一種用CPLD實(shí)現(xiàn)視頻信號運(yùn)動檢測的方法

1、一種用CPLD實(shí)現(xiàn)視頻信號運(yùn)動檢測的方法        摘要：介紹了一種采用外加存儲芯片，對格式數(shù)字視頻信號進(jìn)行運(yùn)動檢測的方法。在此基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)這種檢測方法的例子。在這個(gè)例子中，用公司的視頻處理芯片的輸出信號作為數(shù)字視頻源，用公司的芯片對視頻信號進(jìn)行運(yùn)動檢測。 關(guān)鍵詞：運(yùn)動檢測 數(shù)字視頻信號在數(shù)字錄像、數(shù)字監(jiān)控等領(lǐng)域內(nèi)，人們通常只對場景內(nèi)存在的物體運(yùn)動感興趣。在這種情況下，需要對輸入的視頻信號進(jìn)行預(yù)處理，識別場景中是否存在物體運(yùn)動，也就是進(jìn)行運(yùn)動檢測，然后再決定是否做進(jìn)一步的處理，例如錄像、報(bào)警等。對于錄

2、像系統(tǒng)，通過運(yùn)動檢測，能夠避免不必要的數(shù)字錄像，有效地減少系統(tǒng)所需存儲空間；同時(shí)可以加快檢索速度，提高資料有效性。對于監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)動檢測是一種監(jiān)視場景信息的有效手段。很多數(shù)字視頻信號處理系統(tǒng)通常會選用芯片作為主處理芯片。由于對數(shù)字信號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)動檢測。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的處理，例如華邦的系列芯片，由硬件完成信號的處理，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。對于這種情況，就需要考

3、慮用另外的方法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測。本文介紹的用進(jìn)行運(yùn)動檢測的方法就是針對這一類情況的。該方法是通過附加一片芯片和一片芯片構(gòu)成一個(gè)低成本的運(yùn)動檢測模塊的。 運(yùn)動檢測原理運(yùn)動檢測的實(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，都是對相隔一定時(shí)間的兩幀視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，并對抽樣數(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)輸入場景中存在物體的運(yùn)動，反之就認(rèn)為沒有運(yùn)動存在。本文介紹的用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測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)，然后對這兩幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并對

4、比較結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最后得出比較結(jié)果。這樣做需要較大的作為緩存，而且往往需要單片機(jī)或者對進(jìn)行控制，并將其作為兩幀數(shù)據(jù)的比較器。這樣，運(yùn)動檢測模塊的獨(dú)立性會受到限制，而且的功能只是一個(gè)抽樣控制器。本文提出的方法只對一幀抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在對第二幀數(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。這樣做的好處是需要的緩存區(qū)較小，而且可以單獨(dú)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高運(yùn)動檢測模塊的獨(dú)立性，運(yùn)動檢測模塊可以單獨(dú)調(diào)試。 用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測下面通過實(shí)例

5、說明用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測的過程，并給出部分程序。在這個(gè)實(shí)例中，模擬視頻信號從攝像頭輸入，經(jīng)過芯片預(yù)處理后，輸出數(shù)字視頻信號。該信號分作兩路：一路輸入到進(jìn)行運(yùn)動檢測，另一路則輸入到芯片，對信號進(jìn)行壓縮等進(jìn)一步處理。示例中用到的是公司的，它具有個(gè)宏單元、的延時(shí)。芯片是公司的，其容量為×，具有的延時(shí)。檢測到運(yùn)動后，通過中斷，要求對信號做進(jìn)一步處理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖（省略了部分與運(yùn)動檢測無關(guān)的元件）所示。 的輸出信號是公司推出的一款功能強(qiáng)大的視頻信號預(yù)處理芯片，最基本的功能是模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字視頻信號符合標(biāo)準(zhǔn)。是長寬比為和的數(shù)字電視信號標(biāo)準(zhǔn)，它對數(shù)字電視信號的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的描述和規(guī)范。在我

6、國，通常采用的都是采樣格式、制式、長寬比為的數(shù)字電視信號。的輸出信號就是指這一格式的信號。這種格式信號的主要特征是：（）有三個(gè)正交分量：亮度分量、色度分量和。（）幀秒的幀率，每幀兩場，每幀掃描行。（）對于亮度分量，每行抽樣次，對于色度分量和，每行抽樣次。（）或者的編碼。（）量化：和用于同步；到表示抽樣結(jié)果的碼；對于亮度分量，表示黑色，表示白色；對于色度分量或者，表示沒有色度。（）有三個(gè)信號用于同步輸出數(shù)據(jù)：行同步信號（）、場同步信號（）和象素?cái)?shù)據(jù)同步信號（）。包括消隱期在內(nèi)，每幀數(shù)據(jù)掃描行，每行抽樣個(gè)象素，因此總的分辨率是×。一幀數(shù)據(jù)分作奇偶兩場，從上一幀的行到本幀的行是奇場，其中上

7、幀行到本幀行是奇場消隱期，從行到行是奇場有效行；從本幀行到行是偶場，其中到行是偶場消隱期，到行為偶場有效行。圖是一幀的示意圖。對于幀內(nèi)的每一行，共有個(gè)象素，其中從第個(gè)到第個(gè)為有效象素，共計(jì)個(gè)，從個(gè)到個(gè)為消隱期象素。每個(gè)象素都抽取分量，每兩個(gè)象素則抽取一個(gè)和一個(gè)分量。圖是幀內(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，第二行是色度分量，第三行是色度分量。 抽樣從視頻輸出數(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×××的，需要以上的存儲空間，這顯然是不可取的，必須對幀數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣。本文介紹的方法的抽樣規(guī)則如下：（）抽取一幀數(shù)據(jù)

8、的奇場或者偶場。做比較的兩場抽樣數(shù)據(jù)必須取自相同的場次，或者同為奇場或者同為偶場，否則就沒有可比性。（）對連續(xù)的幀抽取第幀和第幀進(jìn)行比較。被抽樣的兩幀之間必須有一定的時(shí)間間隔，間隔太短或者太長都會影響檢測的靈敏度。（）對一場數(shù)據(jù)抽取有效行中的奇數(shù)行，從場同步信號有效邊沿開始對行同步信號計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)場同步信號為止。從行到行是有效行，共個(gè)奇數(shù)行。（）對被抽取的行，取其亮度分量。根據(jù)圖中象素?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。對于以上的抽樣規(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)動檢測

9、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，并不會影響結(jié)果的判定。之所以對一場的行進(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 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、場同步信號和行同步信號對抽樣時(shí)刻做嚴(yán)格的同步。這需要消耗額外的資源，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：×，需要的容量為。 程序下面給出實(shí)現(xiàn)以上過程的一部分程序。 1         這兩個(gè)進(jìn)程用于

10、控制的讀寫信號，和正好和的讀寫信號反相。變量指示當(dāng)前輸入的行是否為需要采樣的有效行，是象素?cái)?shù)據(jù)同步脈沖，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。表示奇數(shù)行。和分別指示本場數(shù)據(jù)是否需要保存或者需要比較。 “” 在抽樣第一幀數(shù)據(jù)的時(shí)候，直接把數(shù)字視頻信號輸入到的數(shù)據(jù)總線上，寫操作信號由控制。其它時(shí)候，數(shù)據(jù)總線上輸出高阻。 “”“” 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；另一方面從讀入對應(yīng)數(shù)據(jù)存入寄存器，這兩個(gè)操作為比較數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。是一個(gè)閾值，這里取，當(dāng)前后兩次抽樣差值超過時(shí)就認(rèn)為這兩個(gè)抽樣數(shù)據(jù)是不等的。在輸

11、入數(shù)據(jù)接近或者的時(shí)候，需要做特殊處理，避免整型數(shù)溢出，影響比較結(jié)果。 “” 進(jìn)程在抽樣的間隔（輸入為色度分量或者時(shí)）對前后兩次抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果超過允許值，計(jì)數(shù)器加，否則不加。 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)器超過時(shí)，就認(rèn)為檢測到了物體運(yùn)動，將輸出管腳置高，向處理器請求中斷。這里取，它可以根據(jù)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹?。?dāng)攝像頭前有物體晃動時(shí)，的管腳會連續(xù)產(chǎn)生高電平脈沖，這說明運(yùn)動檢測模塊已經(jīng)正常工作起來，同時(shí)另一路視頻信號經(jīng)過處理后輸送到電視屏幕上，以便觀察運(yùn)動的場景。如果晃動攝像頭本身，只要微小的晃動就可以看到類似的效果，因此用這種實(shí)現(xiàn)運(yùn)動檢測是可行的。事實(shí)上，還可以利用同樣的原理對攝像頭的輸入信號進(jìn)行運(yùn)動檢測。當(dāng)