基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统设计

刘凌霞，马晓珺，宋　强（.安阳师范学院软件学院，河南安阳　455000；2.安阳工学院计算机科学与信息工程学院，河南安阳　455000；3.武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉　430000）



基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统设计

刘凌霞1，马晓珺1，宋强2，3
（1.安阳师范学院软件学院，河南安阳455000；2.安阳工学院计算机科学与信息工程学院，河南安阳455000；3.武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉430000）

摘要：针对高速路上套牌车的检测准确性不高的问题，设计并实现了一种基于RAM⁃MS320C6x的视觉高速路上套牌车检测识别系统。系统采用以高性能、高集成度、低功耗系列的FPGA为核心的图像采集模块对高速套牌车图像进行采集及预处理操作，将经FPGA预处理后的高速套牌车图像数据传输至双口RAM中，数字信号处理器TMS320C6x接收到从双口RAM传递的信息后对高速套牌车图像数据进行数据库比对等处理并进行智能识别，实现高速套牌车的快速准确检测和识别。软件设计过程中，对基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统进行了详细分析，并给出了高速套牌车检测识别的程序代码实现，仿真实验结果表明所设计系统具有很强的准确性和实用性。

关键词：双口RAM；高速套牌车；图像识别；图像数据传输

0　引　言

随着社会经济的发展，我国高速公路的通车里程和车流量增长迅速。然而高速公路上套牌车的出现，不仅为交通管理带来了难度，使国家税收减少，也是造成事故数量和伤亡率逐年增加的原因之一[1⁃3]。如何快速识别高速公路的套牌车已成为交通管理部门亟待解决的问题[4⁃5]。高速套牌车是高速公路交通中最关键的事件表现形式。其一是因为高速上车辆行使速度快，不易捕捉车牌号等信息，这为交通事故发生后，套牌车问责带来了麻烦。其二是套牌车很多是冒充国家公务车，这在很大程度上使得国家交通税收减少，如果是套用个人牌照，将给车主带来损失[6⁃8]。因此，高速套牌车的实时检测与识别是降低高速公路交通事故伤亡和损失的有效手段，成为相关学者研究的重点课题[9⁃10]。本文设计并实现了基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统，为高速交通的高效控制提供可靠的保证。

1　系统的总体架构

本文系统的总体结构主要包括操作面板、数据缓冲模块、视频解码模块、电源模块、图像采集模块、数字信号处理器模块、双口RAM接口以及套牌车检测识别模块等。系统总体结构如图1所示。

图1　系统的总体结构图

2　系统关键模块的硬件设计

2.1图像采集模块的硬件设计

系统通过图像采集模块对高速套牌车图像的采集及预处理操作。由于基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统中采集数据量较大，所以在对图像采集模块进行设计的过程中，设计了以大容量FPGA的实时高速套牌车图像采集模块，依据其控制逻辑实现方式灵活的优势，实现高速套牌车图像的高速采集。图像采集模块的硬件设计如图2所示，该模块主要包括A/D转换模块、帧存模块以及核心控制模块。

图2　图像采集模块的硬件设计结构图

图像采集模块的核心是高性能、高集成度、低功耗系列的FPGA。该芯片首先完成对A/D转换模块输出数据流的预处理；再通过帧存储把经预处理后的数据保存在合理帧存内；最后对高速套牌车图像处理检测模块的接口进行管理，通过图像处理检测模块读取帧存中的数据后，解除帧存的管理权。

系统采用CCD摄像机对高速套牌车图像进行采集，由于CCD通常以标准PAL形式输出，所以，在输入到该模块之前，需首先对其进行A/D转换操作。A/D变换选用的是由飞利浦公司生产的视频A/D芯片SAA7111，其内部锁相环技术的集成大大降低了设计的复杂度。帧存模块选用双帧存结构，由帧存A和帧存B组成，而帧存A和帧存B由两片IDT7Iv424SRAM组成，可储存一帧分辨率为720×576的YUV图像数据，其采用的存储结构可使高速套牌车图像数据的采集和预处理同时进行，增强了系统整体运行效率。

2.2TMS320C6x处理模块的硬件设计

本文系统采用数字信号处理器TMS320C6x主要对图像采集模块发送的图像数字信号进行处理与识别。TMS320C6x系列是由Ti公司生产的一种高性能先进VLIW（Very Long Instruotion Word）体系结构的产品，TMS320C6x处理模块的硬件设计如图3所示。

图3　TMS320C6x处理模块的硬件设计结构图

在图3中，套牌车数字信号处理器TMS320C6x中有一个可实现数据处理的数据通道，其中包含四个功能单元，主要负责逻辑、位移、乘法、加法以及数据寻址等操作。数据寻址单元D主要用于寄存器组和存储器组间的信息传输。数据通道的四个功能单元自身均配有数据总线，从而完成与另一侧寄存器的连接，实现寄存器组间的信息传递。依据EMIF访问的内存空间，将TMS320C6x的片内内存和片外内存均设置成32位地址空间，从而实现访问。实际上，片内内存是由片上程序空间与片上数据空间组成的。对于片上程序空间而言，因为受到指令长度的影响，通常以256 b的数据长度进行访问；而片上数据空间能够访问8 b，16 b和32 b的数据。

2.3套牌车数据缓存模块的硬件设计

系统中的接口部分采用双口RAM作为图像缓存区，用于传递高速套牌车图像数据。双口RAM的读/写能力很强，能够同时对两个端口进行处理，也可独立访问其内部RAM资源。双口RAM中通常存在一个总线强占优先级比较器，如果不同时访问同一个存储单元，则优先发送地址的CPU会具有上述单元当前的访问优先权，而剩余的地址和读/写信号将被屏蔽。套牌车数据缓存模块的硬件设计如图4所示。

图4　套牌车数据缓存模块的硬件设计结构图

图4中，IDT7024是由IDT公司生产的高速4K×16 b双口RAM。可将其作为16位双口RAM，也可将两个IDT7O24组合在一起构成主从系统，使得套牌车数据线增至32 b，也可达到更宽。通过上述操作构成的双口RAM不需要其他附加逻辑，能够单独高速运行。

系统中的写入信号、读取信号以及地址信号都是通过FPGA形成的，把经FPGA预处理后的高速套牌车图像数据传输至双口RAM中，如果存储器空间无法继续保存数据，则通过FPGA产生中断信号对数字信号处理器进行通知，数字信号处理器接收到中断信号后把高速套牌车图像数据传输至内部存储区进行处理。

3　软件设计

本文设计的基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统的软件，是在Microsoft Visual C++ 6.0集成开发环境下，通过C/C++程序设计语言编程设计的，用于实现高速套牌车检测识别，本软件系统可在Win⁃dows XP与Windows Vista下运行，具体的软件程序设计流程如下所述。

3.1套牌车检测识别模块软件流程设计

经过分析与实地测试，套牌车检测识别模块的具体流程设计如下：

（1）对系统进行初始化处理。首先对高速套牌车图像进行采集同时得到图像数据，然后通过CCD摄像机对高速公路的车辆运行进行摄像同时发送至图像数据处理器，从而得到高速套牌车图像的数据信息。

（2）对采集到的高速套牌车原始图像进行中值滤波处理，获取分辨率更高的图像信息。

（3）对经滤波处理后的高速套牌车图像进行图像分割处理，若经分割处理后套牌车图像的目标与背景差别明显，则当前阈值为最佳阈值，也就是分割成功，继续进行步骤（4）；否则，重新进行步骤（3），直至找到最佳阈值。

（4）得到套牌车最佳阈值后，对高速套牌车图像的边缘轮廓进行提取，从而实现高速套牌车的检测识别，套牌车检测识别模块软件流程图如图5所示。

图5　套牌车检测识别流程图

3.2套牌车检测识别模块程序实现

在VC++ 6.0中通过OpenCV进行程序设计，同时调用套牌车图像处理函数。OpenCV主要由4个头文件组成：cv.h，cvaux.h，highgui.h和cxcore.h。对OpenCV函数进行调用的过程中，必须在文件中加上OpenCV的4个头文件，否则在编写程序时会产生错误。

对套牌车图像进行采集：

对检测结果进行显示：

在基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别算法具体实现过程中，调用了OpenCV函数库，从而使程序更加简洁，使用更加方便。

4　实验与分析

本文选用某高速公路的一段监控视频作为实验的样本数据。实验中程序在主频为116 GHz，内存为1 GB 的AM⁃DTurion64处理器环境下运行，图像处理能力为10 f/s。图6所示的是高速套牌车的真实情况，图6中红框中的车即为高速套牌车。

图6　实际高速套牌车情况

图7、图8所示的是分别采用本文系统和传统系统对高速套牌车进行检测识别的结果。

图7　传统系统检测高速套牌车结果

图8　本文系统检测高速套牌车结果

分析图7、图8可知，通过本文系统检测识别高速套牌车的准确性远远高于传统系统，验证了本文系统的有效性。由图可以看出，采用本文系统进行高速套牌车检测识别，得到的识别率明显高于传统系统，充分验证了本文系统的有效性。

针对随机抽取的10辆高速路套牌车进行检测，分别对本文系统和传统系统运算时间、检测误差进行实验，实验结果分别如图9、图10所示。

图9　高速路套牌车检测时间对比

图10　高速路套牌车检测误差对比

从图9、图10实验结果可得中，本文系统的运算效率优于传统系统，提高22%左右，检测误差在2%以内。实验数据说明本文系统在高速路上进行套牌车检测时能够确保检测系统工作的高效性、准确性，具有重要的应用价值。

5　结　论

本文设计并实现了一种基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统。系统采用以高性能、高集成度、低功耗系列的FPGA为核心的图像采集模块对高速套牌车图像进行采集及预处理操作，将经FPGA预处理后的高速套牌车图像数据传输至双口RAM中，数字信号处理器TMS320C6x接收到从双口RAM传递的信息后对高速套牌车图像数据进行处理，从而实现高速套牌车的检测和识别。软件设计过程中，对基于RAM⁃MS320C6x的高速套牌车检测识别系统进行了详细分析，并给出了高速套牌车检测识别的程序代码，仿真实验结果表明，本文系统具有很强的可行性和实用性。

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Design of RAM⁃MS320C6x⁃based detection system for recognizing high⁃speed fake⁃licensed cars

LIU Lingxia1，MA Xiaojun1，SONG Qiang2，3
（1. School of Software Engineering，Anyang Normal University，Anyang 455000，China；2. College of Computer Science and Information Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China；3. Information Engineering College，Wuhan University of Technology，Wuhan 430000，China）

Abstract：In view of the low accuracy detection for fake⁃licensed cars in highway，a RAM⁃MS320C6x⁃based visual detec⁃tion system for recognizing fake⁃licensed cars on highway was designed and implemented. A high performance，high integration，low power consumption FPGA is taken as the core image acquisition module in the system to acquire the images of high⁃speed fake⁃licensed cars and execute the preprocessing operations，and the of the high⁃speed fake⁃licensed cars’image data prepro⁃cessed by FPGA is transmitted to the dual⁃port RAM. The digital signal processor TMS320C6x compares high⁃speed fate⁃li⁃censed car image data with the data in database for data matching and intelligent identification according to the information re⁃ceived from the dual⁃port RAM to realize the rapid and accurate detection of the high⁃speed fake⁃licensed cars. In the software design process，the high⁃speed fake⁃licensed car detection system based on RAM⁃MS320C6x is analyzed in detail. The high⁃speed fake⁃licensed car detection identification code is given in this paper. The simulation experimental results show that the sys⁃tem has high accuracy and practicability.

Keywords：dual⁃port RAM；high⁃speed fake⁃licensed car；image identification；image data transmission

中图分类号：TN710⁃34；F127

文献标识码：A

文章编号：1004⁃373X（2016）10⁃0065⁃04

doi：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.10.017

收稿日期：2015⁃11⁃05

基金项目：2014年度河南省重点科技攻关项目（142102210231）

作者简介：刘凌霞（1977—），女，河南安阳人，副教授，硕士研究生。主要研究方向为图形图像处理和智能信息控制。