基于FPGA的视频图像监控系统的研究
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摘要：本文介绍了一种采用FPGA实现视频图像采集与处理的系统，该系统充分发挥了FPGA器件的并行特性，显著提高了图像处理速度，较好地实现了视频图像的实时监控、识别和联动报警功能。
关键词：FPGA；视频图像；报警
中图分类号：F416.67 文献标识码：A
引言
随着现代科技的发展，各行各业现代化程度的不断提高，视频监控系统已经应用到了工业系统、公安系统、智能小区等很多场所。目前，在国内外市场上，主要推出的是模拟视频监控和数字视频监控两类产品。模拟技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛；数字系统是新崛起的以计算机技术及视频图像压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分的弊端而迅速发展，但仍需进一步完善。目前，视频监控系统正处在模拟系统与数字系统混合应用并将逐渐向数字化、网络化过渡的阶段，还存在很多技术难题有待于攻破。
1监控系统技术现状
模拟视频监控系统是摄像机通过专用同轴电缆输出视频信号，电缆连接到专用模拟视频设备，如视频画面分割器、矩阵、切换器、卡带式录像机及视频监视器等。而数字视频监控系统则为摄像机采集到的视频信号经过压缩编码，进行数字化传输，再经过解码将信号还原输出，根本上改变了视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。然而，无论是模拟的还是数字的系统，都存在一个共同的弊端，即无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。而在数字控制系统中，虽然通过PC机及网络，可以控制网络中所连接的主机、报警设备，完成视频切换、云台、镜头控制及报警联动等，但由于PC机及网络工作状态不稳，加之计算机网络病毒等问题，始终是数字系统中难于解决的一大问题。
2 FPGA简介、系统工作原理
本文研究的是一种基于fpga的嵌入式视频图像处理系统，基本上解决了监控系统实时监视、视频叠加、联机报警等功能。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)、门阵列逻辑GAL(Gate Array Logic)、可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA是天生的并行结构，它有很多硬件乘法器，所以决定了它是做高速算法运算的最佳选择。不同的FPGA运算速度不同，内部的硬件资源也不同，内部的DSP（Digital Signal Processing）块也不同。DSP Builder是一个系统级（或算法级）设计工具，它构架在多个软件工具之上，并把系统级和RTL级两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度地发挥了两种工具的优势。在FPGA里用硬件实现图像的算法，用FPGA做数字信号处理，可以轻松完成视频图像处理。
3 FPGA处理系统工作过程
本文研究的视频图像处理系统原理是一种通过实时提取视频图像信号中的有效信息来实现控制输出的嵌入式控制系统。系统实时对输入的视频图像进行采集解码数字化，提取预先订制的监控图像有效区域信息，利用高性能的嵌入式处理器对有效信息进行运算分析、判断、处理，之后，通过输出驱动模块输出开关量信号或者模拟4-20mA电流环信号，从而实现联动控制或即时报警等功能。系统工作框图如图1所示：
图1 视频图像处理系统工作框图
数据采集、解码模块由高效的32位嵌入式处理器进行控制，摄像机的刷新率通常50帧每秒，最多能达到100帧每秒，而高速摄像机可以达到每秒1000-10000帧的速度记录，采用32位微处理器将视频图像解码成红、绿、蓝三基色的数据并单独存储，保证实时性好，不漏帧，硬件实时解码、软件高速处理，每帧都可以发出控制信号，数字解码灵敏度高，分辨力超过人的视觉。
数据采集解码后，经高速处理器进行数据处理，计算出实时的三基色数据，后进行数字化判定。每路视频信号可以设定4个敏感区域进行取样，每个区域的3个颜色可以单独处理，取样区域作为图像判定的条件，取样区域的数据作为比较的阈值，具体判断根据监视现场条件而定，选择工作的具体数值范围，当前端摄像头传输过来的图像经微处理器处理后，数值超出工作范围，就会发出报警指令，向驱动模块输送报警信号。
控制器采集的数据是在行场同步控制下从左到右、从上到下输出，在行场同步下先把第一行数据写到RAM1，写完第一行再切换到第二行，写完第二行再写第三行，第三行写完第3个数据即可读出RAM1和各寄存器的数据做色彩平均值计算，当第三行写完以后，第四行数据再写到RAM1，以此类推，一直循环直到一帧数据处理结束。值得注意的是：各行的数据是循环切换的，当RAM1保存的是第一行数据时，第一行数据从左到右依次为R1、G1、B1，第二行数据从左到右依次R2、G2、B2，第三行数据从左到右依次为R3、G3、B3，以后各行循环切换，根据当前的位置以及所需的颜色通道选出4个像素进行相加求和运算。输出驱动模块分为数字量报警和模拟量报警两种，可以视现场工作情况具体选择，而且输出通道数可扩展和裁减。系统采用嵌入式设计，操作界面友好，并运用了视频叠加技术使输出画面包含设置菜单和报警信息。
系统将信息采集计算后，处理模块负责提取并处理预先设定的区域内的数据，并将系统信息和报警信息叠加到视频信号中，输出给监视器。通过控制面板和监视器可以设定系统的各种参数（如调整取样区域）。驱动模块将处理好的数据转换成开关量和4-20mA模拟量，控制部分根据输出的信号，完成相应的控制过程，从而有效的实现系统的联动报警功能。
结论
从上述视频图像处理系统的研究分析可见，数字化、网络化、整体化、智能化是监控系统未来的发展方向。解决系统无法联动是当前技术攻关中的重点，此类功能关键技术点是要求在各种应用场合下均能够较稳定地输出智能分析的信息，尽量减少环境对视频监控的影响。本文研究的FPGA和DSP技术的综合应用会起到抛砖引玉的作用，将进一步推动监控系统逐步实现智能化。