家居數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 駿

（江蘇省紫光智能系統(tǒng)有限公司上海分公司，201209）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像處理傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，促進(jìn)了視頻監(jiān)控向全數(shù)字化發(fā)展。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的家庭視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在一些不足，具體包括：成本高、簡(jiǎn)單、人為干預(yù)、不及時(shí)等等。鑒于此，該研究構(gòu)建了一種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠提供出不同尋常的畫(huà)面。圖像的采集需通過(guò)兩個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)，即硬件控制以及軟件控制：前者主要為了采集圖像；而后者主要是為了能夠?qū)崟r(shí)采集及實(shí)時(shí)處理連續(xù)性的圖像，它采用乒乓緩沖結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)采集視頻，用更新背景差分法來(lái)監(jiān)控視頻圖像，體現(xiàn)出獨(dú)具特色的主動(dòng)性與智能性。該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：具有體積小、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能穩(wěn)定等等。所以，它既具備社會(huì)信息化的特點(diǎn)，還能監(jiān)控本行業(yè)的發(fā)展。

1 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

為了起到有效的安全防范作用，視頻監(jiān)控的主要作用集中在以下三個(gè)方面：第一，事前預(yù)警，可對(duì)異常狀況進(jìn)行分析并報(bào)警；第二，實(shí)時(shí)瀏覽，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控點(diǎn)圖像的實(shí)時(shí)傳送；第三，事件回溯，可存儲(chǔ)監(jiān)控圖像并按需調(diào)用存儲(chǔ)資源。本研究的對(duì)象是一種數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠提供出不正常的畫(huà)面。該系統(tǒng)還具有智能性，可以檢測(cè)到異物，并在發(fā)現(xiàn)異常情況之后，能夠作出最好最快的反應(yīng)，壓縮有用信息，并將其存儲(chǔ)到本地中來(lái)，進(jìn)而協(xié)助用戶(hù)更有效及時(shí)地做出相應(yīng)的判斷及處理。圖1 為該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為Blackfin533 DSP（來(lái)自ADI 公司）。能夠在ADI 開(kāi)發(fā)平臺(tái)上連續(xù)采集視頻圖像，智能性地探測(cè)畫(huà)面中的異物，其目的包括以下3個(gè)方面：第一，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主動(dòng)化；第二，減弱視頻傳輸?shù)挠行?；第三，提供監(jiān)控視頻的證據(jù)。當(dāng)監(jiān)控畫(huà)面中出現(xiàn)異物的時(shí)候，其一，可以發(fā)送短信報(bào)告給用戶(hù)，及時(shí)地通知他們；其二，實(shí)現(xiàn)H.264 編碼及壓縮相關(guān)的異物視頻圖像，之后將其保存在本地，這樣一來(lái)，用戶(hù)就能夠經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸來(lái)察看此段不正常的視頻。

2 基于Blackfin DSP 的視頻采集系統(tǒng)

通常，傳統(tǒng)視頻采集系統(tǒng)獲得模擬信號(hào)的方式是經(jīng)CCD 攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，再經(jīng)視頻解碼芯片進(jìn)行解碼，處理得到的相關(guān)信號(hào)。傳統(tǒng)方式所構(gòu)建的系統(tǒng)具有以下不足，即不便攜帶、功耗高、體積大。較于CCD 圖像傳感器來(lái)講，CMOS 圖像傳感器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，即簡(jiǎn)捷、攜帶方便、價(jià)格低，應(yīng)用前景普遍看好。

本系統(tǒng)使用的模塊為CMOS 圖像傳感器，由OmniVision公司所產(chǎn)，型號(hào)為T(mén)GA130V10，以O(shè)V965 圖像傳感器為核心。OV9653 圖像傳感器具備自帶的光學(xué)鏡頭。它的有效感光陣列屬于1300*1028 類(lèi)型。能夠支持多種模式，包括VGA，SXGA，QVGA，QCIF 以及CIF 等等。較于傳統(tǒng)的CMOS 圖像傳感器，它所具備的優(yōu)勢(shì)在于能夠在芯片內(nèi)集成DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），便于芯片處理原始RGB 格式的相關(guān)數(shù)據(jù)，且經(jīng)寄存器輸出圖像數(shù)據(jù)。如果輸出QVGA 的視頻格式是320*240 的時(shí)候，它的最大傳輸率則是60fps，已經(jīng)達(dá)到了大于25fps 的要求。OV9653 圖像傳感器可經(jīng)數(shù)據(jù)端口實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)視頻信號(hào)的輸出，包括YUV、RawRGB 以及RGB 等等，無(wú)需A/D 轉(zhuǎn)換。

以下是由OV9653]以及BlackfinDSP533[14 攝像頭共同組建的視頻采集系統(tǒng)，具體見(jiàn)圖4。由I2C 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)CMOS 寄存器的配置，將YUV4：2：2 型的圖像輸出，經(jīng)實(shí)現(xiàn)PPI 口（Blackfin533）的配置，將采集數(shù)據(jù)經(jīng)DMA 的模式輸入到存儲(chǔ)器中，已備實(shí)現(xiàn)下一步的處理。

2.1 硬件控制部分

實(shí)現(xiàn)ADSP-BF533 處理器的PPI 接口同CMOSSensor 的連接，配置CMOS，用于處理器以及圖像采集實(shí)現(xiàn)照相功能。結(jié)合使用DMA，便能夠解決數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的矛盾。

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，全部采集工作均是由PPI 以及PPIDMA 實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)過(guò)程同DSP 沒(méi)有任何直接關(guān)系，之后將數(shù)據(jù)存到相應(yīng)的存儲(chǔ)器中，以備DSP 用。

①控制部分：

OV9653 是經(jīng)由OmniVision 公司生產(chǎn)的SCCB（串行攝像頭控制總線(xiàn)）來(lái)實(shí)現(xiàn)寄存器的讀寫(xiě)的，這樣就可以合理地控制輸出圖像。另外，和I2C 總線(xiàn)類(lèi)似，兩線(xiàn)制的SCCB 也屬于雙向同步串行型的。它的數(shù)據(jù)傳輸是經(jīng)主器件來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的，連接到SCCB 的每一個(gè)設(shè)備均被分配到唯一的一個(gè)地址，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)尋址可大大節(jié)省片選從器件的時(shí)間。其中，兩線(xiàn)制的SCCB 僅僅包含項(xiàng)，即串行數(shù)據(jù)SIO_D 以及串行時(shí)鐘線(xiàn)SIO_C。因?yàn)锽lackfin533 不包含I2C 型接口，所以在使用通用型的I/O 口PF0 以及PF1 來(lái)模擬SCCB 總線(xiàn)時(shí)序的時(shí)候，需要設(shè)置OV9653 的寄存器相關(guān)參數(shù)。

②數(shù)據(jù)輸出部分

BlackfinDSP 使用PPI（專(zhuān)用的并行外設(shè)接口）來(lái)傳輸圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合使用DMA 便能夠解決數(shù)據(jù)出現(xiàn)的矛盾，降低在DSP 資源上的消耗程度，促使DSP 內(nèi)核能夠集中于處理后端問(wèn)題。

PPI 的接口能夠配置成為8位到16位寬度的數(shù)據(jù)。應(yīng)用兩同步的輸入模式來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)。VSYNC（幀同步信號(hào)）表示一幀數(shù)據(jù)的起始，連接到PPI_FS1/ TMR1（PPI 接口的同步信號(hào)1 線(xiàn)）；水平像的信號(hào)表示一行數(shù)據(jù)的起始，連接到PPI_FS2/ TMR2（PPI接口的同步信號(hào)2 線(xiàn)）；PCLK（像素時(shí)鐘）表示某像素?cái)?shù)據(jù)的起始，連接到PPI_CLK（PPI 接口的時(shí)鐘線(xiàn)），見(jiàn)圖3。

2.2 軟件控制部分

（1）圖像連續(xù)采集的實(shí)現(xiàn)

所謂視頻的形成，指的是連續(xù)采集圖像的結(jié)果。實(shí)現(xiàn)某全局標(biāo)志位的定義：即bIsFinishedCapImg。如果采集完上一幀的圖像后，就可以在攝像頭的中斷處將此標(biāo)志位設(shè)為真，以備下一幀的圖像采集所用，使用while（1）循環(huán)，來(lái)判斷標(biāo)志位的真假，如果是真，采集下一幀圖像，并將其存儲(chǔ)到特定的buffer 當(dāng)中。圖像采集結(jié)束之后，設(shè)置標(biāo)志位為假，繼續(xù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集。調(diào)節(jié)攝像頭的幀率為每秒25 幀以上，即為常見(jiàn)的連續(xù)視頻圖像采集。

（2）圖像實(shí)時(shí)采集的實(shí)現(xiàn)

在連續(xù)圖像采集完之后，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集及處理，應(yīng)用乒乓型緩沖結(jié)構(gòu)，主要目的包括：直接提供給恒速視頻編解碼以及變速DSP 圖像處理器以合理的通道。它的機(jī)理見(jiàn)圖4。此結(jié)構(gòu)的原理是這樣的：即經(jīng)輸入數(shù)據(jù)的選擇單元，把數(shù)據(jù)流分配給2個(gè)緩沖區(qū)。第一個(gè)緩沖周期，將數(shù)據(jù)流緩存到模塊一；第二個(gè)緩沖周期，經(jīng)輸入數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)單元切換的選擇，將數(shù)據(jù)流緩存到模塊二，與此同時(shí)，還需將模塊一所緩存的第一周期的數(shù)據(jù)經(jīng)輸出數(shù)據(jù)的相關(guān)選擇單元實(shí)現(xiàn)其選擇，并交予運(yùn)算處理單元處理；第三個(gè)緩沖周期，再次切換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖的輸入、輸出模塊，循環(huán)進(jìn)行下去。

在SDRAM 當(dāng)中，創(chuàng)建2個(gè)320×240 的數(shù)組。一幀320×240的圖像以DMA 的方式由PPI 口輸入，并將其置于其中的一個(gè)數(shù)組當(dāng)中，這個(gè)數(shù)組的空間被放滿(mǎn)之后，就通過(guò)CPU 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)此幀圖像的處理。同時(shí)，繼續(xù)輸入第二幀的圖像，將其置于第二個(gè)數(shù)組當(dāng)中，保證CPU 在完成第一幀圖像的處理之后，實(shí)現(xiàn)第二幀圖像的處理，大大增強(qiáng)了編碼效率。

3 入侵檢測(cè)

作為智能視頻監(jiān)控的重要步驟，入侵檢測(cè)成為了跟蹤及識(shí)別后續(xù)工作的基礎(chǔ)。目前，圖像的入侵檢測(cè)法分為3 類(lèi)：即背景差分法、光流法以及幀間差分法。

比較上述3 種圖像入侵判斷法，最終選用算法較為簡(jiǎn)便的更新背景差分法。將攝像頭CMOS 的輸出格式設(shè)成YUV（4:2:2）。Y 信號(hào)表示亮度信號(hào)。U 信號(hào)表示B-Y 色度信號(hào)的矢量水平信號(hào)，U=0.493（B-Y）。V 信號(hào)表示R-Y 色度信號(hào)的矢量垂直信號(hào)，V=0.877（R-Y）。在實(shí)際的背景差分判斷中，僅僅關(guān)注于亮度信號(hào)，所以只需采集Y 信號(hào)。YUV（4:2:2）信號(hào)囊括了亮度、色度信息，并將其以16bit 二進(jìn)制的形式輸出。序列見(jiàn)圖8。

在亮度值進(jìn)行提取之后，兩幀圖像的時(shí)差為十秒，將前1 幀作背景圖處理，后1 幀和更新之后的背景進(jìn)行相減運(yùn)算。通過(guò)對(duì)比兩幀圖像的亮度值來(lái)實(shí)現(xiàn)其序列變換的檢測(cè)。如果結(jié)果小于閾值T，說(shuō)明沒(méi)有出現(xiàn)異物，如果結(jié)果大于閾值T，說(shuō)明出現(xiàn)異物，可認(rèn)為此時(shí)的系統(tǒng)出現(xiàn)了異常情況。其中，閾值的確定是正常情況下多次實(shí)驗(yàn)差分的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

由鑒于視頻監(jiān)控在各個(gè)方面的重要作用，（具體地包括：安全的保護(hù)、的預(yù)防、家庭情況的了解、家人的遠(yuǎn)程照顧等等），其需求的增長(zhǎng)必定成為不可替代的發(fā)展趨勢(shì)。其中，普通消費(fèi)家庭的需求將成為其新興市場(chǎng)的重要發(fā)展方向。該數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建基于ADSP-BF533 型開(kāi)發(fā)板，主要優(yōu)勢(shì)在于具備智能性、靈活性以及可擴(kuò)展性等等。本研究的成果能夠直接地應(yīng)用到家庭的視頻監(jiān)控中來(lái)，有利于智能監(jiān)控系統(tǒng)的深入發(fā)展。

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