一種用CPLD實現(xiàn)視頻信號運動檢測的方法
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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。當這個計數(shù)值超過某一個規(guī)定數(shù)值的時候，就認為輸入視頻數(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%26;#215;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標準。ＩＴＵ６０１是長寬比為４３和１６９的數(shù)字電視信號標準，它對數(shù)字電視信號的各項參數(shù)進行了詳細的描述和規(guī)范。在我國，通常采用的都是４２２采樣格式、ＰＡＬ制式、長寬比為４３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%26;#215;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%26;#215;６２５%26;#215;２＝１．０８%26;#215;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%26;#215;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＿ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄｖａｌｉｄｓｐｃｌｋ２ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ ｂｅｇｉｎ ｗｒｉｔｉｎｇ＜＝ｖａｌｉｄ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ０ ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｒａｍ＿ｒｅａｄ＿ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄｖａｌｉｄｓｐｃｌｋ２ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ ｂｅｇｉｎ ｒｅａｄｉｎｇ＜＝ｖａｌｉｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２ ａｎｄ ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ０ 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，用于指示當前輸入數(shù)據(jù)是否為亮度分量Ｙ。ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ０＝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＿ｂｕｓｐｒｏｃｅｓｓｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄｖａｌｉｄｃｃｄ＿ｄａｔａ ｂｅｇｉｎ ｉｆｓｔｏｒｅ＿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＿ｒｅｇｐｒｏｃｅｓｓｓｐｃｌｋｃｃｄ＿ｄａｔａｓｐｃｌｋ２ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ｖａｌｉｄｄａｔａ＿ｓｒａｍ ｂｅｇｉｎ ｉｆｓｐｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ＝‘０’ｔｈｅｎ ｉｆｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝‘１’ａｎｄ ｖａｌｉｄ＝‘１’ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２＝‘１’ｔｈｅｎ ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＜＝ｄａｔａ＿ｓｒａｍ ｉｆｃｃｄ＿ｄａｔａ＜＝ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｔｈｅｎ ｄａｔａ＿ｒｅｇ１＜＝“００００００００” ｄａｔａ＿ｒｅｇ２＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ＋ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｅｌｓｉｆｃｃｄ＿ｄａｔａ＞＝２５５－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｔｈｅｎ 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)做好準備。ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ是一個閾值，這里?。保叮斍昂髢纱纬闃硬钪党^ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ時就認為這兩個抽樣數(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＿ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｓｐｃｌｋ２ｖａｌｉｄｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ｂｅｇｉｎ ｉｆｓｐｃｌｋ２＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２＝‘０’ｔｈｅｎ ｉｆｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝‘０’ｔｈｅｎ ｐｉｘｅｌｓ＜＝“００００００００００” ｅｌｓｉｆｖａｌｉｄ＝＇１＇ｔｈｅｎ ｉｆｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＜＝ｄａｔａ＿ｒｅｇ１ ｏｒ ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＞＝ｄａｔａ＿ｒｅｇ２ｔｈｅｎ 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＿ｄｅｔｅｃｔｐｒｏｃｅｓｓｐｉｘｅｌｓ ｂｅｇｉｎ ｉｆｐｉｘｅｌｓ＞ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓｔｈｅｎ 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，當計數(shù)器ｐｉｘｅｌｓ超過ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ時，就認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?shù)闹怠?當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；當運動物體離攝像頭比較遠時，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。
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