DSP智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計實現(xiàn)

　引言
　　隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，城市交通和基礎設施的不斷進步，人們對安全的要求不斷提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)廣泛用于小區(qū)安全監(jiān)控、火警監(jiān)控、流量控制以及軍事、銀行、商場、機場、地鐵等公共場所的安全防范。近年來，數(shù)字視頻監(jiān)控正以其無可比擬的優(yōu)勢逐漸取代模擬視頻監(jiān)控，為用戶提供更安全、更智能化的視頻監(jiān)控服務。智能監(jiān)控向網(wǎng)絡化，智能化，數(shù)字化發(fā)展。目前最先進的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)具有智能化分析功能，以計算機圖像處理技術(shù)為基礎，對實時場景中的目標進行檢測、識別、跟蹤分析，并在此基礎之上進行行為理解分析，從而代替或者部分代替人類進行監(jiān)視活動。
　　近年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺的設計層出不窮，而少有系統(tǒng)架構(gòu)設計層面的介紹。國內(nèi)外較為常見的系統(tǒng)設計，一種是使用PC機作為算法運行的硬件平臺，如Morita等采用的C/S結(jié)構(gòu)［1］或Dias等采用的分布式結(jié)構(gòu)［2］。這種系統(tǒng)的主要缺點是成本高，由于PC對數(shù)字圖像處理不易優(yōu)化，智能算法很難達到實時要求。另一種使用專門數(shù)字圖像處理器構(gòu)建硬件平臺。這種系統(tǒng)的最大不足在于隨著系統(tǒng)規(guī)模擴大、信息量增多，加大了服務器負擔，進而影響了整個系統(tǒng)。
　　在算法研究上，視頻監(jiān)控關鍵技術(shù)包括：背景建立，動目標檢測，動目標提取與跟蹤，動目標智能分析。其中背景建立和動目標檢測是關鍵技術(shù)中的基礎，其實現(xiàn)的好壞直接影響監(jiān)控效果。目前較常見的算法有：幀間差分法［3］，背景差分法［4］，光流法［5］等。已有很多仿真工作見報道，但是較少有系統(tǒng)實現(xiàn)了的基于數(shù)字信號處理器DSP的嵌入式實時處理。
　　本文設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)遵循數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的發(fā)展趨勢，綜合考慮對上述不足進行改進，可以使用普通模擬攝像頭作為視頻源進行本地實時智能監(jiān)控，也可以使用網(wǎng)絡攝像機作為視頻源進行遠程實時智能監(jiān)控。在算法上較好地解決了監(jiān)控算法背景更新，動目標檢測等關鍵技術(shù)。提出并實現(xiàn)了對可疑物報警、對貴重物體丟失報警等算法。
　　
　　系統(tǒng)設計
　　系統(tǒng)硬件
　　本系統(tǒng)的硬件由多塊自行開發(fā)的數(shù)字信號處理（DSP）板卡組成，主要提供對本地和遠程視頻監(jiān)控的硬件支持。每塊DSP板卡包括：基于TMS320DM642（TI多媒體數(shù)字信號處理DSP芯片，下文簡稱DM642）核心處理模塊，外設存儲器模塊，總線控制模塊，模擬視頻輸入模塊，PCI模塊。系統(tǒng)硬件框圖如圖1。
　　系統(tǒng)軟件
　　·DSP端軟件
　　DSP板卡運行多通道的智能監(jiān)控算法，算法以庫形式提供。軟件構(gòu)架則以算法庫為核心、DSP/BIOS［6］和RF5［7］為框架進行構(gòu)建。DSP/BIOS是TI公司提出的高度優(yōu)化、可裁剪的DSP實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，提供了搶占式的線程調(diào)度，內(nèi)存管理，外設管理和可視化的調(diào)試工具等特性。RF5是一種基于DSP/BIOS的DSP軟件框架，提供了內(nèi)存管理策略，線程模型，通道封裝和算法管理。一臺服務器主機中可以安裝5張獨立的DSP板卡。
　　DSP軟件包括自啟動、初始化、和線程創(chuàng)建，流程如圖2所示。
　　
　　圖2中第五步動態(tài)創(chuàng)建了1個算法處理線程（ProcessTsk）、2個PCI通信線程（SendTsk，ReceiveTsk）以及一個中斷服務子程序（PCI_ISR）：ProcessTsk根據(jù)客戶端為每個通道設定的監(jiān)控規(guī)則，對通道中的圖像進行算法分析，若有目標違規(guī)，則記錄違規(guī)場景，產(chǎn)生報警信息，否則送出原始圖像。SendTsk負責把ProcessTsk產(chǎn)生的報警信息或者圖像通過PCI傳輸?shù)絇C端;ReceiveTsk負責接收來自本地板卡的模擬攝像頭和來自PC端的網(wǎng)絡攝像頭圖像，以及PC端來的信息。并傳遞給ProcessTsk;PCI_ISR負責監(jiān)聽來自PC端的請求，根據(jù)不同請求發(fā)送不同的旗語，控制線程間的運行。
　　主機服務器準備傳輸控制命令或者圖像的時候，向DSP發(fā)送中斷請求。PCI_ISR將響應這些請求，根據(jù)主機服務器的不同信息向其他線程發(fā)送不同的控制旗語：如果是PC端接收一幀圖像完畢，則向SendTsk 發(fā)旗語PCI_READ_OK，表示可以接收下一幀圖像;如果是斷開、連接通道請求，則向ReceiveTsk發(fā)送旗語PCI_WRITE_OK，表示可以接收信息。ReceiveTsk接收網(wǎng)絡攝像機或者模擬攝像機圖像和控制命令。如果收到圖像，將其存儲在SDRAM的一個緩沖區(qū)中，以待進行算法分析; 如果收到控制命令，將其存儲在由PC、DSP共同維護的一個緩沖區(qū)中。然后發(fā)起SCOM通信，把信息傳送到ProcessTsk維護的SCOM中。SCOM是RF5框架中的通信模塊，提供了隊列 （Queue）和旗語（Semaphore）的雙重功能。ProcessTsk收到信息后，會使用視頻緩沖區(qū)和控制命令緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)作為算法參數(shù)進行計算。ProcessTsk計算完成后，會產(chǎn)生相應的結(jié)果，比如警報或者處理信息。這些數(shù)據(jù)會保存在一個字節(jié)數(shù)組中，然后將其打包封裝成一個Message 對象，將其發(fā)送到SendTsk維護的SCOM中，SendTsk接收到這個Message包后，對其進行相應的處理，然后發(fā)送到PC主機。