及严重程度等信息，为拥挤的快速响应提供实时的交通资料。 ( 5 ) 主线控制。视频检测系统可以配合拥挤的自动检测、事件自动检测及气候的 变化等，检测出主线上流量、占有率、密度和速度等交通流运行参数的变化，从而为车 道使用控制、可变速度控制等主线控制决策提供基本的信息输入。 ( 6 ) 匝道控制。匝道是决定交通供需平衡的重要通道。通过配合主线的控制，视 频检测系统可以在检测到达流量、通过流量、排队长度、占有率等匝道交通流参数的基 础上，为匝道的开放关闭、汇合控制、通过流量的调节等控制方案提供基本的信息输入。 ( 7 ) 信息发布。交通管理系统的另外一项职能是向交通的使用者、管理者提供实 时的交通信息。视频检测系统所提供的检测数据库本身就是信息发布最好的来源。检测 数据库既可以提供定量的交通信息( 如某时段内的行程速度、行程时间等) ，也可以提 供定性的交通状况描述( 事故、拥挤程度、最短路径等) ，能够针对不同用户的要求提 供较为广泛的信息服务。 ( 8 ) 监视。可视性是交通管理系统的发展趋势之一，也是视频检测技术的主要优 势。实现二者统一的重要手段之一，就是将视频检测所获得的图像资料应用到交通的监 视中。此时，交通的管理者可以通过这些图像实时地发现交通运行过程中的问题。 ( 9 ) 规划、改善及运营分析。视频检测系统获得的交通信息也可以应用到交通的 规划、改善及运营分析中。通过对实时检测信息的定期处理，可以得到交通运营的时变、 日变、月变、年变等历史数据库。对这些历史数据的分析结果，将是交通中远期的运营 规划及改善的重要参照。 1 3 本文研究的主要内容 为了实现交通管理信息的智能化，实施视频交通检测系统是最重要和最有效的措施 之一。本论文首先根据研制视频交通检测系统的需要，研究了国内外视频交通检测系统 的发展现状以及技术发展水平，在阅读了大量资料的基础上，参与了视频检测系统方案 的研究与设计，分析可行的嵌入式软件系统方案，设计视频检测系统的各个功能模块， 完成图像采集与处理、图像压缩、网络通信、算法移植及软件优化，进而完成视频检测 系统嵌入式软件开发。 本论文的主要工作体现在以下几个方面： ( 1 ) 结合当前国内外视频检测技术的研究，设计了基于c 6 4 x + 系列d s p 的嵌入式 6 长安大学硕士学位论文 视频检测系统平台。根据所选择的d s p 硬件，分析可行的嵌入式软件系统方案，同时 结合实际应用情况，从技术优势、开发周期、开发成本等方面考虑，选定以d s p b i o s 操作系统为检测系统软件平台，并提出软件系统的设计方案。 ( 2 ) 研究d s p 视频检测系统嵌入式软件平台，设计检测系统软件的各个模块。在 d s p 操作系统平台上实现d s p 设备控制和多任务管理，完成p a l 制视频图像采集、j p e g 图像压缩、设计检测系统的网络通信协议，完成基于t c p i p 的网络通信，同时完成系 统的综合调试。 ( 3 ) 研究d s p 系统的各种启动模式，详细分析两种d s p 启动方法，并完成e m i f a 启动模式的设计，实现d s p 系统启动后跳转到嵌入式d s p 操作系统中运行。 ( 4 ) 研究d s p 代码规范和代码优化技术，分析d s p 软件的优化方式，完成d s p 视 频检测算法的移植及检测算法的优化，提高d s p 的运算效率，使d s p 系统能够在高效 的环境下运行，达到预期的检测效果。 论文划分为六章： 本文第一章是全文的总论，在此章节论述了本课题的研究背景、国内外的研究现状 及本文的研究内容。 第二章主要论述交通事件视频检测系统的总体结构设计和基本原理，并详细描述了 嵌入式检测系统的软件结构及其所运用的硬件和软件平台。 第三章分析嵌入式视频检测系统的底层软件模块，详细论述了操作系统、i 启动、驱 动模块及嵌入式操作系统软件管理机制，完成d s p 操作系统的移植，并设计d s p 系统 的一种启动方式和d s p 设备驱动。 第四章设计视频交通检测系统应用层软件模块，包括图像采集、图像压缩、图像和 检测数据的网络传输及检测算法的移植，并在分析d s p 优化技术的基础上，完成d s p 程序的优化设计，以保证系统能够在稳定、高效的环境下运行。 第五章对视频检测系统的通信协议做了明确的需求分析，并在详细论述t c p 工作 原理的基础上设计检测系统的网络传输协议。 第六章详细描述视频检测系统的测试结果及现场应用情况，验证系统的可靠性。 最后是本文的结束部分，对本文的研究成果给予总结，并指出嵌入式视频检测软件 系统的进一步研究方向。 7 第= 章变通事件税颠检铡系统方案研究 第二章交通事件视频检测系统方案研究 交通参数和事件检测技术是集先进的计算机技术、通信技术于一体，融合交通控制 与管理的一种智能化检翘怦段。一个功能完整的检测系统，在完成从数据采集到信息输 出的过程中，还必须辅以一些数据采样、数据处理和各种处理算法等必要的关键技术手 段，以保证系统的可靠性。 2 1 系统的总体结构及基本原理 本论文所研究的视频交通参数和事件检测系统结构框图如图21 所示 孑芎尹霉，露一 阻顿交通参赦 自事件检测g q 一 l 器2 荐嚣嚣 _ i l l ：銎妒世 图2 1 视频检测系统框图 假定视频交通检测系统的应用环境为隧道在隧道内每隔一定距离( 如3 0 0 米) 安 装一台摄像机，所有摄像机的视频信号经过视频分配器后进入视频检测器，视频检测器 运用一定的算法对数字视频信号进行处理，将结果通过交换机送到服务器和监控台，同 时，视频信号通过矩阵切换器显示在电视培上。 图2 1 中视频交通事件检测嚣、变通系统管理终端( 交通参数及事件管理服务器) 、 交通监控系统工作站及百兆以太网共同构成基于视频的交通事件和交通参数检搠i 系统。 8 多量 长安大学硕士学位论文 视频交通事件检测器是本系统的核心部分，主要由图像采集及数字化、图像处理、图像 存储、图像数据传输、电源监控等几个模块组成。视频检测系统结构框图如图2 2 所示。 一一l 二二= _ 二二二= 一一1 f 叫画而叫咝i( 摄像机h 图像数字化卜_ 叫l 一 ： 、- - - - l j i 一 ： 陬丽磊柑既； l j ! 厂 i 眄刮堕i l ：d s p 图像处理i i j 图2 2 视频检测系统结构框图 摄像机的输出为p a j l 制式的模拟视频信号，通过图像数字化模块将模拟视频信号 转换为数字视频图像信号( y u v 4 2 2 格式，视频图像的像素为7 2 0 * 5 7 6 ) ；数字视频图像 信号进入d s p 系统，由d s p 系统对数字视频图像进行分析、运算、压缩处理，同时将 处理结果保存到内存中，并通过以太网将视频图像分析结果发送到交通监控管理中心； 电源监控模块主要对视频处理终端的电源状况进行监控，如有异常，及时发出警报，通 知交通监控管理中心。 事件与交通参数管理终端基于通用的计算机平台，通过以太网t c p i p 协议与嵌入 式视频交通参数和事件检测系统连接，完成对嵌入式检测系统的参数配置、运行控制、 交通参数和交通事件数据接收及管理等功能。 事件与交通参数管理终端与视频交通参数和事件检测器既可以独立的系统方式运 行，也可通过以太网与其他交通管理系统相连。视频分析识别管理终端可以通过网络向 交通管理部门实时传送交通参数和交通事件报警数据，也可以按交通管理部门的要求上 传统计分析数据。 2 2 系统功能及性能指标 2 2 1 系统功能 智能交通视频检测系统的检测前端是以德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t ，以下简 称为t i ) c 6 4 x + 系y l jd s p 处理器( t m s 3 2 0 d m 6 4 3 7 ) 为核心，结合多模式视频采集、t c p i p 网络控制、1 2 c 、u a r t 总线控制等组成的嵌入式智能交通事件视频检测系统。 嵌入式智能交通事件视频检测系统主要完成对视频数据的采集、分析、视频压缩存 9 第二章交通事件视频检测系统方案研究 储、自诊断警报、录像、远程维护等功能。视频数据分析包括对交通事件分析和交通参 数分析。交通事件主要包括车辆逆行、车辆停驶、车辆慢行、交通拥堵、行人、遗弃物、 火灾检测、车速超速行驶、车辆突然驶出路面、交通状况分级等；交通参数分析主要包 括车流量、车速、车道占有率、车头间距等；自诊断警报主要包括摄像机信号丢失、视 频检测卡错误、网络通讯故障等。 2 2 2 系统性能指标 对检测系统的工作性能，采取以下几个技术指标来衡量： 交通事件检测率： 9 9 检测报警时间： 9 0 平均车速准确率： 9 5 存储图像分辨率：3 5 2 2 8 8 视频输入：1t o1 6b n cv i d e oi n p u t ( c c r r ) 视频处理能力2 5 帧s 事件检测区域： = 1 6 事件报警区域： = 1 6 检测范围：图像中车辆目标大于2 0 ( 水平) 母l o ( 垂i 直) 个像素的图像范围 报警录像长度：默认事件前后3 分钟，用户可自定义 机架：1 9 ”，3 u 尺寸( m m ) ：4 8 2 x 1 3 2 x 3 9 5 输入电压：8 5 2 6 0v 最大能耗：2 3 0w 0 2 5o c 重量：1 5 k g 背板：视频输入、以太网口 电源：双电源热备份 1 0 长安人学硕士学位论文 2 3 嵌入式检测系统的软件结构 鉴于对以上检测系统运行环境的分析，综合检测系统业务的需求，将检测系统软件 结构设计为两个层次：系统底层软件和应用层软件，其系统逻辑功能结构图如图2 3 所 示。 图2 3d s p 系统结构框图 检测系统终端自下而上由d s p 硬件平台、硬件设备驱动、d s p 操作系统和d s p 应 用层软件组成。 d s p 检测系统硬件平台主要包括d s p 处理器、视频解码器、d s p 外扩的双通道动 态存储器( d d rs d 删) 、p h y 、以太网变压器和r j 4 5 构成1 0 1 0 0 b a s e t 以太网的物 理层、n o rf l a s h 等部分组成。d s p 是视频检测卡的核心处理器，所有的控制、运算、 通信等任务都由它完成；视频解码器( d e c o d e r ) 负责将模拟视频信号转换成标准的 数字视频格式，并传送给d s p ；d d r 2s d r a m 用来存储程序、数据等；n o rf l a s h 存储的是d s p 程序，即固件。 系统驱动层主要作用是根据系统类型对硬件的操作建立一个统一的接口，便于应用 层和操作系统的调用。检测系统的驱动层主要包括三个模块：( 1 ) v p f e ( 视频采集前 端) 驱动模块，主要完成对视频解码所得到的数字信号进行采集，及对视频信息进行相 应的预处理；( 2 ) 网络协议栈模块，主要完成系统对网络的初始化、网络配置( 如d h c p 等) 及数据传输控制等功能；( 3 ) 1 2 c 、u a r t 驱动模块，用于完成对1 2 c 子设备的控 制，如视频解码器的配置，u a r t ( 异步串行通信接口) 主要用于各单板之间交互数据 第一二章交通事件视频检测系统方案研究 和调试。 d s p 操作系统位于检测系统软件的核心，通过d s p 操作系统可以实现多线程技术， 使用标准接口的i o 和中断，高效地定义和配置系统资源( 如系统内存) ，向目标应用 程序添加数据结构并围绕一组相关线程来加以组织。 系统应用层处于嵌入式视频检测系统的最高层，本系统主要包括视频采集模块、视 频处理模块、网络通信模块、u a r t 总线控制模块等。 2 4 系统运行的硬件、软件平台 2 4 1 硬件平台选型分析 2 4 1 1 处理器 处理器是视频检测卡的核心，它主要完成大量的数据采集、数据处理、各种算法的 实现以及控制和通信任务：处理器实时地将采集到的数字视频图像数据存储到内存缓存 区，并且按照一定的算法对采集到的实时动态数字图像进行处理，得到所需的交通数据， 再把这些采集到的视频图像和处理后的交通数据通过网络的方式传送到监控中心。 因此，本系统设计中要求处理器具备以下几个基本条件： ( 1 ) 强大的数据运算处理能力； ( 2 ) 大容量的存储器； ( 3 ) 高速的数据通道； ( 4 ) 专用的视频接口及丰富的外部设备接口资源。 为了满足以上条件，系统选用的是1 1 公司针对多媒体应用而开发的一款新型的定 点高性能的数字媒体信号处理器：c 6 4 x + 系列的t m 3 2 0 d m 6 4 3 7 ，该芯片专用于视频和 图像处理。 处理器的内核体系结构直接影响处理器的运算能力，关系到方案的设计与优化策 略。c 6 4 x + 系列d s p 芯片由c p u 、内部存储器和片内外设( o n - c h i p - p e r i p h e r a l ) 组成，其 内核包括下列几个部分1 1 1 l 。 ( 1 ) 两个数据通道，每个数据通道上由4 个功能单元( l 、s 、m 、d ) 组成，其 结构示意图如图2 4 所示；每个功能单元在一个时钟周期内可以执行一条单周期指令。 功能单元m ( m u l t i p l y ) 用于所有的乘法运算；功能单元s ( s h i f t ) 和l ( l o g i a d 主要 用作通用的算法、逻辑和分支的功能；功能单元d ( d a t a ) 主要用于从内存装载数据到 长安大学硕十学位论文 寄存器和从寄存器中将数据保存到内存中。 图2 4d s p 数据通道逻辑框图 ( 2 ) 两个寄存器组，每个寄存器组包含3 2 个3 2 b i t s 通用寄存器；通用寄存器可以 作为数据寄存器和地址寄存器。数据类型支持8 b i t s 、1 6 b i t s 、3 2 b i t s 、4 0 b i t s 和6 4 b i t s 的数据，超过3 2 位的数据可以保存在由两个或多个寄存器组成的寄存器组中。 ( 3 ) 程序取指单元、指令分配单元、指令译码单元、控制寄存器及控制逻辑单元、 1 3 第二章交通事件视频检测系统方案研究 中断逻辑单元等。 由于t m 3 2 0 d m 6 4 3 7 采用具有v l i w ( 超长指令字：v e r y - l o n g - i n s t r u c t i o n w o r d ) 结构的t m s 3 2 0 c 6 4 x + i 内核，计算能力可达4 8 0 0 m p i s ，使之具有高速处理能力，并允许 开发高效的类r i s c 代码，软件与c 6 4 x 系列d s p 完全兼容，便于不同平台之间的软件 移植；具有两级高速缓存结构：包括2 5 6 k b i t s ( 3 2 k b y t e ) 程序高速缓存( c a c h e ) l i p 、 6 4 0 k b i t s ( 8 0 k b y t e ) 数据高速缓存( c a c h e ) l i d 以及1 m b i t s ( 1 2 8 k b y t e ) 的共享高速缓存 l 2 ，供数据和程序共享，并且l 2 还可根据需要将其中一部分映射为片内r a m ，使处理 器具有快速的存储响应能力和高效的程序运行能力；支持3 2 1 6 b i td d r 2s d r a m 存储 器扩展，使系统可扩展大容量存储设备；支持6 4 个独立的增强型d m a 控制( e d m a ： e n h a n c e dd i r e c t m e m o r y a c c e s s ) 通道，以保证处理器与外设之间能够并行的进行高速 数据传输，同时可通过扩展a t a 接口、p c i 接口进行大容量的本地存储，也可以通过以 太网接口完成远程存储；d s p 处理器片内还集成了视频处理子系统( v p s s ：v i d e o p r o c e s s i n gs u bs y s t e m ) ，v p s s 包含一个兼容b t 6 0 1 b t 6 5 6 y u v 4 2 2 格式的视频处理 前端( v p f e ：v e d i op r o c e s s i n gf r o n te n d ) 、视频处理后端( v p b e ：v e d i op r o c e s s i n gb a c k e n d ) 和多个专用的视频处理引擎。此外，d m 6 4 3 7 在c 6 4 x + 的内核基础上增加了很多 实用的外围接口，易于系统扩展。 2 4 1 2 内存架构分析 c 6 4 x + 系列d s p 的地址是3 2 b i t s 地址，其寻址范围为4 g b y t e s ，包括从0 x 0 0 ( 0 ) 0 ( o 地址开始的6 4 k b y t e s 映射为内部存储器空间( r a m ) 、片内外设寄存器的存储器映像空 间以及保留空间；从0 x 8 0 0 0 0 0 0 地址开始是外部存储器映像空间，其中片内存储器也可 以作为第二级c a c h e ( l 2 ) 使用，设计者可根据需要以1 6 k b y t e s 为单位，将其中一部分 映射为内存，另一部分映射为c a c h e 。例如1 6 k b y t e s 为c a c h e ，4 8 k b y t e s 作为片内r a m 使用。外部存储器映像空间又可分为4 个子空间，每个空间可根据需要，通过外部存储 器接口( e m i f ) 扩展不同类型的存储器，例如r o m 、s d r a m 、d d r 2 等。d s p 的存 储器映射关系如下表2 1 所剥1 1 】： 表2 1c 6 4 x + d s p 内存映射表 起始地址 结束地址大小 内存映射 o x 0 0 0 00 0 0 00 x 0 0 0 ff f f fi m 保留 o x 0 0 1 00 0 0 00 x 0 0 1 0f f f f 6 4 k 启动r 0 1 d 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 1c 6 4 x + d s p 内存映射表( 续) o x 0 0 1 l0 0 0 0o x 0 0 7 ff f f f7 m + 6 4 k 保留 o x 0 0 8 00 0 0 00 x 0 0 8 1f f f f1 2 8 k l 2r a m 或c a c h e 0 x 0 0 8 20 0 0 0o x o o e o7 f f f6 0 4 8 k 保留 o x o o e o8 0 0 0o x o o e of f f f3 2 kl 1 pr a m c a c h e o x o o e l0 0 0 0o x o o f o3 f f f9 7 6 k 保留 o x o o f o4 0 0 0o x o o f of f f f 4 8 kl 1 dr a m o x o o f l0 0 0 0o x o o f l7 f f f3 2 k l1 dr a m c a c h e o x o o f l8 0 0 0o x 0 1 7 ff f f f9 2 i o k 保留 0 x 0 1 8 00 0 0 0o x 0 1 b ff f f f4 mc f 6s p a c e o x 0 1 c o0 0 0 0o x 0 1 f ff f f f4 mc f 6b u sp e r i p h e r a l s o x 0 2 0 00 0 0 0o x i o o ff f f f2 2 5 m 保留 o x l 0 1 00 0 0 0o x l 0 1 0f f f f 6 4 kb o o tr o m o x l o l l0 0 0 0o x l 0 7 ff f f f 7 m + 4 8 k 保留 o x l 0 8 00 0 0 0o x l 0 8