前言

在數(shù)字錄像、數(shù)字監(jiān)控等領域內，人們通常只對場景內存在的物體運動感興趣。在這種情況下，需要對輸入的視頻信號進行預處理，識別場景中是否存在物體運動，也就是進行運動檢測，然后再決定是否做進一步的處理，例如錄像、報警等。對于錄像系統(tǒng)，通過運動檢測，能夠避免不必要的數(shù)字錄像，有效地減少系統(tǒng)所需存儲空間；同時可以加快檢索速度，提高資料有效性。對于監(jiān)控系統(tǒng)，運動檢測是一種監(jiān)視場景信息的有效手段。

1 控制器原理圖

控制器CPLD的設計及實現(xiàn)是運動檢測的核心部分，它需要對外圍的器件進行集中控制和處理。本文選用了Altera公司的CPLD EPM7128S84-15，采用VHDL作為硬件描述語言，但是所編寫的VHDL源程序既然適用于CPLD器件，又適用于FPGA器件。CPLD控制器設計框圖如圖1.1所示，控制器的整體結構大體上可分為圖像采集控制模塊、SRAM讀/寫控制、控制比較模塊等三個部分。

Fig1.1 System diagram

圖1.1 系統(tǒng)原理框圖

2 圖像采集與控制硬件部分

圖像采集部分選用了Philips公司的視頻A/D轉換芯片SAA7111A，SAA7111A是Philips公司推出的一款功能強大的視頻信號預處理芯片，最基本的功能是模／數(shù)轉換，輸出的是長寬比為4:3和16:9數(shù)字視頻信號，符合ITU601標準。在我國，通常采用的都是4:2：2采樣格式、PAL制式、長寬比為4:3的數(shù)字電視信號。

文中用到的CPLD是Altera公司的EPM7128SLC84-15，它具有128個宏單元、7.5ns的延時。SRAM芯片是ISSI公司的IS61C1024L-12，其容量為128K×8bit，具有10ns的延時。CPLD檢測到運動后，通過中斷，要求IME6400對信號做進一步處理。其系統(tǒng)結構圖如圖1.1所示。

SAA7111A輸出的是長寬比為4:3和16:9的數(shù)字視頻信號，輸出信號包括消隱期在內，每幀數(shù)據(jù)掃描625行，每行抽樣864個象素，因此總的分辨率是864×625。一幀數(shù)據(jù)分作奇偶兩場，從上一幀的624行到本幀的310行是奇場，其中上幀624行到本幀22行是奇場消隱期，從23行到310行是奇場有效行；從本幀311行到623行是偶場，其中311到335行是偶場消隱期，336到623行為偶場有效行。

在一幀圖像數(shù)據(jù)的采集過程中，最重要的就是對一幀圖像數(shù)據(jù)開始和結束時刻的判斷。在研究了SAA7111A所提供的同步信號（奇偶場標識信號）RTS0、場同步參考信號（VREF）、行同步參考信號（HREF）的時序關系的基礎上，用狀態(tài)機實現(xiàn)了對采集過程起止點的精確控制。RTS0信號的上升沿標識一幀新圖像的起點，VREF信號為高電平對應場圖像正程掃描時的有效像素行期間，在有效像素行期間，HREF信號為高電平對應像素有效采樣時間。只對一幀抽樣數(shù)據(jù)進行緩存，在對第二幀數(shù)據(jù)進行抽樣時讀取第一幀中與此刻抽樣的數(shù)據(jù)相對應的緩存數(shù)據(jù)，并將兩者進行比較，用一個計數(shù)器記錄比較結果，如果差值超過閾值，計數(shù)器加一，否則不加。當這個計數(shù)值超過某一個規(guī)定數(shù)值的時候，就認為輸入視頻數(shù)據(jù)中存在著物體運動。這樣做的好處是需要的緩存區(qū)較小，而且CPLD可以單獨對數(shù)據(jù)進行處理，提高運動檢測模塊的獨立性，運動檢測模塊可以單獨調試。

3 圖像采集控制軟件部分

系統(tǒng)中PAL制式下SAA7111A輸出的參考信號時序如圖1.2所示。其中LLC是像素時鐘信號，時鐘頻率為27MHZ，高電平表示輸出一像素點；HS為行同步信號，其上升沿表示行消隱期開始，下跳沿標志著新的一行采樣數(shù)據(jù)即將開始；VS為場同步信號，其上升沿表示場消隱期開始，下跳沿標志著新的一場采樣數(shù)據(jù)即將開始；RTS0為奇偶場標志信號，RTS0為高電平時，輸出奇數(shù)場采樣數(shù)據(jù)，RTS0為低電平時，輸出偶數(shù)場采樣數(shù)據(jù)。

Fig1.2 SAA7111A timing diagram

圖1.2 SAA7111A輸出的參考信號時序圖

系統(tǒng)中SAA7111A的初始設定為：一路模擬視頻信號輸入、自動增益控制、625行50Hz PAL制式、YUV4:2：2 （16bit）數(shù)字視頻信號輸出、設置默認的圖像對比度、亮度及飽和度。

讀/寫控制模塊的主要功能就是完成控制SRAM的讀寫。下面給出實現(xiàn)以上過程的一部分VHDL程序。

Sram_write_control process store_field valid spclk2 line_counter

begin

writing《=valid and spclk2 and spclk and store_field and line_counter0

end process

Sram_read_control process compare_field valid spclk2 line_counter

begin

reading《=valid and compare_field and spclk2 and line_counter0

end process

這兩個進程用于控制SRAM的讀寫信號，reading和writing正好和SRAM的讀寫信號反相。Valid變量指示當前輸入的行是否為需要采樣的有效行，spclk是象素數(shù)據(jù)同步脈沖，spclk2是它的二分頻，用于指示當前輸入數(shù)據(jù)是否為亮度分量Y。line_counter0=1表示奇數(shù)行。Store_field和compare_field分別指示本場數(shù)據(jù)是否需要保存或者需要比較。

update_data_bus process store_field valid ccd_data

begin

if store_field=’1’and valid=’1’then

data_sram《=ccd_data

else

data_sram《=”ZZZZZZZZ”

end if

end process

compare_data進程在抽樣的間隔（輸入為色度分量Cr或者Cb時）對前后兩次抽樣的數(shù)據(jù)進行比較，如果比較結果超過允許值，計數(shù)器pixels加1，否則不加。

motion_detect process pixels

begin

if pixels》max_pixels then

int0《=’1’

else

int0《=’0’

end if

end process

max_pixels是一個閾值，表示一幀數(shù)據(jù)中允許出現(xiàn)的不相等抽樣數(shù)據(jù)的最大數(shù)目，當計數(shù)器pixels超過max_pixels時，就認為檢測到了物體運動，CPLD將int0輸出管腳置高，向處理器請求中斷。這里max_pixels取600，它可以根據(jù)需要設置適當?shù)闹怠?/p>

當然這種檢測方法本身也有不足之處，最主要的一點是實際檢測到的只是攝像頭前光線亮度的變化，不能智能地判斷引起這種變化的原因，也不能判別運動物體的形狀。另一方面，從實驗結果來看，有時候會出現(xiàn)誤判；當運動物體離攝像頭比較遠時，檢測的靈敏度也會降低，出現(xiàn)漏判。誤判和漏判是一對矛盾，在實際應用中需要根據(jù)實際情況反復調試，選出最佳的閾值，減少這兩種情況的發(fā)生。

4 結論

本文作者創(chuàng)新點是結合在系統(tǒng)可編程技術，采用CPLD/FPGA芯片EPM7128S84-15設計圖像采集與處理控制器。該設計目前正在我院安全防范監(jiān)控系統(tǒng)中試用，效果良好。

責任編輯：gt