專利名稱：紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置及方法，確切地說，涉及一種基于數(shù)字視頻信號(hào)處理技術(shù)的檢測全局運(yùn)動(dòng)的視頻信號(hào)報(bào)警裝置及運(yùn)動(dòng)檢測報(bào)警的實(shí)現(xiàn)方法，本發(fā)明主要應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)，解決列車車廂?？寇囌緯r(shí)，由于站內(nèi)地勢不平而造成的滑軌事故。屬于嵌入式數(shù)字視頻信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鐵路系統(tǒng)的列車車廂滑軌是目前鐵路安全監(jiān)控系統(tǒng)存在多年的傳統(tǒng)難題。由于地球表面自然形成的物理坡度，列車車廂在停放后，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生滑軌現(xiàn)象，造成生命和財(cái)產(chǎn)的不必要損失。由于鐵路車站現(xiàn)場中的復(fù)雜多變的人為和氣候變化等干擾因素，如何對(duì)滑軌事件做出及時(shí)、準(zhǔn)確報(bào)警已經(jīng)成為急需攻克的安全問題。
目前，現(xiàn)有的基于視頻圖像的運(yùn)動(dòng)監(jiān)控報(bào)警裝置，主要是對(duì)現(xiàn)場視頻信號(hào)提取運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)報(bào)警，該裝置主要用于對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測、跟蹤與識(shí)別等場合。在這類應(yīng)用中視頻監(jiān)控設(shè)備(如攝像頭、探測器等)通常固定安裝在某一特定地點(diǎn)，如天花板、高臺(tái)或支架上，由該監(jiān)控設(shè)備做規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)其所監(jiān)控的區(qū)域進(jìn)行掃描監(jiān)測，以發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。其實(shí)現(xiàn)方法的流程為先獲取圖像信息并傳送至處理單元(一般多為PC機(jī)或高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理器DSP，成本較高且功耗較大，不適宜便攜使用)，然后進(jìn)行后續(xù)處理，判斷圖像中是否發(fā)生區(qū)域變化。如果有，則表示場景圖像中存在動(dòng)元，再對(duì)場景圖像作進(jìn)一步提取和分析，滿足運(yùn)動(dòng)條件便及時(shí)報(bào)警。這里使用的檢測方法主要有匹配法、差分法和傅立葉法三種，上述方法共同的核心思想是關(guān)注圖像局部變化，檢測范圍由大至小，以鎖定運(yùn)動(dòng)區(qū)域。但是，這幾種方法都不能有效地直接應(yīng)用于對(duì)列車滑軌的視頻監(jiān)控報(bào)警中。主要原因是不易排除外界干擾，虛警率很高。此外，此類設(shè)備的安裝要求較高。例如，在列車近旁安放監(jiān)控裝置，對(duì)車站環(huán)境、安裝位置與供電狀況都有嚴(yán)格規(guī)定，難以滿足。如果在每輛列車附近都安置一套監(jiān)控裝置，則投資成本過高；如果安置一套裝置來監(jiān)控多輛列車，則多路監(jiān)控不能有效執(zhí)行。另外，上述裝置采用的監(jiān)測方法是運(yùn)動(dòng)信息提取法，除了要能夠充分排除各種環(huán)境干擾(如監(jiān)控區(qū)域中非車廂的物體運(yùn)動(dòng)，如動(dòng)物、人員等)、天氣變化(下雨，下雪，下霧)等干擾外，尤其是要滿足實(shí)時(shí)處理要求，具有一定的技術(shù)難度。因此，如何研制一種低成本，工作可靠、有效的列車滑軌報(bào)警裝置及其實(shí)現(xiàn)方法已經(jīng)成為該領(lǐng)域業(yè)內(nèi)技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置及方法，該裝置由采用CPLD+DSP圖像采集和處理的系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)字視頻信號(hào)采集、存儲(chǔ)部件和視頻信息處理、報(bào)警部件以及電池電源所組成，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，功耗低，用電池供電，能方便地將該裝置固裝在列車車身上，實(shí)時(shí)采集周圍場景圖像。并采用全局誤差積累算法對(duì)列車停放時(shí)的視頻圖像進(jìn)行監(jiān)測、處理，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑軌和實(shí)時(shí)報(bào)警，工作可靠，具有高效、準(zhǔn)確的報(bào)警功能和很強(qiáng)的抗干擾性能。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，包括數(shù)字視頻信號(hào)的采集和存儲(chǔ)部件、視頻信息的處理和報(bào)警部件以及電源；其特征在于該裝置是由數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片及其外圍器件視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、復(fù)雜可編程邏輯部件CPLD、幀存RAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片和報(bào)警信號(hào)輸出接口以及電池電源所組成，其中順序連接的紅外攝像頭、視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、復(fù)雜可編程邏輯部件CPLD芯片和幀存RAM芯片組成數(shù)字視頻信號(hào)采集和存儲(chǔ)部件，由DSP芯片和FLASH芯片、SRAM芯片、報(bào)警信號(hào)輸出接口組成視頻信息處理和報(bào)警部件。
所述裝置中的各個(gè)單元或芯片的功能是紅外攝像頭用于采集環(huán)境圖像，并保證該裝置在夜間無光照情況下能夠正常工作；視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元用于把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，CPLD芯片用于按照設(shè)定要求從數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中抽取所需的各幀圖像的像素信息和產(chǎn)生相應(yīng)的各個(gè)單元或芯片的片選信號(hào)，幀存RAM芯片用于存儲(chǔ)所抽取的各幀圖像的像素信息；DSP芯片作為該裝置的控制和處理中心，負(fù)責(zé)從幀存RAM中讀取圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理和及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，并通過報(bào)警信號(hào)輸出接口輸出報(bào)警信號(hào)；FLASH芯片和SRAM芯片用于配合DSP芯片工作、存儲(chǔ)應(yīng)用程序及各種配置參數(shù)和緩存圖像數(shù)據(jù)。
所述裝置的報(bào)警信號(hào)輸出接口是RS232串口或通用串行總線USB接口，用于將報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)輸出到控制中心。
所述裝置的視頻信息處理和報(bào)警部件進(jìn)一步包括聲光報(bào)警單元。
所述CPLD芯片內(nèi)部的控制邏輯電路包括片選控制模塊，用于對(duì)DSP外圍器件的片選信號(hào)進(jìn)行譯碼處理，輸入信號(hào)為DSP芯片的高位數(shù)據(jù)線及其輸出的4個(gè)片選信號(hào)，輸出信號(hào)為DSP芯片各個(gè)外圍單元或芯片的片選信號(hào)；時(shí)鐘分頻模塊，用于對(duì)DSP的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理后，分別送入復(fù)位模塊和幀存RAM地址計(jì)數(shù)模塊；復(fù)位模塊，用于裝置上電或發(fā)出報(bào)警信號(hào)后的DSP芯片的復(fù)位啟動(dòng)，保證DSP芯片上電時(shí)能夠從FLASH芯片中讀取其初始化所需的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；幀存RAM地址計(jì)數(shù)模塊和讀寫控制模塊，用于從A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字視頻信號(hào)中抽取所需亮度分量數(shù)據(jù)，舍棄色度分量數(shù)據(jù)，并生成幀存RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和讀寫控制信號(hào)。
所述裝置固定安裝在列車車身上。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的工作方法，其特征在于包括下列步驟(1)讀取參考幀和設(shè)置各項(xiàng)初始化參數(shù)CPLD芯片將獲取的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在幀存RAM中后，DSP使用直接存儲(chǔ)器讀取DMA功能從幀存RAM中直接獲取所采集的第一幀數(shù)據(jù)，用作參考幀，并每隔設(shè)定時(shí)間對(duì)該參考幀進(jìn)行刷新；設(shè)置兩個(gè)變量記錄圖像內(nèi)容變化過程的積累幀數(shù)組Refer和記錄圖像總體面積變化數(shù)值的積累值變量totalDifBlock，并分別賦于初值為0；再設(shè)立三個(gè)分別用于后續(xù)處理流程控制的域值差分域值D、時(shí)間域值T、面積域值S，其中D、T、S的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和報(bào)警速度要求綜合設(shè)定；(2)將實(shí)時(shí)獲取的每幀圖像數(shù)據(jù)分別存入兩個(gè)緩存區(qū)，輪流對(duì)其進(jìn)行讀寫處理DSP建立兩個(gè)緩存區(qū)后，先向該兩個(gè)緩存區(qū)分別寫入兩幀圖像，接著就開始對(duì)該兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輪流進(jìn)行讀寫處理；即DSP在處理第一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用DMA功能向第二個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中實(shí)時(shí)同步寫入視頻數(shù)據(jù)，反之亦然，以提高處理效率；(3)處理圖像數(shù)據(jù)在開始處理每幀圖像信息之前，先讀取每幀圖像的有效數(shù)據(jù)，再求解該有效數(shù)據(jù)的數(shù)值與用作背景亮度的該幀圖像數(shù)據(jù)的平均值的差，然后對(duì)所得到的減去平均值的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理；(4)保存處理結(jié)果信息，并隨時(shí)判斷是否達(dá)到報(bào)警條件實(shí)時(shí)判斷圖像總體面積已變化子塊的積累值變量totalDifBlock是否大于設(shè)定的面積閾值S；如果已經(jīng)大于面積閾值S，則說明有數(shù)量足夠多的子塊已經(jīng)發(fā)生變化，而且，該變化不是由于外界干擾所引起的，此時(shí)可認(rèn)為圖像整體發(fā)生了移動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；否則，重新建立參考幀后，返回步驟(2)，繼續(xù)對(duì)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測處理。
所述步驟(3)進(jìn)一步包括下列操作(31)將當(dāng)前獲取的幀圖像劃分為面積更小的m×n子塊，其中自然數(shù)m和n兩者可以相等或不相等，m＞n或m＜n分別用于監(jiān)測物體的縱向運(yùn)動(dòng)或橫向運(yùn)動(dòng)，以提高監(jiān)測報(bào)警的效率；(32)先求解子塊像素的平均值，并將該平均值作為子塊像素的灰度值，再將幀圖像中每個(gè)子塊的灰度值減去參考幀中相對(duì)應(yīng)的子塊的灰度值，以便減少運(yùn)算量，并保持精度；(33)將上述步驟相減得到的差值與設(shè)定的差分閾值D進(jìn)行比較，并在積累幀數(shù)組Refer中記錄本次比較結(jié)果；積累幀數(shù)組Refer中的每個(gè)數(shù)據(jù)是其對(duì)應(yīng)每幀圖像中相應(yīng)位置子塊的積累值，該積累值的數(shù)值是逐漸變化的。
所述步驟(33)中，所述積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)每幀相應(yīng)位置子塊的積累值的記錄規(guī)則為A.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值不小于差分閾值D，按照下述步驟操作(A1)如果該子決在積累幀數(shù)組Refer中的對(duì)應(yīng)數(shù)值大于設(shè)定的時(shí)間閾值T，說明在T幀時(shí)間內(nèi)該子塊與參考幀相應(yīng)位置子塊的內(nèi)容都不一致，有可能是圖像整體移動(dòng)的結(jié)果，則將其對(duì)應(yīng)的積累幀數(shù)組Refer中的積累值賦值-1，并將積累值變量totalDifBlock+1；(A2)如果該子塊在積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)數(shù)值為-1，則說明該子塊已被標(biāo)記為發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)為處理下一子塊；(A3)如果不符合上述兩種操作條件，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值+1。
B.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值小于差分閾值D，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值-1。
所述步驟(3)中的每幀圖像的有效數(shù)據(jù)是該幀圖像設(shè)定的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以簡化運(yùn)算，提高數(shù)據(jù)處理效率。
本發(fā)明是一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置及方法，它是針對(duì)火車站的現(xiàn)場實(shí)際條件和列車產(chǎn)生滑軌時(shí)的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的，其中監(jiān)控報(bào)警裝置采用成本低、功耗小、便于攜帶的元器件組成，體積小巧，功耗低，使用電池供電，能夠方便地將該裝置固定安裝在列車車身上，實(shí)時(shí)采集周圍的場景圖像，并通過對(duì)所采集的視頻場景圖像的內(nèi)容變化，來判定被監(jiān)測體本身的運(yùn)動(dòng)情況，從而得出運(yùn)動(dòng)報(bào)警信息。這樣就不再需要在列車停靠點(diǎn)附近設(shè)置專用供電電路，節(jié)省投資。
為了實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的，基于實(shí)際應(yīng)用需求，本發(fā)明還給出一種切實(shí)有效的運(yùn)動(dòng)檢測方法。以前的諸多運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測方法的核心思想是關(guān)注圖像局部變化，檢測范圍由大至小，對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行鎖定。如果采用這種傳統(tǒng)方法，外界干擾不易排除。本發(fā)明提出一種高效的圖像運(yùn)動(dòng)檢測方法來產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，即在攝像頭本身做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)情況下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測，處理對(duì)象是從圖像的整體變化入手，檢測圖像幀的整體內(nèi)容是否變化而不是圖像細(xì)節(jié)。當(dāng)視頻場景發(fā)生整體移動(dòng)變化、并對(duì)應(yīng)于列車車身的移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生列車滑軌的報(bào)警信息；當(dāng)視頻內(nèi)容只是局部變化、即對(duì)應(yīng)于外界環(huán)境干擾時(shí)，不產(chǎn)生報(bào)警。該告警方法具有計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，檢測準(zhǔn)確的特點(diǎn)，比壓力傳感或速度傳感等傳統(tǒng)方法更高效和更準(zhǔn)確，能夠有效地排除人為、環(huán)境和天氣等的干擾，多方面適應(yīng)鐵路系統(tǒng)的實(shí)際要求。因?yàn)橹两裆袥]有獲悉鐵路列車滑軌監(jiān)控裝置研制成功的信息，可以說，本發(fā)明填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白，同時(shí)開創(chuàng)了一種新的視頻監(jiān)控應(yīng)用方法，


圖1是本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的控制電路結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2是本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置中的CPLD芯片內(nèi)部控制邏輯電路結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖3是本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的工作原理和信號(hào)流程示意圖。
圖4是本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置中的DSP芯片的操作程序流程示意圖。
圖5是本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的工作方法的流程方框圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
參見圖1，本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置由數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片及其外圍器件視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、可編程邏輯部件CPLD、幀存RAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片和報(bào)警信號(hào)輸出接口以及電池電源所組成，其控制電路的硬件架構(gòu)主要分為兩個(gè)部分分別由CPLD和DSP兩個(gè)芯片完成，其中CPLD芯片部分包括順序連接的紅外攝像頭、視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、可編程邏輯部件CPLD芯片和幀存RAM芯片，主要負(fù)責(zé)圖像的像素抽取、存儲(chǔ)和產(chǎn)生各芯片的片選信號(hào)，DSP芯片部分包括DSP芯片和FLASH芯片、SRAM芯片、報(bào)警信號(hào)輸出接口，主要作用是完成圖像幀的處理、計(jì)算，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
其中紅外攝像頭用于采集環(huán)境圖像，并保證該裝置在夜間無光照情況下能夠正常工作；視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元用于把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，CPLD芯片用于按照設(shè)定要求從數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中抽取所需的各幀圖像的像素信息和產(chǎn)生相應(yīng)的各個(gè)單元或芯片的片選信號(hào)，幀存RAM芯片用于存儲(chǔ)所抽取的各幀圖像的像素信息；作為該裝置的控制和處理中心的DSP芯片負(fù)責(zé)從幀存RAM中讀取圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理和及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，并通過報(bào)警信號(hào)輸出(RS232或USB)接口輸出報(bào)警信號(hào)，以便將報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)輸出到控制中心，當(dāng)然，該裝置也可配設(shè)聲光告警器件，直接發(fā)出告警聲光信號(hào)；FLASH芯片和SRAM芯片用于配合DSP芯片工作、存儲(chǔ)應(yīng)用程序及各種配置參數(shù)和緩存圖像數(shù)據(jù)。
參見圖2，介紹CPLD內(nèi)部控制邏輯電路的模塊結(jié)構(gòu)，各部分的作用如下(1)片選控制模塊DSP可以訪問的地址空間較大，本發(fā)明裝置所使用的空間只占10％，所以要對(duì)DSP芯片的外圍器件(包括A/D、DSP的運(yùn)算RAM和幀存RAM、FLASH、報(bào)警輸出等單元)的片選信號(hào)進(jìn)行全地址譯碼處理。該模塊的輸入信號(hào)為DSP芯片的高位數(shù)據(jù)線及DSP芯片輸出的4個(gè)片選信號(hào)，經(jīng)過CPLD內(nèi)部的片選控制模塊編碼，輸出信號(hào)為DSP芯片各個(gè)外圍單元或芯片的片選信號(hào)。
(2)復(fù)位模塊當(dāng)裝置上電或發(fā)出報(bào)警信號(hào)后，DSP芯片需要重新復(fù)位啟動(dòng)，保證DSP芯片上電時(shí)能夠從FLASH芯片中讀取其初始化所需的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。
(3)幀存RAM地址計(jì)數(shù)模塊和讀寫控制模塊負(fù)責(zé)從視頻數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字視頻信號(hào)中抽取所需亮度分量數(shù)據(jù)，舍棄色度分量數(shù)據(jù)，并生成幀存RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和讀寫控制信號(hào)。
圖3和圖4介紹了本發(fā)明裝置和DSP芯片的信號(hào)流程，這里不再贅述。
參見圖5，介紹本發(fā)明紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的工作方法的流程步驟(1)讀取參考幀和設(shè)置各項(xiàng)初始化參數(shù)CPLD芯片將獲取的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在幀存RAM中，然后DSP使用DMA功能直接從幀存RAM中獲取所采集的第一幀數(shù)據(jù)，用作參考幀，并每隔設(shè)定時(shí)間對(duì)該參考幀進(jìn)行刷新；設(shè)置兩個(gè)變量記錄圖像內(nèi)容變化過程的積累幀數(shù)組Refer和記錄圖像總體面積變化數(shù)值的積累值變量totalDifBlock，并分別賦于初值為0；再設(shè)立三個(gè)分別用于后續(xù)處理流程控制的域值差分域值D、時(shí)間域值T、面積域值S，其中D、T、S的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和報(bào)警速度要求綜合設(shè)定；(2)將實(shí)時(shí)獲取的每幀圖像數(shù)據(jù)分別存入兩個(gè)緩存區(qū)，輪流對(duì)其進(jìn)行讀寫處理DSP建立兩個(gè)緩存區(qū)后，先向該兩個(gè)緩存區(qū)分別寫入兩幀圖像，接著就開始對(duì)該兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輪流進(jìn)行讀寫處理；即DSP在處理第一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用DMA功能向第二個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中實(shí)時(shí)同步寫入視頻數(shù)據(jù)，反之亦然，以提高處理效率；(3)處理圖像數(shù)據(jù)在開始處理每幀圖像信息之前，先讀取每幀圖像的有效數(shù)據(jù)，再求解該有效數(shù)據(jù)的數(shù)值與用作背景亮度的該幀圖像數(shù)據(jù)的平均值的差，然后對(duì)所得到的減去平均值的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理；具體的后續(xù)處理包括下列操作步驟(31)將當(dāng)前獲取的幀圖像劃分為面積更小的m×n子塊，其中自然數(shù)m和n兩者可以相等或不相等，m＞n或m＜n分別用于監(jiān)測物體的縱向運(yùn)動(dòng)或橫向運(yùn)動(dòng)，以提高監(jiān)測報(bào)警的效率；(32)先求解子塊像素的平均值，并將該平均值值作為子塊像素的灰度值，再將幀圖像中每個(gè)子塊的灰度值減去參考幀中相對(duì)應(yīng)的子塊的灰度值，以便減少運(yùn)算量，并保持精度；(33)將上述步驟相減得到的差值與設(shè)定的差分閾值D進(jìn)行比較，并在積累幀數(shù)組Refer中記錄本次比較結(jié)果；積累幀數(shù)組Refer中的每個(gè)數(shù)據(jù)是其對(duì)應(yīng)每幀圖像中相應(yīng)位置子塊的積累值，該積累值的數(shù)值是逐漸變化的。
此時(shí)積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)每幀相應(yīng)位置子塊的積累值的記錄規(guī)則為A.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值不小于差分閾值D，按照下述步驟操作(A1)如果該子塊在積累幀數(shù)組Refer中的對(duì)應(yīng)數(shù)值大于設(shè)定的時(shí)間閾值T，說明在T幀時(shí)間內(nèi)該子塊與參考幀相應(yīng)位置子塊的內(nèi)容都不一致，有可能是圖像整體移動(dòng)的結(jié)果，則將其對(duì)應(yīng)的積累幀數(shù)組Refer中的積累值賦值-1，并將積累值變量totalDifBlock+1；(A2)如果該子塊在積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)數(shù)值為-1，則說明該子塊已被標(biāo)記為發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)為處理下一子塊；(A3)如果不符合上述兩種操作條件，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值+1。
B.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值小于差分閾值D，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值-1。
(4)保存處理結(jié)果信息，并隨時(shí)判斷是否達(dá)到報(bào)警條件在每幀圖像數(shù)據(jù)處理完畢后，實(shí)時(shí)判斷圖像總體面積已變化子塊的積累值變量totalDifBlock是否大于設(shè)定的面積閾值S；如果已經(jīng)大于面積閾值S，則說明有數(shù)量足夠多的子塊已經(jīng)發(fā)生變化，而且，該變化不是由于外界干擾所引起的，此時(shí)可認(rèn)為圖像整體發(fā)生了移動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；否則，重新建立參考幀后，返回步驟(2)，繼續(xù)對(duì)環(huán)境圖像進(jìn)行監(jiān)測。
本發(fā)明已經(jīng)試制成功了性能樣機(jī)，并到火車站現(xiàn)場將該裝置安裝在列車車身的下側(cè)進(jìn)行了試驗(yàn)實(shí)施，經(jīng)過多次模擬干擾實(shí)驗(yàn)與測試后，試驗(yàn)結(jié)果比較滿意，能夠產(chǎn)生高效、準(zhǔn)確的報(bào)警信號(hào)，達(dá)到了實(shí)用要求，實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1.一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，包括數(shù)字視頻信號(hào)的采集和存儲(chǔ)部件、視頻信息的處理和報(bào)警部件以及電源；其特征在于該裝置是由數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片及其外圍器件視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、復(fù)雜可編程邏輯部件CPLD、幀存RAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片和報(bào)警信號(hào)輸出接口以及電池電源所組成，其中順序連接的紅外攝像頭、視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、復(fù)雜可編程邏輯部件CPLD芯片和幀存RAM芯片組成數(shù)字視頻信號(hào)采集和存儲(chǔ)部件，由DSP芯片和FLASH芯片、SRAM芯片、報(bào)警信號(hào)輸出接口組成視頻信息處理和報(bào)警部件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述裝置中的各個(gè)單元或芯片的功能是紅外攝像頭用于采集環(huán)境圖像，并保證該裝置在夜間無光照情況下能夠正常工作；視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元用于把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，CPLD芯片用于按照設(shè)定要求從數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流中抽取所需的各幀圖像的像素信息和產(chǎn)生相應(yīng)的各個(gè)單元或芯片的片選信號(hào)，幀存RAM芯片用于存儲(chǔ)所抽取的各幀圖像的像素信息；DSP芯片作為該裝置的控制和處理中心，負(fù)責(zé)從幀存RAM中讀取圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理和及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息，并通過報(bào)警信號(hào)輸出接口輸出報(bào)警信號(hào)；FLASH芯片和SRAM芯片用于配合DSP芯片工作、存儲(chǔ)應(yīng)用程序及各種配置參數(shù)和緩存圖像數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述裝置的報(bào)警信號(hào)輸出接口是RS232串口或通用串行總線USB接口，用于將報(bào)警信號(hào)實(shí)時(shí)輸出到控制中心。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述裝置的視頻信息處理和報(bào)警部件進(jìn)一步包括聲光報(bào)警單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述CPLD芯片內(nèi)部的控制邏輯電路包括片選控制模塊，用于對(duì)DSP外圍器件的片選信號(hào)進(jìn)行譯碼處理，輸入信號(hào)為DSP芯片的高位數(shù)據(jù)線及其輸出的4個(gè)片選信號(hào)，輸出信號(hào)為DSP芯片各個(gè)外圍單元或芯片的片選信號(hào)；時(shí)鐘分頻模塊，用于對(duì)DSP的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理后，分別送入復(fù)位模塊和幀存RAM地址計(jì)數(shù)模塊；復(fù)位模塊，用于裝置上電或發(fā)出報(bào)警信號(hào)后的DSP芯片的復(fù)位啟動(dòng)，保證DSP芯片上電時(shí)能夠從FLASH芯片中讀取其初始化所需的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；幀存RAM地址計(jì)數(shù)模塊和讀寫控制模塊，用于從A/D轉(zhuǎn)換單元輸出的數(shù)字視頻信號(hào)中抽取所需亮度分量數(shù)據(jù)，舍棄色度分量數(shù)據(jù)，并生成幀存RAM的地址線、數(shù)據(jù)線和讀寫控制信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述裝置固定安裝在列車車身上。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置的工作方法，其特征在于包括下列步驟(1)讀取參考幀和設(shè)置各項(xiàng)初始化參數(shù)CPLD芯片將獲取的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在幀存RAM中后，DSP使用直接存儲(chǔ)器讀取DMA功能從幀存RAM中直接獲取所采集的第一幀數(shù)據(jù)，用作參考幀，并每隔設(shè)定時(shí)間對(duì)該參考幀進(jìn)行刷新；設(shè)置兩個(gè)變量記錄圖像內(nèi)容變化過程的積累幀數(shù)組Refer和記錄圖像總體面積變化數(shù)值的積累值變量totalDifBlock，并分別賦于初值為0；再設(shè)立三個(gè)分別用于后續(xù)處理流程控制的域值差分域值D、時(shí)間域值T、面積域值S，其中D、T、S的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和報(bào)警速度要求綜合設(shè)定；(2)將實(shí)時(shí)獲取的每幀圖像數(shù)據(jù)分別存入兩個(gè)緩存區(qū)，輪流對(duì)其進(jìn)行讀寫處理DSP建立兩個(gè)緩存區(qū)后，先向該兩個(gè)緩存區(qū)分別寫入兩幀圖像，接著就開始對(duì)該兩個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)輪流進(jìn)行讀寫處理；即DSP在處理第一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用DMA功能向第二個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中實(shí)時(shí)同步寫入視頻數(shù)據(jù)，反之亦然，以提高處理效率；(3)處理圖像數(shù)據(jù)在開始處理每幀圖像信息之前，先讀取每幀圖像的有效數(shù)據(jù)，再求解該有效數(shù)據(jù)的數(shù)值與用作背景亮度的該幀圖像數(shù)據(jù)的平均值的差，然后對(duì)所得到的減去平均值的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理；(4)保存處理結(jié)果信息，并隨時(shí)判斷是否達(dá)到報(bào)警條件實(shí)時(shí)判斷圖像總體面積已變化子塊的積累值變量totalDifBlock是否大于設(shè)定的面積閾值S；如果已經(jīng)大于面積閾值S，則說明有數(shù)量足夠多的子塊已經(jīng)發(fā)生變化，而且，該變化不是由于外界干擾所引起的，此時(shí)可認(rèn)為圖像整體發(fā)生了移動(dòng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)；否則，重新建立參考幀后，返回步驟(2)，繼續(xù)對(duì)環(huán)境圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述步驟(3)進(jìn)一步包括下列操作(31)將當(dāng)前獲取的幀圖像劃分為面積更小的m×n子塊，其中自然數(shù)m和n兩者可以相等或不相等，m＞n或m＜n分別用于監(jiān)測物體的縱向運(yùn)動(dòng)或橫向運(yùn)動(dòng)，以提高監(jiān)測報(bào)警的效率；(32)先求解子塊像素的平均值，并將該平均值作為子塊像素的灰度值，再將幀圖像中每個(gè)子塊的灰度值減去參考幀中相對(duì)應(yīng)的子塊的灰度值，以便減少運(yùn)算量，并保持精度；(33)將上述步驟相減得到的差值與設(shè)定的差分閾值D進(jìn)行比較，并在積累幀數(shù)組Refer中記錄本次比較結(jié)果；積累幀數(shù)組Refer中的每個(gè)數(shù)據(jù)是其對(duì)應(yīng)每幀圖像中相應(yīng)位置子塊的積累值，該積累值的數(shù)值是逐漸變化的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述步驟(33)中，所述積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)每幀圖像相應(yīng)位置的子塊的積累值的記錄規(guī)則為A.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值不小于差分閾值D，按照下述步驟操作(A1)如果該子塊在積累幀數(shù)組Refer中的對(duì)應(yīng)數(shù)值大于設(shè)定的時(shí)間閾值T，說明在T幀時(shí)間內(nèi)該子塊與參考幀相應(yīng)位置子塊的內(nèi)容都不一致，有可能是圖像整體移動(dòng)的結(jié)果，則將其對(duì)應(yīng)的積累幀數(shù)組Refer中的積累值賦值-1，并將積累值變量totalDifBlock+1；(A2)如果該子塊在積累幀數(shù)組Refer中對(duì)應(yīng)數(shù)值為-1，則說明該子塊已被標(biāo)記為發(fā)生變化，則轉(zhuǎn)為處理下一子塊；(A3)如果不符合上述兩種操作條件，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值+1。B.若該子塊灰度值與參考幀中對(duì)應(yīng)子塊灰度值的差值小于差分閾值D，則該子塊在積累幀數(shù)組Refer中所對(duì)應(yīng)的積累值-1。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置，其特征在于所述步驟(3)中的每幀圖像的有效數(shù)據(jù)是該幀圖像設(shè)定的部分?jǐn)?shù)據(jù)，以簡化運(yùn)算，提高數(shù)據(jù)處理效率。
全文摘要
一種紅外視頻監(jiān)控報(bào)警裝置和方法，該裝置由DSP芯片及其外圍器件視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、復(fù)雜可編程邏輯部件CPLD、幀存RAM芯片、FLASH芯片、SRAM芯片和報(bào)警信號(hào)輸出接口及電池電源組成，其中順序連接的紅外攝像頭、視頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換單元、CPLD芯片和幀存RAM芯片組成數(shù)字視頻信號(hào)采集和存儲(chǔ)部件，由DSP芯片和FLASH芯片、SRAM芯片、報(bào)警信號(hào)輸出接口組成視頻信息處理和報(bào)警部件。裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，功耗低，用電池供電，能方便地將該裝置固裝在列車車身上，實(shí)時(shí)采集周圍場景圖像，并采用全局誤差積累算法對(duì)列車停放時(shí)的視頻圖像進(jìn)行監(jiān)測、處理，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑軌和實(shí)時(shí)報(bào)警，工作可靠，具有高效、準(zhǔn)確的報(bào)警功能和很強(qiáng)的抗干擾性能。
文檔編號(hào)H04N5/33GK1874500SQ200610083658
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月2日
發(fā)明者王海嬰, 范宇, 張弋, 葉曦 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)