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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(jìn)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(jìn)行運動檢測。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(jìn)行預(yù)處理，識別場景中是否存在物體運動，也就是進(jìn)行運動檢測，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(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，通常可以作為某些系統(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(jìn)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(jìn)行抽樣，并對抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行比較并對比較結(jié)果進(jìn)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(jìn)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(jìn)行緩存，在對第二幀數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行運動檢測，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(jìn)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(jìn)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。每個象素都抽取Ｙ分量，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(jìn)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
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