基于NiosⅡ软核的车辆牌照识别系统研制

传统的PC 机+算法设计的车辆牌照识别系统由于体积大,已不能满足便携和露天使用的要求, 因此本文采用Nios Ⅱ软核处理器在FPGA ( 现场可编程门阵列)上设计了一种车辆牌照自动识别的片上系统。并对该系统的功能、结构和实现作了较详细的阐述。设计结果表明, 该系统体积小、 数据处理速度快, 保证了较好的实时性。
　    
智能交通管理系统是21 世纪道路交通管理的发展趋势。利用网络和GPRS 通信, 牌照自动识别监控系统能够自动、实时地检测车辆、识别汽车牌照, 从而实现道路交通智能化管理。由于传统的PC机+ 算法的设计结构体积大, 不能满足便携的要求, 更不适合露天使用; 而采用通用的DSP 芯片组成的系统, 外围电路较复杂, 设计与调试都要较长的时间, 且系统的可扩展性不好。利用32 位Nios Ⅱ软核处理器在FPGA 上完成设计, 减小了系统的体积, 而且在PC机上开发的程序可移植到Nios Ⅱ处理器上, 实现了片上系统。采用Nios Ⅱ处理器的自定义指令, 用硬件实现部分算法, 大大提高了数据的处理速度, 保证了较好的实时性。在外围电路不变的情况下, 通过更新FPGA 内部的电路设计, 能使系统功能升级和增强。下面介绍一种基于Nios Ⅱ软核的车辆牌照识别系统的自行研制。
　　
1 　系统功能设计
　　
车辆牌照自动识别监控系统根据具体应用场合可以定制为不同的功能, 而且不同的功能只需要在Nios 中写入相应的C 语言程序即可, 无需重做硬件板, 非常方便。下面就其在高速公路收费站中的应用进行功能设计。
　　
1) 图像采集　在收费站处, 摄像头监视通道口车辆来往情况, 当车辆过来时, FPGA 系统板捕捉到地感线圈由于磁场的变化而产生的触发信号, 来控制采集卡采集车辆图像。采用地感线圈的优点上检测正确率高(只有车辆经过时, 地感线圈才会产生触发信号) , 这时可以保证抓到的图像中有车辆牌照信息。
　　
2) 牌照识别　采集到图像后就要进行牌照区域的提取, 其中以包括图像的彩色图到灰度图变换、灰度拉伸、牌照区域分割、牌照几何位置的调整等。牌照区域提取后再进行牌照图像二值化、牌照字符分割以及牌照字符的识别。
　　
3) 数据通信　根据实际情况选择用以太网或GPRS 把识别结果发送到主控制站。在有以太网连接的条件下优先选用以太网连接, 可以提供相对较高的传输速率和可靠性, 在没有以太网连接的条件下选用GPRS 连接进行通信。
　　
2 　系统构成与实现
　　
本系统中的硬件包括GPRS 模块、高分辨率CCD 摄像机、CCD 自动亮度控制器、视频采集卡、FP2GA 系统板。系统的硬件结构如图1 所示, 可以看到在一片FPGA 中包含了Nios Ⅱ处理器、SRAM 控制器、SDRAM 控制器、UART 以及采集卡控制器和外扩SRAM 控制器、用户指令模块。这也正体现了NiosⅡ的优势, 将很多资源集中在FPGA 中, 根据用户的需要来定制, 更改也变得非常容易。



图1 　系统硬件框图
　　
要从牌照区域提取得到最终的牌照, 需用到大量的数字图像处理算法, 其实现过程如图2 所示。牌照字符的识别采用的是BP 算法。由于本系统工作过程对实时性要求较高, 因此采用eCos嵌入式可配置实时操作系统对系统中的多任务进行管理。



图2 　牌照提取过程
　　
3 结语
　　
利用32 位Nios Ⅱ软核处理器在FPGA 完成设计, 减小了系统的体积, 而且在PC 机上开发的程序可移植到Nios Ⅱ处理器上,实现了片上系统。采用Nios Ⅱ处理器的自定义指令, 用硬件实现部分算法, 大大提高了数据的处理速度, 保证了较好的实时性。所以用FPGA 开发的车辆牌照自动识别监控系统不仅可以用于收费站、停车场等固定安装场合,而且可装载于警车上, 也可现场临时固定, 具有良好的灵活性和机动性。在城市道路巡逻中, 可以停靠在任意的监控地点, 随时发现过往车辆中任何欠费违规车辆, 对过往车辆进行稽查管理。
　　
在系统的设计方案里, 笔者考虑了2 种通信方式, 即以太网方式和GPRS 方式, 以方便用户根据实际情况选用。突破了地域的限制, 使用范围也更广阔。