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嵌入式车牌识别系统的设计解析
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2017-11-22
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1、引言
随着我国国民经济的高速发展，国内高速公路、城市道路、停车场建设越来越多，对交通控制、安全管理的要求也日益提高，智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，简称ITS）已成为当前交通管理发展的主要方向，而车牌识别（License Plate Recognition，简称LPR）系统技术作为智能交通系统的核心，起着举足轻重的作用，它在高速公路、城市道路和停车场等项目管理中占有无可取代的重要地位［1-2］。
本文所研究的车牌识别系统，正是在这样的背景下提出来的，对于目前LPR作为ITS中的核心关键技术，具有相当大的理论和现实意义。本系统所设计的是一个基于DSP和FPGA的嵌入式车牌识别系统［3-4］，该系统不同于传统的车牌识别系统，具体实现过程将在下文详细描述。
2、系统结构设计
传统的车牌识别系统主要采用摄像头、视频采集卡、工控机几个主要模块搭建出来的方法来实现，其优势是实现容易，但是成本高、实时性不强、安装和维护不便。而在本文系统设计中，摒弃了传统的模式，采用TI公司的TMS320C6713B高性能（强大的并行运算能力）DSP作为识别算法的运行硬件平台，Altera公司性价比很高的Cyclone系列EP1C12Q240型号的FPGA作为协调整个系统的工作与相关的图像采集及控制，再加上一些外围器件（FLASH、SDRAM等）共同构成本嵌入式车牌识别系统硬件平台，如图1所示。
与传统的车牌识别系统不同，该系统无需计算机即可实现车牌图像的采集、识别、输出结果，具有识别性能高、环境适应性强、安装维护简单、成本低等特点。其中采用以DSP和FPGA作为核心的系统设计最大优点是结构灵活、通用性强、适合于模块化设计，从而能够实现高效率的算法和实时控制;同时其开发过程可以并行进行。
图1 车牌识别硬件框图
2.1 视频输入模块
目前，世界上实际应用的电视信号制式主要有NTSC制、PAL制和SECAM制3种，世界上大多数国家采用PAL制，我国也采用PAL制，此系统采用的摄像头输出的视频信号就是标准的PAL制式。
PAL电视制式规定，场扫描频率为50Hz，每秒扫描25帧图像，每帧包括奇、偶两场图像，每帧图像的扫描行数为625行。电视信号由“图像信号”和确保同步的“复合同步信号”以及消除扫描逆程回扫线的“复合消隐信号”等辅助信号构成。PAL制电视信号转化为数字视频信号后，一般输出数据格式符合ITU656 YUV4:2：2标准，输出一帧图像的625行数据中，其中有效图像数据占572行，其他为场消隐信号;同样，每行有效的图像数据也只有720个象素。
本系统中输入是PAL制式的模拟图像数据，必须要经过A/D转换才能供后续系统处理。此系统选用的视频解码芯片（A/D）是Philips公司的SAA7113H［5］，支持标准的PAL制式视频信号输入。输入可以为4路CVBS或2路S视频（Y/C）信号，通过内部寄存器的不同配置可以对输入进行转换，输出8位“VPO”总线及一些场、行同步控制信号，其中输出图像数据为标准的ITU656 YUV4:2：2格式。SAA7113H内部具有一系列寄存器，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器改写不同的值，寄存器的读写需要通过I2C总线进行。由于TMS320C6713有自带的I2C总线接口，所以系统设计里，利用DSP通过I2C总线对SAA7113H进行配置控制，简易了系统的设计［6］。
随着我国国民经济的高速发展，国内高速公路、城市道路、停车场建设越来越多，对交通控制、安全管理的要求也日益提高，智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，简称ITS）已成为当前交通管理发展的主要方向，而车牌识别（License Plate Recognition，简称LPR）系统技术作为智能交通系统的核心，起着举足轻重的作用，它在高速公路、城市道路和停车场等项目管理中占有无可取代的重要地位［1-2］。
本文所研究的车牌识别系统，正是在这样的背景下提出来的，对于目前LPR作为ITS中的核心关键技术，具有相当大的理论和现实意义。本系统所设计的是一个基于DSP和FPGA的嵌入式车牌识别系统［3-4］，该系统不同于传统的车牌识别系统，具体实现过程将在下文详细描述。
2、系统结构设计
传统的车牌识别系统主要采用摄像头、视频采集卡、工控机几个主要模块搭建出来的方法来实现，其优势是实现容易，但是成本高、实时性不强、安装和维护不便。而在本文系统设计中，摒弃了传统的模式，采用TI公司的TMS320C6713B高性能（强大的并行运算能力）DSP作为识别算法的运行硬件平台，Altera公司性价比很高的Cyclone系列EP1C12Q240型号的FPGA作为协调整个系统的工作与相关的图像采集及控制，再加上一些外围器件（FLASH、SDRAM等）共同构成本嵌入式车牌识别系统硬件平台，如图1所示。
与传统的车牌识别系统不同，该系统无需计算机即可实现车牌图像的采集、识别、输出结果，具有识别性能高、环境适应性强、安装维护简单、成本低等特点。其中采用以DSP和FPGA作为核心的系统设计最大优点是结构灵活、通用性强、适合于模块化设计，从而能够实现高效率的算法和实时控制;同时其开发过程可以并行进行。
图1 车牌识别硬件框图
2.1 视频输入模块
目前，世界上实际应用的电视信号制式主要有NTSC制、PAL制和SECAM制3种，世界上大多数国家采用PAL制，我国也采用PAL制，此系统采用的摄像头输出的视频信号就是标准的PAL制式。
PAL电视制式规定，场扫描频率为50Hz，每秒扫描25帧图像，每帧包括奇、偶两场图像，每帧图像的扫描行数为625行。电视信号由“图像信号”和确保同步的“复合同步信号”以及消除扫描逆程回扫线的“复合消隐信号”等辅助信号构成。PAL制电视信号转化为数字视频信号后，一般输出数据格式符合ITU656 YUV4:2：2标准，输出一帧图像的625行数据中，其中有效图像数据占572行，其他为场消隐信号;同样，每行有效的图像数据也只有720个象素。
本系统中输入是PAL制式的模拟图像数据，必须要经过A/D转换才能供后续系统处理。此系统选用的视频解码芯片（A/D）是Philips公司的SAA7113H［5］，支持标准的PAL制式视频信号输入。输入可以为4路CVBS或2路S视频（Y/C）信号，通过内部寄存器的不同配置可以对输入进行转换，输出8位“VPO”总线及一些场、行同步控制信号，其中输出图像数据为标准的ITU656 YUV4:2：2格式。SAA7113H内部具有一系列寄存器，可以配置为不同的参数，对色度、亮度等的控制都是通过对相应寄存器改写不同的值，寄存器的读写需要通过I2C总线进行。由于TMS320C6713有自带的I2C总线接口，所以系统设计里，利用DSP通过I2C总线对SAA7113H进行配置控制，简易了系统的设计［6］。
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