摘 要： 全面介紹了基于圖像的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,，克服了傳統(tǒng)單點(diǎn)信號(hào)報(bào)警的缺陷，并采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)和高密度FLASH,、CPLD技術(shù),，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)響應(yīng)和自適應(yīng)能力。
關(guān)鍵詞： 圖像報(bào)警 RISC FLASH CPLD 自適應(yīng)
報(bào)警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于銀行,、飯店,、交通管理以及智能大廈等場(chǎng)所和領(lǐng)域。傳統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警裝置,，大多采用單點(diǎn)信號(hào)報(bào)警,，即在某一特定位置安放傳感器，當(dāng)該采集點(diǎn)處的物理量達(dá)到報(bào)警門(mén)限時(shí),，就向中心控制計(jì)算機(jī)發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求信號(hào),。這種報(bào)警裝置的優(yōu)點(diǎn)是安裝便利，反應(yīng)迅速,，但其適用范圍較小,，對(duì)單點(diǎn)噪聲過(guò)分敏感而導(dǎo)致誤報(bào)，在防止誤報(bào)和漏報(bào)兩方面不可兼得等先天缺陷,，限制了它不能被應(yīng)用于情況復(fù)雜,、并要求具備一定動(dòng)態(tài)控制能力的場(chǎng)所,。
基于圖像的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)克服了上述缺陷。通過(guò)對(duì)所監(jiān)視場(chǎng)景的全景拍攝,，避免了對(duì)單一采集點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的隨機(jī)噪聲敏感性,；而數(shù)字圖像處理技術(shù)的引入，使整個(gè)系統(tǒng)可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,。
1 自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)的組成
完整的自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像采集攝像機(jī),、圖像信號(hào)處理與報(bào)警信號(hào)發(fā)生、中心控制計(jì)算機(jī)[1],。本文僅對(duì)上述第二部分進(jìn)行討論,，前文中的自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際上也特指該子系統(tǒng)。
為降低中心控制處理的復(fù)雜度和圖像信號(hào)傳輸?shù)念~外開(kāi)銷(xiāo),，將圖像信號(hào)處理及報(bào)警信號(hào)發(fā)生以硬件實(shí)現(xiàn)并隨同攝像機(jī)安置于前端,，從而構(gòu)成分布式處理系統(tǒng),。圖像報(bào)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)
保證實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)調(diào)整能力是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的首要目的。為便于硬件處理,，算法上采用灰度閾值分割和差值圖像面積累計(jì),。基于降低系統(tǒng)成本的考慮,，不可能選用具有較強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理能力的DSP芯片,，而一般的工業(yè)控制單片機(jī)又很難達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求，這正是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題,。
本系統(tǒng)中采用了查找表的思想,，將圖像差值運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)FLASH/EPROM的讀操作。其原理是預(yù)先將差值算法的處理結(jié)果存儲(chǔ)于FLASH或EPROM的既定存儲(chǔ)單元中,，而進(jìn)行差值運(yùn)算的兩幀圖像的象素灰度數(shù)據(jù)(8bits)分別作為存儲(chǔ)器的高8位地址和低8位地址,。這樣處理的結(jié)果是每進(jìn)行一個(gè)象素的差值運(yùn)算，所需要的時(shí)間是存儲(chǔ)器的一個(gè)讀周期,，顯然可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)的要求,。經(jīng)過(guò)差值處理后的象素灰度值再經(jīng)過(guò)閾值判別送計(jì)數(shù)器，當(dāng)累計(jì)數(shù)量超過(guò)一定面積時(shí),，MCU將發(fā)出報(bào)警信號(hào),。
存儲(chǔ)器(FLASH/EPROM)的算法為：
(Gvalue)＝｜Hvalue－Lvalue｜ (1)
其中Hvalue為A/D直通圖像抽樣信號(hào)(8bits)，同時(shí)也是存儲(chǔ)器高8位地址,；Lvalue為DRAM中存儲(chǔ)的數(shù)字圖像參考幀抽樣信號(hào)(8bits),，即存儲(chǔ)器低8位地址；Gvalue為存儲(chǔ)器16位地址,。
閾值判別采用全局閾值法[2],，這種方法適用于場(chǎng)景具有均勻光照條件的情況。對(duì)于場(chǎng)景整體灰度的變化，可以通過(guò)由MCU控制定時(shí)刷新DRAM參考幀數(shù)據(jù),，并調(diào)整全局閾值T和臨界面積S而獲得自適應(yīng)的效果,。閾值判別和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)如式(2)(3)所描述：
if (Gvalue)＞T，count＝count+1 (2)
if count＞S,，觸發(fā)報(bào)警 (3)
系統(tǒng)工作實(shí)例如圖2所示,。
3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中的器件選擇和工作特性描述
硬件實(shí)現(xiàn)中器件的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用。ATMEL公司是世界上著名的高性能,、低功耗,、非易失性存儲(chǔ)器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研,，本系統(tǒng)選用了ATMEL的幾款芯片完成系統(tǒng)的關(guān)鍵部分功能,。
3.1 RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī)AT90S2313
ATMEL公司的90系列單片機(jī)是增強(qiáng)RISC內(nèi)載FLASH的單片機(jī)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為AVR單片機(jī),。傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)需要大量的程序代碼,，以實(shí)現(xiàn)累加器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送，并且由于時(shí)鐘分頻,，使得數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)瓶頸,。AVR單片機(jī)是第一種真正的8位RISC單片機(jī)，快速存取RISC寄存器文件和單指令周期使它的性能明顯優(yōu)越于普通8位單片機(jī)[3],。
AT90S2313具有2K字節(jié)內(nèi)載編程FLASH,，128字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，128字節(jié)EEPROM工作寄存器,，32字節(jié)通用工作寄存器,，15I/O，8位和16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器各一個(gè),，通用異步收發(fā),，20腳PDIP或SOIC封裝，支持在系統(tǒng)編程,，最高工作頻率達(dá)12MHz[4],。本系統(tǒng)中，它負(fù)責(zé)完成A/D器件的初始化,，地址發(fā)生器,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的控制，以及計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)警觸發(fā),。
A/D轉(zhuǎn)換選用了Philips公司的SAA7111,，其初始化通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行。利用兩個(gè)AT90S2313的通用I/O引腳,，就可以產(chǎn)生I2C總線(xiàn)的時(shí)序信號(hào),，完成對(duì)SAA7111的初始化,。片內(nèi)的16位計(jì)數(shù)器用以進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，并產(chǎn)生中斷報(bào)警信號(hào),。閾值判別和臨界面積的設(shè)定以及DRAM參考幀的定期刷新都通過(guò)對(duì)AT90S2313的編程來(lái)實(shí)現(xiàn),。
由于采用了精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，AT90S2313的編程與通常的51系列有所不同,。為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能,，還可考慮選擇AT90S系列的其他型號(hào)，如4414,、8515等,。
3.2 AT29C512高密度FLASH
盡管FLASH技術(shù)在今天已經(jīng)不是什么新鮮產(chǎn)物，但ATMEL的AT29和AT49系列仍以其卓越的性能和廣泛的適用性在市場(chǎng)上獨(dú)占熬頭,。本系統(tǒng)根據(jù)差值數(shù)據(jù)寬度的需要,，選擇AT29C512(64K×8)Boot FLASH，其讀周期長(zhǎng)度為70ns,，完全滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理的要求,。
選用FLASH的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行在系統(tǒng)改寫(xiě)，這在使用環(huán)境復(fù)雜,、需要大量動(dòng)態(tài)調(diào)整處理的情況下是非常有利的,?？梢酝ㄟ^(guò)AT90S2313對(duì)FLASH中的差值算法進(jìn)行修改以適應(yīng)實(shí)際環(huán)境的需要,。
對(duì)于環(huán)境條件變化不大的情況，可以使用ATMEL公司的EPROM產(chǎn)品,，型號(hào)為AT27C512R或AT27C520,。
3.3 ATF1500A高密度CPLD
DRAM的操作時(shí)序信號(hào)包括行、列地址產(chǎn)生,、刷新控制,、讀寫(xiě)控制等全部由地址信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，這里選用了ATF1500A高性能FLASH CPLD,。除產(chǎn)生經(jīng)過(guò)抽樣選擇的行,、列地址信號(hào)外，還需要給AT29C512提供讀控制信號(hào)及完成整個(gè)系統(tǒng)的同步,。SAA7111主模式所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)LLC2是系統(tǒng)工作的基準(zhǔn)時(shí)鐘,。由于SAA7111輸出的圖像格式大大超出了報(bào)警系統(tǒng)所需要的基本分辨率，所以要進(jìn)行一定的分頻即抽樣處理,。
ATF1500A具有32個(gè)觸發(fā)器,，32I/O和1500等效門(mén)，最大管腳間延時(shí)為7.5ns,，44腳PLCC或TQFP封裝[5],。其各種工作參數(shù)充分滿(mǎn)足了系統(tǒng)地址/控制總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的需要,，并且具有第三方開(kāi)發(fā)工具支持和加密特性。
除ATF1500A以外,，1500系列還包含多種型號(hào)來(lái)滿(mǎn)足不同復(fù)雜度的應(yīng)用需要,，包括在系統(tǒng)編程功能。另外還可以考慮使用多片ATF22V10來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能,，或者使用ATF750系列,，后者采用ATMEL公司獨(dú)有的PLD結(jié)構(gòu)，在24腳的封裝類(lèi)型中功能最強(qiáng),。
4 系統(tǒng)性能評(píng)估
與單點(diǎn)信號(hào)報(bào)警相比,，自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)具有全景監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,，采用了查找表技術(shù)降低處理器復(fù)雜度，并通過(guò)器件的比較和選用,，使系統(tǒng)運(yùn)行效果達(dá)到了優(yōu)化,。
在系統(tǒng)試運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)蚊蟲(chóng)爬上攝像機(jī)鏡頭和閃電等情況時(shí),，可能導(dǎo)致誤報(bào)的發(fā)生,。解決的方法涉及對(duì)圖像內(nèi)容的理解和動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整與時(shí)間密度相關(guān)性的問(wèn)題，將進(jìn)行深入研究和討論,。
參考文獻(xiàn)
1 程曉舫,，吳建華等.HODOLIC計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì).中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997;5
2 章毓晉.圖像處理和分析.北京：清華大學(xué)出版社,，1999
3 宋建國(guó).AVR單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，1998；10
4 ATMEL.AVR RISC Microcontroller Data Book.Aug.1999
5 ATMEL.Configurable Logic Data Book.Mar.1997