家居數字視頻監控系統的設計與實現

李 駿

（江蘇省紫光智能系統有限公司上海分公司，201209）

0 引言

計算機網絡技術和圖像處理傳輸技術發展迅速，促進了視頻監控向全數字化發展。國內現有的家庭視頻監控系統存在一些不足，具體包括：成本高、簡單、人為干預、不及時等等。鑒于此，該研究構建了一種數字視頻監控系統，能夠提供出不同尋常的畫面。圖像的采集需通過兩個部分來實現，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實時采集及實時處理連續性的圖像，它采用乒乓緩沖結構實時采集視頻，用更新背景差分法來監控視頻圖像，體現出獨具特色的主動性與智能性。該視頻監控系統的特點包括以下幾個方面：具有體積小、擴展性強、性能穩定等等。所以，它既具備社會信息化的特點，還能監控本行業的發展。

1 數字視頻監控系統總體設計思想

為了起到有效的安全防范作用，視頻監控的主要作用集中在以下三個方面：第一，事前預警，可對異常狀況進行分析并報警；第二，實時瀏覽，可實現監控點圖像的實時傳送；第三，事件回溯，可存儲監控圖像并按需調用存儲資源。本研究的對象是一種數字視頻監控系統，能夠提供出不正常的畫面。該系統還具有智能性，可以檢測到異物，并在發現異常情況之后，能夠作出最好最快的反應，壓縮有用信息，并將其存儲到本地中來，進而協助用戶更有效及時地做出相應的判斷及處理。圖1 為該系統的總體結構示意圖。

該系統的硬件平臺為Blackfin533 DSP（來自ADI 公司）。能夠在ADI 開發平臺上連續采集視頻圖像，智能性地探測畫面中的異物，其目的包括以下3個方面：第一，實現系統的主動化；第二，減弱視頻傳輸的有效性；第三，提供監控視頻的證據。當監控畫面中出現異物的時候，其一，可以發送短信報告給用戶，及時地通知他們；其二，實現H.264 編碼及壓縮相關的異物視頻圖像，之后將其保存在本地，這樣一來，用戶就能夠經網絡傳輸來察看此段不正常的視頻。

2 基于Blackfin DSP 的視頻采集系統

通常，傳統視頻采集系統獲得模擬信號的方式是經CCD 攝像機來實現的，再經視頻解碼芯片進行解碼，處理得到的相關信號。傳統方式所構建的系統具有以下不足，即不便攜帶、功耗高、體積大。較于CCD 圖像傳感器來講，CMOS 圖像傳感器具有明顯的優勢，即簡捷、攜帶方便、價格低，應用前景普遍看好。

本系統使用的模塊為CMOS 圖像傳感器，由OmniVision公司所產，型號為TGA130V10，以OV965 圖像傳感器為核心。OV9653 圖像傳感器具備自帶的光學鏡頭。它的有效感光陣列屬于1300*1028 類型。能夠支持多種模式，包括VGA，SXGA，QVGA，QCIF 以及CIF 等等。較于傳統的CMOS 圖像傳感器，它所具備的優勢在于能夠在芯片內集成DSP（數字信號處理器），便于芯片處理原始RGB 格式的相關數據，且經寄存器輸出圖像數據。如果輸出QVGA 的視頻格式是320*240 的時候，它的最大傳輸率則是60fps，已經達到了大于25fps 的要求。OV9653 圖像傳感器可經數據端口實現多種數據視頻信號的輸出，包括YUV、RawRGB 以及RGB 等等，無需A/D 轉換。

以下是由OV9653]以及BlackfinDSP533[14 攝像頭共同組建的視頻采集系統，具體見圖4。由I2C 總線實現CMOS 寄存器的配置，將YUV4：2：2 型的圖像輸出，經實現PPI 口（Blackfin533）的配置，將采集數據經DMA 的模式輸入到存儲器中，已備實現下一步的處理。

2.1 硬件控制部分

實現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現照相功能。結合使用DMA，便能夠解決數據在傳輸過程中出現的矛盾。

根據方案設計，全部采集工作均是由PPI 以及PPIDMA 實現的，這個過程同DSP 沒有任何直接關系，之后將數據存到相應的存儲器中，以備DSP 用。

①控制部分：

OV9653 是經由OmniVision 公司生產的SCCB（串行攝像頭控制總線）來實現寄存器的讀寫的，這樣就可以合理地控制輸出圖像。另外，和I2C 總線類似，兩線制的SCCB 也屬于雙向同步串行型的。它的數據傳輸是經主器件來控制實現的，連接到SCCB 的每一個設備均被分配到唯一的一個地址，通過軟件來實現尋址可大大節省片選從器件的時間。其中，兩線制的SCCB 僅僅包含項，即串行數據SIO_D 以及串行時鐘線SIO_C。因為Blackfin533 不包含I2C 型接口，所以在使用通用型的I/O 口PF0 以及PF1 來模擬SCCB 總線時序的時候，需要設置OV9653 的寄存器相關參數。

②數據輸出部分

BlackfinDSP 使用PPI（專用的并行外設接口）來傳輸圖像數據，結合使用DMA 便能夠解決數據出現的矛盾，降低在DSP 資源上的消耗程度，促使DSP 內核能夠集中于處理后端問題。

PPI 的接口能夠配置成為8位到16位寬度的數據。應用兩同步的輸入模式來實現相關設計。VSYNC（幀同步信號）表示一幀數據的起始，連接到PPI_FS1/ TMR1（PPI 接口的同步信號1 線）；水平像的信號表示一行數據的起始，連接到PPI_FS2/ TMR2（PPI接口的同步信號2 線）；PCLK（像素時鐘）表示某像素數據的起始，連接到PPI_CLK（PPI 接口的時鐘線），見圖3。

2.2 軟件控制部分

（1）圖像連續采集的實現

所謂視頻的形成，指的是連續采集圖像的結果。實現某全局標志位的定義：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志位設為真，以備下一幀的圖像采集所用，使用while（1）循環，來判斷標志位的真假，如果是真，采集下一幀圖像，并將其存儲到特定的buffer 當中。圖像采集結束之后，設置標志位為假，繼續循環，實現連續采集。調節攝像頭的幀率為每秒25 幀以上，即為常見的連續視頻圖像采集。

（2）圖像實時采集的實現

在連續圖像采集完之后，為實現實時采集及處理，應用乒乓型緩沖結構，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。它的機理見圖4。此結構的原理是這樣的：即經輸入數據的選擇單元，把數據流分配給2個緩沖區。第一個緩沖周期，將數據流緩存到模塊一；第二個緩沖周期，經輸入數據來實現單元切換的選擇，將數據流緩存到模塊二，與此同時，還需將模塊一所緩存的第一周期的數據經輸出數據的相關選擇單元實現其選擇，并交予運算處理單元處理；第三個緩沖周期，再次切換實現數據緩沖的輸入、輸出模塊，循環進行下去。

在SDRAM 當中，創建2個320×240 的數組。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數組當中，這個數組的空間被放滿之后，就通過CPU 來實現對此幀圖像的處理。同時，繼續輸入第二幀的圖像，將其置于第二個數組當中，保證CPU 在完成第一幀圖像的處理之后，實現第二幀圖像的處理，大大增強了編碼效率。

3 入侵檢測

作為智能視頻監控的重要步驟，入侵檢測成為了跟蹤及識別后續工作的基礎。目前，圖像的入侵檢測法分為3 類：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便的更新背景差分法。將攝像頭CMOS 的輸出格式設成YUV（4:2:2）。Y 信號表示亮度信號。U 信號表示B-Y 色度信號的矢量水平信號，U=0.493（B-Y）。V 信號表示R-Y 色度信號的矢量垂直信號，V=0.877（R-Y）。在實際的背景差分判斷中，僅僅關注于亮度信號，所以只需采集Y 信號。YUV（4:2:2）信號囊括了亮度、色度信息，并將其以16bit 二進制的形式輸出。序列見圖8。

在亮度值進行提取之后，兩幀圖像的時差為十秒，將前1 幀作背景圖處理，后1 幀和更新之后的背景進行相減運算。通過對比兩幀圖像的亮度值來實現其序列變換的檢測。如果結果小于閾值T，說明沒有出現異物，如果結果大于閾值T，說明出現異物，可認為此時的系統出現了異常情況。其中，閾值的確定是正常情況下多次實驗差分的結果。

4 結束語

由鑒于視頻監控在各個方面的重要作用，（具體地包括：安全的保護、的預防、家庭情況的了解、家人的遠程照顧等等），其需求的增長必定成為不可替代的發展趨勢。其中，普通消費家庭的需求將成為其新興市場的重要發展方向。該數字視頻監控系統的構建基于ADSP-BF533 型開發板，主要優勢在于具備智能性、靈活性以及可擴展性等等。本研究的成果能夠直接地應用到家庭的視頻監控中來，有利于智能監控系統的深入發展。

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