基于 RK3399 5G 通信和图像增强算法的交通监控系统设计
目前中国交通监控系统存在着传输速率低、低稳定性差，丢包率高，并且系统成像易受雾霾和低照度的外部因素影响使监控视频关键信息丢失，导致识别算法准确率下降的问题。针对上述的问题，设计一种结合 5G 无线通信技术和图像增强算法的交通监控系统。该系统在硬件方面利用 5G 通信设备传输视频数据，并在服务器端采用改进的单尺度 Retinex 算法对交通监控图像进行去雾。引入反转图像通过大气散射模型对图像亮度进行
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现代交通迅速发展，同时也带来了提高交通效率，保障交通安全，加强交通管理等诸多问题。因
此寻找有效的方法对交通道路实施高效准确的监控具有重要意义。采用更先进的通信技术和图像
处理技术，就能够实现对交通流量的合理管控，预防交通事故发生［1］。 目前中国道路监控系统在信息传输方面，大部分采用的是有线传输的方式，有线传输虽然带 宽大，但是布线和后期维护成本高。王轲等［2］采用无线通信的方式传输视频信息。但是由于带宽
限制无法满足实时传输的条件，将降低对路况信息判断的准确性。随着 5G 技术的应用，无线通信
的速率和稳定性都得到极大的提高［3］。同时，恶劣的天气条件影响交通监控图像的清晰度也会降低路况信息判断的准确性。王卫星等［4］提出了合改进Retinex和分阶微分的雾霾公路交通图像增 强，利用快速引导滤波来估计初始照射分量，采用 初始分阶微分掩膜对反射分量进行增强。董 炜 等［5］提出了基于改进 Retinex 的城市交通图像增 强算法，利用引导滤波求取输入图像的光照分量， 对反射分量进行分数阶积分掩膜，将处理后的反射分量与照射分量相乘，得到最终的增强图像。以上算法均对雾天交通监控图像有良好的增强效 果，但是在户外交通环境复杂，除雾霾外，光线不 足也会对交通监控图像识别造成很大的影响。虽然红外相机以被广泛应用于监控领域［6］，但是红 外相机的使用是有条件限制的，只有当物体温度 高于环境温度，红外相机才能拍摄到物体。而传 统的视频增强技术，例如直方图均衡化在视频序 列的实时处理中效果并理想。 针对以上问题，提出一种交通监控系统，利用 5G 无线通信传输视频信息，并在服务器端采用改进
单尺度 Retinex 算法获得去雾后的图像，通过反转图 像利用大气散射模型对低照度图像的亮度进行增 强，最后将去雾后的图像与亮度增强后的图像进行 加权融合，降低雾霾和低照度对系统成像的影响， 提高识别算法的准确性。
1 系统整体方案
本系统是由电荷耦合器件图像传感器( charge coupled device，CCD) 、5G 无线通信模块、服务器和 客户端组成。 利用 CCD 采集交通视频信息，5G 通信模块将 采集到的视频信息传输到服务控制中心，在服务器 端先对视频图像进行预处理，对雾天图像和低照度 图像进行去雾和提升亮度的操作，提高对比度和清 晰度并进行存储。接着采用交通事件识别算法对 交通事件进行识别，最后将识别的信息发送到客户 端进行预警。系统整体结构如图 1 所示。
2 终端系统设计
2. 1 基于 5G 无线通信的无线传输 对于交通监控系统而言，信息的收集和分析是
十分重要的。信息数据的收集效率越高，管理人员对各种交通事件做出反应的时间就越短。因此本
系统采用 5G 无线通信的方式传输视频信息。实时 高清视频流的传输需要带宽达到一定的大小并且 能够保持稳定，带宽的波动会影响视频传输的稳定 性。分别测试 D1、720P 和 1 080P 3 种格式的每秒 15 帧的视频流所占带宽大小，如表 1 所示。
1 080P 格式的视频的分辨率最高，因此视频监 控图像的细节信息也最丰富，相应的 1080P 格式的 视频所占带宽也最大。目前，中国 4G 网络理论下 行速率是 100 Mbps，上行速率是 50 Mbps。而 5G 网 络下行速率可达到 1. 4 Gbps，上 行 速 率 可 达 到 284 Mbps［6］。在实际使用过程中单个设备能达到 理论值的 1 /4，因此使用 5G 无线通信，能使 1 080P 的监控视频到达实时传输的要求。
2. 2 终端硬件选型与设计
终端硬件主要包括 CCD 传感器、RK3399 处理 器和 MH5000 通信模组 3 个部分。
( 1) CCD 传感器: 采用 MV-EM510M/C 型号的 CCD 相机。最高分辨率为2 456 ×2 058，最高帧率为15 fps。
( 2) MH5000 通信模组: MH5000 是华为首款单 芯多模5G 工业模组，支持5G SA/NSA 双模，上行速 率可达 230 Mbps，下行速率可达 2 Gbps。
( 3) RK3399 处理器: RK3399 具有强大的视像 处理器，双图像信号处理 ( image signal processing， ISP) 具有 800 MPix /s 的像素处理能力，支持双摄像
头的同时数据输入和高级处理，能够流畅的实现 H． 264编解码的功能，能够同时进行两路视频编码 和五路视频解码。并且拥有丰富的外围接口，支持 RJ45 千兆网口和 USB3. 0 Type-C 双端口，为数据的 高效传输提供了硬件基础。 CCD 传感器通过网线与 RK3399 主板相连。在
终端系统工作时，RK3399 对 CCD 传感器采集的原 始图像进行编码，将实时视频流通过 USB3. 0 接口 传输至 MH5000 无线通信模组，同时在存储设备内 进行存储。终端硬件结构如图 2 所示。
2. 2. 1 千兆网口设计
本系统中用于连接 CCD 传感器的千兆网口设 计采用了 RTL8153-VB-CG 低功耗 USB 3. 0-to-Giga- bit Ethernet 控制芯片，将 RK3399 的一个 USB3. 0 接 口转换为千兆网口。原理图如图 3 所示。
2. 2. 2
5G 通信模组设计
5G 模 组 包 含 4 个 天 线 接 口 ( ANT0、ANT1、 ANT2、ANT3) 、一个 USB3. 0 接口和高速串行计算机 扩展总线( peripheral component interconnect express， PCIE) 接口。5G 模组硬件框架如图 4 所示。 MH5000 状态控制电路如图 5 所示，可以看出， 本系统中 MH5000 状态控制可分为手动模式和自动 模式。手动模式可通过按下按键 PWRON，来拉低 MH5000 对应引脚的电位。自动模式下通过 STM32 输出一 个 控 制 信 号，使 得 MOS 管 Q1 导 通，拉 低 MH5000 对应引脚的电位，实现控制 MH5000 模组 工作状态的功能。
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