机器视觉的论述作业题 目 ： 基于机器视觉智能交通灯控制系统 学院名称 ： 电气工程学院 专业班级 ： 姓 名 ： 学 号 ： 时 间 ： 1 绪论 .32 基于机器视觉的智能交通灯系统设计 .33 智能交通灯控制策略 .53.1 模糊控制 .53.2 智能交通灯模糊控制策略 .53.3 解模糊化算法 .64 系统硬件设计 .64.1 摄像头的安装和特性 .64.2 视频采集模块设计 .94.3 DSP控制处理模块设计 .94.4 信号灯驱动模块设计 .104.5 电源模块设计 .105 系统软件设计及调试 .125.1 软件总体设计方案 .125.2 视频采集模块的软件设计 .135.3 系统调试 .146 总结 .147 参考文献 .141 绪论随着社会经济的发展，城市车辆数量迅速增长，交通拥挤日益严重，造成的交通事故和环境污染等负面效应也日益突出。城市交通问题直接制约着城市的建设和经济的增长，与人们的日常生活密切相关。通常交通阻塞大都是由于城市路口实际通行能力不足所造成的，路口交通问题逐步成为经济和社会发展中的重大问题，为此世界大多数国家都在进行智能交通灯控制系统的研究。本文的目的是对基于机器视觉的智能交通灯控制系统进行了研究。基于机器视觉的智能交通灯控制系统对路口交通灯进行智能控制，根据各相位车流量大小，智能分配红绿灯时间，彻底改变了传统交通灯控制方式的不足。目前由于城市路口交通信号灯的控制策略不理想，导致了路口实际通行能力下降，停车次数比较多，车辆通过路口的延误时间较长，容易造成不必要的拥堵。改善交通灯控制策略，来提高路口的实际通行能力，这是城市交通控制中需要解决的主要问题。自从计算机控制系统应用于交通灯控制以来，硬件设备的不断更新和改进，智能化和集成化成为城市道路交通信号控制系统的研究趋势，而路口交通灯控制系统是智能交通系统中的关键点和突破口。2 基于机器视觉的智能交通灯系统设计基于机器视觉的智能交通灯控制系统是由摄像机、视频采集模块、DSP 控制处理模块、信号灯驱动模块、电源模块、时钟模块、复位模块和信号灯组等组成，其组成框图如 2.1图所示图 2.1 系统组成框图 系统中摄像机是用来拍摄路口车辆视频，是路口车流量获取的基础设备，其拍摄的视频图像质量高低直接影响到系统对交通灯控制的精度。摄像机的选择决定着视频的质量，所以一般要选择稳定性高，分辨率符合系统要求的摄像机。目前摄像机主要分为两种，一种是电荷耦合器件_CD 图像传感器；一种是互补性氧化金属半导体CMoS 图像传感器。CCD 图像传感器是由很多感光单位组成的，其表面受到光线照射时，产生的电荷将由感光单位反映在组件上，所有感光单位产生的电信号组合在一起，就能够形成一幅完整的图画。而 CMOS图像传感器的制造技术与工艺和制造普通计算机芯片的技术非常类似，CMOS 中同时存在着 N级和 P级半导体，这两个半导体之间互补效应能够产生的电流信号，能够被处理芯片记录，同时将其解读成影像，形成一幅图画。画。比较 CCD和CMOS的结构，ADC(放大兼类比数字信号转换器)的位置和数量是最大的不同。通常 CCD摄像头每曝光一次，当快门关闭之后立即进行像素的转移处理，将其每一行中的每一个像素的电信号依次送到“缓冲器中，再输入到放大器中进行放大，然后串联 ADC输出；而 CMOS的设计中每个像素旁直接连着 ADC，对电信号进行放大同时转换成数字信号。CCD 与 CMOS的特性比较如下表 2-1表 2-1 CCD和 CMOS的比较通过对 CCD 和 CMOS 的特性进行比较，以及视频处理系统对视频图像的要求，本文采用 CCD 摄像机 JAB55 15EB 作为视频输入部分的图像传感器。 3 智能交通灯控制策略3.1 模糊控制模糊控制是将模糊理论引入控制领域，将人的经验形式化模型化，采用模糊逻辑的近似推理方法，通过计算机系统代替人对被控对象进行有效的实时控制。模糊控制系统是由模糊规则基、模糊推理、模糊化算子和解模糊化算子组成，其组成框图如图 31 所示。图 3.1 模糊控制的组成框图模糊化是对系统的输入量进行论域变换，将精确量转化成模糊输入信息的过程。由于实际过程中的输入值通常为连续变化的，必须将其范围分成有限个模糊集，并与输入量相对应，然后通过隶属函数求出输入量对各模糊集合的隶属度，将普通变量转化为模糊变量，完成了模糊化工作。3.2 智能交通灯模糊控制策略模糊控制过程是将实际检测的当前方向车辆排队长度进行模糊量化处理，映射到输入论域的模糊集合，根据实践经验确定模糊控制规则，进行模糊推理，再经清晰化处理转为绿灯延长时间的精确量，实现交通灯智能控制。通常情况下，在某一方向红灯时间内该车道的车流量在停车线后的排队长度越长而绿灯方向车流量不多，为了保证下一周期车辆通行最大化，就得适当延长下一周期的绿灯时间。反之，当前绿灯方向的车流量较多而当前红灯方向车道的车流量在停车线后的排队长度较短，就得适当减少下一周期的绿灯时间，以确保路口车辆通行量的最大化。考虑到司机和行人心理承受能力，不至于在其等待过程中产生焦急烦躁的情绪，路口的红绿灯周期不能过长，通常可以设置一个最大绿灯时间，比如 120S。如果系统已经执行了最大绿灯过，立即进行相位切换，当前方向绿灯进入黄闪状态，一般设定为 3秒，然后执行红灯状态。当路口的车流量较小时，信号周期则比较短，但一般也要设定一个最小绿灯时间，女1：120S，否则车辆和行人由于来不及通过路 VI而影响交通安全 n时间，不考虑当前方向还有多少辆车等待通过。3.3 解模糊化算法通过对被控制量的模糊化，根据模糊控制规则进行推理，做出模糊决策，得到模糊控制的输出量，这个输出量为模糊量，而被控对象最终只能接受精确的控制量，所以必须将输出的模糊量转化为精确的控制量，将其转化为精确量的过程通常称之为解模糊化。也就是从模糊量变为清晰量的过程，即把通过模糊推理得到的输出量的模糊集合，一一映射到输出量的普通集合。解模糊的方法有通常有最大隶属度法、平均最大隶属度法、取中位数法以及加权平均法。4 系统硬件设计4.1 摄像头的安装和特性（1）所采集车辆视频图像质量的高低将直接影响到系统对交通灯控制的精度，而决定视频质量的关键因素在于 CCD摄像头的选择和安装。本文采用 CCD摄像机 JAB-5515EB，可以在室外恶劣环境下全天候工作，其性能如表 4-1表 4-1 JAB-5515EB摄像头的特性 （2）摄像头的安装直接影响到视频采集的过程，而且安装摄像头的位置既要不能对交通产生任何影响，又要满足视频采集模块的需求。图 41 为两相位路口示意图，摄像头的安装位置应在图中 A、B、C、D 点的上方高于 7米为宜。视频图像处理只针对车道，所以可视角度只需满足横向覆盖整个车道，纵向能够覆盖车辆排队信息的长度即可。 图 4.1 城市路口示意图4.2 视频采集模块设计本设计中的视频采集模块主要分为视频输入和视频处理两个部分，其功能是利用图像传感器将物体的光信号转换成模拟的视频电信号，然后利用视频解码芯片将视频模拟信号转化成数字视频信号输入到 DSP的视频处理前端。模拟视频信号主要分为 PAL和 NTSC两种制式，在将模拟视频信号直接转换成数字信号的时候，通常需要用到视频解码芯片，本设计中选择 TI公司的 TVP5150视频解码芯片来主要用来完成模拟视频信号到数字视频信号的转换以及对图像亮度、色度的预处理等。4.3 DSP 控制处理模块设计DSP控制处理模块作为系统的主控模块，以 TMS320DM6437为核心，由视频处理前端、DDR2 存储器、EMIF 接 121电路、以太网接口电路、12C 总线和 JTAG接口电路组成，其设计框图如图 4.2所示图 4.2 DSP 控制处理模块设计框图视频处理前端用来接收 TVP5150发送的数字视频信号，DDR2 存储器用来存储程序和数据，EMIF 接口电路可以外接 NAND Flash用于固化程序和数据，以太网接口电路用于 DM6437与外接设备之间的通信，I2C 总线对 TVP5150内部存器进行初始化设置，JTAG 接 121电路主要用来连接 DSP仿真器，进行程序的载和系统的调试与仿真。芯片 DM6437用于控制各个外围功能芯片及完成算法处理。4.4 信号灯驱动模块设计LED交通信号灯驱动模块设计以 LM3407芯片核心，其输入电压范围 4.5V-30V，并且能够提供精准的恒定电流输出，本文所需电压为 24V，电流为350mA，以驱动高功率发光二极管(LED)。常用 LED交通灯的灯盘内 LED数量约在 100-200个之间，本文采用 119个 LED灯通过串并联结合的方式进行连接。每个 LED工作电压为 3.3V，工作电流为 20mA，结合驱动芯片参数和灯盘的规格，采用并联 17组，每组串联 7个 LED灯的方式，对交通信号灯进行驱动。交通灯连接方式如图 4.4所示。图 4.4 LED 交通灯连接图4.5 电源模块设计整个系统的硬件平台采用+5V 外接电压进行供电，但是根据各个模块对电源电压需求各有不同，因此对整个硬件平台的供电设计很重要。DM6437 内核使用 1.05V1.20V两种工作电压，当其工作频率为 600MHz/500MHz/400MH时要求供电电压为 1.20V，当工作频率为 400MHz时要求供电电压为 1.05V。设计中的内核工作频率为 600MHz，故而采用 1.2V的内核供电电压。而系统中 TVP5150视频解码芯片的内核和外接的以太网物理层芯片