基于FPGA的視頻圖像監控系統的研究

孫娜

（遼寧工程職業學院，遼寧 鐵嶺 112000）

引言

隨著現代科技的發展，各行各業現代化程度的不斷提高，視頻監控系統已經應用到了工業系統、公安系統、智能小區等很多場所。目前，在國內外市場上，主要推出的是模擬視頻監控和數字視頻監控兩類產品。模擬技術發展已經非常成熟、性能穩定，并在實際工程應用中得到廣泛應用，特別是在大、中型視頻監控工程中的應用尤為廣泛；數字系統是新崛起的以計算機技術及視頻圖像壓縮為核心的新型視頻監控系統，該系統解決了模擬系統部分的弊端而迅速發展，但仍需進一步完善。目前，視頻監控系統正處在模擬系統與數字系統混合應用并將逐漸向數字化、網絡化過渡的階段，還存在很多技術難題有待于攻破。

1 監控系統技術現狀

模擬視頻監控系統是攝像機通過專用同軸電纜輸出視頻信號，電纜連接到專用模擬視頻設備，如視頻畫面分割器、矩陣、切換器、卡帶式錄像機及視頻監視器等。而數字視頻監控系統則為攝像機采集到的視頻信號經過壓縮編碼，進行數字化傳輸，再經過解碼將信號還原輸出，根本上改變了視頻監控系統從信息采集、數據處理、傳輸、系統控制等的方式和結構形式。然而，無論是模擬的還是數字的系統，都存在一個共同的弊端，即無法形成有效的報警聯動。在模擬監控系統中，由于各部分獨立運作，相互之間的控制協議很難互通，聯動只能在有限的范圍內進行。而在數字控制系統中，雖然通過PC機及網絡，可以控制網絡中所連接的主機、報警設備，完成視頻切換、云臺、鏡頭控制及報警聯動等，但由于PC機及網絡工作狀態不穩，加之計算機網絡病毒等問題，始終是數字系統中難于解決的一大問題。

2 FPGA簡介、系統工作原理

本文研究的是一種基于FPGA的嵌入式視頻圖像處理系統，基本上解決了監控系統實時監視、視頻疊加、聯機報警等功能。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，它是在可編程陣列邏輯 PAL(Programmable Array Logic)、門陣列邏輯GAL(Gate Array Logic)、可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

圖1 視頻圖像處理系統工作框圖

FPGA是天生的并行結構，它有很多硬件乘法器，所以決定了它是做高速算法運算的最佳選擇。不同的FPGA運算速度不同，內部的硬件資源也不同，內部的DSP（Digital Signal Processing）塊也不同。DSP Builder是一個系統級（或算法級）設計工具，它構架在多個軟件工具之上，并把系統級和RTL級兩個設計領域的設計工具連接起來，最大程度地發揮了兩種工具的優勢。在FPGA里用硬件實現圖像的算法，用FPGA做數字信號處理，可以輕松完成視頻圖像處理。

3 FPGA處理系統工作過程

本文研究的視頻圖像處理系統原理是一種通過實時提取視頻圖像信號中的有效信息來實現控制輸出的嵌入式控制系統。系統實時對輸入的視頻圖像進行采集解碼數字化，提取預先訂制的監控圖像有效區域信息，利用高性能的嵌入式處理器對有效信息進行運算分析、判斷、處理，之后，通過輸出驅動模塊輸出開關量信號或者模擬4-20mA電流環信號，從而實現聯動控制或即時報警等功能。系統工作框圖如圖1所示：

數據采集、解碼模塊由高效的32位嵌入式處理器進行控制，攝像機的刷新率通常50幀每秒，最多能達到100幀每秒，而高速攝像機可以達到每秒1000-10000幀的速度記錄，采用32位微處理器將視頻圖像解碼成紅、綠、藍三基色的數據并單獨存儲，保證實時性好，不漏幀，硬件實時解碼、軟件高速處理，每幀都可以發出控制信號，數字解碼靈敏度高，分辨力超過人的視覺。

數據采集解碼后，經高速處理器進行數據處理，計算出實時的三基色數據，后進行數字化判定。每路視頻信號可以設定4個敏感區域進行取樣，每個區域的3個顏色可以單獨處理，取樣區域作為圖像判定的條件，取樣區域的數據作為比較的閾值，具體判斷根據監視現場條件而定，選擇工作的具體數值范圍，當前端攝像頭傳輸過來的圖像經微處理器處理后，數值超出工作范圍，就會發出報警指令，向驅動模塊輸送報警信號。

控制器采集的數據是在行場同步控制下從左到右、從上到下輸出，在行場同步下先把第一行數據寫到RAM1，寫完第一行再切換到第二行，寫完第二行再寫第三行，第三行寫完第3個數據即可讀出RAM1和各寄存器的數據做色彩平均值計算，當第三行寫完以后，第四行數據再寫到RAM1，以此類推，一直循環直到一幀數據處理結束。值得注意的是：各行的數據是循環切換的，當RAM1保存的是第一行數據時，第一行數據從左到右依次為R1、G1、B1，第二行數據從左到右依次 R2、G2、B2，第三行數據從左到右依次為 R3、G3、B3，以后各行循環切換，根據當前的位置以及所需的顏色通道選出4個像素進行相加求和運算。輸出驅動模塊分為數字量報警和模擬量報警兩種，可以視現場工作情況具體選擇，而且輸出通道數可擴展和裁減。系統采用嵌入式設計，操作界面友好，并運用了視頻疊加技術使輸出畫面包含設置菜單和報警信息。系統將信息采集計算后，處理模塊負責提取并處理預先設定的區域內的數據，并將系統信息和報警信息疊加到視頻信號中，輸出給監視器。通過控制面板和監視器可以設定系統的各種參數（如調整取樣區域）。驅動模塊將處理好的數據轉換成開關量和4-20mA模擬量，控制部分根據輸出的信號，完成相應的控制過程，從而有效的實現系統的聯動報警功能。

結論

從上述視頻圖像處理系統的研究分析可見，數字化、網絡化、整體化、智能化是監控系統未來的發展方向。解決系統無法聯動是當前技術攻關中的重點，此類功能關鍵技術點是要求在各種應用場合下均能夠較穩定地輸出智能分析的信息，盡量減少環境對視頻監控的影響。本文研究的FPGA和DSP技術的綜合應用會起到拋磚引玉的作用，將進一步推動監控系統逐步實現智能化。

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