摘 要： 全面介紹了基于圖像的自動報警系統的實現方法，克服了傳統單點信號報警的缺陷，并采用先進的RISC結構單片機和高密度FLASH、CPLD技術，使系統具有實時響應和自適應能力。
關鍵詞： 圖像報警 RISC FLASH CPLD 自適應
報警系統廣泛應用于銀行、飯店、交通管理以及智能大廈等場所和領域。傳統的自動報警裝置，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出報警請求信號。這種報警裝置的優點是安裝便利，反應迅速，但其適用范圍較小，對單點噪聲過分敏感而導致誤報，在防止誤報和漏報兩方面不可兼得等先天缺陷，限制了它不能被應用于情況復雜、并要求具備一定動態控制能力的場所。
基于圖像的自動報警系統克服了上述缺陷。通過對所監視場景的全景拍攝，避免了對單一采集點進行測量的隨機噪聲敏感性；而數字圖像處理技術的引入，使整個系統可以在一個較寬的范圍內進行自適應調整。
1 自動圖像報警系統的組成
完整的自動圖像報警系統主要由三部分組成：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實際上也特指該子系統。
為降低中心控制處理的復雜度和圖像信號傳輸的額外開銷，將圖像信號處理及報警信號發生以硬件實現并隨同攝像機安置于前端，從而構成分布式處理系統。圖像報警系統的硬件結構如圖1所示。
2 設計實現中的關鍵技術
保證實時性和動態調整能力是系統實現中的首要目的。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。基于降低系統成本的考慮，不可能選用具有較強數字信號處理能力的DSP芯片，而一般的工業控制單片機又很難達到實時運算的要求，這正是設計中的關鍵問題。
本系統中采用了查找表的思想，將圖像差值運算轉換為對FLASH/EPROM的讀操作。其原理是預先將差值算法的處理結果存儲于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據(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。經過差值處理后的象素灰度值再經過閾值判別送計數器，當累計數量超過一定面積時，MCU將發出報警信號。
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參考幀數據，并調整全局閾值T和臨界面積S而獲得自適應的效果。閾值判別和計數統計如式(2)(3)所描述：
if (Gvalue)＞T，count＝count+1 (2)
if count＞S，觸發報警 (3)
系統工作實例如圖2所示。
3 單片機實現中的器件選擇和工作特性描述
硬件實現中器件的選擇對整個系統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字集成電路的一流半導體制造公司。經過認真調研，本系統選用了ATMEL的幾款芯片完成系統的關鍵部分功能。
3.1 RISC結構單片機AT90S2313
ATMEL公司的90系列單片機是增強RISC內載FLASH的單片機，通常簡稱為AVR單片機。傳統的基于累加器的結構需要大量的程序代碼，以實現累加器和存儲器之間的數據傳送，并且由于時鐘分頻，使得數據傳輸成為系統瓶頸。AVR單片機是第一種真正的8位RISC單片機，快速存取RISC寄存器文件和單指令周期使它的性能明顯優越于普通8位單片機[3]。
AT90S2313具有2K字節內載編程FLASH，128字節SRAM數據存儲單元，128字節EEPROM工作寄存器，32字節通用工作寄存器，15I/O，8位和16位定時/計數器各一個，通用異步收發，20腳PDIP或SOIC封裝，支持在系統編程，最高工作頻率達12MHz[4]。本系統中，它負責完成A/D器件的初始化，地址發生器、數據存儲器的控制，以及計數統計和報警觸發。
A/D轉換選用了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，就可以產生I2C總線的時序信號，完成對SAA7111的初始化。片內的16位計數器用以進行計數統計，并產生中斷報警信號。閾值判別和臨界面積的設定以及DRAM參考幀的定期刷新都通過對AT90S2313的編程來實現。
由于采用了精簡指令集結構，AT90S2313的編程與通常的51系列有所不同。為實現更復雜的控制功能，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技術在今天已經不是什么新鮮產物，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。本系統根據差值數據寬度的需要，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的優點是可以進行在系統改寫，這在使用環境復雜、需要大量動態調整處理的情況下是非常有利的。可以通過AT90S2313對FLASH中的差值算法進行修改以適應實際環境的需要。
對于環境條件變化不大的情況，可以使用ATMEL公司的EPROM產品，型號為AT27C512R或AT27C520。
3.3 ATF1500A高密度CPLD
DRAM的操作時序信號包括行、列地址產生、刷新控制、讀寫控制等全部由地址信號發生器來產生，這里選用了ATF1500A高性能FLASH CPLD。除產生經過抽樣選擇的行、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的同步。SAA7111主模式所產生的時鐘信號LLC2是系統工作的基準時鐘。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]。其各種工作參數充分滿足了系統地址/控制總線結構的需要，并且具有第三方開發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雜度的應用需要，包括在系統編程功能。另外還可以考慮使用多片ATF22V10來實現同樣的功能，或者使用ATF750系列，后者采用ATMEL公司獨有的PLD結構，在24腳的封裝類型中功能最強。
4 系統性能評估
與單點信號報警相比，自動圖像報警系統具有全景監測、動態調整和抗干擾能力強等優點。在系統設計實現過程中，采用了查找表技術降低處理器復雜度，并通過器件的比較和選用，使系統運行效果達到了優化。
在系統試運行過程中，當出現蚊蟲爬上攝像機鏡頭和閃電等情況時，可能導致誤報的發生。解決的方法涉及對圖像內容的理解和動態范圍調整與時間密度相關性的問題，將進行深入研究和討論。
參考文獻
1 程曉舫，吳建華等.HODOLIC計算機圖像監控報警系統的設計.中國科學技術大學學報，1997;5
2 章毓晉.圖像處理和分析.北京：清華大學出版社，1999
3 宋建國.AVR單片機原理及應用.北京：北京航空航天大學出版社，1998；10
4 ATMEL.AVR RISC Microcontroller Data Book.Aug.1999
5 ATMEL.Configurable Logic Data Book.Mar.1997