自動圖像報警系統(tǒng)研究及單片機實現(xiàn)

報警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于銀行、飯店、交通管理以及智能大廈等場所和領(lǐng)域。傳統(tǒng)的自動報警裝置，大多采用單點信號報警，即在某一特定位置安放傳感器，當該采集點處的物理量達到報警門限時，就向中心控制計算機發(fā)出報警請求信號。這種報警裝置的優(yōu)點是安裝便利，反應(yīng)迅速，但其適用范圍較小，對單點噪聲過分敏感而導(dǎo)致誤報，在防止誤報和漏報兩方面不可兼得等先天缺陷，限制了它不能被應(yīng)用于情況復(fù)雜、并要求具備一定動態(tài)控制能力的場所。

    基于圖像的自動報警系統(tǒng)克服了上述缺陷。通過對所監(jiān)視場景的全景拍攝，避免了對單一采集點進行測量的隨機噪聲敏感性；而數(shù)字圖像處理技術(shù)的引入，使整個系統(tǒng)可以在一個較寬的范圍內(nèi)進行自適應(yīng)調(diào)整。

１ 自動圖像報警系統(tǒng)的組成

    完整的自動圖像報警系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像采集攝像機、圖像信號處理與報警信號發(fā)生、中心控制計算機[１]。本文僅對上述第二部分進行討論，前文中的自動圖像報警系統(tǒng)實際上也特指該子系統(tǒng)。

    為降低中心控制處理的復(fù)雜度和圖像信號傳輸?shù)念~外開銷，將圖像信號處理及報警信號發(fā)生以硬件實現(xiàn)并隨同攝像機安置于前端，從而構(gòu)成分布式處理系統(tǒng)。圖像報警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。
２ 設(shè)計實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

    保證實時性和動態(tài)調(diào)整能力是系統(tǒng)實現(xiàn)中的首要目的。為便于硬件處理，算法上采用灰度閾值分割和差值圖像面積累計?；诮档拖到y(tǒng)成本的考慮，不可能選用具有較強數(shù)字信號處理能力的ＤＳＰ芯片，而一般的工業(yè)控制單片機又很難達到實時運算的要求，這正是設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

    本系統(tǒng)中采用了查找表的思想，將圖像差值運算轉(zhuǎn)換為對ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ的讀操作。其原理是預(yù)先將差值算法的處理結(jié)果存儲于ＦＬＡＳＨ或ＥＰＲＯＭ的既定存儲單元中，而進行差值運算的兩幀圖像的象素灰度數(shù)據(jù)（８ｂｉｔｓ）分別作為存儲器的高８位地址和低８位地址。這樣處理的結(jié)果是每進行一個象素的差值運算，所需要的時間是存儲器的一個讀周期，顯然可以滿足實時的要求。經(jīng)過差值處理后的象素灰度值再經(jīng)過閾值判別送計數(shù)器，當累計數(shù)量超過一定面積時，ＭＣＵ將發(fā)出報警信號。

    存儲器（ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ）的算法為：

    (Ｇｖａｌｕｅ)＝｜Ｈｖａｌｕｅ－Ｌｖａｌｕｅ｜（１）

    其中Ｈｖａｌｕｅ為Ａ／Ｄ直通圖像抽樣信號（８ｂｉｔｓ），同時也是存儲器高８位地址；Ｌｖａｌｕｅ為ＤＲＡＭ中存儲的數(shù)字圖像參考幀抽樣信號（８ｂｉｔｓ），即存儲器低８位地址；Ｇｖａｌｕｅ為存儲器１６位地址。

    閾值判別采用全局閾值法[２]，這種方法適用于場景具有均勻光照條件的情況。對于場景整體灰度的變化，可以通過由ＭＣＵ控制定時刷新ＤＲＡＭ參考幀數(shù)據(jù)，并調(diào)整全局閾值Ｔ和臨界面積Ｓ而獲得自適應(yīng)的效果。閾值判別和計數(shù)統(tǒng)計如式（２）（３）所描述：

    ｉｆ(Ｇｖａｌｕｅ)＞Ｔ，ｃｏｕｎｔ＝ｃｏｕｎｔ＋１（２）

    ｉｆ ｃｏｕｎｔ＞Ｓ，觸發(fā)報警（３）

    系統(tǒng)工作實例如圖２所示。

３ 單片機實現(xiàn)中的器件選擇和工作特性描述

    硬件實現(xiàn)中器件的選擇對整個系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用。ＡＴＭＥＬ公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存儲器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。經(jīng)過認真調(diào)研，本系統(tǒng)選用了ＡＴＭＥＬ的幾款芯片完成系統(tǒng)的關(guān)鍵部分功能。

３．１ ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)單片機ＡＴ９０Ｓ２３１３

    ＡＴＭＥＬ公司的９０系列單片機是增強ＲＩＳＣ內(nèi)載ＦＬＡＳＨ的單片機，通常簡稱為ＡＶＲ單片機。傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)需要大量的程序代碼，以實現(xiàn)累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送，并且由于時鐘分頻，使得數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)瓶頸。ＡＶＲ單片機是第一種真正的８位ＲＩＳＣ單片機，快速存?。遥桑樱眉拇嫫魑募蛦沃噶钪芷谑顾男阅苊黠@優(yōu)越于普通８位單片機[３]。

    ＡＴ９０Ｓ２３１３具有２Ｋ字節(jié)內(nèi)載編程ＦＬＡＳＨ，１２８字節(jié)ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)存儲單元，１２８字節(jié)ＥＥＰＲＯＭ工作寄存器，３２字節(jié)通用工作寄存器，１５Ｉ／Ｏ，８位和１６位定時／計數(shù)器各一個，通用異步收發(fā)，２０腳ＰＤＩＰ或ＳＯＩＣ封裝，支持在系統(tǒng)編程，最高工作頻率達１２ＭＨｚ[４]。本系統(tǒng)中，它負責完成Ａ／Ｄ器件的初始化，地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲器的控制，以及計數(shù)統(tǒng)計和報警觸發(fā)。

    Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換選用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１，其初始化通過Ｉ２Ｃ總線進行。利用兩個ＡＴ９０Ｓ２３１３的通用Ｉ／Ｏ引腳，就可以產(chǎn)生Ｉ２Ｃ總線的時序信號，完成對ＳＡＡ７１１１的初始化。片內(nèi)的１６位計數(shù)器用以進行計數(shù)統(tǒng)計，并產(chǎn)生中斷報警信號。閾值判別和臨界面積的設(shè)定以及ＤＲＡＭ參考幀的定期刷新都通過對ＡＴ９０Ｓ２３１３的編程來實現(xiàn)。

    由于采用了精簡指令集結(jié)構(gòu)，ＡＴ９０Ｓ２３１３的編程與通常的５１系列有所不同。為實現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能，還可考慮選擇ＡＴ９０Ｓ系列的其他型號，如４４１４、８５１５等。

３．２ ＡＴ２９Ｃ５１２高密度ＦＬＡＳＨ

    盡管ＦＬＡＳＨ技術(shù)在今天已經(jīng)不是什么新鮮產(chǎn)物，但ＡＴＭＥＬ的ＡＴ２９和ＡＴ４９系列仍以其卓越的性能和廣泛的適用性在市場上獨占熬頭。本系統(tǒng)根據(jù)差值數(shù)據(jù)寬度的需要，選擇ＡＴ２９Ｃ５１２（６４Ｋ×８）Ｂｏｏｔ ＦＬＡＳＨ，其讀周期長度為７０ｎｓ，完全滿足實時處理的要求。

    選用ＦＬＡＳＨ的優(yōu)點是可以進行在系統(tǒng)改寫，這在使用環(huán)境復(fù)雜、需要大量動態(tài)調(diào)整處理的情況下是非常有利的?？梢酝ㄟ^ＡＴ９０Ｓ２３１３對ＦＬＡＳＨ中的差值算法進行修改以適應(yīng)實際環(huán)境的需要。

    對于環(huán)境條件變化不大的情況，可以使用ＡＴＭＥＬ公司的ＥＰＲＯＭ產(chǎn)品，型號為ＡＴ２７Ｃ５１２Ｒ或ＡＴ２７Ｃ５２０。

３．３ ＡＴＦ１５００Ａ高密度ＣＰＬＤ

    ＤＲＡＭ的操作時序信號包括行、列地址產(chǎn)生、刷新控制、讀寫控制等全部由地址信號發(fā)生器來產(chǎn)生，這里選用了ＡＴＦ１５００Ａ高性能ＦＬＡＳＨＣＰＬＤ。除產(chǎn)生經(jīng)過抽樣選擇的行、列地址信號外，還需要給ＡＴ２９Ｃ５１２提供讀控制信號及完成整個系統(tǒng)的同步。ＳＡＡ７１１１主模式所產(chǎn)生的時鐘信號ＬＬＣ２是系統(tǒng)工作的基準時鐘。由于ＳＡＡ７１１１輸出的圖像格式大大超出了報警系統(tǒng)所需要的基本分辨率，所以要進行一定的分頻即抽樣處理。

    ＡＴＦ１５００Ａ具有３２個觸發(fā)器，３２Ｉ／Ｏ和１５００等效門，最大管腳間延時為７．５ｎｓ，４４腳ＰＬＣＣ或ＴＱＦＰ封裝[５]。其各種工作參數(shù)充分滿足了系統(tǒng)地址／控制總線結(jié)構(gòu)的需要，并且具有第三方開發(fā)工具支持和加密特性。

    除ＡＴＦ１５００Ａ以外，１５００系列還包含多種型號來滿足不同復(fù)雜度的應(yīng)用需要，包括在系統(tǒng)編程功能。另外還可以考慮使用多片ＡＴＦ２２Ｖ１０來實現(xiàn)同樣的功能，或者使用ＡＴＦ７５０系列，后者采用ＡＴＭＥＬ公司獨有的ＰＬＤ結(jié)構(gòu)，在２４腳的封裝類型中功能最強。

４ 系統(tǒng)性能評估

    與單點信號報警相比，自動圖像報警系統(tǒng)具有全景監(jiān)測、動態(tài)調(diào)整和抗干擾能力強等優(yōu)點。在系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)過程中，采用了查找表技術(shù)降低處理器復(fù)雜度，并通過器件的比較和選用，使系統(tǒng)運行效果達到了優(yōu)化。

    在系統(tǒng)試運行過程中，當出現(xiàn)蚊蟲爬上攝像機鏡頭和閃電等情況時，可能導(dǎo)致誤報的發(fā)生。解決的方法涉及對圖像內(nèi)容的理解和動態(tài)范圍調(diào)整與時間密度相關(guān)性的問題，將進行深入研究和討論。