智能交通数字监控器及其用途

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智能交通数字监控器及其用途 \n技术领域\n[0001] 本发明属于交通管理领域，特别涉及一种智能交通数字监控器及其用途。 背景技术\n[0002] 随着经济的发展，机动车越来越多，因此必须对参与交通的机动车及其驾驶人员进行有效管理，否则，交通事故将会增多，势必造成巨大的经济损失和人员伤亡。 交通事故的产生，往往与违章驾驶有关，其中超速行驶、不按信号灯指示行驶尤为普遍，因此，有必要对参与交通的机动车车速及是否按信号灯指示行驶进行监控，而车牌识别是监控中必须解决的问题。 \n[0003] 关于车牌识别和是否按信号灯指示行驶，现有技术是通过由摄像机、图像采集卡和计算机组成的系统来完成，关于车速的监控，则还需在上述设备的基础上配置测速仪，因而结构复杂，体积大，成本高，而且所用摄像机一般为模拟摄像机，分辨率一般较低(720*576)。 \n发明内容\n[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种智能交通数字监控器，此种监控器不仅集摄像、车牌识别、抓拍、测速和网络传输于一体，而且结构简单、体积小、分辨率高、成本低。 \n[0005] 本发明所述智能交通数字监控器在一个总的发明构思下有以下几种结构形式： [0006] 1、第一种基本结构形式 \n[0007] 第一种基本结构形式的智能交通数字监控器包括电荷耦合摄像器件、电荷耦合摄像器件前端电路和现场可编程门阵列。 电荷耦合摄像器件用于采集机动车的图像信号，所采集的图像信号为BAYER格式的模拟信号；电荷耦合摄像器件前端电路在现场可编程门阵列控制下产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序并驱动电荷耦合摄像器件，读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列；现场可编程门阵列将来自电荷耦合摄像器件前端电路的BAYER格式的数字图像信号转换为RGB格式的数字图像信号，再将RGB格式的数字图像信号转换为YUV格式的数字图像信号，然后根据YUV格式的数字图像信号完成车牌识别，并将YUV格式的数字图像信号进行压缩，以及通过A触发信号接口、B触发信号接口、交通灯信号接口接收地感线圈触发信号和交通灯控制信号，根据地感线 圈触发信号和交通灯控制信号判断机动车是否交通违章，通过网络接口将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端。 \n[0008] 在上述结构的基础上可增加电压转换电路，由电压转换电路将现场可编程门阵列产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，电荷耦合摄像器件前端电路不再具有驱动电荷耦合摄像器件的功能，只完成读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列。 \n[0009] 2、第二种基本结构形式 \n[0010] 第二种基本结构形式的智能交通数字监控器是在第一种基本结构形式的基础上增加了数字信号处理器，即包括电荷耦合摄像器件、电荷耦合摄像器件前端电路、现场可编程门阵列和数字信号处理器。 电荷耦合摄像器件用于采集机动车的图像信号，所采集的图像信号为BAYER格式的模拟信号；电荷耦合摄像器件前端电路在数字信号处理器控制下产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序并驱动电荷耦合摄像器件，读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列；现场可编程门阵列将来自电荷耦合摄像器件前端电路的BAYER格式的数字图像信号转换为RGB格式的数字图像信号，再将RGB格式的数字图像信号转换为YUV格式的数字图像信号，以及通过A触发信号接口、B触发信号接口、交通灯信号接口接收地感线圈触发信号和交通灯控制信号，根据地感线圈触发信号和交通灯控制信号判断机动车是否交通违章，然后将YUV格式的数字图像信号和交通违章数据传送给数字信号处理器；数字信号处理器根据接收到的YUV格式的数字图像信号完成车牌识别，并将YUV格式的数字图像信号进行压缩，通过网络接口将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端。 \n[0011] 在上述结构的基础上可增加电压转换电路，由电压转换电路将现场可编程门阵列产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，电荷耦合摄像器件前端电路不再具有驱动电荷耦合摄像器件的功能，只完成读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列。 \n[0012] 3、第三种基本结构形式 \n[0013] 第三种基本结构形式的智能交通数字监控器是在第二种基本结构形式的基础上增加了图像压缩器和微处理器，即包括电荷耦合摄像器件、电荷耦合摄像器件前端电路、 现场可编程门阵列、数字信号处理器、图像压缩器和微处理器。 电荷耦合摄像器件用于采集机动车的图像信号，所采集的图像信号为BAYER格式的模拟信号；电荷耦合摄像器件前端电路在微处理器控制下产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序并驱动电荷耦合摄像器件，读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列；可编程门阵列将来自电荷耦合摄像器件前端电路的BAYER格式的数字图像信号转换为RGB格式的数字图像信号，再将RGB格式的数字图像信号转换为YUV格式的数字图像信号后分别向数字信号处理器和图像压缩器传送，以及通过A触发信号接口、B触发信号接口、交通灯信号接口接收地感线圈触发信号和交通灯控制信号，根据地感线圈触发信号和交通灯控制信号判断机动车是否交通违章，并将交通违章数据传送给微处理器；数字信号处理器根据接收到的YUV格式的数字图像信号完成车牌识别并将车牌识别数据传送给微处理器；图像压缩器将接收到的YUV格式的数字图像信号进行压缩后传送给微处理器；微处理器通过网络接口将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端。 \n[0014] 在上述结构的基础上可增加电压转换电路，由电压转换电路将现场可编程门阵列产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，电荷耦合摄像器件前端电路不再具有驱动电荷耦合摄像器件的功能，只完成读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列。 \n[0015] 本发明所述智能交通数字监控器可在监控机动车闯红灯和机动车超速方面应用。 \n[0016] 1、所述监控机动车闯红灯方面的应用，步骤如下： \n[0017] ①在监控路段设置信号指示灯处安装本发明所述智能交通数字监控器； [0018] ②在停车线处地面安装B地感线圈，设Pb为有机动车通过时与B地感线圈相连的电路产生的脉冲； \n[0019] ③在信号指示灯为红灯的状态下，本发明所述智能交通数字监控器中的现场可编程门阵列若接收到Pb的上沿或下沿，则表示有机动车闯红灯，即产生抓拍信号，记录抓拍原因为闯红灯。 \n[0020] 2、所述监控机动车超速方面的应用，步骤如下：。 \n[0021] ①在监控路段安装本发明所述智能交通数字监控器； \n[0022] ②在测速处地面安装B地感线圈，与B地感线圈距离为L的地面安装A地感线圈，设Pa为有机动车通过时与A地感线圈相连的电路产生的脉冲，Pb为有机动车通过时与 B地感线圈相连的电路产生的脉冲； \n[0023] ③本发明所述智能交通数字监控器中的现场可编程门阵列若接收到Pa、Pb的上沿或下沿，则计算脉冲Pa、脉冲Pb的间隔时间T，用A地感线圈、B地感线圈之间的距离L除以脉冲Pa、脉冲Pb的间隔时间T，得到机动车速度V，当车速超速时，产生抓拍信号，并记录抓拍原因为超速。 \n[0024] 本发明具有以下有益效果： \n[0025] 1、为交通管理提供了一种集摄像、车牌识别、抓拍、测速和网络传输于一体的新型智能交通数字监控器。 \n[0026] 2、与现有技术相比，本发明所述智能交通数字监控器具有体积小、成本低、可靠性高的特点，有较大的市场前景。 \n附图说明\n[0027] 图1是本发明所述智能交通数字摄像机的第一种结构框图； \n[0028] 图2是本发明所述智能交通数字摄像机的第二种结构框图； \n[0029] 图3是本发明所述智能交通数字摄像机的第三种结构框图； \n[0030] 图4是本发明所述智能交通数字摄像机的第四种结构框图； \n[0031] 图5是本发明所述智能交通数字摄像机的第五种结构框图； \n[0032] 图6是本发明所述智能交通数字摄像机的第六种结构框图； \n[0033] 图7是电荷耦合摄像器件(CCD)中光敏像素单元阵列的Bayer排列方式图； [0034] 图8是对机动车进行监控的示意图； \n[0035] 图9是现场可编程门阵列(FPGA)对机动车是否按信号灯指示行驶进行监控(抓拍)的流程图； \n[0036] 图10是现场可编程门阵列(FPGA)对机动车是否超速行驶进行监控(抓拍)的流程图； \n[0037] 图11是根据YUV格式的数字图像信号完成车牌识别的流程图； [0038] 图12是微处理器的流程总图； \n[0039] 图13是图12中初始化电荷耦合摄像器件前端电路的相关时序控制寄存器的流程图； \n[0040] 图14是图12中初始化图像压缩器的相关控制寄存器的流程图； [0041] 图15是网络传输的流程图。 \n[0042] 图中，1-电荷耦合摄像器件、2-电荷耦合摄像器件前端电路、3-现场可编程门阵列、4-A触发信号接口、5-B触发信号接口、6-交通灯信号接口、7-网络接口、 8-数字信号处理器、9-图像压缩器、10-微处理器、11-电压转换电路、12-有机动车通过时与A地感线圈相连的电路产生的脉冲Pa、13-有机动车通过时与B地感线圈相连的电路产生的脉冲Pb、14-A地感线圈、15-B地感线圈、16-停车线。 \n具体实施方式\n[0043] 下面结合附图对本发明所述智能交通数字摄像机的具体结构和用途作进一步说明。 \n[0044] 实施例1 \n[0045] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图1所示，包括电荷耦合摄像器件\n1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6和网络接口7。 电荷耦合摄像器件前端电路2分别与电荷耦合摄像器件1和现场可编程门阵列3连接，现场可编程门阵列3连接有A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6和网络接口7。 \n[0046] 电荷耦合摄像器件1用于采集机动车的图像信号，由SONY公司生产，型号ICX274(ICX274为Bayer滤色器的彩色面阵CCD，其光敏像素单元阵列的Bayer排列方式如图7所示)，像素200万，有效像素1600*1200，具体电路参考SONY公司网站公开的资料。 \n[0047] 电荷耦合摄像器件前端电路2由ANALOG DEVICES公司设计生产，型号AD9923A，具体电路参考ANALOG DEVICES公司网站公开的资料。 该电路在现场可编程门阵列3的控制下产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序并驱动电荷耦合摄像器件，读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列3。 \n[0048] 现场可编程门阵列3由Xilinx公司设计生产，型号XC5VFX200T，具体电路参考Xilinx公司网站公开的资料。 现场可编程门阵列3完成：BAYER格式的数字图像信号至RGB格式的数字图像信号再至YUV格式的数字图像信号的转换；车牌识别；YUV格式的数字图像信号的压缩；机动车交通违章(闯红灯、超速)的监控；车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据向客户端的传输。 [0049] BAYER格式的数字图像信号至RGB格式的数字图像信号的转换(以图7中6、\n7、10、11点为例说明)： \n[0050] 设图7中6、7、10、11点的RGB值分别为R6、G6、B6、R7、G7、B7、R10、G10、B10、R11、G11、B11，用V1、V2、V3......V16表示各点经相关双采样得到的电压值。 则各点的RGB的计算方法为： \n[0051] R6＝(V5+V7)/2 \n[0052] G6＝V6 \n[0053] B6＝(V2+V10)/2 \n[0054] R7＝V7 \n[0055] G7＝(V3+V6+V8+V11)/4 \n[0056] B7＝(V2+V4+V10+V12)/4 \n[0057] R10＝(V5+V7+V13+V15)/4 \n[0058] G10＝(V6+V9+V11+V14)/4 \n[0059] B10＝V10 \n[0060] R11＝(V7+V15)/2 \n[0061] G11＝V11 \n[0062] B11＝(V10+V12)/2 \n[0063] RGB格式的数字图像信号至YUV格式的数字图像信号的转换： [0064] 设R、G、B、Y、Cr、Cb为转换点的相应值，精度为8位整数，由R、G、B信号值计算Y、Cr、Cb信号值的算法为： \n[0065] Y＝0.299*R+0.587*G+0.114*B \n[0066] Cr＝(R-Y)*0.7295+128 \n[0067] Cb＝(B-Y)*0.5772+128 \n[0068] YUV格式的数字图像信号压缩：压缩算法参考“国际多灰度静止图像数字压缩编码标准”，标准号为ISO 10918-1。 \n[0069] 车牌识别的流程见图11，包括车牌定位、车牌倾斜校正、车牌字符分割、特征值变换、根据样本字库识别车牌。车牌识别算法参考《车牌识别算法的研究与实现》(何铁军，张宁，黄卫，公路交通科技，第23卷第8期，2006年8月)。 \n[0070] 机动车闯红灯监控： \n[0071] ①在监控路段设置信号指示灯处安装本发明所述智能交通数字监控器； [0072] ②如图8所示，在停车线处地面安装B地感线圈15，设Pb为有机动车通过时与B地感线圈相连的电路产生的脉冲； \n[0073] ③如图9所示，在信号指示灯为红灯的状态下，本发明所述智能交通数字监控器中的现场可编程门阵列3若接收到Pb的上沿，则表示有机动车闯红灯，即产生抓拍信号，记录抓拍原因为闯红灯。 \n[0074] 机动车超速监控： \n[0075] ①在监控路段设置信号指示灯处安装本发明所述智能交通数字监控器； [0076] ②如图8所示，在测速处地面安装B地感线圈，与B地感线圈距离为L的地面安装A地感线圈，设Pa为有机动车通过时与A地感线圈相连的电路产生的脉冲，Pb为有机动车通过时与B地感线圈相连的电路产生的脉冲； \n[0077] ③如图10所示，本发明所述智能交通数字监控器中的现场可编程门阵列3若接收到Pa、Pb的上沿，则计算脉冲Pa、脉冲Pb的间隔时间T，用A地感线圈、B地感线圈之间的距离L除以脉冲Pa、脉冲Pb的间隔时间T，得到机动车速度V，当车速超速时，产生抓拍信号，并记录抓拍原因为超速。 \n[0078] 数据向客户端的传输流程见图15。 \n[0079] 网络接口7由Realtek公司生产的网络接口芯片，型号为RTL8201，具体电路参考Realtek公司网站公开的资料。 \n[0080] A触发信号接口4、B触发信号接口5和交通灯信号接口6采用通用输入输出接口(GPIO)。 \n[0081] 实施例2 \n[0082] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图4所示。与实施例1不同之处是增加了电压转换电路11，电压转换电路11的输入端与现场可编程门阵列3连接，其输出端与电荷耦合摄像器件1连接。电压转换电路11由SONY公司设计生产，型号CXD3400，具体电路参考SONY公司网站公开的资料；电荷耦合摄像器件1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6和网络接口7的生产企业和型号与实施例1相同。 \n[0083] 与实施例1相比，本实施例中的现场可编程门阵列3增加了为电荷耦合摄像器件\n1提供驱动时序的功能(驱动时序设计参考SONY公司：IXC274数据手册)，电压转换电路11将现场可编程门阵列3产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，用于驱动电荷耦合摄像器件；电荷耦合摄像器件前端电路2则减少了功能，只完成读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列3。 [0084] 实施例3 \n[0085] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图2所示。 与实施例1不同之处是增加了数字信号处理器8，数字信号处理器8分别与电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3和网络接口7连接。 数字信号处理器8是由TI公司生产的芯片，型号为TMS320DM642，具体电路参考TI公司网站公开的资料。电荷耦合摄像器件1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、 交通灯信号接口6和网络接口7的生产企业和型号与实施例1相同。 \n[0086] 与实施例1相比，本实施例中的现场可编程门阵列3减少了功能，其减少的功能由数字信号处理器8完成。 数字信号处理器8完成：控制电荷耦合摄像器件前端电路2产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序；根据接收到的YUV格式的数字图像信号完成车牌识别，并将YUV格式的数字图像信号进行压缩；通过网络接口7将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端。 \n[0087] 实施例4 \n[0088] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图5所示。 与实施例3不同之处是增加了电压转换电路11，电压转换电路11的输入端与现场可编程门阵列3连接，其输出端与电荷耦合摄像器件1连接。电压转换电路11的生产公司和型号与实施例2相同；电荷耦合摄像器件1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6和网络接口7和数字信号处理器8的生产企业和型号与实施例3相同。 \n[0089] 与实施例3相比，本实施例中的现场可编程门阵列3增加了为电荷耦合摄像器件\n1提供驱动时序的功能，电压转换电路11将现场可编程门阵列3产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，用于驱动电荷耦合摄像器件；电荷耦合摄像器件前端电路2和数字信号处理器8则减少了功能。 电荷耦合摄像器件前端电路2的功能是：读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列3；数字信号处理器8的功能是：根据接收到的YUV格式的数字图像信号完成车牌识别，并将YUV格式的数字图像信号进行压缩；通过网络接口7将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户。 \n[0090] 实施例5 \n[0091] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图3所示。 与实施例1不同之处是增加了数字信号处理器8、图像压缩器9和微处理器10。微处理器10分别与摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、数字信号处理器8、图像压缩器9和网络接口7连接，数字信号处理器8和图像压缩器9还与现场可编程门阵列3连接。 数字信号处理器8是由TI公司生产的芯片，型号为TMS320DM642，具体电路参考TI公司网站公开的资料；\n图像压缩器9由TOKYO公司生产，型号为TE3310RPF，是一种高速图像压缩集成电路，具体电路参考TOKYO公司网站公开的资料；微处理器10由ATMEL公司生产， 型号为AT91RM9200，具体电路参考ATMEL公司网站公开的资料。 电荷耦合摄像器件1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6和网络接口7的生产企业和型号与实施例1相同。 \n[0092] 与实施例1相比，本实施例中的现场可编程门阵列3减少了功能，其减少的功能分别由数字信号处理器8、图像压缩器9和微处理器10完成。 数字信号处理器8的功能：根据来自现场可编程门阵列3的YUV格式的数字图像信号完成车牌识别并将车牌识别数据传送给微处理器6；图像压缩器5的功能：将来自现场可编程门阵列3的YUV格式的数字图像信号压缩后传送给微处理器6；微处理器10的功能：控制电荷耦合摄像器件前端电路2产生符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序；通过网络接口7将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端；对电荷耦合摄像器件前端电路的相关时序控制寄存器初始化，对图像压缩器的相关控制寄存器初始化。微处理器10中安装了图12、图13、图14、图15所述的软件。 \n[0093] 实施例6 \n[0094] 本实施例中，智能交通数字摄像机的结构如图6所示。 与实施例5不同之处是增加了电压转换电路11，电压转换电路11的输入端与现场可编程门阵列3连接，其输出端与电荷耦合摄像器件1连接。电压转换电路11的生产公司和型号与实施例2相同；电荷耦合摄像器件1、电荷耦合摄像器件前端电路2、现场可编程门阵列3、A触发信号接口4、B触发信号接口5、交通灯信号接口6、网络接口7、数字信号处理器8、图像压缩器9和微处理器10的生产企业和型号与实施例5相同。 \n[0095] 与实施例5相比，本实施例中的现场可编程门阵列3增加了为电荷耦合摄像器件\n1提供驱动时序的功能，电压转换电路11将现场可编程门阵列3产生的驱动时序转换成符合电荷耦合摄像器件接口电压要求的驱动时序传送给电荷耦合摄像器件，用于驱动电荷耦合摄像器件；电荷耦合摄像器件前端电路2和微处理器10则减少了功能。电荷耦合摄像器件前端电路2的功能是：读出电荷耦合摄像器件采集的BAYER格式图像模拟信号并将其转换为BAYER格式的数字图像信号后传送给现场可编程门阵列3；微处理器10的功能：通过网络接口7将车牌识别数据和图像压缩数据或车牌识别数据、图像压缩数据和交通违章数据传送到与其相连的客户端；对电荷耦合摄像器件前端电路的相关时序控制寄存器初始化，对图像压缩器的相关控制寄存器初始化。