摘 要： 全面介紹了基于圖像的自動報警系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，克服了傳統(tǒng)單點信號報警的缺陷，并采用先進的RISC結構單片機和高密度FLASH、CPLD技術，使系統(tǒng)具有實時響應和自適應能力。
關鍵詞： 圖像報警 RISC FLASH CPLD 自適應
報警系統(tǒng)廣泛應用于銀行、飯店、交通管理以及智能大廈等場所和領域。傳統(tǒng)的自動報警裝置，大多采用單點信號報警，即在某一特定位置安放傳感器，當該采集點處的物理量達到報警門限時，就向中心控制計算機發(fā)出報警請求信號。這種報警裝置的優(yōu)點是安裝便利，反應迅速，但其適用范圍較小，對單點噪聲過分敏感而導致誤報，在防止誤報和漏報兩方面不可兼得等先天缺陷，限制了它不能被應用于情況復雜、并要求具備一定動態(tài)控制能力的場所。
基于圖像的自動報警系統(tǒng)克服了上述缺陷。通過對所監(jiān)視場景的全景拍攝，避免了對單一采集點進行測量的隨機噪聲敏感性；而數(shù)字圖像處理技術的引入，使整個系統(tǒng)可以在一個較寬的范圍內進行自適應調整。
1 自動圖像報警系統(tǒng)的組成
完整的自動圖像報警系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像采集攝像機、圖像信號處理與報警信號發(fā)生、中心控制計算機[1]。本文僅對上述第二部分進行討論，前文中的自動圖像報警系統(tǒng)實際上也特指該子系統(tǒng)。
為降低中心控制處理的復雜度和圖像信號傳輸?shù)念~外開銷，將圖像信號處理及報警信號發(fā)生以硬件實現(xiàn)并隨同攝像機安置于前端，從而構成分布式處理系統(tǒng)。圖像報警系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。
2 設計實現(xiàn)中的關鍵技術
保證實時性和動態(tài)調整能力是系統(tǒng)實現(xiàn)中的首要目的。為便于硬件處理，算法上采用灰度閾值分割和差值圖像面積累計。基于降低系統(tǒng)成本的考慮，不可能選用具有較強數(shù)字信號處理能力的DSP芯片，而一般的工業(yè)控制單片機又很難達到實時運算的要求，這正是設計中的關鍵問題。
本系統(tǒng)中采用了查找表的思想，將圖像差值運算轉換為對FLASH/EPROM的讀操作。其原理是預先將差值算法的處理結果存儲于FLASH或EPROM的既定存儲單元中，而進行差值運算的兩幀圖像的象素灰度數(shù)據(jù)(8bits)分別作為存儲器的高8位地址和低8位地址。這樣處理的結果是每進行一個象素的差值運算，所需要的時間是存儲器的一個讀周期，顯然可以滿足實時的要求。經(jīng)過差值處理后的象素灰度值再經(jīng)過閾值判別送計數(shù)器，當累計數(shù)量超過一定面積時，MCU將發(fā)出報警信號。
存儲器(FLASH/EPROM)的算法為：
(Gvalue)＝｜Hvalue－Lvalue｜ (1)
其中Hvalue為A/D直通圖像抽樣信號(8bits)，同時也是存儲器高8位地址；Lvalue為DRAM中存儲的數(shù)字圖像參考幀抽樣信號(8bits)，即存儲器低8位地址；Gvalue為存儲器16位地址。
閾值判別采用全局閾值法[2]，這種方法適用于場景具有均勻光照條件的情況。對于場景整體灰度的變化，可以通過由MCU控制定時刷新DRAM參考幀數(shù)據(jù)，并調整全局閾值T和臨界面積S而獲得自適應的效果。閾值判別和計數(shù)統(tǒng)計如式(2)(3)所描述：
if (Gvalue)＞T，count＝count+1 (2)
if count＞S，觸發(fā)報警 (3)
系統(tǒng)工作實例如圖2所示。
3 單片機實現(xiàn)中的器件選擇和工作特性描述
硬件實現(xiàn)中器件的選擇對整個系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用。ATMEL公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存儲器和數(shù)字集成電路的一流半導體制造公司。經(jīng)過認真調研，本系統(tǒng)選用了ATMEL的幾款芯片完成系統(tǒng)的關鍵部分功能。
3.1 RISC結構單片機AT90S2313
ATMEL公司的90系列單片機是增強RISC內載FLASH的單片機，通常簡稱為AVR單片機。傳統(tǒng)的基于累加器的結構需要大量的程序代碼，以實現(xiàn)累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，并且由于時鐘分頻，使得數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)瓶頸。AVR單片機是第一種真正的8位RISC單片機，快速存取RISC寄存器文件和單指令周期使它的性能明顯優(yōu)越于普通8位單片機[3]。
AT90S2313具有2K字節(jié)內載編程FLASH，128字節(jié)SRAM數(shù)據(jù)存儲單元，128字節(jié)EEPROM工作寄存器，32字節(jié)通用工作寄存器，15I/O，8位和16位定時/計數(shù)器各一個，通用異步收發(fā)，20腳PDIP或SOIC封裝，支持在系統(tǒng)編程，最高工作頻率達12MHz[4]。本系統(tǒng)中，它負責完成A/D器件的初始化，地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲器的控制，以及計數(shù)統(tǒng)計和報警觸發(fā)。
A/D轉換選用了Philips公司的SAA7111，其初始化通過I2C總線進行。利用兩個AT90S2313的通用I/O引腳，就可以產生I2C總線的時序信號，完成對SAA7111的初始化。片內的16位計數(shù)器用以進行計數(shù)統(tǒng)計，并產生中斷報警信號。閾值判別和臨界面積的設定以及DRAM參考幀的定期刷新都通過對AT90S2313的編程來實現(xiàn)。
由于采用了精簡指令集結構，AT90S2313的編程與通常的51系列有所不同。為實現(xiàn)更復雜的控制功能，還可考慮選擇AT90S系列的其他型號，如4414、8515等。
3.2 AT29C512高密度FLASH
盡管FLASH技術在今天已經(jīng)不是什么新鮮產物，但ATMEL的AT29和AT49系列仍以其卓越的性能和廣泛的適用性在市場上獨占熬頭。本系統(tǒng)根據(jù)差值數(shù)據(jù)寬度的需要，選擇AT29C512(64K×8)Boot FLASH，其讀周期長度為70ns，完全滿足實時處理的要求。
選用FLASH的優(yōu)點是可以進行在系統(tǒng)改寫，這在使用環(huán)境復雜、需要大量動態(tài)調整處理的情況下是非常有利的。可以通過AT90S2313對FLASH中的差值算法進行修改以適應實際環(huán)境的需要。
對于環(huán)境條件變化不大的情況，可以使用ATMEL公司的EPROM產品，型號為AT27C512R或AT27C520。
3.3 ATF1500A高密度CPLD
DRAM的操作時序信號包括行、列地址產生、刷新控制、讀寫控制等全部由地址信號發(fā)生器來產生，這里選用了ATF1500A高性能FLASH CPLD。除產生經(jīng)過抽樣選擇的行、列地址信號外，還需要給AT29C512提供讀控制信號及完成整個系統(tǒng)的同步。SAA7111主模式所產生的時鐘信號LLC2是系統(tǒng)工作的基準時鐘。由于SAA7111輸出的圖像格式大大超出了報警系統(tǒng)所需要的基本分辨率，所以要進行一定的分頻即抽樣處理。
ATF1500A具有32個觸發(fā)器，32I/O和1500等效門，最大管腳間延時為7.5ns，44腳PLCC或TQFP封裝[5]。其各種工作參數(shù)充分滿足了系統(tǒng)地址/控制總線結構的需要，并且具有第三方開發(fā)工具支持和加密特性。
除ATF1500A以外，1500系列還包含多種型號來滿足不同復雜度的應用需要，包括在系統(tǒng)編程功能。另外還可以考慮使用多片ATF22V10來實現(xiàn)同樣的功能，或者使用ATF750系列，后者采用ATMEL公司獨有的PLD結構，在24腳的封裝類型中功能最強。
4 系統(tǒng)性能評估
與單點信號報警相比，自動圖像報警系統(tǒng)具有全景監(jiān)測、動態(tài)調整和抗干擾能力強等優(yōu)點。在系統(tǒng)設計實現(xiàn)過程中，采用了查找表技術降低處理器復雜度，并通過器件的比較和選用，使系統(tǒng)運行效果達到了優(yōu)化。
在系統(tǒng)試運行過程中，當出現(xiàn)蚊蟲爬上攝像機鏡頭和閃電等情況時，可能導致誤報的發(fā)生。解決的方法涉及對圖像內容的理解和動態(tài)范圍調整與時間密度相關性的問題，將進行深入研究和討論。
參考文獻
1 程曉舫，吳建華等.HODOLIC計算機圖像監(jiān)控報警系統(tǒng)的設計.中國科學技術大學學報，1997;5
2 章毓晉.圖像處理和分析.北京：清華大學出版社，1999
3 宋建國.AVR單片機原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，1998；10
4 ATMEL.AVR RISC Microcontroller Data Book.Aug.1999
5 ATMEL.Configurable Logic Data Book.Mar.1997