劉輝

【摘 要】針對(duì)人們對(duì)安防不斷增長(zhǎng)的需求，提出—種基于FPGA的低功耗實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控裝置。使用這個(gè)裝置用戶能夠輕松接受到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，凸顯了圖像監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】圖像監(jiān)控；FPGA；趨勢(shì)

0 引言

信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的語(yǔ)音文字?jǐn)?shù)據(jù)信息早已無(wú)法滿足人們對(duì)于信息的追求，無(wú)圖無(wú)真相這—熱詞也從側(cè)面的反映人們對(duì)于圖像信息的訴求，可靠的圖像監(jiān)控裝置需求在不斷地提升。圖像監(jiān)控裝置能夠廣泛用于港口、鐵路、地鐵、體育場(chǎng)等人群密集的場(chǎng)合以及倉(cāng)庫(kù)、基站、隧道等無(wú)人值守場(chǎng)合；尤其適合地理環(huán)境惡劣不適于長(zhǎng)時(shí)間駐守、不利于人員安全的地方。

1 圖像監(jiān)控裝置的發(fā)展趨勢(shì)

圖像監(jiān)控裝置的發(fā)展是極其迅猛的，當(dāng)今的圖像監(jiān)控系統(tǒng)正在往人工智能這一智能化方向發(fā)展。圖像監(jiān)控裝置的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)結(jié)合更多的學(xué)科來(lái)完成智能圖像監(jiān)控系統(tǒng)。未來(lái)的圖像監(jiān)控裝置系統(tǒng)將能夠擺脫人為的干涉與控制。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)的與圖像監(jiān)控系統(tǒng)的連接，對(duì)采集來(lái)的圖像信息進(jìn)行自動(dòng)的序列分析。能通過(guò)對(duì)目標(biāo)序列的檢測(cè)進(jìn)行對(duì)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行分割提取、目標(biāo)的特征自動(dòng)識(shí)別、目標(biāo)行動(dòng)的追蹤，以及對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的目標(biāo)的行為進(jìn)行場(chǎng)景分析與對(duì)其行為進(jìn)行描述，檢測(cè)其行為是否會(huì)產(chǎn)生危害社會(huì)的行為，這將類似通過(guò)行為進(jìn)行事件的分析。這將能夠使犯罪行為在其實(shí)施之前被預(yù)示，創(chuàng)建更加和諧安全的社會(huì)環(huán)境。

2 系統(tǒng)概述

2.1 圖像監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)

圖像監(jiān)控裝置從宏觀上能夠分解成三大組成部分：前端處理、圖像信息數(shù)據(jù)處理、后端處理，這三個(gè)部分別對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的功能，圖像信息數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字圖像信息在FPGA內(nèi)的轉(zhuǎn)換、監(jiān)控區(qū)域圖像信息在VGA顯示器上實(shí)時(shí)顯示。三大組成部分由不同功能的模塊再組合而成，不同的模塊具有著模塊相應(yīng)的功能：模擬圖像信號(hào)的采集，并進(jìn)行模擬圖像的解碼，輸出一組符合ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像信號(hào)；FPGA進(jìn)行數(shù)字圖像的解碼、數(shù)字圖像格式轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的格式通過(guò)圖像信息編碼器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出RGB圖像信息在VGA顯示器中顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

模擬圖像信息采集：將圖像監(jiān)控裝置監(jiān)控范圍內(nèi)的模擬圖像信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像監(jiān)控裝置所需要的PAL制模擬圖像信息數(shù)據(jù)是能夠被視頻解碼芯片ASS7113H所能進(jìn)行解碼的信號(hào)。FPGA通過(guò)使用I2C總線對(duì)ASS7113H內(nèi)部存儲(chǔ)器配置，令其根據(jù)格式輸出符合ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)流。

數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)處理：通過(guò)ASS7113H對(duì)模擬圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，解碼出行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)以及符合ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的8位的4：2：2YCbCr數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)信號(hào)。同時(shí)還向FPGA提供27MHz的像素時(shí)鐘。FPGA中，通過(guò)提取的行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)，ADV7170將對(duì)8位4：2：2YCbCr數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，經(jīng)過(guò)解碼后將會(huì)得到8位的Y[7：0]、Cb[7：0]、Cr[7：0]信號(hào)以及2分頻后的像素信號(hào)13.5KHz。接著對(duì)像素的插值進(jìn)行解交織處理，能夠提升幀速率和進(jìn)行逐行掃描的效果。插值和解交織后產(chǎn)生的RGB數(shù)字信號(hào)會(huì)存儲(chǔ)在FPGA中，在FPGA內(nèi)部將根據(jù)YCbCr信號(hào)與RGB信號(hào)空間色彩轉(zhuǎn)換的公式，輸出能夠被ADV7123處理的10位R[9：0]、B[9：0]、G[9：0]信號(hào)。ADV7123再將十位的三基色信號(hào)與FPGA提供的場(chǎng)同步信號(hào)、行同步信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過(guò)VGA接口將數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)還原成模擬圖像信息數(shù)據(jù)在VGA顯示器中顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。

2.2 圖像采集—FPGA硬件平臺(tái)

當(dāng)今社會(huì)，伴隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展以及FPGA不斷的提高，F(xiàn)PGA已經(jīng)成為圖像處理技術(shù)應(yīng)用的常見(jiàn)平臺(tái)，越來(lái)越多的使用FPGA來(lái)提升圖像處理裝置的性能。FPGA圖像處理的特點(diǎn)是能夠采用流水線方式實(shí)現(xiàn)，流水線處理方式可以提升資源的利用率，能夠在時(shí)間域上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖像處理的算法，極大的提升了系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的ASIC流水線與新興的FPGA方式進(jìn)行比較，由于FPGA內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，決定了基于FPGA的設(shè)計(jì)方式擁有著速度上的極大優(yōu)勢(shì)。

3 系統(tǒng)各模塊電路

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

SAA7113H是由亮度信號(hào)、模數(shù)轉(zhuǎn)化電路、色度信號(hào)、輸出信號(hào)格式、同步信號(hào)、總線控制以及時(shí)鐘生成等組成。模擬圖像信息通過(guò)AI11、AI12、AI21、AI22管腳將模擬圖像信號(hào)輸入通道送入SAA7113H芯片，模擬圖像信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)芯片的解碼后由VP00～VP07通道輸出8位數(shù)字圖像數(shù)據(jù)信息。FPGA通過(guò)I2C總線對(duì)通道與圖像格式進(jìn)行配置。攝像頭輸出的模擬圖像視頻數(shù)據(jù)將通過(guò)這個(gè)模塊進(jìn)行采集，并采用SAA7113芯片將PAL制模擬視頻轉(zhuǎn)化成符合ITU-R656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信息數(shù)據(jù)；并將采集進(jìn)來(lái)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到的SDRAM中。

3.2 SDRAM電路

課題中FPGA片內(nèi)自帶的RAM無(wú)法滿足裝置所需要的大量數(shù)字圖像信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求。就一幀640*480分辨率的數(shù)字圖像信息來(lái)說(shuō)，就需要占用375KB的存儲(chǔ)空間。在課題的研究中，使用的SDRAM采用了三星公司生產(chǎn)的K4S641632-F。該芯片是一個(gè)具有1M*4BANK*16Bit的64MBit的存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)圖像監(jiān)控裝置運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的視頻信號(hào)和圖像信息數(shù)據(jù)，以保證圖像監(jiān)控裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 圖像數(shù)模轉(zhuǎn)換

裝置要將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成PAL制模擬信號(hào)從顯示器中顯示。本課題選用ADV7170芯片，ADV7170是一款通用性極強(qiáng)的視頻解碼芯片。該芯片在課題中的作用是將由ASS7113H傳輸過(guò)來(lái)的4：2：2YCbCr信號(hào)進(jìn)行插值以及解交織，生成FPGA能夠處理的4：4：4YCbCr信號(hào)。模擬圖像信息進(jìn)過(guò)ASS7113H后輸出的4：2：2YCbCr格式的串行數(shù)據(jù)，在這8位的數(shù)據(jù)流中，其數(shù)據(jù)流格式為：Cb-Y-Cr-Y-Cb-Y-Cr，但是完整的數(shù)據(jù)流格式應(yīng)為：Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr-Cb-Y-Cr，在其相鄰的像素點(diǎn)中缺少了2為的色度信號(hào)Cb以及Cr。但是因?yàn)槠湎噜徬袼攸c(diǎn)的像素值相差不多，數(shù)字圖像數(shù)據(jù)流的插值過(guò)程只需要把相鄰的像素點(diǎn)中的色度信號(hào)將其補(bǔ)上，便可得到完整的4：4：4YCbCr信號(hào)。

3.4 顯示模塊

VGA接口顯示器是極為重要的計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)的VGA接口必須提供下列幾組基礎(chǔ)的信號(hào)：行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)還有三原色三路模擬信號(hào)。在本課題中選用了美國(guó)AD公司的ADV7123來(lái)做為視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它最大的采樣速度是330MHz，能夠與大多數(shù)的高精度顯示系統(tǒng)具有兼容性，數(shù)字圖像信息經(jīng)過(guò)ADV7123可以產(chǎn)生三路模擬輸出，再配合著行同步信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)的完成模擬圖象的顯示。

4 結(jié)論

本課題以基于FPGA的圖像監(jiān)控裝置做為研究對(duì)象，分析了裝置的主要功能，接著在裝置功能的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)：圖像信息數(shù)據(jù)采集模塊、圖像解碼、圖像信號(hào)處理模塊、圖像編碼和圖像顯示模塊。在后續(xù)的設(shè)計(jì)和工作中，可以在FPGA芯片內(nèi)部嵌入目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)特征提取等功能，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的智能化，更加具有針對(duì)性的應(yīng)用在特定領(lǐng)域，如銀行、軍事區(qū)域、重要公共場(chǎng)所等。將圖像監(jiān)控裝置和傳輸網(wǎng)絡(luò)整合在一起，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠更好地提升工作效率。數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)，依舊有許多未知的領(lǐng)域等待著去探索和發(fā)掘，很多工作需要繼續(xù)延伸。

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[責(zé)任編輯：湯靜]