一種用CPLD實現(xiàn)視頻信號運動檢測的方法

摘要： 介紹了一種采用ＣＰＬＤ外加ＳＲＡＭ存儲芯片，對ＩＴＵ６０１格式數(shù)字視頻信號進行運動檢測的方法。在此基礎(chǔ)上，給出了一個實現(xiàn)這種檢測方法的例子。在這個例子中，用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的視頻處理芯片ＳＡＡ７１１３的輸出信號作為數(shù)字視頻源，用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ芯片ＬＣ４１２８Ｖ對視頻信號進行運動檢測。

關(guān)鍵詞： 運動檢測 ＣＰＬＤ 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)存在的物體運動感興趣。在這種情況下，需要對輸入的視頻信號進行預(yù)處理，識別場景中是否存在物體運動，也就是進行運動檢測，然后再決定是否做進一步的處理，例如錄像、報警等。對于錄像系統(tǒng)，通過運動檢測，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；同時可以加快檢索速度，提高資料有效性。對于監(jiān)控系統(tǒng)，運動檢測是一種監(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ＤＳＰ芯片作為主處理芯片。由于ＤＳＰ對數(shù)字信號的處理是通過編程實現(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Ｗ９９６８ｘ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，就需要考慮用另外的方法來實現(xiàn)運動檢測。本文介紹的用ＣＰＬＤ進行運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ＣＰＬＤ芯片和一片ＳＲＡＭ芯片構(gòu)成一個低成本的運動檢測模塊的。

１ 運動檢測原理

運動檢測的實現(xiàn)方法有硬件實現(xiàn)的也有軟件實現(xiàn)的，但基本思想大同小異，都是對相隔一定時間的兩幀視頻數(shù)據(jù)進行抽樣，并對抽樣數(shù)據(jù)進行比較，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動，反之就認(rèn)為沒有運動存在。

本文介紹的用ＣＰＬＤ實現(xiàn)運動檢測的方法也是基于這種思想，但和一般的實現(xiàn)方法有所不同，其實現(xiàn)方法有一定的特色。

通常情況下，在實現(xiàn)上述思想的過程中，需要兩個緩存區(qū)分別存放兩幀抽樣數(shù)據(jù)，然后對這兩幀數(shù)據(jù)進行比較并對比較結(jié)果進行統(tǒng)計，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或者ＤＳＰ對ＣＰＬＤ進行控制，并將其作為兩幀數(shù)據(jù)的比較器。這樣，運動檢測模塊的獨立性會受到限制，而且ＣＰＬＤ的功能只是一個抽樣控制器。

本文提出的方法只對一幀抽樣數(shù)據(jù)進行緩存，在對第二幀數(shù)據(jù)進行抽樣時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)，并將兩者進行比較，用一個計數(shù)器記錄比較結(jié)果，如果差值超過閾值，計數(shù)器加一，否則不加。當(dāng)這個計數(shù)值超過某一個規(guī)定數(shù)值的時候，就認(rèn)為輸入視頻數(shù)據(jù)中存在著物體運動。這樣做的好處是需要的緩存區(qū)較小，而且ＣＰＬＤ可以單獨對數(shù)據(jù)進行處理，提高運動檢測模塊的獨立性，運動檢測模塊可以單獨調(diào)試。

２ 用ＣＰＬＤ實現(xiàn)運動檢測

下面通過實例說明用ＣＰＬＤ實現(xiàn)運動檢測的過程，并給出部分ＶＨＤＬ程序。在這個實例中，模擬視頻信號從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。該信號分作兩路：一路輸入到ＣＰＬＤ進行運動檢測，另一路則輸入到芯片Ｗ９９６８２，對信號進行ＪＰＥＧ壓縮等進一步處理。

示例中用到的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＬＣ４１２８Ｖ－７５Ｔ１００Ｃ，它具有１２８個宏單元、７．５ｎｓ的延時。ＳＲＡＭ芯片是ＩＳＳＩ公司的６３ＬＶ１０２４，其容量為１２８Ｋ×８ｂｉｔ，具有１０ｎｓ的延時。ＣＰＬＤ檢測到運動后，通過中斷，要求Ｗ９９６８２對信號做進一步處理。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖１（省略了部分與運動檢測無關(guān)的元件）所示。

２．１ ＳＡＡ７１１３的輸出信號

ＳＡＡ７１１３是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司推出的一款功能強大的視頻信號預(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ＩＴＵ６０１標(biāo)準(zhǔn)。ＩＴＵ６０１是長寬比為４?３和１６?９的數(shù)字電視信號標(biāo)準(zhǔn)，它對數(shù)字電視信號的各項參數(shù)進行了詳細(xì)的描述和規(guī)范。在我國，通常采用的都是４?２?２采樣格式、ＰＡＬ制式、長寬比為４?３的數(shù)字電視信號。ＳＡＡ７１１３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：

（１）有三個正交分量：亮度分量Ｙ、色度分量Ｃｂ和Ｃｒ。

（２）２５幀／秒的幀率，每幀兩場，每幀掃描６２５行。

（３）對于亮度分量Ｙ，每行抽樣８６４次，對于色度分量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；對于亮度分量Ｙ，１６表示黑色，２３５表示白色；對于色度分量Ｃｂ或者Ｃｒ，１２８表示沒有色度。

（６）有三個信號用于同步輸出數(shù)據(jù)：行同步信號ＳＨＳ（１５．６ｋＨｚ）、場同步信號ＳＶＳ（５０Ｈｚ）和象素數(shù)據(jù)同步信號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個象素，因此總的分辨率是８６４×６２５。一幀數(shù)據(jù)分作奇偶兩場，從上一幀的６２４行到本幀的３１０行是奇場，其中上幀６２４行到本幀２２行是奇場消隱期，從２３行到３１０行是奇場有效行；從本幀３１１行到６２３行是偶場，其中３１１到３３５行是偶場消隱期，３３６到６２３行為偶場有效行。圖２是一幀的示意圖。

對于幀內(nèi)的每一行，共有８６４個象素，其中從第０個到第７１９個為有效象素，共計７２０個，從７２０個到８６３個為消隱期象素。每個象素都抽?。俜至?，每兩個象素則抽取一個Ｃｒ和一個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以上的存儲空間，這顯然是不可取的，必須對幀數(shù)據(jù)進行抽樣。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。

（２）對連續(xù)的８幀抽取第２幀和第８幀進行比較。被抽樣的兩幀之間必須有一定的時間間隔，間隔太短或者太長都會影響檢測的靈敏度。

（３）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數(shù)，直到下一個場同步信號為止。從２３行到３１０行是有效行，共１４４個奇數(shù)行。

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

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，因為運動檢測的結(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數(shù)據(jù)同步脈沖ＳＰＣＬＫ、場同步信號ＳＶＳ和行同步信號ＳＨＳ對抽樣時刻做嚴(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?

這兩個進程用于控制ＳＲＡＭ的讀寫信號，ｒｅａｄｉｎｇ和ｗｒｉｔｉｎｇ正好和ＳＲＡＭ的讀寫信號反相。Ｖａｌｉｄ變量指示當(dāng)前輸入的行是否為需要采樣的有效行，ｓｐｃｌｋ是象素數(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)的時候，直接把數(shù)字視頻信號輸入到ＳＲＡＭ的數(shù)據(jù)總線上，寫操作信號由ｗｒｉｔｉｎｇ控制。其它時候，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數(shù)據(jù)的有效邊沿，進程在ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝１時，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讀入對應(yīng)數(shù)據(jù)存入寄存器ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ，這兩個操作為比較數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ是一個閾值，這里?。保?，當(dāng)前后兩次抽樣差值超過ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ時就認(rèn)為這兩個抽樣數(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進程在抽樣的間隔（輸入為色度分量Ｃｒ或者Ｃｂ時）對前后兩次抽樣的數(shù)據(jù)進行比較，如果比較結(jié)果超過允許值，計數(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)計數(shù)器ｐｉｘｅｌｓ超過ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ時，就認(rèn)為檢測到了物體運動，ＣＰＬＤ將ｉｎｔ０輸出管腳置高，向處理器請求中斷。這里ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ?。叮埃埃梢愿鶕?jù)需要設(shè)置適當(dāng)?shù)闹怠?

當(dāng)ＣＣＤ攝像頭前有物體晃動時，ＣＰＬＤ的ｉｎｔ０管腳會連續(xù)產(chǎn)生高電平脈沖，這說明運動檢測模塊已經(jīng)正常工作起來，同時另一路視頻信號經(jīng)過Ｗ９９６８２處理后輸送到電視屏幕上，以便觀察運動的場景。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ＣＰＬＤ實現(xiàn)運動檢測是可行的。

事實上，還可以利用同樣的原理對ＣＭＯＳ攝像頭的輸入信號進行運動檢測。

當(dāng)然這種檢測方法本身也有不足之處，最主要的一點是實際檢測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，也不能判別運動物體的形狀。另一方面，從實驗結(jié)果來看，有時候會出現(xiàn)誤判；當(dāng)運動物體離攝像頭比較遠(yuǎn)時，檢測的靈敏度也會降低，出現(xiàn)漏判。誤判和漏判是一對矛盾，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)實際情況反復(fù)調(diào)試，選出最佳的閾值，減少這兩種情況的發(fā)生。