（计算机应用技术专业论文）家庭安全监测记录系统的设计与实现.pdf

摘要 近年来，数字化技术的不断发展、成熟和完善，为发展新一代的数字视频采 集、图象处理、分析识别系统提供了有利条件。使其不再仅仅局限于工业生产 而是越来越广泛地应用于日常生活，高科技和信息技术( r r ) 正在由智能大厦( i b ) 走向智能化住宅小区，进而走进家庭。本课题的目标是设计一个适用家庭的安全 监测记录系统。 一般的数字视频监控产品体系庞大，价格比较高；而传统的安全监控系统是 以模拟技术为基础的。由于模拟技术的固有缺陷，导致模拟监测录像系统存 在诸多问题，不能满足家庭需要。本文介绍的解决方案电路简单、价格低廉，可 广泛地应用在普通家庭的数字化系统家庭安全监测记录系统。当发生异常情 况时能及时记录第一手资料，使公安部门在侦破工作中，清楚的了解现场情况， 使得犯罪分子行迹败露无疑，为住户提供最大限度的安全保证。 本文提出了系统设计方案，并通过实验论证了该方案的有效性。该系统以单 片机作为主控芯片，采用红外传感器对外界进行感应监测，根据红外线信号，对 相应摄像头加电控制。摄像头获取视频信号，经视频预处理电路后由a d 转换电 路转换为数字信号，由硬件控制a d 转换器并产生数据缓存器的地址，然后把缓 存器中图片数据转换为与设备无关的点阵位阁文件格式b m p 文件格式，以 f a t l 6 格式组织文件系统，存储到c f 卡( c o m p a c tf l a s h ) 。图像在计算机中进行显 示与处理，变得非常便捷，只需逶过读卡器在p c 机w i n d o w s 操作系统中读取c f 卡即可，便于公安部门、业主的检索、查阅、送入计算机中进行处理。 关键词：安全监测；黑白全电视信号；时序设计；文件系统 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ff a m i l ys e c u r i t y - m o n i t o r i n g a n dr e c o r d e rs y s t e m a b s t r a c t c o n s t a n td e v e l o p m e n t , m a t u r i t ya n dp e r f e c to fd i g i t i z i n gt e c h n i q u e ，o f f e ru st h e a d v a n t a g e s t h a td e v e l o pd i g i t a l v i d e o a c q u i s i t i o n ，v i d e op r o c e s s i n ga n di d e n t i f y i n g s y s t e mo fn e wg e n e r a t i o n t h e yd o e s n to n l yc o n f i n et oi n d u s t r yp r o d u c t i o na n yl o n g e r , b u tw i d e l ya p p l yt od a i l yl i f em o r ea n dm o r e h i - t e c ha n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ( i d a r eb e i n gm o v e dt o w a r d si n t e l l i g e n th o u s i n gd i s t r i c tf r o mi n t e l l i g e n tm a n s i o n ( i b ) a n d t h e nc o m ei n t ot h ef a m i l y t h ep a p e rp r o v i d e sas y s t e m 一f a m i l ys a f e t y m o n i t o r i n g a n dr e c o r d e rs y s t e m p r i c e so ft h eg e n e r a ld i g i t a lv i d e oa c q u i s i t i o nd e v i c e sw h i c ha r eh u g e s y s t e ma r e h i g h e r a n dt h et r a d i t i o n a ld e v i c e sa r eb a s e do na n a l o gt e c h n i q u e t h e yh a v en a t u r a l d i s a d v a n t a g e sa n d c a n tb eu s e di nf a m i l y t h es o l u t i o nt h a tt h i st e x ti n t r o d u c e si ss i m p l e ， c h e a p ，a n dc a nb e 、i d e l ya p p l i e dt ot h ef h m i l y f a m i l ys a f e t y m o n i t o r i n ga n d r e c o r d e rs y s t e m i tr e e o r d e sf i r s t h a n dm a t e r i a l si nt i m ew h e nt h eu n u s u a ls i t u a t i o nt a k e s p l a c e a tt r a c k i n g d o w nw o r ka f t e r w a r d s ，p o l i c ec a l lu n d e r s t a n do n - t h e s p o ts i t u a t i o n c l e a r l y , m a k ec r i m i n a l st r a c eu n d o u b t e d l yf a l lt h r o u g ha n ds t a n de x p o s e d a n y w a y t h e s y s t e mo f f e r st h es a f e t ya s s u r a n c eo f t h em a x i m u mt oa l lh o u s e h o l d s t h i sp a p e rp r o v i d e sas c h e m ea n dh a sp r o v e dt h ev a l i d i t yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t t h es y s t e mm o n i t o r so n - t h e s p o ts i t u a t i o n , u s i n gt h ei n f r a r e di n d u c t o r b a s e d0 n a t 8 9 c 5 2 ，a c c o r d i n gt oi n f r a r e ds i g n a li tc o n t r o lt h ec c d w h i c hc a p t u r e sv i d e oi m a g e s t h e nt h e ya r ec h a n g e di n t od i g i t a l ss i g n a lb ya da f t e rp r e t r e a t m e n tc i r c u i to fv i d e o t h ep u l s ec i r c u i tc o n t r o l sa dc o n v e r t e ra n dp r o d u c e sa d d r e s so ft h ed a t a b u f f e r m e m o r y t h ed a t ao fp i c t u r ew h i c hs t o r ei nb u f f e rm e m o r y8 2 6t r a n s f o r m e di n t od e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p b m r f i n a l l yt h es y s t e ms t o r e s i ti nc fc a r d ，o r g a n i z i n ga s f a t l 6 s os h o 、i n gp i c t u r e si np cb e c o m e sm u c hm o r ee a s y p e o p l ec a l lr e a dc fc a r d j u s tt h r o u g ht h ec fc a r d sr e a d e r i t sc o n v e n i e n tt h a tp o l i c ea n do w n e r sr e t r i e v e ，i n s p e c t a n dp r o c e s st h e s ep i c t u r e si np c k e y w o r d ：s a f e t ym o n i t o r i n g ；c o m p o s i t ev i d e os i g n a l ；t i m i n gd e s i g n ；f i l es y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：塞匿塞全监测记量丕统的遮盐生塞现：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 敝作者魏 聊魏旌l 班 日期：年月日 第1 章绪论 1 1 课题提出背景 随着信息化时代的到来，数字技术的发展、图像数据编码技术及标准的 改进、芯片成本的不断下降，促进了数字化图像技术的发展和在现实生活中 的广泛应用。各种新颖的数字化图像应用系统层出不穷，如数字摄像机、电 视会议、可视电话、网眼、视频点播以及各种类型的监测、监视系统。因此， 作为安全防范系统核心的闭路电视监控与报警系统正面临着一场巨大的变 革，取而代之的是数字化图像监控系统。 传统的安全监控系统是以模拟技术为基础的。由于模拟技术的固有缺 陷，导致模拟监控录像系统存在诸多问题，不能满足家庭需要。模拟系统的 功能分立、系统庞大，存在着管理困难，系统的扩展能力差等问题，更不便 安置在居民家中：录像存储介质为磁带，难以进行有效的信息查询和检索： 模拟视频图像的传输需要架设单独的视频传输线路。随着电子技术的飞速进 步，传统的闭路电视监控系统正向着数字化图像监控系统演变【“。数字化图 像监控系统是将多媒体技术与监控技术有机结合起来的全新的监控系统，它 充分发挥数字化监控的管理优势。运用实时监控、数字化传输、数字化存储 及图像处理等计算机技术，实现智能化管理。 数字化图像监控记录系统以计算机或微处理器为中心，数字图像处理技 术为基础，利用图像数据编码技术及标准，结合监控系统的实际要求及多年 来不断完善的安防理论和经验，综合利用传感器、自动控制和人工智能等技 术，有时融入网络技术，是一种新型图像监控记录系统【”。 与传统的模拟监控相比，数字监控具有许多优点。 第一，便于计算机处理。由于对图像进行了数字化，所以可以充分利用 计算机或微处理器的快速处理能力，灵活地对其进行压缩、分析、存储。 第二，适合远距离传输。数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号 衰减的影响，而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实时监测现 场。特别是在现场环境恶劣或不便于直接深入现场的情况下，数字化图像监 测能达到亲临现场的效果。即使现场遭到破坏，也照样能在远处得到现场的 真实记录。 第三，便于查找。在传统的模拟监测记录系统中，当出现问题时需要花 大量时间观看录像带才能找到现场记录；而在数字化图像救测系统中，通过 建立文件系统以及索引，在几分钟内就能找到相应的现场记录。 第四，系统易于管理和维护。数字化图像监测记录系统主要由电子设备 组成，集成度高，图像传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块 化结构，体积小，易于安装、使用和维护。 正是由于数字化图像监控记录系统具有传统的模拟监控记录系统无法 比拟的优点，因此近年来在各行各业得到了广泛的应用。 由于其应用的不同，各种图像监控记录系统有自己独特的要求。但是市 场上现已成型的数字化图像监控记录系统，就单个家庭环境而言，结构过于 复杂、造价成本较高，更适用于工业、商业场合以及智能化小区。因此本文 提出了一种采用图片拍照方式、脱机监测记录系统，来降低系统造价。它记 录事发现场的图片，为事后处理分析提供信息。这个系统体积小，自身带有 存储器，无需通信网络，因此可以独立安装使用，亦可以作为大型监测记录 系统的辅助设备。 1 2 课题来源及研究意义 本课题鉴于以下两方面而提出的： 一方面，近年来在交通管理、工业生产、舫火、小区管理等现场监控中 使用多媒体监控技术，可对采集到的图像、声音、报警探测器探测到的信息 进行处理，从而可得知是否要报警或进行相应的控制。例如博物馆贵重文物 保护系统，用正常的文物图像做标准，一旦文物有移动或增加了另外的图像， 便可以立即用声、光、电进行综合报警【4 】。图像技术的不断发展和完善，监 测技术将势必走入人们的日常生活。 男一方面，随着社会经济迅速发展，人们对住宅的关注已经不再局限于居 室面积、周边环境、交通等方面，而是把更多的兴趣和注意力放在与外界沟 通、信息服务、安全防范、物业管理方面，这就要求传统的住宅小区采用先 进的科技手段延伸服务功能。人们安全防范意识日益提高，其对于安全防范产 品的要求也愈来愈高，而图像监测记录系统无疑是安全防范技术体系中不可 缺少的重要组成部分。无奈的是，传统的监测系统，始终无法达到较好的性能价 格比。也就是说，人们需要的是一种既要功能强、工作可靠，误报率低，又要价 格大众化的产品【”。 本课题的提出解决了上述矛盾，以单片机作为主控芯片，红外线传感与摄 像头分别与主控扳通信，通过红外线的中断信号，主控板对摄像头进行加电控制。 搭建图片处理的高速数字电路，图片数据转换为与设备无关的点阵位图文件格式 b m p 文件格式，存储到c f 卡( c o m p a c tf l a s h ) 。读取c f 卡非常便捷- 只需通 过读卡器在p c 机w i n d o w s 操作系统中即可，便于公安部门、业主的检索、查阅。 课题的实际意义在于能够准确地捕捉到现场的一手资料。为公安部门及时破 案提供有效的线索和依据，使得犯罪分子无处可藏，犯罪行迹败露无疑，使 人民生活安全系数得到保障。 1 3 论文所做的工作及论文结构 1 3 1 论文所做的工作 1 )总体方案设计。 首先进行需求分析，明确系统功能。充分了解当前数字税频监测系统市 场应用和研究情况。设计一套技术先进，功能上鞴足家庭需求的数字图像监 测记录系统。基于本课题的目的、用途和资金投入等主要因素，选择硬件产 品，对系统进行总体设计，包括系统的硬件结构和相应的软件功能模块。系 统功能模块如图1 1 所示。 统功能模块如图1 1 所示。 红 外 线 监 视 家庭安全监涎记录系统 现场监测l 图片获取i 图片编码il 图片存储 摄 像 头 加 电 图 像 获 取 模 数 转 换 同 步 分 离 存 储 到 缓 存 器 时间 信息 的叠 加 文 件 编 码 格 式 图1 1 总体功能模块示意图 f i g 1 1d i a g r a mo fg e n e r a lf u n c t i o n a lm o d u l e 与 c f 卡 通 信 建 i 卫 文 件 系统 2 ) 现场监测系统 家庭安全系统的设计，首先要保证的应该是万无一失，能随时监视到潜入室 内非法分子活动的一切动迹，因此本系统采用红钋传感器对外界进行感应监测。 通过红外线的中断信号，主控板对摄像头进行加电控制。为区别对待屋主与非法 入侵分子，在系统中增设一个隐秘开关，当屋主进入室内后，会关掉这个开关。 从而不致使系统启动。 3 ) 图片数据采集系统 由于本系统应实现实时拍照功能，整个系统硬件设计为高速数字电路。系统 对备环节软、硬件的处理时间有严格的限制。该子系统硬件主要由图像预处理 电路、同步分离器、抗干扰电路、高速a d 转换电路、数据缓冲存储器、地 址发生电路、时钟电路、控制电路组成。软件主要涉及图片中叠加时间信息、 转换为b m p 图片文件格式两方面。 4 ) 图片数据存储系统 考虑到c f 卡的工作电压宽、容量大、体积小、节能模式、可靠性高、 即插即拔等优点，以及价格问题，系统存储介质选择了1 2 8 m 的c f 卡。图 片文件存放到c f 卡上以f a t l 6 文件系统格式组织存储。这是个通用的解 4 决方案，因为这样可以得到现有的d o s 和w i n d o w s 等文件系统支持。 5 ) 系统测试、总结 将系统中各功能模块进行整合、测试，完成一个功能比较完备的数字化 安全监测记录系统。 1 3 2 论文结构 本论文共分五章。 论文的第一章绪论。对论文的背景、课题来源以及作者所做的工作进行 简略介绍，提出论文研究内容和重点。 第二章视频信号及其同步分离，重点阐述了视频信号的组成、同布分离 电路的组成及其原理。从全电视信号中将行同步信号、场同步信号、奇偶场识别 信号“提取”出来，作为采集控制逻辑部分的输入信号，并控制a d 采样进程， 以保证图像信号能够正确可靠的转换和存储，为论文开展下面的工作做铺垫。 第三章图片信号采集系统的设计。在第二章的基础上，首先详细分析、 介绍了系统的组成和硬件电路时序设计，包括预处理电路、同步分离电路及拭干 扰电路、高速a d 转换电路、缓冲存储器、时钟电路；接着介绍了系统的软件设 计信号采集、时间信息的叠加，以保证图片中包含采集时刻时间信息，从而 为公安部门提供更详尽的资料；最后就数字图像结构及处理进行阐述。 第四章图片信息存储系统。主要分为两部分：c f 卡及其接口电路设计介 绍；c f 卡的数据存储格式，即分区结构、f a t l 6 文件系统、文件系统基本操作设 计、总结四部分。 第五章对全文进行简明的总结。 第2 章视频信号及其同步分离 2 1 视频信号的组成 电视为了准确存储图片信息、重现图像，必须传送图像信号；为了消去行、 场扫描的回扫线，使其不干扰正常的图像，必须传送行、场消隐信号；为了保证 扫描的同时，必须传送复舍同步信号。为了让这三种信号能用一个通道传送，并 在接收端可以方便地将它们分开，必须在发送端按一定规律将这三种信号组合起 来，这个合成信号称为黑白全电视信号。黑白全电视信号由图像信号、复合同步 信号和复合消隐信号组合而成。 为了使三者互不干扰，并且能够方便可靠地进行分离，黑白全电视信号按下 列方式组成： ( 1 ) 图像信号安排在行、场扫描的正程，复合消隐和复合同步信号安排在行、 场扫描的逆程。 ( 2 ) 图像信号位于白色和黑色电平之间，复合消隐信号的电平规定比黑色电平 稍黑。消隐电平和图像黑色电平之差称为黑色电平提升。图2 1 为一行全电视信号。 从中可见，图像信号、行消隐信号、行同步信号三者在时间与幅度上的差别；黑 色电平提升量d 等于消隐电平与白色电平差值( 7 0 ) 的0 5 。 幽2 1 一行全电视信号 f i g 2 1 ar o w o f w h o l e v i d e os i g n a l 6 m ( 3 ) 复合同步电平比复合消隐电平具有更黑的电平，即“比黑还黑”。这样复 合同步信号与图象信号、消隐信号在幅度上有较大的差别，便于在接收端用简单 的限幅器( 即同步分离级) ，从全电视信号中分离出复合同步信号。图象信号和复 合消隐信号不必要再分开，可以直接送给显象管作为图象信号使用。如图2 2 ，全 电视信号由图象信号、消隐信号和同步信号组成。顺序的规定为：第一个齿脉冲 的前沿即同步的前沿又兼为行同步的前沿规定为第一场( 奇数场) 起始点，扫描 行序号从此计起。计到第3 1 2 5 行第一场结束，第二场开始，直到第6 2 5 行，完 成一帧。2 5 h 的场消隐期间( h 为一行扫描所需的时间) ，有1 7 行空闲，可传送 特定的测试行信号、台标信号、标准时间、标准频率、业务数据和图文电视等。 tt 3 l o t 3 1 l b l 2 t 3 1 3 t 3 1 4 t 3 1 5 t 3 1 6 t 3 1 7 乍1 8 t 3 1 9t 3 3 5t 3 3 6 乍3 7 几几u 岬爪删刖l n 扎儿丑且 lul j 卜。5 t 什1 q 5 t 什2 5 t 叫乙j 前均衡 ：开槽场同步! 后均衡 奇数骘：堡墼场始l ! 齿脉冲! 图2 2 全电视信号 f i g 2 2w h o l ev i d e os i g n a l t 2 3t 2 4t 2 5 综上所述，黑白全电视信号具有三大特征：周期性、单极性和脉冲性。由于 电视采用周期性的扫描，所以电视信号具有明显的行、场周期性或准周期性。由 于图象亮度只有正值而无负值；所以电视信号是单极性的。电视信号的脉冲性表 面为两点：其一，图象信号本身是一系列象紊所产生的电脉冲信号组合而成的。 其二，复合消隐和复合同步信号都是周期性的脉冲信号1 6 1 。 2 1 1 图象信号 图象信号是携带着一行行、场场景物信息的电信号，通常它是由摄象管产 生的。例如电视台每天播发的一幅八条从自到黑宽度相等的垂直条图象，如图2 3 ( a ) 所示，其特点是：只有水平方向变化，而无垂童方向变化，所以它是按行周 期变化的。按照信号幅度正比于亮度大小的原则画出一行的信号波形如图2 3 ( b ) 所示。由于图2 4 ( a ) 所示的只有垂直方向变化，而无水平方向变化，显然它是 按场周期变化的。采用类似方法画出一场的信号波形如图2 4 ( b ) 所示。 图2 3 垂直条图像信号 f i g 2 3v e r t i c a li m a g es i g n a l 图2 ，4 水平条图像信号 f i g 2 4h o r i z o n t a li m a g es i g n a l 由上两例可见，因为图象亮度只有正值而无负值，所以图象信号也是单极性 的。黑色的信号电平对应为零，灰色和白色的信号电平都是正值而无负值。图象 信号的极性在电路传送与处理过程中是经常变化的，如电路某处为正极性，经过 一次放大倒相后，就变成负极性的了。为了方便起见，有如下规定：若图象越亮， 信号电平越高，则称为正极性图象信号。反之若信号电平随着图象亮度的增加而 降低，则称为负极性图象信号。上述两例所对应的负极性图象信号分别如图2 3 ( c ) 和图2 4 ( c ) 所示1 7 1 。 2 1 2 消隐信号 消隐信号在摄象设备中是防止扫描束在逆程检取光电信号，在显象设备中是 防止扫描的逆程在屏路上显出光迹、混淆图象。 一般摄象设备的消隐时间小于显象设备的消隐时间。例如广播电视摄象机就 利用行脉冲、场脉冲作消隐信号。行脉冲宽7 7 微秒，场脉冲宽9 行至1 5 行周期， 见图2 5 ，其中h 表示一行的周期。广播电视送给接收机的消隐信号比较 晰脉冲n 酆到飞肚 忙= j 曳 图2 5 推动脉冲信号 f i g 2 5p u l s es i g n a lp r o m o t e d 长，这是为了保护同步信号，和允许接收机有稍长的逆程时间。行消隐与场消隐 组合成一个复合消隐信号，其中行消隐宽1 2 微秒，场消隐宽约2 5 行周期；它们 具有一样的电平，见图2 6 。上下两列波形的差别在于行场消隐的相对时间( 位置) 错开半行周期，这是隔行扫描所决定的。 从工作时间效率的角度上看，消隐是个消极因素，然而消隐信号能提供固定 的基准电平，这对于正确重显亮度层次又是极为重要的，是积极的作用。消隐基 准电平是应用钳位技术的前提j 。 9 1 2 p s 图2 6 复合消隐信号 f i g 2 6s i g n a lo f m i x e db l a n k i n g 2 1 3 同步信号 同步信号以脉冲形式加在消隐电平上，它的极性与图象信号极性相反，这意 味着同步电平比黑电平“更黑”。同步信号幅度与图象信号幅度之比为三比七，在 全电视信号中成为三七开。 复合同步脉冲信号包括行同步信号和场同步信号。行同步信号用来控制行扫 描，在发送端每行结束时，发出一个行同步脉冲，接收机收到这个脉冲后，立刻 结束一行的扫描而开始回扫。同样，场同步信号用来控制接收机场扫描的回扫。 行、场扫描的逆程期间传送同步信号，这样，同步脉冲就不会在屏幕上显示 出来。为了便于在接收端将行同步脉冲与场同步脉冲分离，这两种脉冲的宽度不 同。我国电视规定：行频为1 5 6 2 5 h z ，行同步脉宽为4 7 us ，场频为5 0 h z ，场同步脉 宽为2 5 + l 1 5 6 2 5 = 1 6 0t ts 1 9 】。场同步脉冲的宽度2 5 t h ( t h 为行周期 ，t h = 6 4 us ) 即为1 6 0 hs 。复合同步信号的波形如图2 7 所示。 且筠1 厂几秭l 一陋一b t h 卜l 1 6 0 。一 图2 7 复合同步信号的波形 f i g 2 7w a v e f o r mo f m i x e ds y n cs i g n a l 行同步脉冲叠加在行消隐脉冲上，宽度为4 7us ，脉冲前沿比行消隐脉冲前 沿迟后1 5us ，形成行消隐前肩；并在行同步之后有一个5 8us 的行消隐后肩， 消隐后肩可以提供基准的消隐电平。如图2 8 所示。一行的起始时刻从行同步的前 沿为基准开始计时的，是以行同步前沿时刻开始行扫描电流逆程的。 复合消隐信号 行 同 步 信 号 场 同 步 信 号 图2 8 行同步脉冲信号 f i g 2 8h o r i z o n t a ls y n cp u l s e 复合消隐信号 ( 起始时刻) 图2 9 场同步脉冲信号 f i g 2 9v e r t i c a ls y n cp u l s e 场同步脉冲叠加在场消隐脉冲上，宽度为2 5 t h = 1 6 0 u s ，其前沿比场消隐前 沿迟后2 5 t h = 1 6 0 u s 。场同步规定为一场图象信号的起始时刻，控制场扫描逆程 开始。如图2 9 所示。 由于奇偶场同步脉冲与其紧密相邻的前面的行同步脉冲有间隔为h 和h 2 之分，会导致奇偶场积分起始电平有差异，使奇偶场时间间隔不同，如图2 1 0 ， 为保证隔行扫描良好，将宽1 6 0 u s 的场消隐前肩上的行同步改为每半行一个宽度 为2 3 5 u s 的5 个前均衡脉冲，它们在场同步脉冲前起到缓冲作用，保证隔行扫 描光栅精确镶嵌。同时，均衡脉冲的前沿仍可给出行同步信息。为了保持对称性， 在场同步脉冲后加入5 个后均衡脉冲，参数和前均衡一样【1 0 1 。 偶奇奇o 埚 nn 广i 订10吣n0 广i 订n1 籍解。棼 in 1 厂丽磊 0i吣。n 厂i 翮0n 枣准埠周瞿 厶，叭强t t 、夭刃 碗燃张闻 i a t 71 眦、 偶数场时间 图2 1 0 奇偶场场同步积分输出波形 f i g 2 1 0i n t e g r a lo u t p u tw a v e f o r mo f o d d e v e nv e r t i c a ls y n cs i g n a l 2 2 视频信号的同步分离 摄像头输出的是将图像信号，同步信号，行、场消隐信号这三种信号组合起 来形成的黑白全电视信号。行同步脉宽为4 7 us ，场频为5 0 h z ，场同步脉宽1 6 0 us 。 若要对视频信号进行采集，就必须准确地把握各种信号阀的逻辑关系。在该方案中， 使用专用芯片l m l 8 8 1 将行、场同步脉冲分离出来。l m l 8 8 1 是正极性图像信号输 入、t t l 电平输出芯片，从而简化了电路。 2 2 1l m l 8 8 1 芯片 l m l 8 8 1 可以从o 5 2 v 的标准负极性n t s c 制、p a l 制、s e c a m 制视频信 号中提取复合同步、场同步、奇偶场识别等信号，这些信号都是图像数字采集所需 要的同步信号，有了它们，便可确定采集点在哪一场，哪一行l m l 8 8 1 也能对非标准 的视频信号进行同步分离，通过固定的时间延迟产生默认的输出作为场同步输出。 l m l 8 8 1 主要特点如下： 1 ) 交流耦合的复合视频输入信号源： 2 ) 大于1 0 ko 的输入阻抗： 3 ) 小于1 0 m a 的消耗电流： 4 ) 复合同步和垂赢同步输出： 5 1 奇偶场输出； 6 ) 色同步输出； 7 ) 水平扫描频率可达到15 0 k h z ； 8 ) 边沿触发的场输出； 9 ) 对于非标准视频信号产生默认的场同步输出。 2 2 2l m l 8 8 1 芯片的输出信号 一、复合同步信号输出 引脚l 输出为复合同步信号，为高电平。复合同步信号延迟1 0 5us 后至行消 隐电平后肩。延迟至消隐电平的后肩是为了避免计数器在行逆程期间计数，减小 误差。行同步脉宽为4 7 hs ，而行消隐电平与行同步脉冲相比有1 5u 前肩和58 us 的后肩，故延迟时间定为1 2 1 ts 。 二、奇偶场脉冲输出 视频图像信号一帧画面分2 场扫描，第1 场先扫描奇数行1 、3 、5 、，称为奇 数场；第2 场扫描画面上的偶数行2 、4 、6 、，称为偶数场奇数场开始的前一行 为完整的1 行，偶数场开始的前一行为1 个半行，引脚7 输出的低电平表示为偶场 高电平表示为奇场 。 三、场同步信号输出 引脚3 输出为场同步信号，为高电平。 2 3 本章小结 本章介绍了黑白全电视信号，由图象信号、复合同步信号和复合消隐信号组 合而成，对这三种信号的波形、参数及其作用又分别进行了详细的讨论。在此基 础上，又介绍了视频同步分离芯片l m l 8 8 1 的主要特性、基本原理和主要输出， 1 4 第3 章图片信号采集系统设计 3 1 系统的组成和硬件电路时序 卜传感器竹i 鬻惯嚣酬r a 骑。6 2 8 器1 2 。1 ： i ? j 。地址是： 厂 l 同步分离i l ： l 红外线l l m l 8 8 1 ： i 悸恐器i；h s ；一 单片机 【一 v s i i 时钟曼警、地 o d e v 一i 址发生器 口7 一 jl ，空制 ；控制作f 号： 模拟信号中断： i 一二一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j = 二数据总线 图3 1图像信号采集系统结构框图 f i g 3 1b l o c k d i a g r a mo f v i d e os i g n a l a c q u i s i t i o ns y s t e m 本系统由红外线监测电路、视频预处理电路、视频同步分离电路、高速a d 转换电路、数据缓冲存储器、时钟电路、控制电路组成。 系统的结构框图如图3 - 1 所示，采用红外传感器对外界进行感应监测，检测到 有人闯入，产生红外线中断信号，从而单片机对相应摄像头加电。摄像头获取视 频信号，经视频预处理电路后由a d 转换电路转换为数字信号，时钟脉冲电路产 生a d 转换器的启动信号和数据存储器的地址，可根据需要把某一幅或某几幅视 频图象存入高速静态存储器中，然后可根据需要把s r a m 中的图象以b m p 文件 格式存入到c f 卡中，并建立文件系统，以便曰后检索、查询。 对于一个安全监测记录系统，我们希望记录的图片所占存储空间越小越好， 同时又希望能拍摄更清晰的图片。1 ) 权衡两者，选定抓拍的图片水平分辨率为每 行5 1 2 个像素，垂直分辨率每幅图像若采集2 5 6 条扫描线。2 ) 本文中摄像头获取 图像为p a l 制，每帧6 2 5 行，隔行扫描，即每场3 1 2 5 行。如图3 2 ( a ) 所示。 若对每场图像进行间隔采集，其结果如图3 2 ( b ) ；另外一种方案即只采集一场图像， 如图3 2 ( c ) 。将两者进行比较，两者在图像大小相近的情况下，明显图3 ，2 ( c ) 较图 3 2 ( b ) 图像扫描线分布均匀，图像质量较好，故本文采用第二种方案只采集奇 数场图像数据。 ( a ) 原始图像 ( ”间隔采集 ( c ) 采集奇数场 图3 2 采集方案分析 f 遮3 2a n a l y s i ss c h e m eo f a c q u i s i t i o n 系统微处理器选择单片机a t s 9 c 5 2 。 a t m e l 公司推出的a t 8 9 c x x 系列兼容c 5 1 的单片机，完美地将f l a s h ( 非易失 闪存技术) e e p r o m 与8 0 c 5 l 内核结合起来，仍采用c 5 1 的总体结构和指令系统， f l a s h 的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使 用。内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、方便灵活的专用 控制寄存器、2 5 6 字节的片内r a m 、4 组8 位的并行口、三个1 6 位的可编程定时 计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器及各种逻辑运算和转移指令。是理 想的低电压、微功耗的家用电器类控制的经济型单片机【i “。 单片机8 9 c 5 2 的寻址空间分为两个空间：程序空间与数据空间。每个空间6 4 k b 字节，而存储大容量图像照片是远远不够的，按照5 1 2 2 5 6 像素点一幅照片的格 式计算，每个像素点用8 位表示时，一幅图片需要1 2 8 k 字节存储量，将占满整个 数据存储空间，因此，对存储器扩充，才能满足需要。同时还耍考虑到红外线信 号、摄像头、c f 卡所占用的空间，c m o s l 2 8 8 7 所占用的空间，各控制对象占用 的空间等等，要统一安排，否则出现资源不够的现象。 1 6 系统硬件地址区间分配如表3 1 衰3 一l 硬件地址区间分配表 t a b 3 it a b l eo f d i s t r i b u t i n gh a r d w a r e sa d d r e s s 地址区间容量硬件类型 所用器件读写属性 0 0 0 0 h -1 2 8 bc m o s 时钟d s l 2 8 8 7 * 1 r w 0 0 7 f h 8 0 伽峨-1 b红外线输入7 4 l s 2 4 4 + lr 8 0 f f h c 0 0 0 h l b输出控制( 开关选择，7 4 l $ 3 7 4 lw d f f f h 摄像机加电控制等) e 0 0 0 h 1 b记录控制7 4 l $ 7 4w e f f f h 2 0 0 0 0 h 1 2 8 k b 缓冲存储器 6 2 8 1 2 8 * lr w 3 f f f f h 3 1 1 红外线监测电路 家庭安全系统的设计，首先要保证的应该是万无一失，能随时监测到潜入室 内非法分子活动的一切动迹，但同时能区别对待屋主与盗窃分子，因此本系统采 用红外传感器对外界进行感应监测。并设计如下： ( 1 ) 红外传感器与摄像头一对一的关系 图3 3 摄像头与红外传感嚣分布图 f i g 3 3d i s t r i b u t i o no f c c d a n di n f r a r e di n d u c t o r 1 7 为能达到实时的监测，系统设计时对摄像头与红外传感器采取一一对应。四 个红外传感信号通过与门控制，选择输入c p u 的i n t 0 。 为降低系统的功耗，在室内正常情况下，只有红外传感器、单片机加电，其 余外围电路均不加电。一旦c p u 检测到红外线中断n t 0 信号，单片机在延迟 后，立即对外围电路加电勺i l l i n e o ，而后调用c h a n g e o i 函数，来对相应的摄像头 进行加电控制。 ( 2 ) 系统区别屋主与非法入侵分子的设计实现 室内一旦有动迹，红外传感器都会产生低电平信号，而启动整个系统。当主 人活动时，都会监测，这是没有道理的。因此，系统的设计应该考虑到这个问题。 为避免上述情况的发生，在系统中增加一个隐秘开关，当屋主进入时，会关 掉这个开关。从而不致使系统启动。同时屋主从进屋到关掉开关需要一定的时间， 因此在c p u 检测到红外传感信号时，需要设定一定的延迟w a i t 0 ，再调用c h a n g e o 等其它函数。该延迟不宜过长不宜过短，因此设定该延迟为1 5 s 。w a i t o 醒i 数的实 现通过设定定时器来实现。 3 1 2 图像预处理电路 由于本系统所采用的c c d 输出的视频信号的范围为o 1 。5 v ，而a d 转换 器t l c 5 5 1 0 可从+ 5 v 电源获得2 v 的满刻度基准电压【1 3 1 ，所以应把视频信号进行 放大与处理，转换为a d 转换器能接受的信号范围，在这里我们采用了a d 公司 的专门用于视频转换的放大器a d 8 0 4 1 ，a d 8 0 4 1 是具有低功耗电压反馈特性的高 速放大器，应用在视频电子设备如摄像机或其他一些高速手持设备中是非常理想 的，其框图如图3 4 所示【4 】。它构成的视频预处理电路如图3 5 所示，可知 u o = r f ( u i r 2 + 5 r 3 ) ，为实现把范围是o 0 7 v 的u i 转换为t l c 5 5 1 0 所允许的输 入范围( 满标值) 2 v ，应把视频信号u i 放大( 2 o ) ( o 7 0 ) = 2 0 7 = 3 倍，所以r f r 2 = 3 2 由上述计算和分析可取r f = - 7 5 k q ，r 2 = 5 k q ，r 1 = 5 k q ，r = 1 5 k q ，取r 3 为2 0 k q 的电位器，在电路中进行调节。 令 一+ l a d 8 0 4 1 ( t o pv i e w ) 图3 4 a d 8 0 4 1 的结构及引脚分布 f i g 3 4s t r u c t u r ea n dp i nd i s t r i b u t eo f a d s 0 4 1 图3 5 视频预处理电路 f i g3 5v i d e op r e p r o c e s s i n gc i r c u i t 3 1 3 视频同步分离电路 在黑白视频信号中主要包括灰度信息、行同步及场同步信息，如图3 5 所示， 典型的黑白全电视信号具有l v 的峰值，其上部7 0 代表图象灰度( 1 v 白，o 3 v 黑) ，低于o 3 v 为同步信号。对于6 2 5 线电视系统，一幅完整的图象由两场各3 1 2 5 行交叠而成。每一帧图象前面有一长帧同步脉冲，这一信号的出现是幅图象开 始的标志【l ”。 1 9 u t 舶 叫 傩 岫 户 誊 w 1 l i t e b l a c k s y n c k j 坐刊。，肛 图3 6 黑白全视频信号示意图 f i g 3 6s c h e m a t i co f m o n o c h r o m ew h o l ev i d e os i g n a l 在视频信号采集过程中，主要记录灰度信息，但灰度信息的记录必须依据行 同步信号和场同步信号进行地址分配，因此必须设计视频信号同步分离器对同步 信号进行分离。在此系统的设计中，视频同步分离器采用的是l m l 8 8 1 ，其外围电 路简单，对视频信号分离极为准确。 l m l 8 8 1 视频同步分离器的性能如下：从标准的负同步n t s c ，p a l 和 s e c a m ( 振幅从o 5 v 到2 v 峰峰值) 视频信号中分离出包含复合信号、垂直同 步信号、色同步信号反向入口时标与奇，偶校验信息，电路也能提供非标准的视频 信号，用改变外接水平扫描率的设置电阻产生快水平扫描率的视频信号，在垂直 同步周期的第一个锯齿上升边产生垂直输出【l “。l m l 8 8 1 的引脚及连接电路如图 3 7 所示，时序图如图3 8 。 行同步输出 视频信号输入 垂直同步输出 l m l 8 8 l m 图3 7l m l 8 8 1 引脚及连接图 f i g 3 7p i n a n d c o n n e c t i o n g r a p ho f l m l 8 8 1 输出 冲输出 v 孙 v 1 ( 一 c p 一 一 一 一r 亡 r。_。lw 当一t厂。l昨 复合视频输入1 n 厂 广 广 厂 广 厂 i 11 1 复合同灿 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 111 场同步输出 色同步输出 厂 r n 门r r 厂 _ r r 厂 奇偶输出 图3 8 l m l 8 8 l 时序图 f i g 3