快速反应智能安全监控系统的设计与实现
(3)FPGA负责实现系统的逻辑、输出控制以及内部缓存的时序控制。为实现图像的实时采集和处理，需要视频采集和图像处理并行工作。采集到的图像数据送到DSP前的缓存接口设计是关键，设计的优劣直接影响到系统的反应速度。要提高数据缓存读取速度，可利用FPGA内部资源构建高速双口RAM作为内部缓存，使数据帧处理交替进行，从而实现数据采集与处理同时进行，其内部结构如图2的虚线框内所示。采集到的数字视频信号先经过滤波处理，之后送入逻辑单元A，A负责产生时钟及数据逻辑控制。输入的视频数据信号在A的控制下，进入到缓冲器寄存器B和C，在控制单元D的控制下，送到双口RAM。为了实现实时图像采集和处理，使得FPGA对图像数据的缓冲和DSP对图像数据的读取同步进行，将RAM分成相等的2块，即RAM1和RAM2。在系统工作的过程中，一块用于缓冲图像数据，FPGA分类缓冲后的图像信号写入该存储区；另一块则由DSP用于对图像数据的读取，DSP可以直接对这个存储区的数据进行运算。该缓存结构的另一特点是FPGA和DSP对双口RAM的寻址是来回切换的。因为DSP读取RAM的速度大于FPGA写RAM的速度，所以切换信号仅由FPGA发出。当FPGA分类缓冲数据写满RAM1时，FPGA向DSP发出一个中断信号，此时DSP读取RAM1中的数据，同时FPGA的缓冲数据写入RAM2。当RAM2中数据写满时，FPGA再向DSP发出中断信号，DSP读取RAM2中的数据，同时FPGA的缓冲数据RAM1。如此交替实现图像数据读写同时进行，从而提高了数据处理的速度。本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/163068.htm
FPGA的选择较为关键，内部RAM的资源决定系统的反应速度。在原有一代系统中选用的FPGA资源较少，不足以存储一帧图像，因此数据的读写只能分块进行，需要控制逻辑较为复杂，同时也降低了整个系统的速度。对于一帧720×576的图像，共有414 720像素，每个像素8 bit，即共有414 KB的数据。因此可选用Altera公司的CycloneIII系列产品EP3C120。Cyclone III系列的FPGA采用65 nm技术，具有低功耗、低成本和高性能特点， EP3C120内部拥有120K个逻辑单元(LE)，4 Mbit嵌入式存储器，288个嵌入式18×18乘法器，可以满足一帧图像的存储，在处理数据时可按照奇偶帧分别进行读写。
2.2 系统工作过程
系统上电或复位后，首先完成FPGA芯片的配置、对TVP5150进行的初始化以及DSP启动引导及其外围芯片的初始化工作，之后便开始进行图像采集。利用FPGA模拟I2C口对系统中的其他芯片进行控制，从摄像头采集到的摸拟视频信号经过视频解码器转换为数字视频信号，经预处理后送入DM642的视频通道(VP端口)。在检测到有人进入监视区域时，启动录像功能，DM642将接收到的数字视频信号和数字音频信号用MPEG4标准编码压缩，并通过以太网传送到监控中心。同时捕捉人脸图像并进行身份识别，如有异常则启动报警程序。
3 系统软件组成
对于本系统来说，系统软件主要包括3部分：运动目标检测、人脸的检测定位、人脸匹配。其中人脸的检测定位尤为关键，是正确识别的前提。因为图像的拍摄受到各种因素的干扰，如亮度、人物移动速度、表情、着装等，这些因素如果在检测时不能得到有效处理，势必会影响后期的匹配，造成识别率下降。因此，如何将人脸从背景中检测出来，并进行适当的处理、分割，是关系到识别成败的关键环节，需要着重进行处理。
3.1 运动目标检测
对于运动目标的检测，常用的方法有背景差值法、图像差分法、光流分割法和模式匹配法。由于光流分割和模式匹配等方法数据计算量较大，无法满足实时检测的要求。背景差值法计算简单、速度快且检测准确，但需要在背景静止时检测有效，对于背景变化的场合不适合。对于背景变化的场合，可以采用图像差分法，即通过检测图像序列相邻两帧对应像素点之间灰度值的变化确定移动的物体。设图像定义f(x，y，i)，其中(x，y)为图像的位置坐标，i、j为图像帧数，T为设定的阈值，则帧f(x，y，i)与帧f(x，y，j)之间的变化可用如下的二值差分图像表示：
式中取值为1和0的像素分别对应于前景（运动目标区域）和背景（非运动区域）。
对于缓慢移动的物体，图像差分的变化量很小，有可能会被滤波器滤掉，解决方法是通过累积差分法ADP[2](Accumulative Difference Picture)。该法不仅可以用于可靠检测缓慢移动的物体，还可用于估计物体移动速度的大小和方向以及物体尺度的大小。获得累积差分图像的过程如下：将图像序列的每一帧图像与参考图像进行比较，当差值大于某一阈值时就在累积差分图像中加1，这样，在第i帧图像上的累积差分图像ADP(x，y，i)为：
通过判断灰度值的变化，即可判断出移动物体及其方向。
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