引言

　　近年來, 射頻識別技術(shù)(RFID) 作為自動識別的新技術(shù),憑借其諸多優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外迅速發(fā)展, 其應(yīng)用廣泛, 在交通運(yùn)輸管理領(lǐng)域綜合運(yùn)用RFID (無線射頻識別) 技術(shù)、智能編碼圖象識別技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)手段, 現(xiàn)有的交通稽查通常采用攝像機(jī)圖像識別, 存在許多的不足。本文設(shè)計(jì)采用RFID B 標(biāo)簽與智能編碼圖像識別技術(shù)的結(jié)合, 在后臺處理系統(tǒng)中RFID 標(biāo)簽信息與圖像識別信息完全一致時為合法目標(biāo), 同時為問題目標(biāo)保存錄像資料, 其大大提高準(zhǔn)確率, 在交通稽查有突出的優(yōu)勢。

　　典型的RFID 閱讀器包含無線收發(fā)模塊(發(fā)送器和接收器) 、控制單元和閱讀器天線, 電子標(biāo)簽是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體, 由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用低功耗單片機(jī)MSP430F2013 和無線數(shù)據(jù)傳送芯片nRF2401 , 設(shè)計(jì)一種不僅讀取距離遠(yuǎn)、可靠度高, 而且成本低、壽命更長的主動式RFID 標(biāo)簽應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)[1 ] 。同時車輛在運(yùn)動中,攝像機(jī)所攝到的視頻圖像并非每幅圖像上的所有信息都是有用的, 真正有用的數(shù)據(jù)僅為視頻中的車牌部分, 因此, 如何在進(jìn)行編碼壓縮時實(shí)現(xiàn)對有用信息的提取, 并通過先進(jìn)算法盡可能降低這部分信息的失真率, 是智能編碼要解決的問題, 智能視頻( IV , Intelligent Video) 源自計(jì)算機(jī)視覺(CV , ComputerVision) 技術(shù), 它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系,從而使計(jì)算機(jī)能夠通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內(nèi)容。

　　稽查系統(tǒng)視頻監(jiān)控中所用到的智能視頻技術(shù)主要指的是: “自動的分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵信息”。如果把攝像機(jī)看作人的眼睛, 而智能視頻系統(tǒng)或設(shè)備則可以看作人的大腦。智能視頻技術(shù)借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能, 對視頻畫面中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分析, 過濾掉用戶不關(guān)心的信息, 僅僅為用戶提供有用的關(guān)鍵信息。例如, 智能編碼技術(shù)應(yīng)用于稽查系統(tǒng)中, 可以識別不同車輛的牌照, 與RFID 電子標(biāo)簽(電子車牌) 所攜帶的信息比對, 發(fā)現(xiàn)問題牌照車輛的異常情況,能夠以最快和最佳的方式發(fā)出警報(bào)和提供有用信息, 從而能夠更加有效地協(xié)助稽查人員處理問題車輛, 結(jié)合RFID 技術(shù)最大限度地降低誤查和漏查現(xiàn)象。

　　智能化視頻編碼的思想是: 對視頻中的運(yùn)動目標(biāo)或用戶感興趣區(qū)域ROI (Region of Interest) (例如: 稽查系統(tǒng)中, 用戶感興趣的是視頻中稽查車輛的牌照區(qū)域) 采用低損或無損編碼,而對視頻中的背景區(qū)域或用戶不感興趣的區(qū)域采用降分辨率編碼, 以減少總的編碼輸出數(shù)據(jù)量, 提高牌照識別的準(zhǔn)確率。

　　1 　系統(tǒng)的RFID 標(biāo)簽設(shè)計(jì)

　　1.1.1 　芯片的選擇及性能簡介

　　設(shè)計(jì)的主動式RFID 標(biāo)簽要求具有低成本、低功耗、閱讀距離長、識別準(zhǔn)確率高、電池供電或車載供電等特性。選擇合適的MCU 和射頻發(fā)射芯片是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分, 同時為了適應(yīng)智能交通的應(yīng)用, 設(shè)計(jì)提供其電源可選車載供電。

圖1 　標(biāo)簽電路原理圖

　　根設(shè)計(jì), 選用德州儀器公司( TI ) 推出的MSP430F2013 單片機(jī), 該單片機(jī)具有超低功耗Flash 型16 位RISC 指令集, 電源電壓采用118～316V 低電壓, 擁有015mA的保持模式待機(jī)電流和250mA/ MIPS 的運(yùn)行功耗, 是目前業(yè)界公認(rèn)的低功耗單片機(jī)射頻芯片采用nRF2401 , nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片, 工作于214～215GHz ISM頻段,nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等功能模塊, 輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低, 以- 5dBm 的功率發(fā)射時, 工作電流只有1015mA , 接收時工作電流只有18 mA , 多種低功率工作模式, 節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其工作原理可總結(jié)為: 一個配置字、兩種通信模式、兩個通道和四種工作模式。nRF2401 的所有配置工作都是通過CS、CL K1 和DATA 三個引腳完成, 把其配置為ShockBurst TM 收發(fā)模式需要15 字節(jié)的配置字, 而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2 字節(jié)的配置字。工作模式有4 種:收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401 的工作模式由PWR _ U P、CE、TX _ EN 和CS 引腳決定[4 ] 。

　　1.1.2 　硬件設(shè)計(jì)

　　由單片機(jī)MSP430F2013 控制Nrf2401 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, 本設(shè)計(jì)遵從ISO/ IEC 18000 - 4《2145G MHz 有源RFID 空中接口通信參數(shù)》中關(guān)于主動式RFID 標(biāo)簽通訊協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層的所有約定[5 ] 。作用距離與天線增益及標(biāo)簽靈敏度有很大的關(guān)系, 天線增益的大小取決于輻射模式的類型, 全向的天線具有峰值增益0 到2dBi ; 方向性的天線的增益可以達(dá)到6dBi , 系統(tǒng)閱讀器采用定向天線。無線通訊距離的計(jì)算有自由空間(指天線周圍為無限大真空時的電波傳播, 它是理想傳播條件, 其能量既不會被障礙物所吸收, 也不會產(chǎn)生反射或散射) , 通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān):[ L f s ] (dB) = 32144 + 20lg d(km) + 20lg f (MHz)式中, L f s 為傳輸損耗, d 為傳輸距離, 頻率的單位以MHz計(jì)算, 由上式可見, 自由空間中電波傳播損耗(亦稱衰減) 只與工作頻率f 和傳播距離d 有關(guān), 當(dāng)f 或d 增大一倍時,[ L f s ] 將分別增加6 dB。下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗L os = 32144 + 20lg d ( Km) + 20lg f (MHz) ,L os 是傳播損耗, 單位為dB[2 ] 。

　　標(biāo)簽電路原理圖如圖1 所示, 單片機(jī)控制發(fā)射芯片2401的收發(fā), 單片機(jī)通過一個3 線接口寫入一個單獨(dú)的配置寄存器, 工作時, 先置2401 為配置狀態(tài), 而后, 在激活狀態(tài)下,使用狀態(tài)字中指定的通道, 進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā), 收發(fā)過程中進(jìn)行交互時, 一方進(jìn)入等待狀態(tài), 如全部數(shù)據(jù)都傳送完畢, 則進(jìn)入掉電狀態(tài)。

　　2 　智能編碼圖像識別模塊設(shè)計(jì)

　　2.1.1 　智能視頻編碼框圖

　　在智能編碼圖像識別中, 編解碼是重要的, 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)編解碼技術(shù)框圖如圖2 、圖3 所示, 基于H1264 標(biāo)準(zhǔn), 也可采用國標(biāo)AVS 標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 　智能視頻編碼框圖

圖3 　智能視頻解碼框圖

　　在編碼過程中, 在采集到視頻序列后, 首先經(jīng)過視頻分割、運(yùn)動目標(biāo)跟蹤等技術(shù)得到ROI 區(qū)域(用戶感興趣的區(qū)域比如車牌號等) , ROI 區(qū)域可以根據(jù)用戶需求定制。對于無損要求的應(yīng)用, 借鑒J PEG2000 的編碼思路, 采用基于小波變換的改進(jìn)編碼間預(yù)測、運(yùn)動估計(jì)、熵編碼等方法進(jìn)行壓縮, 達(dá)到較高的壓縮比, 保證在接收端無差錯恢復(fù)數(shù)據(jù)。小波變換提供了一個信號的多分辨率/ 多頻率表示, 通過把一個信號進(jìn)行分析并得到在每一個子帶中信號所占的分量值來標(biāo)識一個信號,提供了更細(xì)的粒度, 使我們對于一個圖像的分級做得更加充分; 對于低損要求的應(yīng)用, 通過設(shè)計(jì)誤差較小的頻域變換方法和高效的熵編碼算法, 在保證壓縮質(zhì)量的同時提高壓縮效率, 最終實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮母咝Ц哔|(zhì)量編碼。

　　對于視頻中等其他區(qū)域, 首先經(jīng)過降采樣技術(shù)降低參與編碼的數(shù)據(jù)量, 然后對序列進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測、幀壓縮碼流后根據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)用, 并為解碼提供幀同步信息。解碼過程為編碼的逆過程。

　　2.1.2智能化視頻編碼的關(guān)鍵技術(shù)及硬件框圖

　　在實(shí)現(xiàn)ROI 區(qū)域智能無損/ 低損編碼時, 首先要根據(jù)用戶需求, 采用視頻分割、運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤、目標(biāo)輪廓提取及SVC 等技術(shù)提取ROI , 然后進(jìn)行編碼[6 ] 。視頻對象分割是指在時空域上將視頻分割為一些視頻語義對象的組合, 也就是將每一個視頻幀分割為一些不同語義對象區(qū)域。運(yùn)動目標(biāo)檢測與跟蹤采用改進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)對快速運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤, SVC 可分級視頻編碼, 使得編碼過程中的靈活性更好, 解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸捪拗? 視頻信號通過DSP 芯片對編解碼算法進(jìn)行優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定性強(qiáng)的編解碼功能。

圖4 　智能視頻編碼硬件框圖

　　3 　結(jié)束語

　　nRF2401 工作在214GHz , 無需申請, 適合交通應(yīng)用, 具有很多的優(yōu)良特性, 智能編碼傳輸圖像清晰, 文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在車輛稽查中發(fā)揮了很大作用, 標(biāo)簽通信距離最大可達(dá)100m ,圖像識別效果比傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確率高, 有源RFID 系統(tǒng)中的標(biāo)簽自帶電池的(也可配置電源模塊, 車載供電) , 可以主動發(fā)送信號, 不像無源標(biāo)簽需要讀寫器發(fā)出的無線電波能量激活才能工作, 反應(yīng)時間少, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的RFID 標(biāo)簽使用壽命為4～5 年, 設(shè)計(jì)標(biāo)簽采用3 V 的紐扣電池兩個并聯(lián)供電, 標(biāo)簽采用PCB 微帶天線, 閱讀器采用定向天線, 系統(tǒng)在使用中取得良好的效果, 但還有不完善的地方, 如后臺管理系統(tǒng)的人性化、便捷性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面還需要改進(jìn)。