基于MB90092型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：敘述單片機(jī)控制的圖像疊加的一般原理，引入對(duì)抗的概念，介紹一種利用疊加技術(shù)提高有關(guān)部門視頻監(jiān)控系統(tǒng)安全性的方法。使用該方法可以有效地防止在被監(jiān)控端高科技人員故意對(duì)監(jiān)控頭及線路的作假行為，確保遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像的真實(shí)性和可靠性。
關(guān)鍵詞：MB90092；視頻字符疊加；監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TN941.3  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0018-04
1 引言

    隨著監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的擴(kuò)展和探頭數(shù)量增多，在監(jiān)控端的圖像顯示系統(tǒng)中，經(jīng)常需要接收外部數(shù)據(jù)并把相關(guān)的信息實(shí)時(shí)地連同圖像顯示在監(jiān)控屏幕上，以便使用人員知道該圖像信息以何種方式來(lái)自何處及與之相關(guān)的信息，時(shí)間，地區(qū)徽標(biāo)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。但是對(duì)于監(jiān)控人員而言，監(jiān)控端遭到攻擊是一個(gè)值得擔(dān)心的問(wèn)題，因此，改善技術(shù)方案和增強(qiáng)安全性是對(duì)目前狀況提出的一種迫切要求。監(jiān)控人員希望所看到的是得到驗(yàn)證的真實(shí)圖像，無(wú)論時(shí)間、環(huán)境、探頭位置、角度和焦距都必須得到保證。在遠(yuǎn)程監(jiān)控場(chǎng)合，有關(guān)重要部門的監(jiān)控者往往對(duì)于接收?qǐng)D像的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性不完全放心，尤其是如果對(duì)高科技對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)控，那么，當(dāng)監(jiān)控者因故臨時(shí)離開(kāi)監(jiān)控臺(tái)一段時(shí)間后，由于不知道被監(jiān)控方是否對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了攻擊，故而往往有確認(rèn)探頭工作正常和所見(jiàn)圖像真實(shí)性的要求。

    筆者引入對(duì)抗的概念設(shè)計(jì)了一種具備安全性保障的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了在屏幕上疊加動(dòng)態(tài)偽隨機(jī)符號(hào)的方法防止系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)監(jiān)控頭被拆卸。一旦線路被拆動(dòng)，主監(jiān)控端給出的確認(rèn)標(biāo)識(shí)將不再顯示，從而檢測(cè)出被監(jiān)控方高科技人員隨意拆動(dòng)監(jiān)控頭系統(tǒng)的行為，有效防止了因信號(hào)傳輸線路被隨意改動(dòng)而導(dǎo)致偽圖像的引入，本系統(tǒng)能在一些要求高且監(jiān)控背景不具有環(huán)境特征的特殊場(chǎng)合應(yīng)用，例如在背景為藍(lán)天、白墻和曠野等特殊場(chǎng)合及一些重要部門。

2 圖像疊加的原理及設(shè)計(jì)思路

    為了達(dá)到圖像疊加的目的，必須先了解圖像傳送的原理，目前電路技術(shù)中采用順序（輪流）傳送像素的方法。在發(fā)送端按照各個(gè)像素的行列位置逐個(gè)發(fā)送到接收端，在接收端的顯示屏幕上，各個(gè)像素也是一個(gè)一個(gè)顯現(xiàn)的。所以，如果想在接收端得到預(yù)期的影像，發(fā)送端與接收端必須同步。所謂疊加，就是保證經(jīng)視頻信號(hào)提取電路分理出的行和場(chǎng)信號(hào)與所需疊加的圖像信號(hào)符合同步要求的條件下，在視頻信號(hào)相應(yīng)的位置疊加圖標(biāo)信號(hào)的電平。

    為了防止被監(jiān)控對(duì)象私自改動(dòng)線路和引入虛假圖像來(lái)迷惑監(jiān)控者，本設(shè)計(jì)引入了對(duì)抗的思路：一是設(shè)計(jì)的監(jiān)控頭附加電路采用偽隨機(jī)序列編碼顯示各種類型的圖形或字符，而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心也采用與之相對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列編碼來(lái)檢測(cè)各種類型的圖形或字符，由于各探頭所使用的編碼均不相同，所以可防止非法調(diào)換監(jiān)控頭。二是采用硬件視頻信號(hào)檢測(cè)電路，能檢測(cè)出在運(yùn)行過(guò)程中傳輸線路與監(jiān)控頭設(shè)備可能發(fā)生的分離現(xiàn)象，從而采取相應(yīng)措施。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)及模塊

3.1.1 視頻箝位電路

    視頻箝位電路是視頻輸入信號(hào)預(yù)處理模塊。MB90092接收的復(fù)合視頻信號(hào)電平是2Vp－p，而且需要有1V的直流偏置。因此，需要對(duì)攝像頭輸出的1Vp－p視頻信號(hào)電平進(jìn)行箝位和放大。放大電路采用MAX457型視頻放大器，放大倍數(shù)為2。該電路選擇導(dǎo)通壓降相同二極管和三極管，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R2使D1負(fù)相端的箝位電壓為1V，同時(shí)輸出端的視頻信號(hào)（Vout）上疊加1V的直流偏置，詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。

3.1.2 視頻信號(hào)同步分離電路

    選用SANYO公司的LA7806型同步處理器（詳細(xì)技術(shù)資料見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]）。它從視頻信號(hào)中分理出復(fù)合同步、復(fù)合消隱等信號(hào)并使這些信號(hào)能同步協(xié)調(diào)工作。有些設(shè)計(jì)人員使用National Semiconductor公司的LM1881型行場(chǎng)分離器，該電路的集成度高，只需少量外圍電路就可有效地提取出視頻信號(hào)中的同步信號(hào)，但是在低信噪比（S/N）條件下，由于LM1881分離出的復(fù)合同步信號(hào)存在左右晃動(dòng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的工作受到影響。

3.1.3 字符疊加模塊

    MB90092與外部單片機(jī)的接口時(shí)序如圖3所示。首先，CS片選有效，在每個(gè)時(shí)鐘的上升沿，DATA數(shù)據(jù)1的bit進(jìn)入MB90092內(nèi)部的串行移位寄存器，8bit為一個(gè)字節(jié)，然后CS和SCLK分別為高電平，作為一個(gè)字節(jié)的結(jié)束，接著發(fā)送下個(gè)字節(jié)，在串行傳輸中，時(shí)鐘對(duì)收到的bit計(jì)數(shù)，通過(guò)強(qiáng)制CS為高電平，可以復(fù)位串行傳輸，通過(guò)強(qiáng)制CS從高電平到低電平，清除復(fù)位，使得隨后的8bit數(shù)據(jù)是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。如果在8bit數(shù)據(jù)中間CS變?yōu)楦唠娖?，則這個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)效。

3.1.4 漢字字庫(kù)模塊

    漢字字庫(kù)模塊采用外掛的MBM29F040 型Flash存儲(chǔ)器，其中，存儲(chǔ)所需疊加的字符每個(gè)都由24×32個(gè)點(diǎn)陣組成，即每一個(gè)字符由96個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)表示。根據(jù)電路與外部字符存儲(chǔ)器的地址接口關(guān)系及電路讀取點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的順序，事前將所需字符燒錄到外部存儲(chǔ)器中。這樣的外部字符存儲(chǔ)器給設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便。系統(tǒng)可以根據(jù)需要隨時(shí)更改字符點(diǎn)陣。

3.1.5 緩沖放大模塊

    輸出緩沖放大采用MAX470型放大器，該電路內(nèi)含4個(gè)相同的視頻放大器。各個(gè)輸入端之間和各個(gè)輸出端之前均用地線或電源線隔開(kāi)，每塊視頻輸出插板需要2個(gè)MAX470。該電路的主要特點(diǎn)是帶寬為90MHz，增益為2V/V，微分增益為0.01％，微分相位為0.03°，轉(zhuǎn)換速率為300/μs，切換時(shí)間為20ns，輸入電容為5pF，輸出可設(shè)定為高阻態(tài)以減少功率消耗。

3.1.6 傳輸線路中斷檢測(cè)

    本設(shè)計(jì)方案是設(shè)置單片機(jī)中的某一單元。由于單片機(jī)中的ROM單元為Flash Memory，不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，單片機(jī)在運(yùn)行中每給MB90092發(fā)送一次字符前都要檢測(cè)該單元，若發(fā)現(xiàn)該單元置位，將永久性拒絕繼續(xù)發(fā)送疊加字符，因此無(wú)論線路是否恢復(fù)正常，監(jiān)控者在此后任意時(shí)間內(nèi)都能發(fā)現(xiàn)線路變動(dòng)的情況。

3.2 圖像疊加系統(tǒng)的軟件

    本項(xiàng)目需要在原始視頻信號(hào)上疊加圖像信息以滿足監(jiān)控需要和檢測(cè)偷換視頻監(jiān)控頭的作假行為。因此，單片機(jī)要控制疊加輸出的字符圖像，還要按照偽隨機(jī)序列的安排給出所選字符及其顏色、位置和背景等信息。給出待疊加顯示的字符指令的同時(shí)給出字符的顏色、位置、背景等指令。通過(guò)指針對(duì)于各條指令入口地址的偽隨機(jī)變動(dòng)，每一指令選取地址的序列形成一個(gè)看似無(wú)序的偽隨機(jī)序列，這樣可以更有效地防止被監(jiān)控方識(shí)破標(biāo)識(shí)而發(fā)生的造假。

    軟件流程先對(duì)程序初始化，再?gòu)?SPAN lang=EN-US>MBM29F040中調(diào)取字幕種類和顯示位置數(shù)據(jù)填充MB90092，結(jié)合輸入的原視頻及其同步分離信號(hào)混合輸出。輸出從信號(hào)中檢測(cè)的異常情況引起中斷，導(dǎo)致單片機(jī)外部中斷的變化，清除顯示字符疊加標(biāo)志，程序停止發(fā)送字符。

4 遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

    為了使中央控制室的監(jiān)控人員能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)要對(duì)相應(yīng)的情況進(jìn)行報(bào)警。線路被切斷的情況在一節(jié)已經(jīng)介紹，本節(jié)介紹的遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要檢測(cè)探頭被非法更換的情況。這種情況可以通過(guò)人工檢測(cè)或計(jì)算機(jī)檢測(cè)，人工檢測(cè)僅僅可以看出字符與字符顯示間比較大的差異，肉眼難以分辨的顯示具體位置、外形相近的圖標(biāo)等還必須依靠遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。筆者所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)處于中央監(jiān)控室內(nèi)以配合常規(guī)中央監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)截取各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控頭圖像并對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常并報(bào)警。

    遠(yuǎn)程檢測(cè)報(bào)警分為4個(gè)步驟：

    （1）利用原中央監(jiān)控系統(tǒng)提供的功能截取探頭圖像；

    （2）對(duì)該圖像進(jìn)行處理，分割出疊加的徽標(biāo)；

    （3）對(duì)徽標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，得到有關(guān)參數(shù)；

    其流程如圖4所示。  

    報(bào)警系統(tǒng)程序可依據(jù)被監(jiān)控端圖像疊加過(guò)程中對(duì)于圖標(biāo)顯示的地址，選擇的字符及其特性都要做出對(duì)應(yīng)的畫(huà)面截取、分割及偽隨機(jī)序列查配，得到的分離結(jié)果與監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的疊加處理是完全一一對(duì)應(yīng)的逆過(guò)程。

5 結(jié)束語(yǔ)