可編程邏輯實現(xiàn)高性能抓捕罪犯系統(tǒng)

      兩個大學(xué)生團隊利用FPGA和嵌入式軟核處理器開發(fā)了兩個抓捕罪犯系統(tǒng)的原型，一個是帶無線自動追蹤攝像機的警車支持系統(tǒng)，一個是防止安全系統(tǒng)被突破的指紋識別系統(tǒng)。

盯住可疑對象不放-即使是高速情況下

      當(dāng)追蹤行動啟動時，警官只有很短的時間用來激活警笛、向控制中心作匯報并與其他巡邏隊通信。由于這些事情的發(fā)生幾乎是同時的，因此警官還依賴于車輛追蹤系統(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，采用固定位置攝像機的傳統(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載系統(tǒng)：它能時刻盯住可疑車輛，同時讓警官與現(xiàn)場及總部的同事共享和接收信息。

                                                  圖1：設(shè)計理念。

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

• 無線自動追蹤系統(tǒng)：可持續(xù)追蹤可疑車輛，將車輛的圖像顯示在顯示器中心。一部全方向移動的攝像機使用FPGA控制的步進(jìn)電機實現(xiàn)上下左右的移動，可以通過快速反應(yīng)捕獲快速行進(jìn)的車輛。

• 自動語音告警系統(tǒng)：使用嵌入式處理器來實現(xiàn)MPEG音頻解碼，用于向逃跑疑犯發(fā)出警告。

• HSDPA功能：提供實時數(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)視警用車輛的發(fā)動機性能參數(shù)。

      FPGA和嵌入式處理器的有機結(jié)合使該系統(tǒng)很容易實現(xiàn)圖像、語音、圖像和數(shù)據(jù)處理。

在單系統(tǒng)中實現(xiàn)語音、視頻和數(shù)據(jù)

      在技術(shù)平臺方面，設(shè)計團隊使用了Altera的DE2開發(fā)和教學(xué)板，這種板包含了Cyclone II FPGA、Quartus II設(shè)計軟件和Nios II嵌入式處理器。

      單個Cyclone II FPGA支持整個系統(tǒng)的運行，可以完成圖像處理、壓縮、數(shù)據(jù)傳送、MPEG音頻解碼、電機控制和OBD通信等功能。所有必要的組件都利用SOPC Builder系統(tǒng)設(shè)計工具裝配在一起，從而允許設(shè)計團隊設(shè)計一個模塊，并可以經(jīng)過修改用于或直接復(fù)用于其他應(yīng)用。

                                           圖2：自動追蹤系統(tǒng)的架構(gòu)。

自動追蹤攝像機

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

      攝像機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：控制自動追蹤攝像機的左、右、上、下操作；支持視像共享系統(tǒng)和JPEG壓縮的無線傳送；提供車載顯示。

      當(dāng)警官需要啟動攝像機的追蹤模式時，只需將攝像機對準(zhǔn)目標(biāo)車輛，并按下DE2板上的一個按鍵。接著由同樣在FPGA上運行的圖像處理模塊從目標(biāo)車輛中提取平均顏色，并估計其位置。一旦車輛開始移動，全方位移動攝像機就開始對它進(jìn)行追蹤。該系統(tǒng)每隔30分之一秒就向電機控制器傳送一次控制命令，速度是它的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。捕獲到的圖像被存儲在USB存儲設(shè)備中，同時傳送給警局命令中心。當(dāng)然，追蹤模式只適用于白天。

      實時JPEG壓縮通常要求高性能DSP芯片或ASSP。在這個情況下，設(shè)計團隊使用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：實現(xiàn)自動追蹤系統(tǒng)的原理框圖。

自動語音警告

      當(dāng)車輛的自動追蹤攝像機開始工作在追蹤模式時，會觸發(fā)自動語音警告功能打開，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。最初回放性能是個問題，但通過在Nios II軟核處理器中增加64位乘法定制指令，設(shè)計團隊將性能提高了2.5倍。

定制的OBD-II接口

      連接OBD-II的接口不僅貫通了汽車電子設(shè)備之間的通信，而且也將診斷工具連接到發(fā)動機控制單元(ECU)，實現(xiàn)汽車維護(hù)和監(jiān)視。SOPC Builder UART組件連接到OBD-II接口，用于收集車輛行駛速度、燃油狀態(tài)和車輛故障狀態(tài)等信息。

      因此，設(shè)計團隊能夠利用Nios II定制指令的性能優(yōu)勢和C到硬件的加速功能創(chuàng)建一個高性能系統(tǒng)，為現(xiàn)場警察提供幫助。由于使用了FPGA，團隊可以靈活地根據(jù)需要提升性能，不需要增加時鐘頻率和降低功耗，也無需采用高速設(shè)計。當(dāng)團隊遇到要求修改硬件設(shè)計的性能問題時，他們只需重新編程FPGA就能應(yīng)對這些變化。

將指紋轉(zhuǎn)換成供認(rèn)證據(jù)

      指紋識別技術(shù)具有很高的性價比和安全性，支持用于保護(hù)敏感數(shù)據(jù)和防止未授權(quán)進(jìn)入系統(tǒng)的各種應(yīng)用。傳統(tǒng)的指紋識別系統(tǒng)基于PC或DSP芯片。然而，在PC上處理圖像很慢，DSP芯片缺少支持全部所需功能的靈活性。FPGA則有效填補了高性能處理和系統(tǒng)靈活性之間的空白。來自中國華中科技大學(xué)的一個學(xué)生團隊使用包含有Cyclone II FPGA和Nios II處理器的DE2板創(chuàng)建出了原型化的指紋識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了FPGA技術(shù)的高性能和靈活性優(yōu)勢。 

快速而靈活的系統(tǒng)增強功能

      采用系統(tǒng)級可編程芯片(SOPC)方法，該團隊成功開發(fā)出具有認(rèn)證和集中管理功能的網(wǎng)絡(luò)指紋識別系統(tǒng)。作為主機的PC運行著提供各種管理功能的軟件。嵌入在Cyclone II FPGA上的50MHz Nios II/f內(nèi)核運行相關(guān)算法以實現(xiàn)包含系統(tǒng)初始化、指紋收集、圖像處理、主從通信和用戶接口在內(nèi)的各種功能。在SOPC Builder的支持下，該團隊不僅能以高效的方式將各個組件集成到單個系統(tǒng)中，還能根據(jù)需要對各個部件進(jìn)行配置。

                                        圖4：指紋處理的次序。

      以下是指紋識別系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)指紋收集器檢測到手指存在時，它將從睡眠模式中蘇醒過來采集圖像，并提交最高質(zhì)量的圖像。DE2板上的12.5MHz SPI內(nèi)核將圖像數(shù)據(jù)傳送給嵌入式處理器，由該處理器執(zhí)行相應(yīng)圖像處理算法以完成對指紋的以下一些處理：

• 模式發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)首先根據(jù)目標(biāo)點周圍的點的灰度等級值計算單點的方向，然后使用統(tǒng)計方法得到5x5的塊模式，并在沒有關(guān)于背景的明確條件下對塊進(jìn)行標(biāo)記。

• 圖像濾波：系統(tǒng)將沿著脊線增強圖像連續(xù)性，同時提高與脊線垂直的圖像對比度，以分割相鄰脊線。

• 二進(jìn)制化：圖像脊線在濾波后將十分清晰，因此一個固定門限的二進(jìn)制化功能可以將固定灰度值作為標(biāo)準(zhǔn)而將圖像分割成黑白版本。

• 脊線細(xì)化：在這個階段，圖像將經(jīng)過并行的細(xì)化過程，這個過程會逐漸調(diào)整脊線，直到脊線薄成單個像素的寬度，從而為圖像進(jìn)行細(xì)節(jié)定位做好準(zhǔn)備。

• 定位細(xì)節(jié)：在這最后一步，系統(tǒng)對圖案進(jìn)行掃描以定位指紋的中心點。從細(xì)化的脊線圖像開始，系統(tǒng)將定位指尖點，并分割這些點來評估指紋的唯一性。

      通過定制指令和定制外設(shè)，該團隊極大地提高了圖像處理算法的性能。由于要求52次乘法累加操作，設(shè)計團隊設(shè)計了一條定制指令，該指令可在三個時鐘周期內(nèi)完成單次乘法累加操作，從而將沒有定制指令時的36.4s時間縮短到用定制指令時的4.77s,使圖像濾波性能提高了7倍；脊線細(xì)化要求對目標(biāo)像素進(jìn)行16次比較，該團隊設(shè)計了兩個定制外設(shè)，可在6個時鐘周期內(nèi)完成16次比較，從而將沒有定制外設(shè)時的13.5s縮短到有定制外設(shè)時的2.67s，使其性能提高了5倍。

      當(dāng)有人在終端提供他們的指紋和其他識別信息時，該系統(tǒng)會先在數(shù)據(jù)庫中尋找匹配信息，以判斷是否允許訪問。系統(tǒng)的錯誤接受率(將不一致的指紋錯誤判斷為一致的可能性)小于5%。它的錯誤拒絕率(將一致的指紋判斷為不一致的可能性)小于20%。

      高科技工具成為抓捕罪犯的武器中越來越關(guān)鍵的部分，因此執(zhí)法機構(gòu)和安全專業(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。針對這一領(lǐng)域的應(yīng)用越來越復(fù)雜，必須適應(yīng)不斷演變的要求，并把成本控制在機構(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)勢的可編程邏輯(PLD)解決方案無疑是一種理想的解決方案。

利用PLD深度挖掘罪犯

      就像警車支持應(yīng)用一樣，DSP器件或ASSP也可以用于指紋識別系統(tǒng)。然而設(shè)計團隊發(fā)現(xiàn)，通過簡單地實現(xiàn)Nios II定制指令和定制外設(shè)可以極大地提高處理速度。在優(yōu)質(zhì)的FPGA基礎(chǔ)上，設(shè)計團隊還集成了多個組件，從而減少了解決方案的復(fù)雜性、成本和功耗。

      大多數(shù)應(yīng)用都需要一定程度的靈活性來滿足性能和成本要求。這些團隊展示了如何利用硬件來加速算法，從而允許以較低時鐘頻率運行，因此有效降低功耗和簡化了總體設(shè)計。同時，他們還利用系統(tǒng)生成工具來幫助自己方便地復(fù)用和修改組件以用于其他應(yīng)用。