自动图像报警系统研究及单片机实现

    摘要：全面介绍了基于图像的自动报警系统的实现方法，克服了传统单点信号报警的缺陷，并采用先进的ＲＩＳＣ结构单片机和高密度ＦＬＡＳＨ、ＣＰＬＤ技术，使系统具有实时响应和自适应能力。

    关键词：图像报警 ＲＩＳＣ ＦＬＡＳＨ ＣＰＬＤ 自适应

    报警系统广泛应用于银行、饭店、交通管理以及智能大厦等场所和领域。传统的自动报警装置，大多采用单点信号报警，即在某一特定位置安放传感器，当该采集点处的物理量达到报警门限时，就向中心控制计算机发出报警请求信号。这种报警装置的优点是安装便利，反应迅速，但其适用范围较小，对单点噪声过分敏感而导致误报，在防止误报和漏报两方面不可兼得等先天缺陷，限制了它不能被应用于情况复杂、并要求具备一定动态控制能力的场所。

    基于图像的自动报警系统克服了上述缺陷。通过对所监视场景的全景拍摄，避免了对单一采集点进行测量的随机噪声敏感性；而数字图像处理技术的引入，使整个系统可以在一个较宽的范围内进行自适应调整。

１ 自动图像报警系统的组成

    完整的自动图像报警系统主要由三部分组成：图像采集摄像机、图像信号处理与报警信号发生、中心控制计算机[１]。本文仅对上述第二部分进行讨论，前文中的自动图像报警系统实际上也特指该子系统。

    为降低中心控制处理的复杂度和图像信号传输的额外开销，将图像信号处理及报警信号发生以硬件实现并随同摄像机安置于前端，从而构成分布式处理系统。图像报警系统的硬件结构如图１所示。

２ 设计实现中的关键技术

    保证实时性和动态调整能力是系统实现中的首要目的。为便于硬件处理，算法上采用灰度阈值分割和差值图像面积累计。基于降低系统成本的考虑，不可能选用具有较强数字信号处理能力的ＤＳＰ芯片，而一般的工业控制单片机又很难达到实时运算的要求，这正是设计中的关键问题。

    本系统中采用了查找表的思想，将图像差值运算转换为对ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ的读操作。其原理是预先将差值算法的处理结果存储于ＦＬＡＳＨ或ＥＰＲＯＭ的既定存储单元中，而进行差值运算的两帧图像的象素灰度数据（８ｂｉｔｓ）分别作为存储器的高８位地址和低８位地址。这样处理的结果是每进行一个象素的差值运算，所需要的时间是存储器的一个读周期，显然可以满足实时的要求。经过差值处理后的象素灰度值再经过阈值判别送计数器，当累计数量超过一定面积时，ＭＣＵ将发出报警信号。

    存储器（ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ）的算法为：

    (Ｇｖａｌｕｅ)＝｜Ｈｖａｌｕｅ－Ｌｖａｌｕｅ｜（１）

    其中Ｈｖａｌｕｅ为Ａ／Ｄ直通图像抽样信号（８ｂｉｔｓ），同时也是存储器高８位地址；Ｌｖａｌｕｅ为ＤＲＡＭ中存储的数字图像参考帧抽样信号（８ｂｉｔｓ），即存储器低８位地址；Ｇｖａｌｕｅ为存储器１６位地址。

    阈值判别采用全局阈值法[２]，这种方法适用于场景具有均匀光照条件的情况。对于场景整体灰度的变化，可以通过由ＭＣＵ控制定时刷新ＤＲＡＭ参考帧数据，并调整全局阈值Ｔ和临界面积Ｓ而获得自适应的效果。阈值判别和计数统计如式（２）（３）所描述：

    ｉｆ(Ｇｖａｌｕｅ)＞Ｔ，ｃｏｕｎｔ＝ｃｏｕｎｔ＋１（２）

    ｉｆ ｃｏｕｎｔ＞Ｓ，触发报警（３）

    系统工作实例如图２所示。

３ 单片机实现中的器件选择和工作特性描述

    硬件实现中器件的选择对整个系统的性能起着举足轻重的作用。ＡＴＭＥＬ公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。经过认真调研，本系统选用了ＡＴＭＥＬ的几款芯片完成系统的关键部分功能。

３．１ ＲＩＳＣ结构单片机ＡＴ９０Ｓ２３１３

    ＡＴＭＥＬ公司的９０系列单片机是增强ＲＩＳＣ内载ＦＬＡＳＨ的单片机，通常简称为ＡＶＲ单片机。传统的基于累加器的结构需要大量的程序代码，以实现累加器和存储器之间的数据传送，并且由于时钟分频，使得数据传输成为系统瓶颈。ＡＶＲ单片机是第一种真正的８位ＲＩＳＣ单片机，快速存取ＲＩＳＣ寄存器文件和单指令周期使它的性能明显优越于普通８位单片机[３]。

    ＡＴ９０Ｓ２３１３具有２Ｋ字节内载编程ＦＬＡＳＨ，１２８字节ＳＲＡＭ数据存储单元，１２８字节ＥＥＰＲＯＭ工作寄存器，３２字节通用工作寄存器，１５Ｉ／Ｏ，８位和１６位定时／计数器各一个，通用异步收发，２０脚ＰＤＩＰ或ＳＯＩＣ封装，支持在系统编程，最高工作频率达１２ＭＨｚ[４]。本系统中，它负责完成Ａ／Ｄ器件的初始化，地址发生器、数据存储器的控制，以及计数统计和报警触发。

    Ａ／Ｄ转换选用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１，其初始化通过Ｉ２Ｃ总线进行。利用两个ＡＴ９０Ｓ２３１３的通用Ｉ／Ｏ引脚，就可以产生Ｉ２Ｃ总线的时序信号，完成对ＳＡＡ７１１１的初始化。片内的１６位计数器用以进行计数统计，并产生中断报警信号。阈值判别和临界面积的设定以及ＤＲＡＭ参考帧的定期刷新都通过对ＡＴ９０Ｓ２３１３的编程来实现。

    由于采用了精简指令集结构，ＡＴ９０Ｓ２３１３的编程与通常的５１系列有所不同。为实现更复杂的控制功能，还可考虑选择ＡＴ９０Ｓ系列的其他型号，如４４１４、８５１５等。

３．２ ＡＴ２９Ｃ５１２高密度ＦＬＡＳＨ

    尽管ＦＬＡＳＨ技术在今天已经不是什么新鲜产物，但ＡＴＭＥＬ的ＡＴ２９和ＡＴ４９系列仍以其卓越的性能和广泛的适用性在市场上独占熬头。本系统根据差值数据宽度的需要，选择ＡＴ２９Ｃ５１２（６４Ｋ×８）Ｂｏｏｔ ＦＬＡＳＨ，其读周期长度为７０ｎｓ，完全满足实时处理的要求。

    选用ＦＬＡＳＨ的优点是可以进行在系统改写，这在使用环境复杂、需要大量动态调整处理的情况下是非常有利的。可以通过ＡＴ９０Ｓ２３１３对ＦＬＡＳＨ中的差值算法进行修改以适应实际环境的需要。

    对于环境条件变化不大的情况，可以使用ＡＴＭＥＬ公司的ＥＰＲＯＭ产品，型号为ＡＴ２７Ｃ５１２Ｒ或ＡＴ２７Ｃ５２０。

３．３ ＡＴＦ１５００Ａ高密度ＣＰＬＤ

    ＤＲＡＭ的操作时序信号包括行、列地址产生、刷新控制、读写控制等全部由地址信号发生器来产生，这里选用了ＡＴＦ１５００Ａ高性能ＦＬＡＳＨ ＣＰＬＤ。除产生经过抽样选择的行、列地址信号外，还需要给ＡＴ２９Ｃ５１２提供读控制信号及完成整个系统的同步。ＳＡＡ７１１１主模式所产生的时钟信号ＬＬＣ２是系统工作的基准时钟。由于ＳＡＡ７１１１输出的图像格式大大超出了报警系统所需要的基本分辨率，所以要进行一定的分频即抽样处理。

    ＡＴＦ１５００Ａ具有３２个触发器，３２Ｉ／Ｏ和１５００等效门，最大管脚间延时为７．５ｎｓ，４４脚ＰＬＣＣ或ＴＱＦＰ封装[５]。其各种工作参数充分满足了系统地址／控制总线结构的需要，并且具有第三方开发工具支持和加密特性。

    除ＡＴＦ１５００Ａ以外，１５００系列还包含多种型号来满足不同复杂度的应用需要，包括在系统编程功能。另外还可以考虑使用多片ＡＴＦ２２Ｖ１０来实现同样的功能，或者使用ＡＴＦ７５０系列，后者采用ＡＴＭＥＬ公司独有的ＰＬＤ结构，在２４脚的封装类型中功能最强。

４ 系统性能评估

    与单点信号报警相比，自动图像报警系统具有全景监测、动态调整和抗干扰能力强等优点。在系统设计实现过程中，采用了查找表技术降低处理器复杂度，并通过器件的比较和选用，使系统运行效果达到了优化。

    在系统试运行过程中，当出现蚊虫爬上摄像机镜头和闪电等情况时，可能导致误报的发生。解决的方法涉及对图像内容的理解和动态范围调整与时间密度相关性的问题，将进行深入研究和讨论。