陳 川，鄧成中

(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039)

在智能消防炮領(lǐng)域，一般選用感溫探測、感煙探測、火焰探測、氣體探測等作為火災(zāi)探測傳感器。這些往往都具有靈敏度低、探測速度慢、報(bào)警時(shí)間遲和反應(yīng)不靈敏等問題。隨著數(shù)字圖像技術(shù)和超大集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展發(fā)展，模式識(shí)別以及機(jī)器視覺已經(jīng)得到了很好的利用且趨向于小型化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的以計(jì)算機(jī)為核心的圖像型火災(zāi)探測設(shè)備存在價(jià)格昂貴、體積龐大且使用不方便的問題。

為了解決上述智能消防炮設(shè)備存在的缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)了一種可對視頻圖像進(jìn)行智能識(shí)別的多路視頻圖像采集與監(jiān)視系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對8路火災(zāi)信號(hào)的智能識(shí)別，并在識(shí)別到那一路有火災(zāi)時(shí)智能切換該路到顯示屏上。該系統(tǒng)基于小型化的設(shè)計(jì)，無需計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)對多路火災(zāi)的智能識(shí)別。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)的硬件部分主要包括多路視頻圖像采集模塊、視頻輸出模塊、圖像處理識(shí)別模塊及RS422通信模塊。使用該系統(tǒng)只需要接入8路的PAL制式攝像頭并將輸出接到支持PAL制式的顯示設(shè)備上即可，圖1為該系統(tǒng)的硬件組成框圖。該系統(tǒng)中視頻輸入切換模塊、視頻采集模塊、RS422模塊及存儲(chǔ)器都由FPGA驅(qū)動(dòng)，圖像的處理和識(shí)別由DSP來完成。

圖1 系統(tǒng)整體組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

目前，在圖像采集領(lǐng)域使用比較廣泛的采用形式有FPGA和DSP。FPGA即現(xiàn)場可編程門陣列，具有硬件執(zhí)行處理，流水線任務(wù)處理技術(shù)以及并行處理等優(yōu)點(diǎn)，在處理數(shù)據(jù)的速度方面占有很大的優(yōu)勢。而且FPGA是基于查找表結(jié)構(gòu)的可編程器件，擁有豐富的寄存器資源，還可以通過系統(tǒng)內(nèi)的重新配置來改變邏輯功能，使得設(shè)計(jì)的更新或修改十分便利。該系統(tǒng)采用Xilinx公司7系列的芯片XC7K325T。

DSP具備指令流水線且擁有很高的處理速度，為數(shù)字信號(hào)處理提供了高效而可靠的硬件基礎(chǔ)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高速自動(dòng)控制、圖像處理、通信技術(shù)和儀器儀表等領(lǐng)域。因此本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)中使用一片DSP來對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.1 多路視頻圖像采集模塊

該系統(tǒng)使用SAA7111A來實(shí)現(xiàn)視頻采集，該芯片能將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，他能同時(shí)支持PAL電視制式和NTSC電視制式。SAA7111A有四個(gè)模擬輸入端，其任一路經(jīng)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生數(shù)字色度和亮度，考慮到后級DSP的處理速度，本系統(tǒng)只使用其中一路來實(shí)現(xiàn)8路視頻圖像的采集。該芯片遵循標(biāo)準(zhǔn)的BT656協(xié)議格式，且在數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)輸出相應(yīng)的行同步和場同步信號(hào)，F(xiàn)PGA根據(jù)同步信號(hào)來提取采集的視頻圖像數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)采用MAX4360來實(shí)現(xiàn)多路視頻信號(hào)的切換，該芯片能實(shí)現(xiàn)8X4的信號(hào)切換，該系統(tǒng)只使用8X1的設(shè)計(jì)方法。

多路視頻圖像采集模塊電路圖如圖2所示。

圖2 多路視頻圖像采集電路

2.2 視頻圖像輸出模塊

該系統(tǒng)采用ADV7171用于視頻圖像的輸出，ADV7171是ADI公司開發(fā)的一款集成式數(shù)字視頻編碼器，能夠?qū)?shù)字CCIR-601 4:2:2的8位或16位分量視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與全球標(biāo)準(zhǔn)兼容的標(biāo)準(zhǔn)模擬基帶電視信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用ADV7171中能輸出PAL制式的那一路來作為視頻輸出。其電路圖如下頁圖3所示。

圖3 視頻圖像輸出電路

2.3 圖像處理識(shí)別模塊

該模塊采用DSP芯片來完成對數(shù)字圖像的處理運(yùn)算，DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片在指令上實(shí)現(xiàn)多級流水操作，并采用特殊的數(shù)據(jù)運(yùn)算指令快速實(shí)現(xiàn)了乘法累加等常用的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算操作，在對數(shù)據(jù)運(yùn)算速度和精度上具有非常大的優(yōu)勢。TI公司的C5000系列定位于通信類應(yīng)用，在保證高性能的情況下，盡量降低芯片的功耗，從而有利于便攜式通信產(chǎn)品及其他便攜式儀器的推出。

該模塊采用TI公司的TMS320C5509來進(jìn)行圖像的處理及識(shí)別，其單字長定點(diǎn)指令平均執(zhí)行速度可達(dá)到288MIPS(Million Instructions Per Second)，該芯片的EMIF接口具有很強(qiáng)的接口能力，不僅具有很高的數(shù)據(jù)吞吐率(最高可達(dá)1200M/s)，而且?guī)缀蹩梢耘c目前的所有類型的存儲(chǔ)器直接接口，因此本系統(tǒng)采用EMIF接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。本系統(tǒng)將FPGA作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器設(shè)備通過DSP的EMIF接口來實(shí)現(xiàn)視頻圖像的傳輸并在TMS320C5509上外部擴(kuò)展了一片SDRAM來作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。其電路圖如下頁圖4所示。

圖4 TMS320C5509電路圖

2.4 RS422通信模塊

該系統(tǒng)為方便與設(shè)備進(jìn)行通信，預(yù)留了一個(gè)RS422的通信接口，該系統(tǒng)使用MAX3490來實(shí)現(xiàn)RS232電平到RS422電平的轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖5所示。

圖5 RS422接口電路圖

3 FPGA邏輯及DSP軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA的邏輯設(shè)計(jì)

FPGA的邏輯設(shè)計(jì)主要通過SAA7111A芯片輸出的行同步和場同步信號(hào)來提取其遵循的BT656協(xié)議中的有效數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到DDR2存儲(chǔ)器中，該系統(tǒng)采用8路視頻信號(hào)的輸入，因此分時(shí)采用8路視頻信號(hào)后，分別存儲(chǔ)到DDR2的不同的空間中，在分時(shí)采集完成后將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP外擴(kuò)的SDRAM中由DSP進(jìn)行圖像的處理，在接收到DSP的識(shí)別結(jié)果回送信號(hào)后選通相應(yīng)的矩陣開關(guān)通道。FPGA還實(shí)現(xiàn)按照 BT656協(xié)議向ADV7171輸出采集的視頻圖像信號(hào)用于顯示。其邏輯的框圖如下頁圖6所示。

圖6 FPGA內(nèi)部邏輯圖

3.2 DSP軟件設(shè)計(jì)

TMS320C5509中主要作用是向FPGA發(fā)送采集指令，并在FPGA分時(shí)采集完成后將采集到的數(shù)據(jù)讀取到SDRAM中，再進(jìn)行圖像的處理和識(shí)別，當(dāng)檢測到某一路有火焰時(shí)，向FPGA發(fā)送通道號(hào)由FPGA來選通相應(yīng)的通道實(shí)現(xiàn)火焰探測的智能切換。其程序流程圖如圖7所示。

圖7 DSP主程序流程圖

火焰檢測算法如下所示:

其中R、G、B為RGB模型中的顏色分量，S為HSI顏色模型中的飽和度;RT為R分量的閾值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到可設(shè)定在55～56之間;ST為飽和度的閾值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到可設(shè)定在115～135之間。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的多視頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)在實(shí)際的使用中性能穩(wěn)定、可靠，具有良好的使用效果?？舍槍Σ煌猛拘薷膱D像處理算法來實(shí)現(xiàn)不同的功能，具有移植性高的優(yōu)點(diǎn)。視頻監(jiān)控技術(shù)是當(dāng)今研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，融合了圖像處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等多種先進(jìn)技術(shù)，其優(yōu)勢明顯且發(fā)展?jié)摿薮?。該系統(tǒng)是對現(xiàn)有帶監(jiān)控功能設(shè)備的有效開發(fā)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

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