基於圖像和fpga的汽車尾氣自動監測的製作方法

2023-10-05 02:38:29 1

專利名稱：基於圖像和fpga的汽車尾氣自動監測的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統，屬於信號處理技術、 工業測控技術，是利用FPGA晶片作為數字圖像的處理核心，通過對序列圖像感興趣區的檢 測來實現對通行車輛尾氣超量排放的監測。
背景技術：
隨著我國社會經濟的飛速發展和人民生活水平的日趨提高，我國汽車的保有量也 在飛增，隨之而來的汽車尾氣汙染問題也日趨嚴重。汽車汙染物排放已經成為很多城市空 氣汙染的主要來源，因此控制車輛尾氣中汙染物的排放對保護人類賴以生存的生態環境和 人民群眾的健康安全具有重要的意義。目前，常用的汽車尾氣檢測方法分為無負荷檢測方法和有負荷檢測方法兩類。其 中前者包括怠速法、雙怠速法和自由加速度煙度實驗方法，這些方法的優點是易於操作、檢 測便攜、費用低廉，其突出弊端是只在車輛無負荷時進行檢測，因此檢測結果與車輛實際運 行時的排放存在較大差距，同時檢測結果的代表性和真實性也較差。而有負荷檢測方法包 括汽油車穩態加載模擬工況法、汽油車瞬態工況法、汽油車建議瞬態工況法、柴油車加載 減速法等。這些方法都是通過各種手段模擬汽車道路行駛阻力，以此來檢測車輛在真實道 路行駛情況下的汙染物排放情況。然而這些方法都需要專業人員通過專門的設備檢測，檢 測時間相對較長，而且遠遠不能達到自動化實時處理的水平。此外，現有的尾氣檢測設備都是針對於汙染物含量的檢測，需進行汙染物成分及 含量分析，需要藉助專門設備配合使用，因而使得其造價昂貴，且複雜不易操作。

發明內容
為避免現有技術檢測效率低、設備投入大的缺陷，本發明提出了一種基於視頻圖 像和FPGA的汽車尾氣監測方法，檢測道路上的柴油車、農用機動車等汙染物嚴重超標的車 輛；該監測方法可以通過CXD獲得行駛車輛尾部的模擬視頻圖像，由解碼晶片將模擬數據 轉換成數字數據，並由FPGA實現將檢測圖像存入緩衝器，藉助FPGA硬體邏輯對檢測圖象實 現尾氣定位、尾氣輪廓提取算法，實現對車輛尾氣的「黑煙」區域的分割，並根據其像素麵積 判定該車輛的汙染程度，同時進行報警，其突出的優點是將圖像處理算法硬體化，不需要 工控機或DSP等核心處理單元，系統實時性能好，可擴展性強。本發明解決其技術問題所採用的技術方案基於圖像和FPGA的汽車尾氣監測方 法，其特點是包括以下步驟(a)在圖像中選擇一塊車道區域作為車輛通行的檢測區，在通行檢測區的後端選 一塊區域作為尾氣輪廓提取的感興趣區。在奇數幀到來時將在檢測區中的每一像素值送入 累加器，對像素數進行計數，並將累加結果暫存；在偶數幀到來時，將圖像先取反然後送入 累加器，同時將尾氣輪廓提取感興趣區的圖像暫存入緩衝器；偶數幀累加結束時，根據累加 結果和像素計數值，計算感興趣區域的平均像素差值Π(。在非檢測區按照亮暗度的不同級別取10個不同的像素點，根據兩幀中這些像素點的累加結果計算平均背景差值BK。根據系 統的應用場合確定合適的閾值T，若滿足|Π(-ΒΚ| > T，則判定當前時刻無車輛通過；(b)若根據步驟(a)檢測到有車輛通過，則將緩存器中存儲的尾氣檢測感興趣區 圖像送入閾值分割模塊按固定閾值T對分割結果進行計數，若黑色像素計數值N與感興趣 區總像素數C比值小於一固定的參數，則判定該車輛沒有超標，此時不做繼續處理；否則， 將分割處理後圖像先後通過邊緣檢測模塊和輪廓提取模塊，並通過計數器計算出尾氣輪廓 所包含的圖像像素數目；(c)根據國家標準將汽車尾氣的汙染程度劃分為幾個級別，並用像素麵積的形式 表示。按照步驟(b)計算的車輛尾氣輪廓像素數目確定該車輛的汙染級別，並驅動振鈴進 行不同的報警；(d)對FPGA各模塊進行並行化設計，使車輛通行檢測模塊、尾氣輪廓提取模塊和 報警模塊三級流水並行工作。本發明的有益效果是本系統與以往的技術相比具有極高的便攜性，成本低；同 時，利用FPGA硬體邏輯運算高度並行性的特點，設計三級流水的圖像處理算法，實現了對 圖像序列中超排車輛的自動實時檢測並報警，克服了傳統檢測方法複雜不易操作且耗時長 的不足，尤其對於尾氣排放嚴重超標的車輛格外有效。下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。


附圖1是本發明基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統結構圖。附圖2是本發明基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統實施例原理圖。附圖3是本發明基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統算法處理框圖。
具體實施例方式在本系統的具體實現過程中，FPGA採用美國Altera公司的Cyclone系列FPGA中 的EP1C12晶片。該晶片密集度達12060個LE單元(每個LE包括一個LUT，一個觸發器和 相關邏輯，是晶片實現邏輯的最基本結構，也是FPGA綜合性能評價的主要指標)，完全能夠 滿足圖像處理算法和系統邏輯控制的需要；169個用戶可用I/O埠滿足系統實現圖像採 集和存儲的多個晶片連接要求；視頻採集單元採用(XD，它可以把現場圖像採集進來並送 給A/D轉化晶片作進一步處理；A/D晶片採用PHILIPS公司的7113H晶片，7113H晶片有4 個模擬通道，通過分時採集4路的圖像信號，分時進行處理，可以通過編程選擇7113H的轉 換模式，通過1 總線進行編程，完成7113H的初始化工作，信號的輸出格式也由1 總線進 行控制，採用CCIR601的4:2:2格式。同時在FPGA上外擴一塊IS61LV10248型號的SRAM 作為尾氣檢測感興趣區圖像的緩存。系統初始化後，EP1C12控制CXD開始採集，此時視頻解碼晶片SAA7113H將CXD輸 出的模擬視頻信號數位化，並向FPGA提供數字視頻數據、像素時鐘LLC以及同步信號，這些 信號驅動EP1C12中的邏輯程序產生地址。根據地址判斷該像素是否在圖像的檢測區內；若 是，在奇數幀，將像素值直接加入累加器，並計數值加一；在偶數幀，先將其取反再加入累加 器，同時將尾氣輪廓提取感興趣區的圖像暫存入SRAM ；當兩幀圖像處理完後，根據累加結果和計數值計算出檢測區平均像素差值；在非檢測區根據10個採樣點按照同樣的方法 求得非檢測區的平均背景差值BK ；根據和BK的絕對值差判定當前兩幀時間內是否有車 輛通行。若有車輛通過，則將SRAM中圖像按固定閾值進行二值化處理，同時對黑色像素的 數目進行計數，閾值選取的依據是能夠將「黑煙」從背景出分割出來；根據計數值與感興趣 區域大小的比例關係給出車輛是否排放超標；根據國家標準將汽車尾氣的汙染程度劃分為幾個級別，並用像素麵積的形式表 示。若初步判斷車輛超標，則根據計數值與標準級別的比較關係確定該車輛的汙染等級，同 時通過振鈴等形式給出報警。
權利要求
1.一種基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統，其特徵在於以FPGA晶片為核心 實現了一種基於圖像的汽車尾氣監測系統，它將圖像處理算法硬體化，不需要工控機或DSP 等核心處理單元，實現對尾氣超排車輛的實時定性檢測。
2.一種基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統，其特徵在於通過CXD獲得行駛 車輛的圖像，A/D轉換晶片將模擬數據轉換成數字數據，並由FPGA控制實現將圖像感興趣 區域存入緩衝器，FPGA藉助硬體邏輯實現尾氣定位、尾氣輪廓提取算法，實現對車輛尾氣的 「黑煙」區域的分割，並根據其像素麵積判定該車輛的汙染程度，同時進行報警，其突出的優 點是將圖像處理算法硬體化，不需要工控機或DSP等核心處理單元，系統實時性能好，可 擴展性強。
3.根據權利要求2所述的基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統，其特徵在於包括 以下步驟(a)在圖像中選擇一塊車道區域作為車輛通行的檢測區，在通行檢測區的後端選一塊 區域作為尾氣輪廓提取的感興趣區。在奇數幀到來時將在檢測區中的每一像素值送入累加 器，對像素數進行計數，並將累加結果暫存；在偶數幀到來時，將圖像先取反然後送入累加 器，同時將尾氣輪廓提取感興趣區的圖像暫存入緩衝器；偶數幀累加結束時，根據累加結果 和像素計數值，計算感興趣區域的平均像素差值Π(。在非檢測區按照亮暗度的不同級別取 10個不同的像素點，根據兩幀中這些像素點的累加結果計算平均背景差值BK。根據系統的 應用場合確定合適的閾值T，若滿足|Π(-ΒΚ| > T，則判定當前時刻無車輛通過；(b)若根據步驟(a)檢測到有車輛通過，則將緩存器中存儲的尾氣檢測感興趣區圖像 送入閾值分割模塊按固定閾值T對分割結果進行計數，若黑色像素計數值N與感興趣區總 像素數C比值小於一固定的參數，則判定該車輛沒有超標，此時不做繼續處理；否則，將分 割處理後圖像先後通過邊緣檢測模塊和輪廓提取模塊，並通過計數器計算出尾氣輪廓所包 含的圖像像素數目；(c)根據國家標準將汽車尾氣的汙染程度劃分為幾個級別，並用像素麵積的形式表示。 按照步驟(b)計算的車輛尾氣輪廓像素數目確定該車輛的汙染級別，並驅動振鈴進行不同 的報警；(d)對FPGA各模塊進行並行化設計，使車輛通行檢測模塊、尾氣輪廓提取模塊和報警 模塊三級流水並行工作。
全文摘要
本發明涉及一種基於圖像和FPGA的汽車尾氣自動監測系統，屬於信號處理技術、工業測控技術，是利用FPGA晶片作為數字圖像的處理核心，通過對序列圖像感興趣區的檢測來實現對通行車輛的尾氣排放量的定性監測。它通過CCD獲得行駛車輛的圖像，A/D轉換晶片將模擬數據轉換成數字數據，並由FPGA控制實現將圖像感興趣區域存入緩衝器，FPGA藉助硬體邏輯實現尾氣定位、尾氣輪廓提取算法，實現對車輛尾氣的「黑煙」區域的分割，並根據其像素麵積判定該車輛的汙染程度，同時進行報警，其突出的優點是將圖像處理算法硬體化，不需要工控機或DSP等核心處理單元，系統實時性能好，可擴展件強。
文檔編號G01M15/00GK102042986SQ20091021841
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月20日 優先權日2009年10月20日
發明者史忠科, 王闖, 賀瑩 申請人:西安費斯達自動化工程有限公司