摘 要: 传统视频监控主要是回放原始视频,难以兼顾到夜间模式的监控,现有夜视监控系统其核心技术是依靠红外技术或像增强技术来改善夜间图像质量。在高性能DSP平台上建立了视频采集与显示系统,嵌入Zadeh-X变换算法来实现视频图像的底层图像挖掘,并且根据信息熵判据来自动寻求最佳挖掘参数θ和δ以达到实时挖掘的目的。试验结果表明,视觉效果显著提高,增强了夜间实时监控中视频图像的质量。
0 引言
视频监控是安防的常规手段,传统视频监控系统主要是原视频的再现。现今的监控手段多种多样,如微光夜视仪[1],还有常见的红外技术[2],这些技术都是通过光学与电子电路的结合完成,主要通过硬件来实现。本文采用DSP平台,在视频监控中嵌入了基于Zadeh-X变换底层图像挖掘技术,可以挖掘在恶劣条件下拍摄的、被强背景淹没的、人类视觉不能分辨的图像以及人工隐藏的图像。本研究利用TI公司DM642芯片的硬件辅以Zadeh-X算法,设计的方案初步实现了实时底层图像的挖掘。与现今的夜视技术相比,本系统的成本更低。
1 系统设计
我们采用两路视频采集,一路视频回放的硬件结构。通过程序设计,显示的时候采用画中画(PIP)的显示方式,对比处理前后图像的差异。系统结构如图1。
1.1 硬件设计
本系统选取图像处理专用DSP芯片TMS320DM642,其强大的运算能力完全符合我们的要求,而且便于以后的系统升级。
1.1.1 主要的芯片
TMS320DM642是基于TMS320C6000家族中最高性能定点DSP C64x CPU (在600 MHz时钟频率下,数字处理能力可以达到4800MIPS (每秒百万条指令))。它有极强的处理能力,高度的灵活性和可编程性,同时又集成了音视频和网络通信等外设,特别适于多媒体通信应用。在600 MHz的时钟频率下,TMS320DM642每秒可以进行24亿次16位的乘累加或48亿次8位的乘累加。这样强大的运算能力,使得TMS320DM642可以进行实时的多视频处理和图像处理。为了适应多媒体和网络通信的应用, TMS320DM642还集成了多种新的片内外设:
·三个可配置的视频端口(VP0,VP1,VP2)。
这些视频端口提供给通用的视频编、解码器的无缝接口。·10/100 Mbps以太网介质接入控制器(EMAC)。EMAC为DSP处理器和网络间提供定(EMAC)。EMAC为DSP处理器和网络间提供定制的接口,允许有效的数据发送和接收。
·管理数据输入/输出(MDIO)模块。这个模块持续地轮询所有32个MDIO地址,以便于列举在系统中的物理层设备(PHY),并监视其连接状态。
·I2C总线。I2C端口使TMS320DM642容易控制外围器件,如视频编、解码器,EEPROM等。
·16个通用输入,输出(GPIO )端口。另外,GPIO还可以引入CPU中断和EDMA事件。视频解码器:选用飞利浦公司的SAA7115解码芯片完成视频的A/D转换以及水平信号和垂直信号的分离。SAA7115是一种支持多制式格式的
视频解码器,内有自适应NTSC/PAL/SECAM制式的梳状滤波器,高性能的图像缩放功能及I2C总线的readback和SQ像素输出技术,其主要特点如下:
(1)6通道模拟信号输入,内有源选择器;
(2)2只改进的9-bit的CMOS模数转换器;
(3)可实现对CVBS,Y,C信号的自动嵌位控制;
(4)加强型行、场同步检测;
(5)自动延迟矫正PAL制式相位误差;
(6)TV/VCR信号源自动检寻。
SAA7115把PAL制式的模拟视频信号转换为8位的TIU-BT.656格式,422的视频数据流发送到TMS320DM642的VP口视频缓冲区。硬件连接如图2。SAA7115视频解码芯片数据端口ID0-ID7与TMS320DM642的VP口的VP2-VP9相连,由于采用了ITU-R BT.656格式,图像的行同步和场同步信号均内嵌在视频数据流内,所以不需要另外连接同步信号线。
该系统将TMS320DM642的VP0口作为视频的输入口,VP2作为视频输出口,TMS320DM642对SAA7115的配置是通过I2C总线实现的。
SAA7115作为从设备,TMS320DM642作为主设备。视频编码器:选用飞利浦公司的SAA7105视频编码芯片,其输入为标准的8 bit.656数字视频数据流,输出为PAL制式和视频CVBS信号。SAA7105也是使用I2C总线来设置工作参数和反馈状态信息,也作为从设备。我们采用CPLD(EPM3256ATC144-10)来解决视频采集处理输出的时序同步,以及flash的地址映射问题。I2C总线:I2C总线是一种用于IC器件间的二线制总线,它是通过SDA(串行数据线)和SCL(串行时钟线)两根线在连接到总线上的器件之间通信。在本系统中采用TMS320DM642内部集成I2C模块,将其作为主器件,两个编解码芯片作为从器件,由主对从进行写入和读取,使得视频接口芯片满足各种要求,因此I2C总线在系统中起到了“神经控制中枢”的作用。视频接口的连接如图3示。
1.1.2 VP口的实现
TMS320DM642的视频口能够作为视频捕获口,视频显示口,或者作为传输视频流的捕获口。每个视频口都包含两个通道:A和B。每个视频口都有一个5 120 Byte的缓冲区。
(1)当作为视频输入口时,缓冲区按照A,B两个通道分成2个2 560 Byte的缓冲区,每个缓冲区又分为Y缓冲区(1 280 Byte),Cb缓冲区(640Byte)和Cr缓冲区(640 Byte),每个缓冲区分别对应着一个只读存储器映射寄存器(YSRCx, CBSRCx,CRSRCx),然后打包成64 Byte的双字,送入寄存器等待传输。视频流是依靠EDMA传输到L2的,用户需要编程设定传输的阈值,当双字的视频流达到阈值时就会触发EDMA事件,这个阈值是需要用户编程实现的,一般取一行为阈值。值的设定在VPORTCAP_Params中的thrld项。
(2)当作为视频输出口时,也是输出8 bitBT.656视频流,作为输出时只支持单通道视频输出,所以5 120 Byte的缓冲区直接分为Y(2 560Byte),Cb(1 280 Byte),Cr(1 280 Byte)三部分,每个缓冲区也分别对应着一个只写存储器映射寄存器(YDST, CBDST, CRDST),这些寄存器提供EDMA操作的目的地址。对于显示模式,数据传输也是通过增强型数据搬移通道EDMA来实现的,与输入模式不同之处在于,EDMA事件的产生基于缓冲区中可存储的双字节的个数,即所设定的阈值表明缓冲区中还有多少剩余空间。值的设定可在VPORTDIS_Params中的thrld项中实现。
1.2 软件设计
1.2.1 视频的采集和显示
图4是程序设计流程图。软件部分采用了基于DSP/BIOS的编程,目的是为了采集显示的实时性,主要用了FVID模块和DAT模块。FVID模块是为DSP/BIOS程序提供API函数,实现帧图像的获取和显示。FVID_create创建采集和显示通道,FVID_control发送控制命令。
同时,还用到了DAT模块,主要作用是完成视频流拷贝工作。DAT_copy,完成视频采集缓冲区到自定义数组的拷贝,处理完了后,再完成自定义数组到显示缓冲区的拷贝。
1.2.2 视频的处理
鉴于要实现实时底层图像挖掘,我们采用了Zadeh-X算法,如下:
其中,式(1)为Zadeh-X变换。式中,T(x,y)和O(x,y)分别为目标和源像空间的任一点的灰度/色度值;θ∈[0,255]为设定的变换的起始灰度/色度值;δ∈[1,255]为设定的灰度/色度范围,决定变换后的灰度/色度层次;K∈[1,255]为设定的空间膨胀系数。为有最大的对比度分辨率,一般设定K=255。式(1)有如下优越的通用特性:当K大于大于人类视觉对比度分辨率限制时,式(1)表现为底层图像挖掘功能;当K小于大于人类视觉对比度分辨率限制时,式(1)实现图像隐藏功能。δ=1时,式(1)实现图像二值化功能。
下面是部分程序示例:
一般情况下,微光暗视觉图像的灰度谱分布都集中在低端,我们先搜索出灰度带宽,然后用黄金分割法,以信息熵或者标准差为判据,寻求Zadeh-X变换中的挖掘参数θ和δ的最佳化。我们采用计算被挖掘后的图像的信息熵IE(information entropy)和标准差SD(standard deviation)两个“评价参数”(critical parameters)作为评价挖掘参数优劣的判据(criteria),即计算IE(θ)、SD(θ)。采用信息熵的做法,搜索出一幅图像的有效带宽,令δ等于有效带宽,此时对有效带宽采取黄金分割,求出每个黄金分割点所对应的图像信息熵,然后从这一系列的熵中选取最大值所对应的θ,这个θ就是所求,此时的图像质量也最好。把该算法嵌入到视频监控系统中,得到如图5挖掘效果。
图5(b)是在微光下拍摄的一帧图像,采用基于Zadeh-X变换的算法,利用参数θ,δ的自动寻优改变参数大小,从图5(c)的灰度谱我们看出,经过处理后图像的灰度范围明显扩大,图像层次感增强,视觉效果明显提高。
3 结论
本系统在DSP平台上嵌入Zadeh-X算法,结合传统的硬件电路,实现了实时底层图像挖掘,且效果良好。本系统可以在此基础上添加存储电路,直接存储到硬盘,或者通过TMS320DM642自带的以太网功能,实现局域网传输。这两种方法均可实现实时存储,完善视频监控系统的功能。
参考文献:
[1] 张振中,李其祥.微光夜视技术的发展及评价[J].山西科技,2007(3):110-111.
[2] 李嘉穗.红外技术在视频监控中的应用[J].刑警与科技, 2007(12A):125-126.
作者简介:陈 勇(1963-),男,博士,教授,主要研究方向为智能机械,自动化装置及系统或智能仪器仪表。
