家居数字视频监控系统的设计与实现

李 骏

（江苏省紫光智能系统有限公司上海分公司，201209）

0 引言

计算机网络技术和图像处理传输技术发展迅速，促进了视频监控向全数字化发展。国内现有的家庭视频监控系统存在一些不足，具体包括：成本高、简单、人为干预、不及时等等。鉴于此，该研究构建了一种数字视频监控系统，能够提供出不同寻常的画面。图像的采集需通过两个部分来实现，即硬件控制以及软件控制：前者主要为了采集图像；而后者主要是为了能够实时采集及实时处理连续性的图像，它采用乒乓缓冲结构实时采集视频，用更新背景差分法来监控视频图像，体现出独具特色的主动性与智能性。该视频监控系统的特点包括以下几个方面：具有体积小、扩展性强、性能稳定等等。所以，它既具备社会信息化的特点，还能监控本行业的发展。

1 数字视频监控系统总体设计思想

为了起到有效的安全防范作用，视频监控的主要作用集中在以下三个方面：第一，事前预警，可对异常状况进行分析并报警；第二，实时浏览，可实现监控点图像的实时传送；第三，事件回溯，可存储监控图像并按需调用存储资源。本研究的对象是一种数字视频监控系统，能够提供出不正常的画面。该系统还具有智能性，可以检测到异物，并在发现异常情况之后，能够作出最好最快的反应，压缩有用信息，并将其存储到本地中来，进而协助用户更有效及时地做出相应的判断及处理。图1 为该系统的总体结构示意图。

该系统的硬件平台为Blackfin533 DSP（来自ADI 公司）。能够在ADI 开发平台上连续采集视频图像，智能性地探测画面中的异物，其目的包括以下3个方面：第一，实现系统的主动化；第二，减弱视频传输的有效性；第三，提供监控视频的证据。当监控画面中出现异物的时候，其一，可以发送短信报告给用户，及时地通知他们；其二，实现H.264 编码及压缩相关的异物视频图像，之后将其保存在本地，这样一来，用户就能够经网络传输来察看此段不正常的视频。

2 基于Blackfin DSP 的视频采集系统

通常，传统视频采集系统获得模拟信号的方式是经CCD 摄像机来实现的，再经视频解码芯片进行解码，处理得到的相关信号。传统方式所构建的系统具有以下不足，即不便携带、功耗高、体积大。较于CCD 图像传感器来讲，CMOS 图像传感器具有明显的优势，即简捷、携带方便、价格低，应用前景普遍看好。

本系统使用的模块为CMOS 图像传感器，由OmniVision公司所产，型号为TGA130V10，以OV965 图像传感器为核心。OV9653 图像传感器具备自带的光学镜头。它的有效感光阵列属于1300*1028 类型。能够支持多种模式，包括VGA，SXGA，QVGA，QCIF 以及CIF 等等。较于传统的CMOS 图像传感器，它所具备的优势在于能够在芯片内集成DSP（数字信号处理器），便于芯片处理原始RGB 格式的相关数据，且经寄存器输出图像数据。如果输出QVGA 的视频格式是320*240 的时候，它的最大传输率则是60fps，已经达到了大于25fps 的要求。OV9653 图像传感器可经数据端口实现多种数据视频信号的输出，包括YUV、RawRGB 以及RGB 等等，无需A/D 转换。

以下是由OV9653]以及BlackfinDSP533[14 摄像头共同组建的视频采集系统，具体见图4。由I2C 总线实现CMOS 寄存器的配置，将YUV4：2：2 型的图像输出，经实现PPI 口（Blackfin533）的配置，将采集数据经DMA 的模式输入到存储器中，已备实现下一步的处理。

2.1 硬件控制部分

实现ADSP-BF533 处理器的PPI 接口同CMOSSensor 的连接，配置CMOS，用于处理器以及图像采集实现照相功能。结合使用DMA，便能够解决数据在传输过程中出现的矛盾。

根据方案设计，全部采集工作均是由PPI 以及PPIDMA 实现的，这个过程同DSP 没有任何直接关系，之后将数据存到相应的存储器中，以备DSP 用。

①控制部分：

OV9653 是经由OmniVision 公司生产的SCCB（串行摄像头控制总线）来实现寄存器的读写的，这样就可以合理地控制输出图像。另外，和I2C 总线类似，两线制的SCCB 也属于双向同步串行型的。它的数据传输是经主器件来控制实现的，连接到SCCB 的每一个设备均被分配到唯一的一个地址，通过软件来实现寻址可大大节省片选从器件的时间。其中，两线制的SCCB 仅仅包含项，即串行数据SIO_D 以及串行时钟线SIO_C。因为Blackfin533 不包含I2C 型接口，所以在使用通用型的I/O 口PF0 以及PF1 来模拟SCCB 总线时序的时候，需要设置OV9653 的寄存器相关参数。

②数据输出部分

BlackfinDSP 使用PPI（专用的并行外设接口）来传输图像数据，结合使用DMA 便能够解决数据出现的矛盾，降低在DSP 资源上的消耗程度，促使DSP 内核能够集中于处理后端问题。

PPI 的接口能够配置成为8位到16位宽度的数据。应用两同步的输入模式来实现相关设计。VSYNC（帧同步信号）表示一帧数据的起始，连接到PPI_FS1/ TMR1（PPI 接口的同步信号1 线）；水平像的信号表示一行数据的起始，连接到PPI_FS2/ TMR2（PPI接口的同步信号2 线）；PCLK（像素时钟）表示某像素数据的起始，连接到PPI_CLK（PPI 接口的时钟线），见图3。

2.2 软件控制部分

（1）图像连续采集的实现

所谓视频的形成，指的是连续采集图像的结果。实现某全局标志位的定义：即bIsFinishedCapImg。如果采集完上一帧的图像后，就可以在摄像头的中断处将此标志位设为真，以备下一帧的图像采集所用，使用while（1）循环，来判断标志位的真假，如果是真，采集下一帧图像，并将其存储到特定的buffer 当中。图像采集结束之后，设置标志位为假，继续循环，实现连续采集。调节摄像头的帧率为每秒25 帧以上，即为常见的连续视频图像采集。

（2）图像实时采集的实现

在连续图像采集完之后，为实现实时采集及处理，应用乒乓型缓冲结构，主要目的包括：直接提供给恒速视频编解码以及变速DSP 图像处理器以合理的通道。它的机理见图4。此结构的原理是这样的：即经输入数据的选择单元，把数据流分配给2个缓冲区。第一个缓冲周期，将数据流缓存到模块一；第二个缓冲周期，经输入数据来实现单元切换的选择，将数据流缓存到模块二，与此同时，还需将模块一所缓存的第一周期的数据经输出数据的相关选择单元实现其选择，并交予运算处理单元处理；第三个缓冲周期，再次切换实现数据缓冲的输入、输出模块，循环进行下去。

在SDRAM 当中，创建2个320×240 的数组。一帧320×240的图像以DMA 的方式由PPI 口输入，并将其置于其中的一个数组当中，这个数组的空间被放满之后，就通过CPU 来实现对此帧图像的处理。同时，继续输入第二帧的图像，将其置于第二个数组当中，保证CPU 在完成第一帧图像的处理之后，实现第二帧图像的处理，大大增强了编码效率。

3 入侵检测

作为智能视频监控的重要步骤，入侵检测成为了跟踪及识别后续工作的基础。目前，图像的入侵检测法分为3 类：即背景差分法、光流法以及帧间差分法。

比较上述3 种图像入侵判断法，最终选用算法较为简便的更新背景差分法。将摄像头CMOS 的输出格式设成YUV（4:2:2）。Y 信号表示亮度信号。U 信号表示B-Y 色度信号的矢量水平信号，U=0.493（B-Y）。V 信号表示R-Y 色度信号的矢量垂直信号，V=0.877（R-Y）。在实际的背景差分判断中，仅仅关注于亮度信号，所以只需采集Y 信号。YUV（4:2:2）信号囊括了亮度、色度信息，并将其以16bit 二进制的形式输出。序列见图8。

在亮度值进行提取之后，两帧图像的时差为十秒，将前1 帧作背景图处理，后1 帧和更新之后的背景进行相减运算。通过对比两帧图像的亮度值来实现其序列变换的检测。如果结果小于阈值T，说明没有出现异物，如果结果大于阈值T，说明出现异物，可认为此时的系统出现了异常情况。其中，阈值的确定是正常情况下多次实验差分的结果。

4 结束语

由鉴于视频监控在各个方面的重要作用，（具体地包括：安全的保护、的预防、家庭情况的了解、家人的远程照顾等等），其需求的增长必定成为不可替代的发展趋势。其中，普通消费家庭的需求将成为其新兴市场的重要发展方向。该数字视频监控系统的构建基于ADSP-BF533 型开发板，主要优势在于具备智能性、灵活性以及可扩展性等等。本研究的成果能够直接地应用到家庭的视频监控中来，有利于智能监控系统的深入发展。

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