基于FPGA的车流量检测系统

摘要

本发明涉及一种基于FPGA的车流量检测系统，属于信号处理技术、控制技术、视频图像处理技术，是利用FPGA芯片作为数字图像的采集和处理单元，实现对序列图像中感兴趣区域是否有车辆通过的信号检测，并将检测结果在一段时间统计得到车流量数据。其特征在于：利用FPGA搭建的硬件逻辑来完成对数字图像的处理，给出有无车辆通过的判定，并检测出在定时间段内通过的车辆数，实现了将图像处理算法硬件化，而不需要计算机或DSP等核心处理器。

权利要求

1.一种基于FPGA的车流量检测系统，根据具体应用环境确定序列图像中的检测区域，并以相邻两帧图像作为一基本检测循环，将解码芯片输出的第一帧数字视频图像指定检测区域与第二帧视频图像的检测区域相比较，根据两者的差异大小及事先在FPGA中设置的阈值做出有无车辆通过的判定，并将判定结果在给定时间段内进行计数，该计数结果除以给定时间就可以作为单位时间段内的车流量数据，其特征在于包括以下步骤：(a)在道路图像中选择一块车道区域作为流量检测的感兴趣区，选择一块非车道区域作为非检测区，将其像素位置参数分别存入FPGA的寄存器变量中；感兴趣区域的宽度大致为单车道在图像中所占宽度，长度大致为平均车量长度；非检测区域的位置任意，只要是不包括在感兴趣区域即可，其面积应尽可能小；

(b)根据步骤(a)确定的图像感兴趣区域，在奇数帧到来时将在其中的每一像素值送入累加器，对像素数进行计数，并将累加结果暂存；在偶数帧到来时，将其感兴趣区域每一像素值取反，然后送入累加器；偶数帧累加结束时，根据累加结果和像素计数值，计算感兴趣区域的平均像素差值FK；在非检测区按照亮暗度的不同级别取10个不同的像素点，根据两帧中这些像素点的累加结果计算平均背景差值BK；

(c)根据系统的调试结果确定阈值T，若满足|FK-BK|≤T，则判定当前时刻无车辆通过，否则判定当前时刻有车辆通过，此时车流量计数值加一；同时将感兴趣区和非检测区的累加器置0；

将步骤(b)(c)在一段时间循环，即得到了该时段在路口的车流量数据。

说明书

基于FPGA的车流量检测系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于FPGA的车流量检测系统，属于信号处理技术、控制技术、视频图像处理技术，是利用FPGA芯片作为数字图像的采集和处理单元，实现对序列图像中感兴趣区域是否有车辆通过的信号检测，并将检测结果在一段时间统计得到车流量数据。

背景技术

[0002] 近年来我国的城市交通事业得到了长足的发展，但道路建设、交通网管等基础设施建设需要大量资金，建设周期也长，其发展的速度远远低于交通工具的增加速度，且发达地区的人口密度大，车辆人均拥有量较高，造成城市交通塞车堵车现象严重，路口安装车流量检测系统，可以帮助交通管理部门了解各个路口的车量通行情况，合理安排车辆流向，及时疏导交通，缓解堵车、塞车现象，并对城市道路建设提供了详尽的数据，因此，交通管理部门对路口车流量进行监控，从而对城市交通的联网控制具有重要的指导作用、对城市道路建设规划等都有着重要的意义；为了使得交通畅通，在路口情况调查或城市交通联网控制中已有的车流量检测系统有：

[0003] ①人工系统，早期车流量的检测是靠人工记数的，费人、费时、费力并且误差较大，不能适应时代的发展；

[0004] ②卫星监视系统，这种方法虽然有较高的检测精度但投资过大，通常不具备全面实施的可行条件；

[0005] ③环形线圈检测的CCD车流量检测系统，该系统采用计算机和光电技术，可监视各类机动车辆的流量情况；系统安装在公路或指定的道路上，并且需要在路面开环行槽，工作环境为野外；为保证系统的运行可靠性，在设计时就应考虑使其具有防风尘、防雨雪、抗高温、抗严寒等工作特性和遇到停电、死机等故障时能够自动启动的功能；因此，路口计算机均采用工控机，信号、图像传输系统所有设计完全按工业级标准设计，所以投资较大；此外环形线圈检测系统的最大缺点是要破坏路面，系统造价比视频检测系统高；

[0006] ④基于CCD视频图像的车流量自动检测系统，该系统是通过判断视频图像的检测区内是否有无车辆通行并统计单位时间通过的车辆数来确定车流量大小；由于系统需要安装在公路、指定的道路上或在移动车辆上，工作环境为野外或路口，计算机采用工控机，且信号、图像传输等所有模块完全按工业级标准设计，所以投资较大；此外，该系统在实际运行时稳定性差的缺点导致了其实用性能并不理想；

[0007] ⑤雷达射频装置及测定，采用35GHz的毫米波，主要由天线、收发组件、线性调制单元、中频放大器、信号处理机、显示装置六个单元组成；线性调制单元产生可调的三角波，输入到收发组件产生一个频率按三角波规律变化的毫米波信号，经耦合器、环行器和天线发射出去，碰到目标返回再由天线接收，经环行器完成与发射信号的隔离后，和耦合器耦合到的发射信号的一部分经混频器混频后进入信号处理机检测出目标，并启动定时器中断，记录通过覆盖区域的车辆，计算出车流量，并将其送入显示单元进行显示；但是，其投资过大，也不具备全面实施的可行条件；

[0008] ⑥基于DSP+FPGA的视频检测方案，该系统是以FPGA作为图像采集的逻辑控制单元，DSP作为视频图像的处理核心，FPGA将采集的图像数据存储在外扩RAM存储器中，DSP从RAM中读取图像并进行处理。这种实现方式造价较低，可靠性高，但实时性差。FPGA芯片具有硬件逻辑处理速度快的特点，可以高速控制对图像的采集，但是DSP要实现对数字图像的处理则需要相对多的时间，虽然新一代DSP芯片的时钟频率已经有所提高，但与FPGA相比两者运行速度的不匹配造成了整个系统的处理效率低下。加之DSP芯片还要实现对视频采集的管理、对数字图像的处理和对RAM读写的控制，导致了这类系统远不能满足工程实际实时性的要求。

发明内容

[0009] 为避免现有技术的实时性差、投入过大的缺陷，本发明提出了一种基于FPGA的车流量检测系统，这种检测系统仅依靠单个FPGA芯片完成对图像的采集控制和车流信号检测的所有工作。该系统可以根据具体应用环境确定CCD视频图像中的检测区域，并以相邻两帧图像作为一基本检测循环，将解码芯片输出的第一帧数字视频图像指定检测区域与第二帧视频图像的检测区域相比较，根据两者的差异大小及事先在FPGA中设置的阈值做出有无车辆通过的判定，并将判定结果在给定时间段内进行计数，该计数结果除以给定时间就可以作为单位时间段内的车流量数据。

[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案：基于FPGA的车流量检测系统，其特点是包括以下步骤：

[0011] (a)在道路图像中选择一块车道区域作为车辆通行的检测区，选择一块非车道区域作为非检测区，将其像素位置参数分别存入FPGA的寄存器变量中。检测区域的选取可以多样，其宽度大致为单车道在图像中所占宽度，长度大致为平均车量长度；非检测区域的位置任意，只要是不包括在感兴趣区域即可，其面积应尽可能小；

[0012] (b)根据步骤(a)确定的车流量检测区域，在奇数帧到来时将在其中的每一像素值送入累加器，对像素数进行计数，并将累加结果暂存；在偶数帧到来时，将其检测区域每一像素值取反，然后送入累加器；偶数帧累加结束时，根据累加结果和像素计数值，计算感兴趣区域的平均像素差值FK。在非检测区按照亮暗度的不同级别取10个不同的像素点，根据两帧中这些像素点的累加结果计算平均背景差值BK；

[0013] (c)根据系统的调试结果确定阈值T，若满足|FK-BK|≤T，则判定当前时刻无车辆通过，否则判定当前时刻有车辆通过，此时车流量计数值加一；同时将检测区和非检测区的累加器置0；

[0014] (d)将步骤(b)(c)在一段时间循环，即得到了该时段在路口的车流量数据。

[0015] 本发明的有益效果是：利用FPGA硬件逻辑运算高度并行性的特点，设计简单高效的图像处理算法，实现了对图像序列的车流信息提取，将图像处理算法硬件化，不需要计算机或DSP等核心处理器，系统实时性能好，可扩展性强；本系统与以往的技术相比具有极高的便携性，系统可根据需求由用户自行设置计数时间段，获得分时车流量数据；相对于在DSP内进行图像处理的方式，处理速度大大提高；相对于在工控机内处理的方式，可靠性大大提高，而成本大大降低。

[0016] 表1：本发明与现有技术比较表

[0017]人工 卫星 环形线圈 基于视频 雷达 DSP+FPGA 本系统
显示视频 / 不能 可以 可以 不能 可以 可以
图像
成本 高 高 高 高 高 较低 低
功耗 / 一般 高 高 高 较低 低
视频采集 / 不能 可以 可以 不能 可以 可以
开挖路面 不需要 不需要 需要 不需要 不需要 不需要 不需要
显示驱动 / 无 模拟/数字 模拟/数字 无 数字 数字
接口
误差 大 小 一般 一般 小 小 小
稳定性 极差 好 差 差 好 好 好
便携性 / 无 无 无 无 有 有
实时性 好 好 好 差 好 差 好

[0018] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

[0019] 附图1是本发明基于FPGA的车流量检测系统总体结构图；

[0020] 附图2是本发明基于FPGA的车流量检测系统实施例图；

[0021] 附图3是本发明基于FPGA的车流量检测系统算法流程图。

具体实施方式

[0022] 在本系统的具体实现过程中，FPGA采用美国Altera公司的Cyclone系列FPGA中的EP1C12芯片。该芯片密集度达12060个LE单元(每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关逻辑，是芯片实现逻辑的最基本结构，也是FPGA综合性能评价的主要指标)，完全能够满足图像处理算法和系统逻辑控制的需要；169个用户可用I/O端口满足系统实现图像采集和存储的多个芯片连接要求；视频采集单元采用CCD，它可以把现场图像采集进来并送给A/D转化芯片作进一步处理；A/D芯片采用PHILIPS公司的7113H芯片，7113H芯片有4个模拟通道，通过分时采集4路的图像信号，分时进行处理，可以通过编程选择7113H的转换模式，通过I2C总线进行编程，完成7113H的初始化工作，信号的输出格式也由I2C总线进行控制，采用CCIR601的4∶2∶2格式。

[0023] 系统初始化后，EP1C12控制CCD开始采集，此时视频解码芯片SAA7113H将CCD输出的模拟视频信号数字化，并向FPGA提供数字视频数据、像素时钟LLC以及同步信号，这些信号驱动EP1C12中的逻辑程序产生地址。根据地址判断该像素是否在图像的检测区内；若是在奇数帧，将像素值直接加入累加器，并计数值加一；在偶数帧，先将其取反再加入累加器；当两帧图像处理完后，根据累加结果和计数值计算出检测区平均像素差值FK；在非检测区根据10个采样点按照同样的方法求得非检测区的平均背景差值BK；

[0024] 根据FK和BK的绝对值差判定当前两帧时间内是否有车辆通行，若有则车流量计数模块加一，直到达到系统给定的车流量检测时段。此时，车流量计数值即为该时段的车流量数据，最后通过RS232接口将该时段的车流量信息向外传输。