利用FPGA實(shí)現(xiàn)高性能的罪犯抓捕系統(tǒng)

由于高科技工具成為抓捕罪犯的武器中越來(lái)越關(guān)鍵的部分，因此執(zhí)法機(jī)構(gòu)和安全專(zhuān)業(yè)人員不斷尋求更快更方便的數(shù)據(jù)收集和解讀方式就不足為奇了。針對(duì)這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，必須適應(yīng)不斷演變的要求，并把成本控制在機(jī)構(gòu)的有限預(yù)算范圍之內(nèi)。鑒于此，具有高性能、靈活性和高成本效益等優(yōu)勢(shì)的可編程邏輯(PLD)解決方案無(wú)疑是一種理想的解決方案。

兩個(gè)大學(xué)生團(tuán)隊(duì)利用FPGA和嵌入式軟核處理器開(kāi)發(fā)了兩個(gè)抓捕罪犯系統(tǒng)的原型，一個(gè)是帶無(wú)線自動(dòng)追蹤攝像機(jī)的警車(chē)支持系統(tǒng)，一個(gè)是防止安全系統(tǒng)被突破的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

盯住可疑對(duì)象不放-即使是高速情況下

當(dāng)追蹤行動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，警官只有很短的時(shí)間用來(lái)激活警笛、向控制中心作匯報(bào)并與其他巡邏隊(duì)通信。由于這些事情的發(fā)生幾乎是同時(shí)的，因此警官還依賴于車(chē)輛追蹤系統(tǒng)把逃跑的犯罪分子鎖定在視距內(nèi)。然而，當(dāng)疑犯在擁擠的交通中急速穿越時(shí)，采用固定位置攝像機(jī)的傳統(tǒng)追蹤系統(tǒng)很容易失去他們的蹤跡。因此將需要這樣一種車(chē)載系統(tǒng)：它能時(shí)刻盯住可疑車(chē)輛，同時(shí)讓警官與現(xiàn)場(chǎng)及總部的同事共享和接收信息。

圖1：設(shè)計(jì)理念。

韓國(guó)仁荷/弘益航空航天大學(xué)的學(xué)生開(kāi)發(fā)出的板載警用車(chē)輛支持系統(tǒng)原型，該集成解決方案包含以下幾個(gè)組件：

• 無(wú)線自動(dòng)追蹤系統(tǒng)：可持續(xù)追蹤可疑車(chē)輛，將車(chē)輛的圖像顯示在顯示器中心。一部全方向移動(dòng)的攝像機(jī)使用FPGA控制的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)上下左右的移動(dòng)，可以通過(guò)快速反應(yīng)捕獲快速行進(jìn)的車(chē)輛。

• 自動(dòng)語(yǔ)音告警系統(tǒng)：使用嵌入式處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)MPEG音頻解碼，用于向逃跑疑犯發(fā)出警告。

• HSDPA功能：提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像共享。

• 基于FPGA的連接板載診斷系統(tǒng)(OBD-II)的接口：用于監(jiān)視警用車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)。

FPGA和嵌入式處理器的有機(jī)結(jié)合使該系統(tǒng)很容易實(shí)現(xiàn)圖像、語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)處理。


在單系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻和數(shù)據(jù)

在技術(shù)平臺(tái)方面，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用了Altera的DE2開(kāi)發(fā)和教學(xué)板，這種板包含了Cyclone II FPGA、Quartus II設(shè)計(jì)軟件和Nios II嵌入式處理器。

單個(gè)Cyclone II FPGA支持整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，可以完成圖像處理、壓縮、數(shù)據(jù)傳送、MPEG音頻解碼、電機(jī)控制和OBD通信等功能。所有必要的組件都利用SOPC Builder系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具裝配在一起，從而允許設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，并可以經(jīng)過(guò)修改用于或直接復(fù)用于其他應(yīng)用。

圖2：自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的架構(gòu)。

自動(dòng)追蹤攝像機(jī)

攝像機(jī)的圖像處理模塊將全方位移動(dòng)命令傳送給FPGA上的系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制器。根據(jù)這樣的命令，步進(jìn)電機(jī)控制器可以產(chǎn)生操作信號(hào)脈沖，然后將這些信號(hào)發(fā)送給每個(gè)電機(jī)。

攝像機(jī)的圖像捕捉模塊將模擬圖像信息轉(zhuǎn)換成DE2板上的ITU656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字流，并使用該數(shù)據(jù)流：控制自動(dòng)追蹤攝像機(jī)的左、右、上、下操作；支持視像共享系統(tǒng)和JPEG壓縮的無(wú)線傳送；提供車(chē)載顯示。

當(dāng)警官需要啟動(dòng)攝像機(jī)的追蹤模式時(shí)，只需將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)車(chē)輛，并按下DE2板上的一個(gè)按鍵。接著由同樣在FPGA上運(yùn)行的圖像處理模塊從目標(biāo)車(chē)輛中提取平均顏色，并估計(jì)其位置。一旦車(chē)輛開(kāi)始移動(dòng)，全方位移動(dòng)攝像機(jī)就開(kāi)始對(duì)它進(jìn)行追蹤。該系統(tǒng)每隔30分之一秒就向電機(jī)控制器傳送一次控制命令，速度是它的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一。捕獲到的圖像被存儲(chǔ)在USB存儲(chǔ)設(shè)備中，同時(shí)傳送給警局命令中心。當(dāng)然，追蹤模式只適用于白天。

實(shí)時(shí)JPEG壓縮通常要求高性能DSP芯片或ASSP。在這個(gè)情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用Nios II C到硬件的加速編譯器(C2H)執(zhí)行l(wèi)ibjpeg前向離散余弦變換(DCT)函數(shù)來(lái)滿足性能目標(biāo)要求，而不需要外部處理器或DSP芯片。C2H編譯器可以將時(shí)間關(guān)鍵的ANSI C函數(shù)轉(zhuǎn)換成FPGA中的硬件加速器，從而提升它們的性能。

圖3：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的原理框圖

自動(dòng)語(yǔ)音警告

當(dāng)車(chē)輛的自動(dòng)追蹤攝像機(jī)開(kāi)始工作在追蹤模式時(shí)，會(huì)觸發(fā)自動(dòng)語(yǔ)音警告功能打開(kāi)，并向逃跑疑犯發(fā)出警告。在DE2板上100MHz的嵌入式處理器用于播放MPEG音頻數(shù)據(jù)的定制指令集。最初回放性能是個(gè)問(wèn)題，但通過(guò)在Nios II軟核處理器中增加64位乘法定制指令，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將性能提高了2.5倍。