（信号与信息处理专业论文）袖珍型视频监控系统产品化设计.pdf

摘要 本文介绍了一种基于单片机的袖珍型视频监控系统，系统利用摄织机舱视 固定场景，摄象机的视频信号被系统采集后存入帧存储器中，系统比较采集到 的前后两帧数字图象，如果变化超过了阈值就发出声光报警并启动录象机记录 下当时的场景。 系统设计了时间产生和视频叠加电路，时间产生电路产生实时日期和时间 信息，视频叠加电路将日期、时间信息叠加到原始视频信号上送给监视器和录 象机。图象比较处理过程中用到的各项参数都可由用户设定，为此系统设计了 键盘输入电路，使设置参数十分方便。 系统设计中的大量的逻辑控制功能的实现采用了a l t e r a 公司的c p l d ，成功 地实现了袖珍型设计。论文介绍了可编程器件的分类与特点，重点介绍了a l t e r a 公司的c p l d f p g a 产品，尤其是系统中用到的m a x 7 0 0 0 系列器件。详述了 用a l t e r a 公司的e d a 工具m a x + p l u s i i 设计a s i c 的设计方法和设计过程。 ， 根据上述设计，用p r o t e l9 8 绘制了印刷电路板。( 印制板有两块，面积分别 为f 7 l l c m 2 和1 1x 5 c m 2 ) ，安装并调试了样机。 该监控系统小巧灵活，工作稳定可靠，具有很高的高灵敏度和极低的误报 率。由于采用单片机作为系统的智能控制芯片，系统造价较低，具有较高的性 价比，便于推广应用。 u 关键词： c p l d ，f p g a a d 转换 单片机 视频监控 动态图象检测 a b s t r a c t ap o c k e tv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb a s e do nm c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) i s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e rp i c k u pc a m e r a sa r eu s e dt ok e e pw a t c ho nf i x e ds p o t st h e v i d e os i g n a lg e n e r a t e db yap i c k u pc a m e r ai sa c q u i r e db yt h es u r v e i l l a n c es y s t e ma n d s t o r e di n t oaf r a m em e m o r y t w of r a m e so fd i g i t a li m a g ea r ec o m p a r e di ft h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w of r a m e so f i m a g ei sh i g h e rt h a nat h r e s h o l d ，s o u n da n dl i g h t w i l lb eg i v e no u tt oa l a r m m e a n w h i l e ，av c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) i st u r n e do n a n ds t a r t sr e c o r d i n gt h es c e n e t i m eg e n e r a t i n ga n dv i d e ob l e n d i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e dr e a l t i m ed a t ea n d c l o c ki n f o r m a t i o ni sg e n e r a t e db yt h et i m eg e n e r a t i n gc i r c u i t ，b l e n d e dw i t ht h e o r i g i n a lv i d e os i g n a lb yt h ev i d e ob l e n d i n gc i r c u i t ，a n ds e n tt ot h em o n i t o ra n dt h e v c ru s e r sc a ns e ta l lp a r a m e t e r su s e di nt h ei m a g ep r o c e s s i n gp r o c e d u r et od ot h i s ， k e y p a di n p u ti sd e s i g n e da so n ep a r to ft h es u r v e i l l a n c es y s t e m t h u s ，t h es e t t i n go f p a r a m e t e r sb e c o m e sv e r yc o n v e n i e n t c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i e e ) i sa d o p t e di nt h ed e s i g n i n go ft h e l a r g ea m o u n to fl o g i cc i r c u i t si nt h es y s t e ma l t e r ac ol t dm a n u f a c t u r e st h ed e v i c e u s e da ni n t r o d u e t i o no fp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e si sc o n t a i n e di n t h i sp a p e rt h e c p l d f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) p r o d u c t so fa i t e r a e s p e c i a l l yd e v i c e s o fm a x 7 0 0 0s e r i e s a r ed i s c u s s e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，m a x + p l u si i ，t h ee d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) t o o lo fa i t e r a i si n t r o d u c e d t h ep r o c e d u r eo f d e s i g n i n ga s i cw i t ht h ea i do f m a x + p l u s1 1i sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nj u s td e s c r i b e d ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d sa r ed e s i g n e dw i t h t h ea i do f p r o t e l9 8t h e r ea r e t w ob o a r d s w h o s ea r e a sa r e1 7 1 1 c m 2a n d1 i 5 c m 2 r e s p e c t i v e l yas h o w p i e c ei si n s t a l l e da n dd e b u g g e d t h es u r v e i l l a n c es y s t e mi ss m a l la n de x q u i s i t e ，w o r k ss t a b l y ，h a sav e r yh i g h s e n s i t i v i t ya n dh a r d l ya l a r m sb ym i s t a k e b e c a u s eo ft h ea d o p t i o no fm c ua s i n t e l l i g e n tc o n t r o ld e v i c e s ，t h ec o s to ft h es y s t e mi sv e r yl o w t h i sm a k e si te a s yf o r t h es u r v e i l l a n c es y s t e mt ob ea d o p t e dw i d e l y 髂ah i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o w c o s t p r o d u c t k e y w o r d ： c p l d f p g a a dc o n v e r s i o n m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) v i d e os u r v e i l l a n c e d y n a m i ci m a g ed e t e c t i o n 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 监控系统简述 人类社会不断进步，总是产生新的需求，刺激着科学技术的不断发展。对 人身、财产安全要求的不断提高，促进了人们对监控系统的需求。过去，对重 要地点的监控是由人来完成的，表现在仓库等地都有人来职守。现代社会，需 要监控的地点越来越多，不仅仅是为了保护财产，还为了保护机密材料，尤其 是在一些保密单位，监控系统尤为重要。 在银行、超市、仓库、博物馆、监狱及一些保密单位，需要对某些关键地 点长期监控，严防有人侵入。现代监控系统的作用就是完成对重要场所的监控， 在有人侵入时发出报警信号以及时通知值守人员。 早期的监控系统，如我们在许多影片中所看到的一样，采用红外线探测器， 靠感应热能的变化来探测入侵者，将入侵者发出的红外线能量转化为报警控制 信号。由于日常生活环境中有许多物体都能发出类似于人体的红外线，这种监 控系统的误报率很高。后来产生了微波与红外线探测器相结合的双鉴探测器， 这种系统可以有效地探测到入侵者并且具有较低的误报率，但不能记录现场信 息。 视频信号含有极其丰富、直观的信息，最符合人们的观察习惯，因此许多 先进的监控系统都利用视频信号进行监控，不仅检测灵敏度高，而且便于记录 和观察现场信息。早期的视频监控只是由值班人员在控制赘切换各个监视l i 的 视频信号，轮流监控，这种系统实际上只是一种监视系统，不能自动报警。随 着数字图象处理技术和数字电路技术的发展，图象信号的数字化和处理变得比 较普遍，利用数字图象处理技术进行动态检测和现场监控都已成为现实，而且 具有相当高的灵敏度和可靠性。 本文所介绍的视频监控系统就是一种采用了数字图象处理技术的，高灵敏 度、低误报率且具有较高性能价格比的监控系统。它可以自动发出声光报警并 且自动录像，记录现场信息。 1 2c p l d f p g a 概述 c p l d 和f p g a 是近年来兴起的新型可编程器件，它们都采用最先进的大 规模集成电路技术制造，具有很高的集成度，可以集成复杂的数字电路系统。 天津大学硕士学位论文 用c p l d ，f p g a 实现的数字电路系统，采用了硬件电路的“软件”设计方案， 不仅具有更高的可靠性，而且可以实现小型化，在节约成本的同时还提高了产 品的性能。 目前，市场上最有代表性的c p l d f p g a 产品有x i l i n x 的x c 4 0 0 0 系列和 a l t e r a 的f l e x l 0 k 系列。这两种产品都可以达到几十万逻辑门，内部可以集成 极为复杂的数字系统，并且具有很高的速度，甚至可以支持超过i o o m h z 的系 统时钟，内部性能更是远远超过1 0 0m h z 。x i l i n x 和a l t e r a 的最新f p g a 产品 都达到了l ，0 0 0 ，0 0 0 逻辑门，速度更快。 x c 4 0 0 0 系列器件是用规则的、灵活的可配置逻辑块( c l b ) ，由高效分层 的可编程互连资源连接，由可编程输入输出功能块( 1 0 b ) 围绕来实现的。c l b 提供构造用户逻辑的功能单元；i o b 提供封装引脚和内部信号引线的接口；可 编程互连资源提供布线通道连接这些可配置功能块的输入与输出到相应的网 络。器件的功能是由加载配置数据到内部存储单元来确定的。 f l e x i o k 器件由一组( 8 个) 逻辑单元( l e ) 组成个逻辑阵列块( l a b ) ， 所有的逻辑阵列块排成行和列，每一行里还包含一个单一的嵌入阵列块( e a b ) 。 多个l a b 和e a b 采用快速通道互相连接，快速通道的末端连接到i o 单元 ( i o e ) 。器件的功能也是由所加载的配置程序决定的。 以【：- 两利，器件都属于f p g a ，a l t c r a 的m a x 7 0 0 0 系列器什足弛型的c p l d 产品，它基于e 2 p r o m 工艺，无需存储配置程序的专用p r o m ，比f p g a 更有 利于减小电路板的面积，实现小型化设计。本文所介绍的视频监控系统，在设 计中就采用了一种m a x 7 0 0 0 系列的器件，成功地实现了系统的袖珍型设计， 有效地缩短了设计周期，设计结果更具灵活性和可靠性。 i 。3 论文的：t 要工作 本文研究了图象动态检测的技术与实现方法，详细介绍了袖珍型视频监控 系统的软、硬件组成及原理，阐述了可编程a s i c 的分类及设计技术详细介 绍了利用c p l d f p g a 设计数字电路系统的方法和步骤。 袖珍型视频监控系统硬件由图象动态检测与自动录像控制、时间信息的产 生与视频叠加两大部分组成，每部分又包含几个小部分。论文对各个部分电路 的工作原理，电路实现以及使用到的重要器件的参数作了详细的介绍，给出了 部分电路工作过程中的信号波形，并对电路调试中出现的典型问题作了深入的 分析，提出了解决办法，使电路达到了设计要求的各项指标。 天淬火学硕士学位论文 c p l d 在系统设计中的应用是系统实现袖珍型方案的关键，论文用较大篇幅 介绍了可编程a s i c 的分类、优点和应用。具体介绍了a il e r a 公司的c p l ) f i ( 矾 器件( 重点是姒x 7 0 0 0 系列器件) 的内部结构及性能特点。简爱介绍了a l t e r a 公司的e d a 工具m a x + p l u s i i ，详细介绍了使用m a x + p l u s i i 和c p l d 设计和仿真 部分系统电路的过程，并且给出了设计原理、波形图、设计输入圈和仿真结果。 对电路的仿真结果表明，利用c p l d 所实现的这部分电路完全达到了设计要求， 工作稳定可靠。 最后，我们对整个系统进行调试并通过，结果表明本系统监测灵敏度很高， 能有效地完成监控录像与报警功能，误报率极低。 天津大学硕士学位论文 第二章动态检测算法及软件 2 1 采用的算法及其优点 2 i i 帧差法 图象动态检测的基本方法是帧差法，即逐一比较相邻帧内的对应象索，也 就是求相邻帧的帧差，如果帧差为零，则图象未发生动态变化；如果帧差不为 零，则图象发生了变化。但是在实际应用中，由于受到环境亮度变化、电路噪 声、a d 误差等多种因素的影响，即使图象未发生变化，帧差也往往不为零。 因此必须引入一个合适的象素灰度阈值d 。同时，检测灵敏度往往是要根据用 户要求可调的，需要再引入一个灰度变化象素数目闽值p 。在d 和p 阈值条件 下，帧差法可以用公式( 1 ) 表示如下： 鲫卜1 ) _ 差别出型竿型型 ( 1 ) 曩j ) = 书引 若g ( t t i ) p ，则l 刳象发! e 变化； 若g ( t ，t 一1 ) p ，则阁裂术发化变化。 其中f ( i , j ，t ) 和f ( i , j ，t i ) 是第t 帧和t - l 帧( u ) 处的象索灰度值，i ，j = l ，2 ，1 2 8 。如果每个象素用1 个字节来描述的话，系统所需帧存储器规模 为1 2 8 1 2 8 字节。 很容易看出，帧差法容易受到图像噪声的影响。在脉冲噪声干扰下，( 堋，t 1 ) 的结果将严重失真。一般情况下，阅值d 的选择不会大于脉冲噪声i 幅度，若脉 冲噪声的概率为p ，则g ( t ，t - i ) 的误差大小为1 6 3 8 4 x p 。在高斯噪声影响下， 若阈值d 选择太小，结果就会失真。由公式可知阈值p 的取值范围是o 1 6 3 8 4 ， 显然在这么大的取值范围内选定合适的检测灵敏度是不方便的。帧差法的主要 运算是减法、比较转移及加一操作，算法简单，但要处理的数据量很大，以每 帧1 2 8 x1 2 8 象素为例，每进行一次比较要读取1 2 8 x1 2 8 2 = 3 2 7 6 8 个灰度数值， 作i 2 8 x1 2 8 = 1 6 3 8 4 次绝对值减法、比较转移等。尤j e 足当捉黯比较罔象的分辨 率时，算法用时将以平方速率增长。 2 i 2 块平均值比较法 一、算法原理 4 墨! 量查鲎堡主主焦! ! 墨一 在本系统中，我们借鉴分块原理，引入平均值计算，采用了块平均值比较法n 将图象分成m 个n x n 人小的r 块，拨以f 判捌决定削象足行发! i i r 动念变化： o 匿兰( m i , i ，7 ) 一 l ，= lj = i 1 匿n n ( u ，力一 i ，# l ，= i 岛( r ，一1 ) = g b ( t ，一l ) 如果g b ( t , t 1 ) p ，则图象发生了变化； 如果g b ( t ，t 1 ) p ，则图象未发生变化。 其中，名( i j ，t ) 和f b ( i , j ，t 1 ) 分别是第t 帧和第t - l 帧中子块b 内( u ) 点的象素灰 度值。 d 是每个子块的灰度差的阈值。 p 是整幅图象的灰度差阚值，以子块数为单位。 ( 说明：d 和p 这两个闽值可以由用户设定。) 二、抗干扰性能 从公式( 2 ) 可以看出，块平均值比较法以子块的平均值做闲值比较，相当 于对图象作了一次均值滤波，可以有效地抑制高斯噪声。对于它抑制脉冲噪声 的能力分析如下： 设图象脉冲噪声概率为p ，f l 是均匀分布。其幅度为a ，则祀块b 。内，脉 冲噪声所引起的块平均值变化量为 硝2 i n 2 = 刚 只要满足p a ， 、j、， l l 一 一 丁 r ， ， o p 厶 厶 天津大学硕士学位论文 均值结果可以暂存，在下一次比较时滨出使用即每做一次帧比较只需要汁算 一帧的块平均值，在采集图象分辨率为1 2 8 1 2 8 的情况下，其处理的数据量为 1 2 8 1 2 8 = 1 6 3 8 4 ，小于帧差法。在灵敏度选择上，闽值p 的取值范围l 分小， 较之象素数目更容易由用户选定。 ：i 、榆测的灵敏度汞f 速度 块平均值比较法是基于分块原理的，分块的大小，也就是n 的取值，是影 响分块算法检测灵敏度和计算比较速度的重要因素。 “0 。 回 0o oo o 阉 口o o0 oo 0o 0o 0o o0 回 o 0o o 0 固 o oo 往检测灵敏度方面，当被检测运动物体烛块 状时，只要n x n 子块小于二运动物体的大小就不 会出现漏检。若采用块平均值比较法，即使物体 略小于块尺寸，只要物体与背景灰度差别比较大 也可以检测出来。当被检测的运动物体是线状时， 为了保证检测灵敏度，n 的取值应尽量小。考虑 到最不利因素，n 值小于等于线状物体的最小宽 度才能保证不发生漏检。如图21 所示，n 取值 圈2 1 囝墓睑刹是敏度田示 为3 ，竖线为线状运动物体，其宽度为2 个象素， 此时就会发生漏检。 在运算速度方面，采用块平均值法时，n 的取值越大，子块的数目m 就越少， 这只会影响块比较次数和暂存的数据量，象素累加的总运算量不变因而动态 检测速度不会有明显的改善。所以在存储器容量足够的情况下，n 值可以取得 小一点以提高检测灵敏度。 四、采用块平均值比较法的原因 综上，由于本系统采用便携式设计再考虑到价格方面的因索整个系统 是基于单片机的，计算薰不能太大，算法不能太复杂，又要达到一定的灵敏度。 综合考虑算法复杂度和检测的灵敏度等因素，块平均值比较法完全满足我们的 需要。这种方法既达到了相当高的灵敏度，又能有效地防止脉冲噪声的干扰， 并且可以用单片机实现，完全符合本系统的要求。 2 2 图象动态检测软件 本系统采用8 0 c 3 1 单片机来完成智能控制和图象处理功能，软件完全由单 片机汇编语言写成。8 0 c 3 1 系列单片机具有很强的位处理能力，适于控制图象 6 走律大学硕士学位论文 采集和报警操作，并目具有很强的开发潜力。8 0 c 3 1 单片机内核为8 化，刚它 来实现块平均值比较法时，若采用8 8 分块，则正好有2 5 6 个子块，可以用一 个字节表示，累加循环等操作很方便，而且8 8 个像素灰度累加结果不超过1 6 位，不会发生溢出。在满足灵敏度要求的前提下取n = 8 ，采用8 x 8 子块。在1 4 局部检测时，处理的帧存数据量变为6 4 6 4 ，为了统一用户设定的检测灵敏度 标准，仍将图象分为2 5 6 个子块，因此采用的子块大小为4 4 。 图象动态检测程序的主要任务是完成图象采集控制、帧存储器中的两帧数 据的处理检测( 即用块平均值比较法来比较前后两帧的图象数据来检测图象的 动态变化) 和发报警信号。 动态检测程序流程图如图2 2 。 在采集过程中，为了防止图象的奇偶场之间的差别给动态检测带来误差， 系统只在奇场( 也可以在偶场) 内采集图象。利用电路中使用的同步分离芯片 l m l 8 8 1 输出的奇偶场信号，从8 0 c 3 1 的p i6 口读入该信号，通过软件判断电 平高低来判别是在奇场还是偶场，再决定是否开始采集图象。在整个程序的开 始，先初始化各寄存器和标志位，然后检测奇偶场信号，如果为1 则开始采集， 否则循环检测p i 6 口，直到奇偶场信号为1 再开始采集。 系统的帧存储器被分为两部分a 和b ，分别存储两帧数字图象。在程序中 设置帧标志位，标志位为0 则将采集到的数字图象存到帧存a ，标志位为1 则 将采集到的数字图象存到帧存b 。然后将两帧图象进行比较处理。本系统可以 进行全局检测或1 4 局部检测，究竟进行何种检测，可以由用户设定。在处理 程序的开始，程序通过读取标志位决定是要进行全局检测还是进行局部检测。 如果检测结果足图象发生l r 变化，则进入报警处理部分，稿：雌 机的p 34ii 川 软件发出一个宽度为4 0 m s 的负脉冲，驱动声光报警并启动自动录像。如果检 测程序没有发现变化，则延时一段时间后进行下次采集和检测延时与否及 延时长短可由用户设定。 考虑到图象采集的时间和发报警脉冲的时间( 各约4 0 m s ) ，在进行全局检 测时，每秒可以检测四次：在进行1 4 局部检测时，检测速度大约可以比全局 检测快一倍，最高达到每秒八次。 7 墨堡查兰堡主兰垡堡苎一 进行下一次检测 图2 2 图象动态检测程序流程图 8 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件原理与结构 本系统主要由两部分组成，即动态检测与录像控制单元和时间产生与视频 叠加单元。框图如图31 。系统中采用了两片单片机8 0 c 3 l ，分别用于图象检测 控制与视频叠加，前者称为8 0 c 3 1 a ，后者称为8 0 c 3 1 - b 。 r 一一一一一一一一一一一一一一1 摄像机l _ 一 - 4 - 动态检浏与录像控制l 控制信号 1 录像机 l 。l 州“1 刁仉然i 删声肇鲁勰插叠加 !- l 视频信号 i 图3 i 系统框图 、啦制嚣 在单片机8 0 c 3 1 a 控制下，动态检测与录像控制单元将摄像机输入的视频 信号采集帧存入帧存储器，间隔一定时间再采集一帧存入另一帧存储器，然 后将两帧数据按前述原理进行比较并统计比较结果。根据统计结果决定是否启 动录像和声光报警。8 0 c 3 1 - b 则控制产生时间信息和视频叠加，将实时日期、 时间信息和参数设置信息叠加在摄象机输入的视频信号上并送给录像机和监视 器。此外，时间产生与视频叠加电路还附有键盘接口，用于控制图象采集、动 态梭测的进行和设置参数。 3 1 动态检测与录像控制单元 本单元电路完成数字图象的采集与动态检测，如果检测到动态图象就肩动 录像机进行录像，同时发出声光报警信号。其功能框图如图3 2 。 这一单元主要由前置放大、a d 转换、帧存储器、同步分离、时钟发生、地 址发生、地址选择以及录像与报警控制电路等八个部分组成，这八部分在 8 0 c 3i - a 的控制下协同工作。下面分别介绍各个部分。 9 天津大学硕士学位论文 8 ， d b 杖存选择 if ：二_ i j 帖在倍墨 掣l 竺 r ：! f 黟i 地 址 8 0 c 3 1 选 ( a ) 而_ i 面- 择 电 路 a b nl r l 打 _ v - s y n c ll 图3 2 动态检测与录像