引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的安防意識(shí)不斷增強(qiáng)，視頻檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各行各業(yè)。如今，許多商場(chǎng)、銀行和智能小區(qū)中都安裝了紅外探頭或基于PC機(jī)的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于其價(jià)格高昂，可靠性不高，傳輸距離短、需要有人值守等。針對(duì)這種情況，尋求一種方法來(lái)改進(jìn)這一狀況，具有很大的實(shí)際意義。

　　近幾年，隨著DSP及嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，采用DSP嵌入式系統(tǒng)的視頻設(shè)備已在各領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。本文利用ADSP Blackfin533(BF533)為處理器，設(shè)計(jì)了視頻檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了視頻圖像的采集、處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸，該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、性能高、可便攜等優(yōu)點(diǎn)。

　　智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

　　智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用主要包括幾個(gè)大類：

　　1.對(duì)人、物的識(shí)別：主要就是識(shí)別監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)心的內(nèi)容，包括人臉識(shí)別、車牌號(hào)識(shí)別、車輛類型識(shí)別、船只識(shí)別、紅綠燈識(shí)別等等。識(shí)別的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用，關(guān)鍵的要求就是識(shí)別的準(zhǔn)確率。比方說(shuō)車牌號(hào)識(shí)別，目前市場(chǎng)上做的好的，識(shí)別率在95%甚至98%以上，這樣就能夠較好地滿足道路監(jiān)控類客戶的需求。如果識(shí)別率低于90%，就會(huì)對(duì)管理人員帶來(lái)很大的麻煩。識(shí)別類技術(shù)，常常應(yīng)用于道路監(jiān)控、金融銀行、航道管理等行業(yè)，主要是為客戶提供識(shí)別記錄和分級(jí)管理的依據(jù)。

　　2.對(duì)人、物運(yùn)動(dòng)軌跡的識(shí)別和處理：目前細(xì)分的很多，主要包括虛擬警戒線、虛擬警戒區(qū)域、自動(dòng)PTZ跟蹤、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、車流統(tǒng)計(jì)、物體出現(xiàn)和消失、人員突然奔跑、人員突然聚集等等。此類技術(shù)，除了數(shù)量統(tǒng)計(jì)外，一般是對(duì)某個(gè)過(guò)程進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)了異常情況，如有人進(jìn)入警戒區(qū)域、廣場(chǎng)東北角有人迅速聚集等情況，就發(fā)出報(bào)警信息，提醒值班監(jiān)控人員關(guān)注相應(yīng)熱點(diǎn)區(qū)域。對(duì)于數(shù)量統(tǒng)計(jì)類技術(shù)，關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)是發(fā)現(xiàn)異常情況，并對(duì)異常情況進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。所以要求統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，盡量降低誤差。運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別處理類的技術(shù)，受實(shí)際監(jiān)控應(yīng)用場(chǎng)景影響非常大。此類技術(shù)的關(guān)鍵是能夠盡快發(fā)現(xiàn)異常，需要盡量避免遺漏，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。目前此類功能主要應(yīng)用于平安城市建設(shè)、商業(yè)監(jiān)控等行業(yè)。

　　3.對(duì)視頻環(huán)境影響的判斷和補(bǔ)償：環(huán)境的影響主要包括雨、雪、大霧等惡劣天氣、夜間低照度情況、攝像頭遮擋或偏移、攝像頭抖動(dòng)等等。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)在惡劣視頻環(huán)境情況下實(shí)現(xiàn)較正常的監(jiān)控功能。受環(huán)境影響視頻不清楚的時(shí)候，盡早發(fā)現(xiàn)畫(huà)面中的人，或者判斷攝像頭偏移的情況后發(fā)出報(bào)警。此類功能關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是在各種應(yīng)用場(chǎng)合下，均能夠較穩(wěn)定地輸出智能分析的信息，盡量減少環(huán)境對(duì)視頻監(jiān)控的影響。此類功能具備普遍的適應(yīng)性，80%以上的監(jiān)控點(diǎn)，都有增添此類功能的潛在需求。

　　1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)工作原理：由圖像傳感器采集到的圖像信號(hào)以YUV(4：2：2)的格式輸出，通過(guò)BF533的PPI接口以DMA方式存入SDRAM。當(dāng)采集完一幀數(shù)據(jù)后，BF533從SDRAM中讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行位圖數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，將位圖圖像數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)竭h(yuǎn)程PC機(jī)上，然后系統(tǒng)繼續(xù)采集下一幀圖像。

　　1．1 處理器

　　Blackfin處理器是ADI公司與Intel公司2003年4月聯(lián)合開(kāi)發(fā)的體現(xiàn)高性能體系結(jié)構(gòu)的首款第四代DSP產(chǎn)品，主要面向嵌入式音頻、視頻和通信等領(lǐng)域。ADSP-BF533是目前Blackfin系列數(shù)字信號(hào)處理器中性能較高的一款，具有600MHz的主頻、雙16位的MAC(乘加器)和兩個(gè)40位的ALU(算術(shù)邏輯單元)、四個(gè)8位的視頻處理單元、八個(gè)算術(shù)寄存器、10個(gè)地址尋址單元，并且集成了大量的外圍設(shè)備和存儲(chǔ)器接口，每秒運(yùn)算速度達(dá)到1200MMAC(兆次乘法加法運(yùn)算)，并且ADSP-BF533在達(dá)到600MHz性能水平時(shí)的功耗僅為280mW，能耗很小。在圖像處理上的優(yōu)點(diǎn)更為突出，可針對(duì)圖像特點(diǎn)運(yùn)用二維DMA傳輸數(shù)據(jù)，大大加快和方便圖像數(shù)據(jù)的傳送和處理。ADSP-BF533系列DSP具有接口豐富，性能優(yōu)良，更具有視頻處理接口及獨(dú)立的視頻指令，特別適用于各種音視頻、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域，充分滿足了系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求，在實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　1．2 圖像傳感器

　　美國(guó)Omnivision公司的彩色圖像傳感器OV7660具有30萬(wàn)像素，芯片的像素陣列達(dá)到1300x1280，具有高靈敏度采光、低功耗電源供電等特點(diǎn)且功耗低、體積小，在攝像手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)視頻等方面應(yīng)用比較廣泛。通過(guò)先進(jìn)的傳感器技術(shù)，還可以通過(guò)減少或者消除圖像瑕玷中的普通光／電資源(如固定樣式噪音(FPN)、拖尾效應(yīng)、閃光等)來(lái)產(chǎn)生比較清晰、完全、穩(wěn)定的彩色圖像。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一種很好的選擇。

　　0V7660圖像傳感器，內(nèi)置自動(dòng)曝光控制(AEC)、自動(dòng)增益控制(AGC)、自動(dòng)白平衡(AWB)等功能，支持SXGA、VGA、QVGA、QQVGA、CIF、QCIF和QQCIF，可輸出RGB、YUV和YCbCr等多種視頻數(shù)據(jù)格式。0V7660通過(guò)一個(gè)專用的Camera InteRFace接口與處理芯片BF533的PPI接口連接，接口電路如圖1所示。

　　為使芯片正常上作，需要通過(guò)串行視頻控制總線(SCCB)總線來(lái)配置OV7660的內(nèi)部寄存器，使芯片輸出格式正確的彩色圖像數(shù)據(jù)。

　　1. 3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　要完成系統(tǒng)的功能，除了處理器和圖像采集模塊，通過(guò)B1ackfin533的豐富接口，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還要用到以下模塊。

　　(1)SDRAM模塊為系統(tǒng)提供內(nèi)核運(yùn)行、程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)緩存的空間；

　　(2)FLASH模塊為系統(tǒng)提供存儲(chǔ)空間；

　　(3)系統(tǒng)調(diào)試、移植、交叉編譯、需要UART接口和JTAG調(diào)試接口；

　　(4)圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸需要以太網(wǎng)接口。

　　當(dāng)然系統(tǒng)還應(yīng)有電源模塊、系統(tǒng)復(fù)位電路、時(shí)鐘模塊等，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

　　2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件部分包括三部分，嵌入式uClinux(操作系統(tǒng)，圖像傳感器0V7660和網(wǎng)絡(luò)控制器CS8911A的驅(qū)動(dòng)程序，系統(tǒng)的應(yīng)用程序。

　　2．1 嵌入式uClinux操作系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)采用開(kāi)源、可剪裁、安全性和實(shí)時(shí)性好的嵌入式uClinux操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的快速準(zhǔn)確傳輸，并提供了完善的網(wǎng)絡(luò)支持。uClinux并為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)提供了眾多API接口函數(shù)，方便了編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

　　嵌入式uClinux系統(tǒng)是由Boot Loader引導(dǎo)程序、系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)組成。軟件交叉編譯環(huán)境為Windows系統(tǒng)下的coLinux，該操作環(huán)境具有模擬uClinux操作系統(tǒng)的功能，在擁有colinux環(huán)境的基礎(chǔ)上，選擇合適的開(kāi)發(fā)工具可以加快開(kāi)發(fā)速度，節(jié)省開(kāi)發(fā)成本。軟件編程語(yǔ)言為標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言，具有良好的可移植性。

　　2．2 OV7660和CS8911A驅(qū)動(dòng)程序

　　Blackfin533 uClinux kernel中帶有一些硬件驅(qū)動(dòng)模塊，縮短了開(kāi)發(fā)周期。系統(tǒng)上電后，將自動(dòng)檢測(cè)視頻設(shè)備OV7660，視頻設(shè)備被檢測(cè)到后，將自動(dòng)調(diào)用在配置內(nèi)核時(shí)已經(jīng)加載到uClinux中的OV7660的驅(qū)動(dòng)程序模塊PPI_ov7660。

　　圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸在Linux的平臺(tái)上采用服務(wù)器／客戶端模型，網(wǎng)絡(luò)控制器CS8911A的驅(qū)動(dòng)程序因?yàn)橐呀?jīng)很成熟了并且對(duì)外公開(kāi)，直接采用了開(kāi)發(fā)好并已經(jīng)移植到uClinux內(nèi)核中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　2．3 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)分為圖像采集設(shè)備初始化、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化和圖像的捕捉三部分。視頻圖像采集的程序流程圖如圖3。

　　2．3．1 圖像采集設(shè)備初始化

　　對(duì)于uClinux操作系統(tǒng)，它將設(shè)備看作文件，因此，想對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)等操作，應(yīng)首先打開(kāi)設(shè)備，完成操作后再關(guān)閉設(shè)備。設(shè)備文件的初始化主要針對(duì)PPI的／dev／ppifcd設(shè)備。本系統(tǒng)可以從4個(gè)步驟進(jìn)行。

　　(1)打開(kāi)視頻設(shè)備 利用open()函數(shù)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)PPI視頻設(shè)備。

　　fd_ppi=open(“／dev／ppifcd”，O_RDWR)

　　fd_ppi為設(shè)備文件描述符。

　　(2)獲取設(shè)備信息 利用相應(yīng)的ioctl()函數(shù)取得設(shè)備文件的相關(guān)信息，包含設(shè)備的基本信息參數(shù)(設(shè)備名稱、支持的分辨率、信號(hào)源信息等)；

　　ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_GET_VIDEOIN，＆video_in)

　　(3)獲取影像信息 利用相應(yīng)的ioctl()函數(shù)取得影像支持信息，包含設(shè)備采集圖像的各種屬性參數(shù)(色調(diào)、亮度、飽和度、對(duì)比度、色相等)；

　　ioctl(fd_ppi，CMD_PPI_SET_0V7660，＆pictures)

　　(4)關(guān)閉視頻設(shè)備利用close()函數(shù)關(guān)閉PPI視頻設(shè)備。

　　if(fd_ppi)close(fd_ppi)；

　　2．3．2 數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化

　　本系統(tǒng)開(kāi)始采集攝像頭數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為YUV420格式，在PC上顯示的時(shí)候采用的是RGB565格式，因此在采集完畢之后必須進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換。

　　RGB與YUV之間可以相互轉(zhuǎn)化，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

　　其反變化公式如下

　　根據(jù)上述關(guān)系可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。

　　2．3．3 圖像的捕捉

　　在PPI_ov7660中采用直接讀取的方法，直接讀取方法比較簡(jiǎn)單，通過(guò)調(diào)用read()函數(shù)，將輸入的圖像數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核緩沖區(qū)中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每幀圖像的讀取。過(guò)程如下：

　　(1)通過(guò)調(diào)用函數(shù)malloc()為采集的圖像數(shù)據(jù)分配內(nèi)存；

　　in_buff=(unsigned char*)malloc(IMG_SIZE)

　　(2)通過(guò)調(diào)用read()函數(shù)將前端采集的圖像數(shù)據(jù)讀到in_buf中；

　　Fd=read(fd_ppi，in_buff，IMG_SIZE)

　　(3)通過(guò)調(diào)用write()函數(shù)將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)到創(chuàng)建的一個(gè)file里。

　　fd=fopen(“pic”，“wb”)fwrite(in_buff，l，nOutputBytes，fd)

　　3 圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸與顯示

　　在uClinux平臺(tái)上采用服務(wù)器／客戶端模型通過(guò)建立TCP套接字來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接，本系統(tǒng)通過(guò)基于TCP協(xié)議的socket編程，完成了圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送和客戶端的接收程序。流程圖如圖4所示。

　　以網(wǎng)絡(luò)上PC機(jī)為客戶端，用VC編寫(xiě)圖像顯示界面。把服務(wù)端采集的圖像傳送至接收端，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)每秒采集15幀圖像，沒(méi)有停頓感，滿足實(shí)時(shí)性要求。

　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的非智能閉路電視（CCTV）系統(tǒng)，其缺點(diǎn)十分明顯。這樣的系統(tǒng)或者需要安保人員實(shí)時(shí)監(jiān)視畫(huà)面以捕捉關(guān)鍵事件，或者需要在事后對(duì)視頻記錄進(jìn)行回放并進(jìn)行人工分析。耗時(shí)耗力，成本高而效率低。近幾年，DSP在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)方面的應(yīng)用不斷完善，正在逐漸取代傳統(tǒng)的模擬非智能系統(tǒng)。iSuppli公司2006年的一份分析曾指出，IP視頻監(jiān)控系統(tǒng)市場(chǎng)到2010年將增長(zhǎng)近十倍。 IP監(jiān)控的創(chuàng)新技術(shù)之一是“智能攝像機(jī)”，它擁有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器，能探測(cè)威脅并觸發(fā)自動(dòng)響應(yīng)?？梢?jiàn)，DSP芯片是智能監(jiān)控的。

    本系統(tǒng)以B1ackfin533為數(shù)據(jù)處理，依托數(shù)字圖像處理技術(shù)和DMA技術(shù)，并通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成了一個(gè)完整的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、圖像分辨率高、成本低廉、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)布線。本系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)行要求，具有很大的應(yīng)用前景。