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

1、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：介紹了一種采用外加存儲(chǔ)芯片，對(duì)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，用公司的視頻處理芯片的輸出信號(hào)作為數(shù)字視頻源，用公司的芯片對(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) 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

2、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)選用芯片作為主處理芯片。由于對(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，例如華邦的系列芯片，由硬

3、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，通常可以作為某些系統(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芯片和一片芯片構(gòu)成一個(gè)低成本的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模塊的。     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

4、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。這樣做需要較大的作為緩存，而且往往需要單片機(jī)或者對(duì)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，而且的功能只是一個(gè)抽樣控制器。    本

5、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。     用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)    下面通過實(shí)例說明用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的過程，并給出部分程序。在這個(gè)實(shí)例中，模擬視頻信號(hào)從攝像頭輸入，經(jīng)過芯片預(yù)處理后

6、，輸出數(shù)字視頻信號(hào)。該信號(hào)分作兩路：一路輸入到進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，另一路則輸入到芯片，對(duì)信號(hào)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(cè)到運(yùn)動(dòng)后，通過中斷，要求對(duì)信號(hào)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(dòng)檢測(cè)無關(guān)的元件）所示。     的輸出信號(hào)    是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)符合標(biāo)準(zhǔn)。是長(zhǎng)寬比為和的數(shù)字電視信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)數(shù)字

7、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)，通常采用的都是采樣格式、制式、長(zhǎng)寬比為的數(shù)字電視信號(hào)。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：    （）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(chǎng)，每幀掃描行。    （）對(duì)于亮度分量，每行抽樣次，對(duì)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(duì)

8、于亮度分量，表示黑色，表示白色；對(duì)于色度分量或者，表示沒有色度。    （）有三個(gè)信號(hào)用于同步輸出數(shù)據(jù)：行同步信號(hào)（）、場(chǎng)同步信號(hào)（）和象素?cái)?shù)據(jù)同步信號(hào)（）。    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(chǎng)，從上一幀的行到本幀的行是奇場(chǎng)，其中上幀行到本幀行是奇場(chǎng)消隱期，從行到行是奇場(chǎng)有效行；從本幀行到行是偶場(chǎng)，其中到行是偶場(chǎng)消隱期，到行為偶場(chǎng)有效行。圖是一幀的示意圖。    對(duì)于幀內(nèi)的每一行，共有個(gè)象素，其中從第個(gè)到第

9、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?jī)蓚€(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(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：    （）抽取一幀數(shù)據(jù)的奇場(chǎng)或者偶場(chǎng)。做比較的兩

10、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。    （）對(duì)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(zhǎng)都會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度。    （）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。從行到行是有效行，共個(gè)奇數(shù)行。    （）對(duì)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。 

11、60;  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 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(chǎng)同步信號(hào)和行同步信號(hào)對(duì)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。&#

12、160;   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。                                &#

13、160;       這兩個(gè)進(jìn)程用于控制的讀寫信號(hào)，和正好和的讀寫信號(hào)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(chǎng)數(shù)據(jù)是否需要保存或者需要比較。                         “”

14、              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)輸入到的數(shù)據(jù)總線上，寫操作信號(hào)由控制。其它時(shí)候，數(shù)據(jù)總線上輸出高阻。                              &

15、#160;   “”                “”                                 

16、;   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(duì)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。                    &#

17、160;“”                                     進(jìn)程在抽樣的間隔（輸入為色度分量或者時(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)器加，否則不加。      

18、0;                               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(cè)到了物體運(yùn)動(dòng)，將輸出管腳置高，向處理器請(qǐng)求中斷。這里取，它可以根據(jù)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹怠?#160;   當(dāng)攝像頭前有物體晃動(dòng)時(shí)，的管腳會(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)