一種用CPLD實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的方法

　　摘 要: 介紹了一種采用CPLD外加SRAM存儲(chǔ)芯片,對(duì)ITU601格式數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的方法。在此基礎(chǔ)上,給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)方法的例子。在這個(gè)例子中,用Philips公司的視頻處理芯片SAA7113的輸出信號(hào)作為數(shù)字視頻源,用Lattice公司的CPLD芯片LC4128V對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

　　關(guān)鍵詞: 運(yùn)動(dòng)檢測(cè) CPLD 數(shù)字視頻信號(hào)

　　在數(shù)字錄像、數(shù)字監(jiān)控等領(lǐng)域內(nèi),人們通常只對(duì)場(chǎng)景內(nèi)存在的物體運(yùn)動(dòng)感興趣。在這種情況下,需要對(duì)輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,識(shí)別場(chǎng)景中是否存在物體運(yùn)動(dòng),也就是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè),然后再?zèng)Q定是否做進(jìn)一步的處理,例如錄像、報(bào)警等。對(duì)于錄像系統(tǒng),通過運(yùn)動(dòng)檢測(cè),能夠避免不必要的數(shù)字錄像,有效地減少系統(tǒng)所需存儲(chǔ)空間;同時(shí)可以加快檢索速度,提高資料有效性。對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是一種監(jiān)視場(chǎng)景信息的有效手段。

　　很多數(shù)字視頻信號(hào)處理系統(tǒng)通常會(huì)選用DSP芯片作為主處理芯片。由于DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理是通過編程實(shí)現(xiàn)各種算法的,只通過軟件就可以方便地加入某些功能,因此沒有必要添加額外的硬件來完成運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。但是有很多系統(tǒng),由于各種原因需要選用其它芯片來完成視頻信號(hào)的處理,例如華邦的W9968x系列芯片,由硬件完成信號(hào)的處理,其算法已經(jīng)被固化在芯片的內(nèi)部電路中,不能隨意更改。這一類芯片功能比較單一,但速度快、價(jià)格便宜,通?？梢宰鳛槟承┫到y(tǒng)的專用芯片。對(duì)于這種情況,就需要考慮用另外的方法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。本文介紹的用CPLD進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的方法就是針對(duì)這一類情況的。該方法是通過附加一片CPLD芯片和一片SRAM芯片構(gòu)成一個(gè)低成本的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的。

1 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理

　　運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法有硬件實(shí)現(xiàn)的也有軟件實(shí)現(xiàn)的,但基本思想大同小異,都是對(duì)相隔一定時(shí)間的兩幀視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣,并對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果比較結(jié)果顯示這兩幀數(shù)據(jù)存在比較大的差異,那么就認(rèn)為數(shù)據(jù)輸入場(chǎng)景中存在物體的運(yùn)動(dòng),反之就認(rèn)為沒有運(yùn)動(dòng)存在。

　　本文介紹的用CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的方法也是基于這種思想,但和一般的實(shí)現(xiàn)方法有所不同,其實(shí)現(xiàn)方法有一定的特色。

通常情況下,在實(shí)現(xiàn)上述思想的過程中,需要兩個(gè)緩存區(qū)分別存放兩幀抽樣數(shù)據(jù),然后對(duì)這兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),最后得出比較結(jié)果。這樣做需要較大的SRAM作為緩存,而且往往需要單片機(jī)或者DSP對(duì)CPLD進(jìn)行控制,并將其作為兩幀數(shù)據(jù)的比較器。這樣,運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的獨(dú)立性會(huì)受到限制,而且CPLD的功能只是一個(gè)抽樣控制器。

　　本文提出的方法只對(duì)一幀抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,在對(duì)第二幀數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣時(shí)讀取第一幀中與此刻抽樣的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的緩存數(shù)據(jù),并將兩者進(jìn)行比較,用一個(gè)計(jì)數(shù)器記錄比較結(jié)果,如果差值超過閾值,計(jì)數(shù)器加一,否則不加。當(dāng)這個(gè)計(jì)數(shù)值超過某一個(gè)規(guī)定數(shù)值的時(shí)候,就認(rèn)為輸入視頻數(shù)據(jù)中存在著物體運(yùn)動(dòng)。這樣做的好處是需要的緩存區(qū)較小,而且CPLD可以單獨(dú)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提高運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的獨(dú)立性,運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊可以單獨(dú)調(diào)試。

2 用CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)

　　下面通過實(shí)例說明用CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的過程,并給出部分VHDL程序。在這個(gè)實(shí)例中,模擬視頻信號(hào)從CCD攝像頭輸入,經(jīng)過SAA7113芯片預(yù)處理后,輸出數(shù)字視頻信號(hào)。該信號(hào)分作兩路:一路輸入到CPLD進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè),另一路則輸入到芯片W99682,對(duì)信號(hào)進(jìn)行JPEG壓縮等進(jìn)一步處理。

　　示例中用到的CPLD是Lattice公司的LC4128V-75T100C,它具有128個(gè)宏單元、7.5ns的延時(shí)。SRAM芯片是ISSI公司的63LV1024,其容量為128K×8bit,具有10ns的延時(shí)。CPLD檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)后,通過中斷,要求W99682對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1(省略了部分與運(yùn)動(dòng)檢測(cè)無關(guān)的元件)所示。

2.1SAA7113的輸出信號(hào)

　　SAA7113是Philips公司推出的一款功能強(qiáng)大的視頻信號(hào)預(yù)處理芯片,最基本的功能是模/數(shù)轉(zhuǎn)換,輸出的數(shù)字視頻信號(hào)符合ITU601標(biāo)準(zhǔn)。ITU601是長(zhǎng)寬比為4:3和16:9的數(shù)字電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn),它對(duì)數(shù)字電視信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述和規(guī)范。在我國(guó),通常采用的都是4:2:2采樣格式、PAL制式、長(zhǎng)寬比為4:3的數(shù)字電視信號(hào)。SAA7113的輸出信號(hào)就是指這一格式的信號(hào)。這種格式信號(hào)的主要特征是:

　　(1)有三個(gè)正交分量:亮度分量Y、色度分量Cb和Cr。

　　(2)25幀/秒的幀率,每幀兩場(chǎng),每幀掃描625行。

　　(3)對(duì)于亮度分量Y,每行抽樣864次,對(duì)于色度分量Cr和Cb,每行抽樣432次。

　　(4)8bit或者10bit的PCM編碼。

　　(5)量化:0和255用于同步;1到254表示抽樣結(jié)果的PCM碼;對(duì)于亮度分量Y,16表示黑色,235表示白色;對(duì)于色度分量Cb或者Cr,128表示沒有色度。

　　(6)有三個(gè)信號(hào)用于同步輸出數(shù)據(jù):行同步信號(hào)SHS(15.6kHz)、場(chǎng)同步信號(hào)SVS(50Hz)和象素?cái)?shù)據(jù)同步信號(hào)SPCLK(27MHz)。

　　包括消隱期在內(nèi),每幀數(shù)據(jù)掃描625行,每行抽樣864個(gè)象素,因此總的分辨率是864×625。一幀數(shù)據(jù)分作奇偶兩場(chǎng),從上一幀的624行到本幀的310行是奇場(chǎng),其中上幀624行到本幀22行是奇場(chǎng)消隱期,從23行到310行是奇場(chǎng)有效行;從本幀311行到623行是偶場(chǎng),其中311到335行是偶場(chǎng)消隱期,336到623行為偶場(chǎng)有效行。圖2是一幀的示意圖。

　　對(duì)于幀內(nèi)的每一行,共有864個(gè)象素,其中從第0個(gè)到第719個(gè)為有效象素,共計(jì)720個(gè),從720個(gè)到863個(gè)為消隱期象素。每個(gè)象素都抽取Y分量,每?jī)蓚€(gè)象素則抽取一個(gè)Cr和一個(gè)Cb分量。圖3是幀內(nèi)一行以及象素抽樣數(shù)據(jù)排列格式的示意圖。表格第一行是亮度分量Y,第二行是色度分量Cr,第三行是色度分量Cb。

2.2 抽樣

　　從SAA7113視頻輸出數(shù)據(jù)格式的介紹可以看到,保存完整的一幀數(shù)據(jù)(包括消隱期數(shù)據(jù)在內(nèi))需要864×625×2=1.08×106Byte的SRAM,需要1M以上的存儲(chǔ)空間,這顯然是不可取的,必須對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣。本文介紹的方法的抽樣規(guī)則如下:

　　(1)抽取一幀數(shù)據(jù)的奇場(chǎng)或者偶場(chǎng)。做比較的兩場(chǎng)抽樣數(shù)據(jù)必須取自相同的場(chǎng)次,或者同為奇場(chǎng)或者同為偶場(chǎng),否則就沒有可比性。

　　(2)對(duì)連續(xù)的8幀抽取第2幀和第8幀進(jìn)行比較。被抽樣的兩幀之間必須有一定的時(shí)間間隔,間隔太短或者太長(zhǎng)都會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度。

　　(3)對(duì)一場(chǎng)數(shù)據(jù)抽取有效行中的奇數(shù)行,從場(chǎng)同步信號(hào)有效邊沿開始對(duì)行同步信號(hào)計(jì)數(shù),直到下一個(gè)場(chǎng)同步信號(hào)為止。從23行到310行是有效行,共144個(gè)奇數(shù)行。

　　(4)對(duì)被抽取的行,取其亮度分量Y。根據(jù)圖3中象素?cái)?shù)據(jù)的排列順序,從象素?cái)?shù)據(jù)有效開始,偶數(shù)的象素?cái)?shù)據(jù)脈沖同步的是亮度分量Y。

　　對(duì)于以上的抽樣規(guī)則,有必要說明一下。最終的抽樣數(shù)據(jù)并非全部都是有效數(shù)據(jù),其中還包括了一部分消隱期的數(shù)據(jù)。這樣做是可以理解的,因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果是根據(jù)兩幀被抽樣數(shù)據(jù)的差值來判定的,雖然消隱期的數(shù)據(jù)是無效的,但是每次消隱期的數(shù)據(jù)是相同的,兩次抽樣數(shù)據(jù)相減結(jié)果是零,并不會(huì)影響結(jié)果的判定。之所以對(duì)一場(chǎng)的行進(jìn)行抽樣,主要是為了減小抽樣數(shù)據(jù)量,使數(shù)據(jù)總量不超過128K SRAM的容量。

　　如果要保證抽樣數(shù)據(jù)全部都是有效數(shù)據(jù),那么必須利用輸入的象素?cái)?shù)據(jù)同步脈沖SPCLK、場(chǎng)同步信號(hào)SVS和行同步信號(hào)SHS對(duì)抽樣時(shí)刻做嚴(yán)格的同步。這需要消耗額外的CPLD資源,而效果卻不一定好。

根據(jù)以上規(guī)則,實(shí)際抽樣的數(shù)據(jù)量為:864×144=124416Byte,需要的SRAM容量為128K。

2.3 程序

　　下面給出實(shí)現(xiàn)以上過程的一部分VHDL程序。

　　sram_write_control:process(store_field,valid,spclk2,line_counter)

　　begin

　　 writing<=valid and spclk2 and spclk and store_field and line_counter(0)；

　　end process；

　　sram_read_control:process(compare_field,valid,spclk2,line_counter)

　　begin

　　 reading<=valid and compare_field and spclk2 and line_counter(0)；

　　end process；

　　這兩個(gè)進(jìn)程用于控制SRAM的讀寫信號(hào),reading和writing正好和SRAM的讀寫信號(hào)反相。Valid變量指示當(dāng)前輸入的行是否為需要采樣的有效行,spclk是象素?cái)?shù)據(jù)同步脈沖,spclk2是它的二分頻,用于指示當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)是否為亮度分量Y。line_counter(0)=1表示奇數(shù)行。store_field和compare_field分別指示本場(chǎng)數(shù)據(jù)是否需要保存或者需要比較。

　　update_data_bus:process(store_field,valid,ccd_data)

　　begin

　　 if(store_field=‘1’and valid=‘1’)then

　　 data_sram<=ccd_data；

　　else

　　 data_sram<=“ZZZZZZZZ”；

　　 end if；

　　end process；

在抽樣第一幀數(shù)據(jù)的時(shí)候,直接把數(shù)字視頻信號(hào)輸入到SRAM的數(shù)據(jù)總線上,寫操作信號(hào)由writing控制。其它時(shí)候,數(shù)據(jù)總線上輸出高阻。

　　update_data_reg:process(spclk,ccd_data,spclk2,compare_field,

　　valid,data_sram)

　　begin

　　 if(spclk＇event and spclk=‘0’)then

　　 if(compare_field=‘1’and valid=‘1’and spclk2=‘1’)then

　 data_sram_reg<=data_sram；

　 if(ccd_data<=threshold)then

data_reg1<=“00000000”；

data_reg2<=ccd_data+threshold；

　 elsif(ccd_data>=255-threshold)then

data_reg1<=ccd_data-threshold；

data_reg2<=“11111111”；

　 else

data_reg1<=ccd_data-threshold；

data_reg2<=ccd_data+threshold；

　 end if；

　 end if；

end if；

end process；

　　SAA7113的象素同步脈沖的下跳邊沿是象素?cái)?shù)據(jù)的有效邊沿,進(jìn)程在compare_field=1時(shí),一方面把抽樣數(shù)據(jù)讀入,用寄存器保存用于比較的數(shù)據(jù)的上限和下限;另一方面從SRAM讀入對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存入寄存器data_sram_reg,這兩個(gè)操作為比較數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。threshold是一個(gè)閾值,這里取16,當(dāng)前后兩次抽樣差值超過threshold時(shí)就認(rèn)為這兩個(gè)抽樣數(shù)據(jù)是不等的。在輸入數(shù)據(jù)接近0或者255的時(shí)候,需要做特殊處理,避免整型數(shù)溢出,影響比較結(jié)果。

　　compare_data:process(spclk2,valid,compare_field)

　　begin

　　 if(spclk2＇event and spclk2=‘0’)then

　　 if(compare_field=‘0’)then

pixels<=“0000000000”；

　　 elsif(valid=＇1＇)then

　　 if(data_sram_reg<=data_reg1 or data_sram_reg>=data_reg2)then

pixels<=pixels+1；

　　 end if；

　　 end if；

　　 end if；

　　end process；

　　compare_data進(jìn)程在抽樣的間隔(輸入為色度分量Cr或者Cb時(shí))對(duì)前后兩次抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果比較結(jié)果超過允許值,計(jì)數(shù)器pixels加1,否則不加。

　　motion_detect:process(pixels)

　　begin

　　 if(pixels>max_pixels)then

　　 int0<=‘1’；

　　 else

　　 int0<=‘0’；

　　end if；

　　end process；

　　max_pixels是一個(gè)閾值,表示一幀數(shù)據(jù)中允許出現(xiàn)的不相等抽樣數(shù)據(jù)的最大數(shù)目,當(dāng)計(jì)數(shù)器pixels超過max_pixels時(shí),就認(rèn)為檢測(cè)到了物體運(yùn)動(dòng),CPLD將int0輸出管腳置高,向處理器請(qǐng)求中斷。這里max_pixels取600,它可以根據(jù)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹怠?/p>

　　當(dāng)CCD攝像頭前有物體晃動(dòng)時(shí),CPLD的int0管腳會(huì)連續(xù)產(chǎn)生高電平脈沖,這說明運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊已經(jīng)正常工作起來,同時(shí)另一路視頻信號(hào)經(jīng)過W99682處理后輸送到電視屏幕上,以便觀察運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景。如果晃動(dòng)攝像頭本身,只要微小的晃動(dòng)就可以看到類似的效果,因此用這種CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)是可行的。

　　事實(shí)上,還可以利用同樣的原理對(duì)CMOS攝像頭的輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

　　當(dāng)然這種檢測(cè)方法本身也有不足之處,最主要的一點(diǎn)是實(shí)際檢測(cè)到的只是攝像頭前光線亮度的變化,不能智能地判斷引起這種變化的原因,也不能判別運(yùn)動(dòng)物體的形狀。另一方面,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)誤判;當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體離攝像頭比較遠(yuǎn)時(shí),檢測(cè)的靈敏度也會(huì)降低,出現(xiàn)漏判。誤判和漏判是一對(duì)矛盾,在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況反復(fù)調(diào)試,選出最佳的閾值,減少這兩種情況的發(fā)生。

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