1、機器視覺的論述作業(yè)題 目 ： 基于機器視覺智能交通燈控制系統(tǒng) 學院名稱 ： 電氣工程學院 專業(yè)班級 ： 姓 名 ： 學 號 ： 時 間 ： 1 緒論32 基于機器視覺的智能交通燈系統(tǒng)設計33 智能交通燈控制策略53.1 模糊控制53.2 智能交通燈模糊控制策略53.3 解模糊化算法64 系統(tǒng)硬件設計64.1 攝像頭的安裝和特性64.2 視頻采集模塊設計94.3 DSP控制處理模塊設計94.4 信號燈驅動模塊設計104.5 電源模塊設計105 系統(tǒng)軟件設計及調試125.1 軟件總體設計方案125.2 視頻采集模塊的軟件設計135.3 系統(tǒng)調試146 總結147 參考文獻141 緒論 隨著社會經(jīng)濟

2、的發(fā)展，城市車輛數(shù)量迅速增長，交通擁擠日益嚴重，造成的交通事故和環(huán)境污染等負面效應也日益突出。城市交通問題直接制約著城市的建設和經(jīng)濟的增長，與人們的日常生活密切相關。通常交通阻塞大都是由于城市路口實際通行能力不足所造成的，路口交通問題逐步成為經(jīng)濟和社會發(fā)展中的重大問題，為此世界大多數(shù)國家都在進行智能交通燈控制系統(tǒng)的研究。 本文的目的是對基于機器視覺的智能交通燈控制系統(tǒng)進行了研究?；跈C器視覺的智能交通燈控制系統(tǒng)對路口交通燈進行智能控制，根據(jù)各相位車流量大小，智能分配紅綠燈時間，徹底改變了傳統(tǒng)交通燈控制方式的不足。目前由于城市路口交通信號燈的控制策略不理想，導致了路口實際通行能力下降，停車次數(shù)比

3、較多，車輛通過路口的延誤時間較長，容易造成不必要的擁堵。改善交通燈控制策略，來提高路口的實際通行能力，這是城市交通控制中需要解決的主要問題。自從計算機控制系統(tǒng)應用于交通燈控制以來，硬件設備的不斷更新和改進，智能化和集成化成為城市道路交通信號控制系統(tǒng)的研究趨勢，而路口交通燈控制系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)中的關鍵點和突破口。2 基于機器視覺的智能交通燈系統(tǒng)設計 基于機器視覺的智能交通燈控制系統(tǒng)是由攝像機、視頻采集模塊、DSP控制處理模塊、信號燈驅動模塊、電源模塊、時鐘模塊、復位模塊和信號燈組等組成，其組成框圖如2.1圖所示 圖2.1系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)中攝像機是用來拍攝路口車輛視頻，是路口車流量獲取的基礎設

4、備，其拍攝的視頻圖像質量高低直接影響到系統(tǒng)對交通燈控制的精度。攝像機的選擇決定著視頻的質量，所以一般要選擇穩(wěn)定性高，分辨率符合系統(tǒng)要求的攝像機。目前攝像機主要分為兩種，一種是電荷耦合器件_CD圖像傳感器；一種是互補性氧化金屬半導體CMoS圖像傳感器。CCD圖像傳感器是由很多感光單位組成的，其表面受到光線照射時，產(chǎn)生的電荷將由感光單位反映在組件上，所有感光單位產(chǎn)生的電信號組合在一起，就能夠形成一幅完整的圖畫。而CMOS圖像傳感器的制造技術與工藝和制造普通計算機芯片的技術非常類似，CMOS中同時存在著N級和P級半導體，這兩個半導體之間互補效應能夠產(chǎn)生的電流信號，能夠被處理芯片記錄，同時將其解讀成影

5、像，形成一幅圖畫。畫。比較CCD和CMOS的結構，ADC(放大兼類比數(shù)字信號轉換器)的位置和數(shù)量是最大的不同。通常CCD攝像頭每曝光一次，當快門關閉之后立即進行像素的轉移處理，將其每一行中的每一個像素的電信號依次送到“緩沖器中，再輸入到放大器中進行放大，然后串聯(lián)ADC輸出；而CMOS的設計中每個像素旁直接連著ADC，對電信號進行放大同時轉換成數(shù)字信號。CCD與CMOS的特性比較如下表2-1 表2-1 CCD和CMOS的比較 通過對CCD和CMOS的特性進行比較，以及視頻處理系統(tǒng)對視頻圖像的要求，本文采用CCD攝像機JAB55 15EB作為視頻輸入部分的圖像傳感器。 3 智能交通燈控制策略3.1

6、 模糊控制 模糊控制是將模糊理論引入控制領域，將人的經(jīng)驗形式化模型化，采用模糊邏輯的近似推理方法，通過計算機系統(tǒng)代替人對被控對象進行有效的實時控制。模糊控制系統(tǒng)是由模糊規(guī)則基、模糊推理、模糊化算子和解模糊化算子組成，其組成框圖如圖31所示。 圖3.1 模糊控制的組成框圖 模糊化是對系統(tǒng)的輸入量進行論域變換，將精確量轉化成模糊輸入信息的過程。由于實際過程中的輸入值通常為連續(xù)變化的，必須將其范圍分成有限個模糊集，并與輸入量相對應，然后通過隸屬函數(shù)求出輸入量對各模糊集合的隸屬度，將普通變量轉化為模糊變量，完成了模糊化工作。3.2 智能交通燈模糊控制策略 模糊控制過程是將實際檢測的當前方向車輛排隊長度

7、進行模糊量化處理，映射到輸入論域的模糊集合，根據(jù)實踐經(jīng)驗確定模糊控制規(guī)則，進行模糊推理，再經(jīng)清晰化處理轉為綠燈延長時間的精確量，實現(xiàn)交通燈智能控制。通常情況下，在某一方向紅燈時間內該車道的車流量在停車線后的排隊長度越長而綠燈方向車流量不多，為了保證下一周期車輛通行最大化，就得適當延長下一周期的綠燈時間。反之，當前綠燈方向的車流量較多而當前紅燈方向車道的車流量在停車線后的排隊長度較短，就得適當減少下一周期的綠燈時間，以確保路口車輛通行量的最大化?？紤]到司機和行人心理承受能力，不至于在其等待過程中產(chǎn)生焦急煩躁的情緒，路口的紅綠燈周期不能過長，通常可以設置一個最大綠燈時間，比如120S。如果系統(tǒng)已經(jīng)

8、執(zhí)行了最大綠燈過，立即進行相位切換，當前方向綠燈進入黃閃狀態(tài)，一般設定為3秒，然后執(zhí)行紅燈狀態(tài)。當路口的車流量較小時，信號周期則比較短，但一般也要設定一個最小綠燈時間，女1：120S，否則車輛和行人由于來不及通過路VI而影響交通安全n時間，不考慮當前方向還有多少輛車等待通過。3.3 解模糊化算法 通過對被控制量的模糊化，根據(jù)模糊控制規(guī)則進行推理，做出模糊決策，得到模糊控制的輸出量，這個輸出量為模糊量，而被控對象最終只能接受精確的控制量，所以必須將輸出的模糊量轉化為精確的控制量，將其轉化為精確量的過程通常稱之為解模糊化。也就是從模糊量變?yōu)榍逦康倪^程，即把通過模糊推理得到的輸出量的模糊集合，一一

9、映射到輸出量的普通集合。解模糊的方法有通常有最大隸屬度法、平均最大隸屬度法、取中位數(shù)法以及加權平均法。4 系統(tǒng)硬件設計4.1 攝像頭的安裝和特性 （1）所采集車輛視頻圖像質量的高低將直接影響到系統(tǒng)對交通燈控制的精度，而決定視頻質量的關鍵因素在于CCD攝像頭的選擇和安裝。本文采用CCD攝像機JAB-5515EB，可以在室外惡劣環(huán)境下全天候工作，其性能如表4-1 表4-1 JAB-5515EB攝像頭的特性 （2）攝像頭的安裝直接影響到視頻采集的過程，而且安裝攝像頭的位置既要不能對交通產(chǎn)生任何影響，又要滿足視頻采集模塊的需求。圖41為兩相位路口示意圖，攝像頭的安裝位置應在圖中A、B、C、D點的上方高

10、于7米為宜。視頻圖像處理只針對車道，所以可視角度只需滿足橫向覆蓋整個車道，縱向能夠覆蓋車輛排隊信息的長度即可。 圖4.1 城市路口示意圖4.2 視頻采集模塊設計 本設計中的視頻采集模塊主要分為視頻輸入和視頻處理兩個部分，其功能是利用圖像傳感器將物體的光信號轉換成模擬的視頻電信號，然后利用視頻解碼芯片將視頻模擬信號轉化成數(shù)字視頻信號輸入到DSP的視頻處理前端。模擬視頻信號主要分為PAL和NTSC兩種制式，在將模擬視頻信號直接轉換成數(shù)字信號的時候，通常需要用到視頻解碼芯片，本設計中選擇TI公司的TVP5150視頻解碼芯片來主要用來完成模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的轉換以及對圖像亮度、色度的預處理等。

11、4.3 DSP控制處理模塊設計 DSP控制處理模塊作為系統(tǒng)的主控模塊，以TMS320DM6437為核心，由視頻處理前端、DDR2存儲器、EMIF接121電路、以太網(wǎng)接口電路、12C總線和JTAG接口電路組成，其設計框圖如圖4.2所示 圖4.2 DSP控制處理模塊設計框圖 視頻處理前端用來接收TVP5150發(fā)送的數(shù)字視頻信號，DDR2存儲器用來存儲程序和數(shù)據(jù)，EMIF接口電路可以外接NAND Flash用于固化程序和數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)接口電路用于DM6437與外接設備之間的通信，I2C總線對TVP5150內部存器進行初始化設置，JTAG接121電路主要用來連接DSP仿真器，進行程序的載和系統(tǒng)的調試與仿

12、真。芯片DM6437用于控制各個外圍功能芯片及完成算法處理。4.4 信號燈驅動模塊設計 LED交通信號燈驅動模塊設計以LM3407芯片核心，其輸入電壓范圍4.5V-30V，并且能夠提供精準的恒定電流輸出，本文所需電壓為24V，電流為350mA，以驅動高功率發(fā)光二極管(LED)。常用LED交通燈的燈盤內LED數(shù)量約在100-200個之間，本文采用119個LED燈通過串并聯(lián)結合的方式進行連接。每個LED工作電壓為3.3V，工作電流為20mA，結合驅動芯片參數(shù)和燈盤的規(guī)格，采用并聯(lián)17組，每組串聯(lián)7個LED燈的方式，對交通信號燈進行驅動。交通燈連接方式如圖4.4所示。 圖4.4 LED交通燈連接圖4

13、.5 電源模塊設計整個系統(tǒng)的硬件平臺采用+5V外接電壓進行供電，但是根據(jù)各個模塊對電源電壓需求各有不同，因此對整個硬件平臺的供電設計很重要。DM6437內核使用1.05V1.20V兩種工作電壓，當其工作頻率為600MHz/500MHz/400MH時要求供電電壓為1.20V，當工作頻率為400MHz時要求供電電壓為1.05V。設計中的內核工作頻率為600MHz，故而采用1.2V的內核供電電壓。而系統(tǒng)中TVP5150視頻解碼芯片的內核和外接的以太網(wǎng)物理層芯片等均是采用1.5V電源進行供電，其他則供電電壓為3.3V。在給系統(tǒng)上電的過程中，首先應當確內核電源先上電。關閉電源的時候，同樣先進行內核電源的

14、關閉，然后再關閉I/O電源等。若只對CPU內核進行供電，而對周圍I/O沒有進行供電，則不會對芯片產(chǎn)生任何損害。假如周圍的I/O均獲得供電而對CPU內核沒有進行供電，導致芯片緩沖/驅動部分的晶體管在未知狀態(tài)下進行工作，對系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的損害。電源模塊設計功能框圖如圖4.5所示。 圖4.5 電源模塊功能框圖5 系統(tǒng)軟件設計及調試5.1 軟件總體設計方案基于機器視覺的智能交通燈控制系統(tǒng)的功能主要通過C語言進行軟件編程來實現(xiàn)的，其軟件設計部分主要包括視頻采集模塊軟件、DSP控制處理模塊軟件以及交通燈智能控制軟件。其軟件總體設計框圖如圖5.1所示。視頻采集模塊以TVP5150芯片為核心，接收來自攝像頭的

15、視頻，進行和亮度等預處理，然后將模擬視頻信號轉換為數(shù)字視頻信號，其軟件設計主要包括TVP5150芯片的配置、芯片的工作過程；DSP控制處理模塊要對車輛視頻進行圖像處理，計算出精確的車流量，根據(jù)模糊控制算法智能控制紅綠燈時間。DSP控制處理模塊軟件設計主要包括模塊主要寄存器配置、CACHE大小配置及存儲器映射、EMIF接口初始化設計和DSP代碼優(yōu)化原則；交通燈智能控制軟件主要通過交通燈智能控制策略，根據(jù)車流量大小，對綠燈時間進行自動控制。 圖5.1 軟件總體設計框圖5.2 視頻采集模塊的軟件設計 視頻采集模塊開始工作時，首先讀取跳線設置，進行視頻捕捉參數(shù)的更新，然后建立視頻輸入通道，同時為將要獲

16、取的視頻信息分配內存緩沖區(qū)，再將獲取的每一個視頻幀發(fā)送給視頻解碼芯片TVP5150。當TVP5150發(fā)送結束信號，表示視頻采集過程結束。在本文中，CCD攝像頭為PAL制式，輸入的寬度是704，輸入高度是576，幀速是25幀/秒。所以將JPI設置成PAL制式，輸入的視頻數(shù)據(jù)像素為704x 576。設計中將幀間間隔設置為25，故最大的幀速是每秒25幀。其每個像素點的大小是2Bit，因此一幀數(shù)據(jù)大小為792KB。再進行視頻輸入通道的創(chuàng)建，創(chuàng)建過程是通過DSP/BIOS系統(tǒng)創(chuàng)建視頻前端微型驅動的管道對象，采用擴展的GIO函數(shù)FVID-create()來進行創(chuàng)建。5.3 系統(tǒng)調試 電源、時鐘和復位模塊屬

17、于整個系統(tǒng)的最小系統(tǒng)部分，是硬件電路的基礎，所以首先對其進行調試，以保證其正常工作。電源模塊的調試主要通過萬用表進行測量，當電源電路上電后，測試其輸出端口電壓是否符合系統(tǒng)的要求，分別為3.3V、1.8V和1.2V。時鐘模塊在調試過程中采用邏輯分析儀進行觀測輸時鐘頻率，確定其是否滿足系統(tǒng)所需時鐘頻率的要求，視頻解碼芯片TVP5150所需的時鐘輸入頻率為14.31818MHz，CPU核所需的時鐘輸入為27MHz。復位模塊也采用萬用表進行測量，當按下復位鍵輸出為低電平有效，否則輸出為高電平。6 總結 本文根據(jù)國內外交通燈控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析研究了目前常用的交通燈控制策略，提出了一種基于機器視覺的智能交通燈控制系統(tǒng)的設計方案，將模糊控制理論引入交通燈控制系統(tǒng)中，提出了智能交通燈控制策略。采用了TI公司推出的TMS320C6000系列中性能較高的TMS320DM6437芯片，結合其它外圍電路，設計了智能交通燈控制系統(tǒng)的硬件，并進行了相應的軟件