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一種用CPLD實(shí)現視頻信號運動(dòng)檢測的方法
摘要：介紹了一種采用ＣＰＬＤ外加ＳＲＡＭ存儲芯片，對ＩＴＵ６０１格式數字視頻信號進(jìn)行運動(dòng)檢測的方法。在此基礎上，給出了一個(gè)實(shí)現這種檢測方法的例子。在這個(gè)例子中，用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的視頻處理芯片ＳＡＡ７１１３的輸出信號作為數字視頻源，用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ芯片ＬＣ４１２８Ｖ對視頻信號進(jìn)行運動(dòng)檢測。在數字錄像、數字監控等領(lǐng)域內，人們通常只對場(chǎng)景內存在的物體運動(dòng)感興趣。在這種情況下，需要對輸入的視頻信號進(jìn)行預處理，識別場(chǎng)景中是否存在物體運動(dòng)，也就是進(jìn)行運動(dòng)檢測，然后再決定是否做進(jìn)一步的處理，例如錄像、報警等。對于錄像系統，通過(guò)運動(dòng)檢測，能夠避免不必要的數字錄像，有效地減少系統所需存儲空間；同時(shí)可以加快檢索速度，提高資料有效性。對于監控系統，運動(dòng)檢測是一種監視場(chǎng)景信息的有效手段。
很多數字視頻信號處理系統通常會(huì )選用ＤＳＰ芯片作為主處理芯片。由于ＤＳＰ對數字信號的處理是通過(guò)編程實(shí)現各種算法的，只通過(guò)軟件就可以方便地加入某些功能，因此沒(méi)有必要添加額外的硬件來(lái)完成運動(dòng)檢測。但是有很多系統，由于各種原因需要選用其它芯片來(lái)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)被固化在芯片的內部電路中，不能隨意更改。這一類(lèi)芯片功能比較單一，但速度快、價(jià)格便宜，通�？梢宰鳛槟承┫到y的專(zhuān)用芯片。對于這種情況，就需要考慮用另外的方法來(lái)實(shí)現運動(dòng)檢測。本文介紹的用ＣＰＬＤ進(jìn)行運動(dòng)檢測的方法就是針對這一類(lèi)情況的。該方法是通過(guò)附加一片ＣＰＬＤ芯片和一片ＳＲＡＭ芯片構成一個(gè)低成本的運動(dòng)檢測模塊的。
１ 運動(dòng)檢測原理
運動(dòng)檢測的實(shí)現方法有硬件實(shí)現的也有軟件實(shí)現的，但基本思想大同小異，都是對相隔一定時(shí)間的兩幀視頻數據進(jìn)行抽樣，并對抽樣數據進(jìn)行比較，如果比較結果顯示這兩幀數據存在比較大的差異，那么就認為數據輸入場(chǎng)景中存在物體的運動(dòng)，反之就認為沒(méi)有運動(dòng)存在。
本文介紹的用ＣＰＬＤ實(shí)現運動(dòng)檢測的方法也是基于這種思想，但和一般的實(shí)現方法有所不同，其實(shí)現方法有一定的特色。
通常情況下，在實(shí)現上述思想的過(guò)程中，需要兩個(gè)緩存區分別存放兩幀抽樣數據，然后對這兩幀數據進(jìn)行比較并對比較結果進(jìn)行統計，最后得出比較結果。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(jìn)行控制，并將其作為兩幀數據的比較器。這樣，運動(dòng)檢測模塊的獨立性會(huì )受到限制，而且ＣＰＬＤ的功能只是一個(gè)抽樣控制器。
本文提出的方法只對一幀抽樣數據進(jìn)行緩存，在對第二幀數據進(jìn)行抽樣時(shí)讀取第一幀中與此刻抽樣的數據相對應的緩存數據，并將兩者進(jìn)行比較，用一個(gè)計數器記錄比較結果，如果差值超過(guò)閾值，計數器加一，否則不加。當這個(gè)計數值超過(guò)某一個(gè)規定數值的時(shí)候，就認為輸入視頻數據中存在著(zhù)物體運動(dòng)。這樣做的好處是需要的緩存區較小，而且ＣＰＬＤ可以單獨對數據進(jìn)行處理，提高運動(dòng)檢測模塊的獨立性，運動(dòng)檢測模塊可以單獨調試。
２ 用ＣＰＬＤ實(shí)現運動(dòng)檢測
下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明用ＣＰＬＤ實(shí)現運動(dòng)檢測的過(guò)程，并給出部分ＶＨＤＬ程序。在這個(gè)實(shí)例中，模擬視頻信號從ＣＣＤ攝像頭輸入，經(jīng)過(guò)ＳＡＡ７１１３芯片預處理后，輸出數字視頻信號。該信號分作兩路：一路輸入到ＣＰＬＤ進(jìn)行運動(dòng)檢測，另一路則輸入到芯片Ｗ９９６８２，對信號進(jìn)行ＪＰＥＧ壓縮等進(jìn)一步處理。
示例中用到的ＣＰＬＤ是Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＬＣ４１２８Ｖ－７５Ｔ１００Ｃ，它具有１２８個(gè)宏單元、７．５ｎｓ的延時(shí)。ＳＲＡＭ芯片是ＩＳＳＩ公司的６３ＬＶ１０２４，其容量為１２８Ｋ×８ｂｉｔ，具有１０ｎｓ的延時(shí)。ＣＰＬＤ檢測到運動(dòng)后，通過(guò)中斷，要求Ｗ９９６８２對信號做進(jìn)一步處理。其系統結構圖如圖１（省略了部分與運動(dòng)檢測無(wú)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處理芯片，最基本的功能是模／數轉換，輸出的數字視頻信號符合ＩＴＵ６０１標準。ＩＴＵ６０１是長(cháng)寬比為４?３和１６?９的數字電視信號標準，它對數字電視信號的各項參數進(jìn)行了詳細的描述和規范。在我國，通常采用的都是４?２?２采樣格式、ＰＡＬ制式、長(cháng)寬比為４?３的數字電視信號。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(gè)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(chǎng)，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(méi)有色度。
（６）有三個(gè)信號用于同步輸出數據：行同步信號ＳＨＳ（１５．６ｋＨｚ）、場(chǎng)同步信號ＳＶＳ（５０Ｈｚ）和象素數據同步信號ＳＰＣＬＫ（２７ＭＨｚ）。
包括消隱期在內，每幀數據掃描６２５行，每行抽樣８６４個(gè)象素，因此總的分辨率是８６４×６２５。一幀數據分作奇偶兩場(chǎng)，從上一幀的６２４行到本幀的３１０行是奇場(chǎng)，其中上幀６２４行到本幀２２行是奇場(chǎng)消隱期，從２３行到３１０行是奇場(chǎng)有效行；從本幀３１１行到６２３行是偶場(chǎng)，其中３１１到３３５行是偶場(chǎng)消隱期，３３６到６２３行為偶場(chǎng)有效行。圖２是一幀的示意圖。
對于幀內的每一行，共有８６４個(gè)象素，其中從第０個(gè)到第７１９個(gè)為有效象素，共計７２０個(gè)，從７２０個(gè)到８６３個(gè)為消隱期象素。每個(gè)象素都抽�。俜至�，每?jì)蓚�(gè)象素則抽取一個(gè)Ｃｒ和一個(gè)Ｃｂ分量。圖３是幀內一行以及象素抽樣數據排列格式的示意圖。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視頻輸出數據格式的介紹可以看到，保存完整的一幀數據（包括消隱期數據在內）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，必須對幀數據進(jìn)行抽樣。本文介紹的方法的抽樣規則如下：
（１）抽取一幀數據的奇場(chǎng)或者偶場(chǎng)。做比較的兩場(chǎng)抽樣數據必須
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