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教学视频监控系统的多画面合成系统研究与应用

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1、应用现状

电视监控系统中,实现目标的自动识别、运动处理和自动跟踪是我们感兴趣的一个重要问题。在这里,目标信号的界定、目标特征信号的增强以及如何从视频信号中抽取特征信号(目标图像信号的边缘提取、分割、目标形状分析,运动目标的运动检测、运动估计等等)是我们关心的主要问题。目前这方面已有比较成熟的理论和方法。传统的模拟电路主要采用带通滤波器法、轮廓增强法、信号相关法等等来增强特征信号;而用限幅放大切割法、自适应电平切割法、边缘波门箝位法等等来提取目标特征。数字图像处理中对这些问题也有许多经典的方法。如直方图灰度修正、边缘检测算法、差分技术、互相关法和Fourier法等等。

目前多画面合成处理器的生产厂家主要是欧美、日本和中国台湾的大公司,如ROBOT、SANYO、APOLLO、Panasonic等。国外许多大公司的解决方案一般采用专用芯片,如SANYO和Panasonic的产品便是完全采用自己公司在视频处理领域的芯片集,从Y/C亮色分离、梳状滤波器、彩色解码器到后端的编码器,OSD(On Screen Display)插入、CVBS输出全部采用自己的芯片集,控制系统则采用自己定制的ASIC,性能稳定,画面质量较好;而目前数字信号处理芯片(DSP)和超大规模可编程逻辑器件(FPGA或CPLD)的价格已经大幅度下降,CPLD或FPGA每门的价格已经降到接近通用集成电路芯片的水平,而DSP的性能也己足以承担绝大部分的视频处理算法。所以完全利用数字视频技术和DSP、CPLD来实现原先用ASIC和许多分立元件实现的功能成为一种现实可行的方案,如APOLLO公司刚推出的产品便是一个例子。这种十六面面合成处理器采用Rockwell公司的高性能数字解码器BT829A(原先的Brooktree公司)按符合CCIR601标准规定的l6bits的数据流,YUV规格为4:2:2,的数据码流存入FIFO中,然后采用QUICKLOGIC公司的FPGA(QL2009)进行时序、格式重排。最后将将已在帧存储器中成帧的图像数据流送入数字编码器BT866A,经过YUV三个9比特的数模变换器输出,生成复合全电视信号或者分量电视信号输出。其中多画面合成和场景切换录像各由一块FPGA处理实现。

2、系统的性能和主要技术指标

本文提出并实现数字教室监控的多画面合成系统是一个四面面合成处理器,功能完善、易于扩充、带多接口的电视监控部件。其主要性能如下:(1)具有时基校正功能,摄像机无需外同步信号。(2)屏幕菜单编程简单,面板控制键操作容易。(3)全双工操作,即监视现场录制和重放录像画面可同时,同步进行。(4)同时录制四路摄像机的图像信号。(5)采用数字处理技术,对输入的图像信号进行各种格式处理。(6)全部图像显示可分别使用现场监视和录像带重放两种工作方式。(7)现场监视和录像重放可用的格式有:全屏画面、画中画2×2、顺序显示等多种,完全用户定制。(8)采用动态时间分割(DTD)技术,根据图像活动程度自动检测,动态地为每路图像分配不同的显示,录制时间。也就是说.这种技术将连续对所有图像中的移动目标范围进行分析,然后按照图像活动越频繁,显示,录像分配的时间越多的原则,动态地将各路图像交替输出。(9)输入/输出带Y/C接口,与标准的SUPER.VHS录像机兼容,可获得优质的录制和重放图像。(10)可靠的程序存储器(采用DALLAS公司的DSl2887A),可在断电时保存全部编程内容。(11)采用场消隐技术对图像信号编码。改善了场同步恢复性能,并能消除因录像机性能不佳所引起的图像恶化。(12)所摄入的图像可以由用户在所有的显示格式内指定显示窗口。(13)完善的OSD(On Screen Display)功能,屏幕显示包括时间,日期、报警状态指示、视频丢失(失步)指示和l0个字符的摄像机编码名称。

3、系统基本原理

该系统分为前端解码单元、中央视频处理单元、后端视频编码单元、系统控制单元和远程传输控制单元等几个模块组成。从监控现场摄像机来的视频信号从输入接口进入本系统,经过输入信号调理后,再进行视频解码,由此得到亮色分离的数字原始视频码漉和相应的行场同步信号。

这些信号再由中央视频处理单元集中处理,将处理结果送至后端的视频编码单元以及系统控制单元和远程传输单元,由相应的模块完成实时视频监控、报警和远程传输等功能。

4、性能优化及开发设想

在多画面处理时,如何对运动目标进行有效的识别并实现自动跟踪,包括控制电动云台实现镜头自动对焦、自动转到等,是一个比较难以实现的问题。虽然我们已经实现了对运动目标的自动检测和报警的联动,但是这只是对整个场景有大面积运动才有效。发现运动目标进入视场后,如何快速锁定并提取目标轮廓。智能分析出进入的是小动物还是恶意入侵,及时控制系统采取相应的动作是很关键的,但是这首先可能需要一些先验的模型。目前解决这个问题最有效的方法应该是数字图像处理技术,因为其中的目标检测、边缘提取、运动估计和运动补偿都有比较成熟的技术或算法。不过由于以上的算法和实现技术大部分都需要有很大的计算量,这对实时性是个考验。尤其在做运动估计提取运动矢量时,如果算法的效率不高的话,用这种运动估计得出的结果去控制电动云台,如不能有效跟踪或者对焦,其摄取和录像的结果是可想而知的。在这方面的功能完善是这个系统今后性能优化的主要的着眼点。

另外,将系统监控到的图像实时清晰地传送判远处(可能几公里也可能是数百、千公里)更是涉及到视频数据压缩和信道传输控制的课题。本文提出的利用ADV61l实现的模块只是一个较简单的系统,对信道方面的控制如缓存控制、误码恢复等都有许多不成熟和不完善的地方,更成熟、高效的模块的开发也是下一步要考虑的。

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