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一種用CPLD實現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格式數字視頻信號進行運動檢測的方法。在此基礎上，給出了一個實現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的輸出信號作為數字視頻源，用Ｌａｔｔｉｃｅ公司的ＣＰＬＤ芯片ＬＣ４１２８Ｖ對視頻信號進行運動檢測。關鍵詞：運動檢測 ＣＰＬＤ 數字視頻信號
在數字錄像、數字監控等領域內，人們通常只對場景內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行預處理，識別場景中是否存在物體運動，也就是進行運動檢測，然后再決定是否做進一步的處理，例如錄像、報警等。對于錄像系統，通過運動檢測，能夠避免不必要的數字錄像，有效地減少系統所需存儲空間；同時可以加快檢索速度，提高資料有效性。對于監控系統，運動檢測是一種監視場景信息的有效手段。
很多數字視頻信號處理系統通常會選用ＤＳＰ芯片作為主處理芯片。由于ＤＳＰ對數字信號的處理是通過編程實現各種算法的，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，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，其算法已經被固化在芯片的內部電路中，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運動檢測。本文介紹的用ＣＰＬＤ進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
運動檢測的實現方法有硬件實現的也有軟件實現的，但基本思想大同小異，都是對相隔一定時間的兩幀視頻數據進行抽樣，并對抽樣數據進行比較，如果比較結果顯示這兩幀數據存在比較大的差異，那么就認為數據輸入場景中存在物體的運動，反之就認為沒有運動存在。
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本文介紹的用ＣＰＬＤ實現運動檢測的方法也是基于這種思想，但和一般的實現方法有所不同，其實現方法有一定的特色。
通常情況下，在實現上述思想的過程中，需要兩個緩存區分別存放兩幀抽樣數據，然后對這兩幀數據進行比較并對比較結果進行統計，最后得出比較結果。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進行控制，并將其作為兩幀數據的比較器。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據進行緩存，在對第二幀數據進行抽樣時讀取第一幀中與此刻抽樣的數據相對應的緩存數據，并將兩者進行比較，用一個計數器記錄比較結果，如果差值超過閾值，計數器加一，否則不加。當這個計數值超過某一個規定數值的時候，就認為輸入視頻數據中存在著物體運動。這樣做的好處是需要的緩存區較小，而且ＣＰＬＤ可以單獨對數據進行處理，提高運動檢測模塊的獨立性，運動檢測模塊可以單獨調試。
２ 用ＣＰＬＤ實現運動檢測
下面通過實例說明用ＣＰＬＤ實現運動檢測的過程，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，經過ＳＡＡ７１１３芯片預處理后，輸出數字視頻信號。該信號分作兩路：一路輸入到ＣＰＬＤ進行運動檢測，另一路則輸入到芯片Ｗ９９６８２，對信號進行ＪＰＥＧ壓縮等進一步處理。
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對信號做進一步處理。其系統結構圖如圖１（省略了部分與運動檢測無關的元件）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處理芯片，最基本的功能是模／數轉換，輸出的數字視頻信號符合ＩＴＵ６０１標準。ＩＴＵ６０１是長寬比為４?３和１６?９的數字電視信號標準，它對數字電視信號的各項參數進行了詳細的描述和規范。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據：行同步信號ＳＨＳ（１５．６ｋＨｚ）、場同步信號ＳＶＳ（５０Ｈｚ）和象素數據同步信號ＳＰＣＬＫ（２７ＭＨｚ）。
包括消隱期在內，每幀數據掃描６２５行，每行抽樣８６４個象素，因此總的分辨率是８６４×６２５。一幀數據分作奇偶兩場，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是幀內一行以及象素抽樣數據排列格式的示意圖。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視頻輸出數據格式的介紹可以看到，保存完整的一幀數據（包括消隱期數據在內）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，必須對幀數據進行抽樣。本文介紹的方法的抽樣規則如下：
（１）抽取一幀數據的奇場或者偶場。做比較的兩場抽樣數據必須取自相同的場次，或者同為奇場或者同為偶場，否則就沒有可比性。
（２）對連續的８幀抽取第２幀和第８幀進行比較。被抽樣的兩幀之間必須有一定的時間間隔，間隔太短或者太長都會影響檢測的靈敏度。
（３）對一場數據抽取有效行中的奇數行，從場同步信號有效邊沿開始對行同步信號計數，直到下一個場同步信號為止。從２３行到３１０行是有效行，共１４４個奇數行。
（４）對被抽取的行，取其亮度分量Ｙ。根據圖３中象素數據的排列順序，從象素數據有效開始，偶數的象素數據脈沖同步的是亮度分量Ｙ。
對于以上的抽樣規則，有必要說明一下。最終的抽樣數據并非全部都是有效數據，其中還包括了一部分消隱期的數據。這樣做是可以理解的，因為運動檢測的結果是根據兩幀被抽樣數據的差值來判定的，雖然消隱期的數據是無效的，但是每次消隱期的數據是相同的，兩次抽樣數據相減結果是零，并不會影響結果的判定。之所以對一場的行進行抽樣，主要是為了減小抽樣數據量，使數據總量不超過１２８Ｋ ＳＲＡＭ的容量。
如果要保證抽樣數據全部都是有效數據，那么必須利用輸入的象素數據同步脈沖ＳＰＣＬＫ、場同步信號ＳＶＳ和行同步信號ＳＨＳ對抽樣時刻做嚴格的同步。這需要消耗額外的ＣＰＬＤ資源，而效果卻不一定好。
根據以上規則，實際抽樣的數據量為：８６４×１４４＝１２４４１６Ｂｙｔｅ，需要的ＳＲＡＭ容量為１２８Ｋ。
２．３ 程序
下面給出實現以上過程的一部分ＶＨＤＬ程序。
ｓｒａｍ＿ｗｒｉｔｅ＿ｃｏｎｔｒｏｌ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ?ｖａｌｉｄ?ｓｐｃｌｋ２?ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ?
ｂｅｇｉｎ
ｗｒｉｔｉｎｇ＜＝ｖａｌｉｄ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ ａｎｄ ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ?０??
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
ｓｒａｍ＿ｒｅａｄ＿ｃｏｎｔｒｏｌ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ?ｖａｌｉｄ?ｓｐｃｌｋ２?ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ?
ｂｅｇｉｎ
ｒｅａｄｉｎｇ＜＝ｖａｌｉｄ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２ ａｎｄ ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ?０??
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
這兩個進程用于控制ＳＲＡＭ的讀寫信號，ｒｅａｄｉｎｇ和ｗｒｉｔｉｎｇ正好和ＳＲＡＭ的讀寫信號反相。Ｖａｌｉｄ變量指示當前輸入的行是否為需要采樣的有效行，ｓｐｃｌｋ是象素數據同步脈沖，ｓｐｃｌｋ２是它的二分頻，用于指示當前輸入數據是否為亮度分量Ｙ。ｌｉｎｅ＿ｃｏｕｎｔｅｒ?０?＝１表示奇數行。ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ和ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ分別指示本場數據是否需要保存或者需要比較。
ｕｐｄａｔｅ＿ｄａｔａ＿ｂｕｓ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ?ｖａｌｉｄ?ｃｃｄ＿ｄａｔａ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ｓｔｏｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝‘１’ａｎｄ ｖａｌｉｄ＝‘１’?ｔｈｅｎ
ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ?
ｅｌｓｅ
ｄａｔａ＿ｓｒａ
ｍ＜＝“ＺＺＺＺＺＺＺＺ”?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
在抽樣第一幀數據的時候，直接把數字視頻信號輸入到ＳＲＡＭ的數據總線上，寫操作信號由ｗｒｉｔｉｎｇ控制。其它時候，數據總線上輸出高阻。
ｕｐｄａｔｅ＿ｄａｔａ＿ｒｅｇ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｓｐｃｌｋ?ｃｃｄ＿ｄａｔａ?ｓｐｃｌｋ２?ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ?
ｖａｌｉｄ?ｄａｔａ＿ｓｒａｍ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ｓｐｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ＝‘０’?ｔｈｅｎ
ｉｆ?ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝‘１’ａｎｄ ｖａｌｉｄ＝‘１’ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２＝‘１’?ｔｈｅｎ
ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＜＝ｄａｔａ＿ｓｒａｍ?
ｉｆ?ｃｃｄ＿ｄａｔａ＜＝ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?ｔｈｅｎ
ｄａｔａ＿ｒｅｇ１＜＝“００００００００”?
ｄａｔａ＿ｒｅｇ２＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ＋ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?
ｅｌｓｉｆ?ｃｃｄ＿ｄａｔａ＞＝２５５－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?ｔｈｅｎ
ｄａｔａ＿ｒｅｇ１＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?
ｄａｔａ＿ｒｅｇ２＜＝“１１１１１１１１”?
ｅｌｓｅ
ｄａｔａ＿ｒｅｇ１＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?
ｄａｔａ＿ｒｅｇ２＜＝ｃｃｄ＿ｄａｔａ＋ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
ＳＡＡ７１１３的象素同步脈沖的下跳邊沿是象素數據的有效邊沿，進程在ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝１時，一方面把抽樣數據讀入，用寄存器保存用于比較的數據的上限和下限；另一方面從ＳＲＡＭ讀入對應數據存入寄存器ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ，這兩個操作為比較數據做好準備。ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ是一個閾值，這里取１６，當前后兩次抽樣差值超過ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ時就認為這兩個抽樣數據是不等的。在輸入數據接近０或者２５５的時候，需要做特殊處理，避免整型數溢出，影響比較結果。
ｃｏｍｐａｒｅ＿ｄａｔａ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｓｐｃｌｋ２?ｖａｌｉｄ?ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ｓｐｃｌｋ２＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｃｌｋ２＝‘０’?ｔｈｅｎ
ｉｆ?ｃｏｍｐａｒｅ＿ｆｉｅｌｄ＝‘０’?ｔｈｅｎ
ｐｉｘｅｌｓ＜＝“００００００００００”?
ｅｌｓｉｆ?ｖａｌｉｄ＝＇１＇?ｔｈｅｎ
ｉｆ?ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＜＝ｄａｔａ＿ｒｅｇ１ ｏｒ ｄａｔａ＿ｓｒａｍ＿ｒｅｇ＞＝ｄａｔａ＿ｒｅｇ２?ｔｈｅｎ
ｐｉｘｅｌｓ＜＝ｐｉｘｅｌｓ＋１?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
ｃｏｍｐａｒｅ＿ｄａｔａ進程在抽樣的間隔（輸入為色度分量Ｃｒ或者Ｃｂ時）對前后兩次抽樣的數據進行比較，如果比較結果超過允許值，計數器ｐｉｘｅｌｓ加１，否則不加。
ｍｏｔｉｏｎ＿ｄｅｔｅｃｔ?ｐｒｏｃｅｓｓ?ｐｉｘｅｌｓ?
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ?ｐｉｘｅｌｓ＞ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ?ｔｈｅｎ
ｉｎｔ０＜＝‘１’?
ｅｌｓｅ
ｉｎｔ０＜＝‘０’?
ｅｎｄ ｉｆ?
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ?
ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ是一個閾值，表示一幀數據中允許出現的不相等抽樣數據的最大數目，當計數器ｐｉｘｅｌｓ超過ｍａｘ＿ｐｉｘｅｌｓ時，就認為檢測到了物體運動，ＣＰＬＤ將ｉｎｔ０輸出管腳置高，向處理器請求中斷。這里ｍａｘ＿ｐｉ
ｘｅｌｓ取６００，它可以根據需要設置適當的值。
當ＣＣＤ攝像頭前有物體晃動時，ＣＰＬＤ的ｉｎｔ０管腳會連續產生高電平脈沖，這說明運動檢測模塊已經正常工作起來，同時另一路視頻信號經過Ｗ９９６８２處理后輸送到電視屏幕上，以便觀察運動的場景。如果晃動攝像頭本身，只要微小的晃動就可以看到類似的效果，因此用這種ＣＰＬＤ實現運動檢測是可行的。
事實上，還可以利用同樣的原理對ＣＭＯＳ攝像頭的輸入信號進行運動檢測。
當然這種檢測方法本身也有不足之處，最主要的一點是實際檢測到的只是攝像頭前光線亮度的變化，不能智能地判斷引起這種變化的原因，也不能判別運動物體的形狀。另一方面，從實驗結果來看，有時候會出現誤判；當運動物體離攝像頭比較遠時，檢測的靈敏度也會降低，出現漏判。誤判和漏判是一對矛盾，在實際應用中需要根據實際情況反復調試，選出最佳的閾值，減少這兩種情況的發生。
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