基於fpga的路口排隊長度圖像檢測的交通信號控制機的製作方法

2023-06-01 02:44:26 2

專利名稱：基於fpga的路口排隊長度圖像檢測的交通信號控制機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現，屬於 信號處理技術，通信技術和交通信號控制技術。是在現有的信號機基礎上用FPGA晶片實現 對數字圖像感興趣區域的檢測，提取出交通路口的車隊長度並通過ARM7處理器和信號機 主板進行通信以實現對交通信號燈的控制。
背景技術：
交通信號控制是利用交通信號，對道路上運行的車輛和行人進行指揮和疏導，交 通信號自動控制是交通控制的重要組成部分，是科學交通管理的一種有效手段，路口信號 機是交通信號的控制器，其主要用於路口的信號燈控制，其既可以獨立地實現控制，又可以 實時地採集交通信息提供給中央控制機作為決策的依據。現有的信號機實現獨立控制的功能已經比較強大根據各交通路口的不同需要可 以實現多相位控制方式；根據不同時間段交通流量的不同可以實現多時段的控制方式，並 且還可以根據工作日與節假日來設置不同的控制方案；控制面板上的按鈕可以方便的實現 手動/自動、聯動、感應/多時段、綠衝突等控制，並且配有通信接口，可以實現聯網遠程控 制，以方便的使指揮中心對路口的信號機進行遠程監控或通過便攜機進行現場監控，滿足 區域協調控制的要求。在交通信號控制中至關重要的是如何通過對瞬時交通流量的預測， 來確定各相位紅綠燈的時間分配。目前市場上常見的車輛檢測系統包括以下幾類①電磁感應、微波檢測和超聲波檢測裝置，這類系統通過電磁感性、微波或超聲波 來檢測路口車輛的通行，根據通過車輛數在一日或一段時間內的分布統計規律來確定信號 燈控制的綠信比。這類檢測方式的突出問題是需要事先挖掘路面，鋪設檢測裝置，這造成了 其成本比較高；同時，由於當前時刻的紅綠燈時間分配是根據以往交通流量的統計規律獲 得的，這造成了其無法實時響應車流量突變的情況；②基於工控機的路口排隊檢測系統，這類系統是利用工控機處理交通路口的序列 圖像，通過檢測各路口等待的車流長度，來實時獲取當前時刻路口的交通流量信息，以此為 依據來控制各相位的信號燈。這類系統實時性較好，準確度較高，但由於系統需要安裝在公 路、指定的道路上或在移動車輛上，信號、圖像傳輸等所有模塊完全按工業級標準設計，所 以投資較大；此外，該系統在實際運行時穩定性差的缺點導致了其實用性能並不理想；③基於DSP+FPGA的排隊長度自動檢測方案，這類系統是以FPGA作為圖像採集的 邏輯控制單元，DSP作為視頻圖像的處理核心，FPGA將採集的圖像數據存儲在外擴RAM存儲 器中，DSP從RAM中讀取圖像並進行處理以獲得路口車輛的排隊長度。這種實現方式造價 較低，可靠性高，但實時性相對較差。FPGA晶片具有硬體邏輯處理速度快的特點，可以高速 控制對圖像的採集，但是DSP要實現對數字圖像的實時處理則需要相對較多的時間，兩者 運行速度的不匹配造成了整個系統的處理效率低下。加之DSP晶片還要實現對視頻採集的 管理、對數字圖像的處理和對RAM讀寫的控制，導致了這類系統遠不能滿足工程實際實時 性的要求。

發明內容
為避免現有技術實時性能差、準確性低和資金投入大的缺陷，本發明設計了一種 基於FPGA的路口排隊長度檢測及交通信號協調控制器，其特徵在於以單個FPGA晶片作 為交叉路口各個方向車輛排隊長度的檢測和處理中心，完成對交叉路口各個方向的圖像快 速採集、圖像處理、車輛排隊長度的提取和信號與特殊圖像的傳輸管理；該方法首先通過多 路CCD獲得交叉路口各個方向的車輛排隊圖像信息，通過解碼晶片將模擬視頻圖象轉換成 數字圖象，並由FPGA控制實現將多路圖像存入緩衝器，FPGA藉助硬體邏輯實現邊緣提取算 法，提取多路圖像中包含該交叉路口各個方向車輛排隊長度信息和行人信息；FPGA邏輯控 制，給路口交通信號控制機傳輸決策前的最新信息，路口交通信號控制機可以根據車輛排 隊長度和行人信息得到周期和各個方向綠信比參數，以實現交通信號的優化控制；當有違 章等異常圖象時，FPGA還可以直接對緩衝器中的特殊圖象壓縮，通過總線接口按要求的通 信方式將圖象傳輸給指定系統。本發明以FPGA邏輯硬體實現了交叉路口各個方向車輛、行人信息的採集處理，而 不需要計算機或DSP等核心處理器，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FPGA的路口排隊長度圖像檢測 及交通信號控制實現，其特點是(a)由FPGA完成對圖像採集的邏輯控制和對由A/D轉換模塊轉換而來的數字圖 像數據的處理。首先，實現對A/D轉換模塊、緩衝存儲模塊和ARM7處理器的邏輯控制；其 次，通過自身豐富的LE單元，搭建出邊緣檢測模塊、邊緣增強模塊、閾值提取模塊和車隊長 度計算模塊，來實現求取交通路口車輛的排隊長度的硬體處理算法；(b)ARM7處理器實現對外圍模塊進行必要的控制，並根據圖像處理的結果對信號 燈驅動模塊進行驅動控制。另外，晶片可以增加存放代碼和應急方案的存儲模塊。本信號 機中有兩個程序數據需要存儲，一是ARM7晶片的處理和控制程序的代碼；一是信號機的應 急方案程序。應急方案可以提前固化到存儲器內，當需要執行應急方案的時候，固化的程序 可以自行按照時鐘信號一步一步的運行；(c)外圍模塊中的綠異常由綠衝突(GGD)模塊和綠不一致(GUF)模塊組成。信號 機異常診斷與定位電路模塊主要針對這兩種情況進行檢測與分析。外圍模塊中還可以設計 保安模塊。保安模塊可以對硬體進行過壓保護。顯示及鍵盤輸入模塊主要用來顯示信號機 的一些狀態參數以及通過鍵盤輸入到信號機控制參數；(d) 一種以步驟(a)所述的基於FPGA的圖像信號交通控制信號機的控制方法， 其特徵在於通過FPGA硬體邏輯在緩衝器中讀入所拍攝圖像，確定停車線(白線)在其中 的位置，然後對圖像進行邊緣增強，反向查找最後邊緣，取最後邊緣的若干像素，求出這些 像素到白線的距離的均值，得到其隊長信息，並通過ARM7將其發送至上位機，上位機給出 各路口的綠信比，送給ARM7在線控制信號燈。對圖像進行邊緣增強採取的方案是取適當 的閾值，對圖像進行二值化，得到圖像的邊緣；求取最後邊緣的若干像素採取的方案是通 過搜索出最後的非0值，得到最後邊緣的像素的位置；求取像素到白線的距離的均值採取 的方案是取最後邊緣的象素位置附近的若干象素點，計算它們到白線的距離，最後取平均 值。
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FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現結構框 圖。附圖2是本發明基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現數據處 理單元詳細結構框圖。附圖3是本發明基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現車隊長 度提取模塊設計圖。附圖4是本發明基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現控制方 法流程圖。
具體實施例方式視頻採集單元採用(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7111晶片，7111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7111的轉換模式，通過1 總線進行編 程，完成7111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。這樣，現場圖像就從模擬數據轉換成數字數據，可以通過緩存器，送給FPGA晶片進行 相應的處理。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；緩衝器採用了 FIFO器件1041V。由A/D轉換晶片轉換而來的視頻數據直接進入 FIFO，在FIFO中暫時存放。當FPGA需要對其進行處理時，可以通過重複讀指令進行讀操作， 因為重複指令可以把一條多到5個周期的指令變為1個周期的指令，所以FPGA—次可以讀 大量的數據，從而實現緩衝的功能。ARM7處理器採用基於32/16位ARM7TDMI-S CPU的LPC2138晶片，該晶片具有靈 活的指令系統和操作性能，其1 位寬存儲器接口和獨特的加速結構使得它能夠在最大時 鍾頻率下運行32位代碼，晶片同時擁有多個32位計數器，8通道ADC接口和47個通用I/ 0接口，使其可以方便與外圍單元保持聯繫，當外圍電路需要ARM7進行控制時，通過接口電 路可以方便實現它們之間的對話。用來存放程序代碼和應急方案的存儲模塊可以採用256K的SST39VF400A晶片。另 外，根據歷史數據所設計的應急方案也可以寫到此晶片中。由於LPC2138輸出信號與信號燈所要求的電壓，電流等參數不匹配，所以， LPC2138控制輸出信號不能直接控制信號燈。驅動模塊實際上就是根據信號燈所要求的參 數所設計的電路驅動板。RS232或光纖傳輸模塊是用來傳輸中央控制單元的控制參數和FPGA處理得出的排隊信息的。若用光纖傳輸，需要在信號機和中央控制單元的兩端加光電轉換模塊。
將圖像信號採集進來以後，對圖像信號進行邊緣檢測，將檢測出的邊緣進行組合， 判斷出真正的車輛的邊緣，提取車流量的數字，得到其隊長信息數據，然後和中央控制單元 進行通信，中央控制單元給出相應的綠信比，以控制十字路口交通燈的綠燈亮的時間。
權利要求
1.一種基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現，其特徵在於以視頻 採集單元採集道路中的圖像信息，外圍模塊實現綠異常檢測與分析，以FPGA硬體邏輯搭建 的圖像處理算法電路實現對採集到的圖像信號的分析、處理，並以其結果計算綠信比。實現 了將圖像處理算法硬體化，而不需要計算機或DSP等核心處理器，系統實時性能好，可擴展 性強。
2.根據權利要求1所述的基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現，其 特徵在於由FPGA完成對圖像採集的邏輯控制和對由A/D轉換模塊轉換而來的數字圖像數 據的處理。首先，實現對A/D轉換模塊、緩衝存儲模塊和ARM7處理器的邏輯控制；其次，通 過自身豐富的LE單元，搭建出邊緣檢測模塊、邊緣增強模塊、閾值提取模塊和車隊長度計 算模塊，來實現求取交通路口車輛的排隊長度的硬體處理算法。
3.根據權利要求1所述的基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現，其 特徵在於ARM7處理器實現對外圍模塊進行必要的控制，並根據圖像處理的結果對信號燈 驅動模塊進行驅動控制。另外，晶片可以增加存放代碼和應急方案的存儲模塊。本信號機 中有兩個程序數據需要存儲，一是ARM7晶片的處理和控制程序的代碼；一是信號機的應急 方案程序。應急方案可以提前固化到存儲器內，當需要執行應急方案的時候，固化的程序可 以自行按照時鐘信號一步一步的運行。
4.根據權利要求1所述的基於FPGA實現的交通圖像控制信號機，其特徵在於外圍模 塊中的綠異常由綠衝突(GGD)模塊和綠不一致(GUF)模塊組成。信號機異常診斷與定位電 路模塊主要針對這兩種情況進行檢測與分析。外圍模塊中還可以設計保安模塊。保安模塊 可以對硬體進行過壓保護。顯示及鍵盤輸入模塊主要用來顯示信號機的一些狀態參數以及 通過鍵盤輸入到信號機控制參數。
5.一種用於上述基於FPGA的圖像信號交通控制信號機的控制方法，其特徵在於通過 FPGA硬體邏輯在緩衝器中讀入所拍攝圖像，確定停車線(白線)在其中的位置，然後對圖 像進行邊緣增強，反向查找最後邊緣，取最後邊緣的若干像素，求出這些像素到白線的距離 的均值，得到其隊長信息，並通過ARM7將其發送至上位機，上位機給出各路口的綠信比，送 給ARM7在線控制信號燈。對圖像進行邊緣增強採取的方案是取適當的閾值，對圖像進行 二值化，得到圖像的邊緣；求取最後邊緣的若干像素採取的方案是通過搜索出最後的非 0值，得到最後邊緣的像素的位置；求取像素到白線的距離的均值採取的方案是取最後邊 緣的象素位置附近的若干象素點，計算它們到白線的距離，最後取平均值。
全文摘要
本發明涉及一種基於FPGA的路口排隊長度圖像檢測及交通信號控制實現，屬於信號處理技術，通信技術和交通信號控制技術。是在現有的信號機基礎上用FPGA晶片實現對數字圖像感興趣區域的檢測，提取出交通路口的車隊長度並通過ARM7處理器和信號機主板進行通信以實現對交通信號燈的控制。其特徵在於以FPGA硬體邏輯搭建的圖像處理算法電路實現對採集到的圖像信號的分析、處理，並以其結果計算綠信比，將圖像處理算法硬體化，而不需要計算機或DSP等核心處理器。
文檔編號G08G1/04GK102044159SQ200910218418
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