基于LonWorks总线的远程数字视频监控系统.pdf

第卷第期增刊仪器仪表学报年月基于总线的远程数字视频监控系统刘庆丰哀荣棣,西安理工大学西安重庆大学重庆冷朝 霞摘要介绍了一种基于总线的远程数字视频监控系统。在利用原有工业现场信号通道的基础上,通过实现对工业现场的模拟视频的数字化以及数字图像的预处理,经神经元芯片,将图像数据传送至上位主机,实现图像识别及远程监控,为远程监控系统的模拟信号数字化提供了一个新的途径。关键词数字视频图像采集边缘提取总线远程监控,夕舒,鳍夕刁”办,叮,婆,一,引言随着网络和计算机技术的发展,远程控制系统已由单纯 的参数控制转变为混合信号、视频及音频监控的综合控制。目前,大多数控制系统仍采用模拟视频监控,但模拟视频信号的传输对距离十分敏感并且易受干扰 而数字视频局域网监控系统不适合距离大,范围广的工业现场。基于工业现场范围内的多个监控通道,若直接升级为现场总线仪表,则需要大量的资金。而利用数字视频和模式识别 技术,实现对模拟仪表和工作现场的远程监控,不失为实现模拟信号数字化的另一途径。由于现场总线传输速度的提高,传统的视频传输需要占用大量带宽已不再成为瓶颈。对同一个工作现场 的多个监控量,只需通过调 整摄像头的角度,便可实现多个监控通道 的切换,具有良好的性价比。现场总线的数字化、网络化的监控体系为工业现场 及 远 程 监 控提供 了 一 个良好 的网络平台。总线是 由公司推出,产品被广泛用 于数据采集、工业过程控制和楼宇自动化方面。其特点是灵活性好,是低层次测控现场总线的主流技术,通信速率 从至,直 接 通信距 离 为,双绞线,支持光纤、电源线等多种通信介质。通过网关支持,便于远程浏览现场运行数据,具有良好可扩充性和跨网络的互联共享性能。其硬件技术核心是神经元芯片,集成了个微处理器及、计数器、操作系统、运行时间数据库、收发器以及符合七层网络协议的通信协议。基于总线的远程数字视频监控系统能够在不增加原有工业现场的数据采集通道的情况下,利用数字图像处理技术实现远程视频传输和监控,提高系统性价比。系统组成原理基于利用图像处理和模式识别技术实现远程监控 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期增刊基于总线的远程数字视频监控系统的思想,系统主要实现的功能有 将工作现场的模拟仪表量值、工业现场工作状况以视频画面的方式传输,在工业现场或远程监控中心实现对多路信号的监控。前向通道 的主要功能模块有数字视频采集、图像预处理及网络协议接口和传输单元。其原理框 图见图。视频采集单元主要将输 出的模拟视频信号数字化,并针对具体应用场合进行亮度、色度等调节,并负责与图像预处理单元接口和将图像送入缓存。图像预处理单元根据 应用需要,对数字 图像数据进行去噪、滤波和边缘提取等处理,能够实现压缩功能。以上两个单元可以采用或,但考虑到对图像预处理功能的要求和价格等因素,采用可编程控制器件实现。总线接口单元负责与上层主机的通讯和数据发送。后向控制通道利用原有系统,只需在中央控制单元和现场控制部分增加相应的控制单元,通过驱动现场的执行机构或者进行相应的信号输出。视视频采采采图像缓存存存图像预预预集集单元元元处理单元元元接口口执执行行行机机构构构构构构接口口口接口口口人工智能能卜卜卜一一一一一一专家系统统上位图数字视频监控系统原理框图视频采集单元。为场 消隐信号,为个行周期。为奇、偶场信视频采集芯片选 用的实现,带号,为输出使能信号闭。转换,支持路模拟输入,自动增益、钳位控制,通常的视频监控 图像 格式为火像素,而统一时钟,多制式解码,支持等多种格式数格式的有效像素点为因此采集时据输出,工作方式可通过总线可编程。输需对 图像信号进行剪裁,通过无效行和无效像素计数入,以制式为例像素,以信号输器对和脉冲的计数 原理见 图,避开出频率输出数字图像 数据流,分为奇、偶场消隐、行消隐信号和部分有效信号后,使有效地址计两场输 出,采用格式,位数据。其主要控制数器开始工作。对的二分频计数,间隔像素采信号有行参考 同步信号,高 电平表示一行 的有集,取摄像机输入视频信号的中间部分的像效像素,为个周期。场参考同步信号素数据。在无效像素输 出期间,整个 电路输出部分为高的高 电平为有效的行图像,单场为行 低 电平期间阻状态。多多多多多多多多多多多多多多多多地地地地地地地地地地址产生单元元元路路行行地址计数器器器盔组组组组组组组转转力力力力力力力力力力力力口口口口换换行行行行起始地址址址法法法法器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器器无无效像素素素素素素素素素素素素素素素素素计计数器器器有效像素计数器器器器器器器器器器器器器器器行行行行行行行行行行行行行内像素地址址址址址址址二二分频计数器器器器器器器器器器器器数数数数数数数数数数据缓冲冲冲冲图图像采集控制电路原理图像输入缓存部分 的地址发生电路,由行起始地址和行内像素地址两部分组成。由于视频信号采用 的是隔行扫描 的方式,数字图像采集后 的帧数据分为奇偶场,由于要求格式为,所以只采集奇场信号,偶场信号丢弃。每行像素的前个丢弃,无效像累计数器值满后 启动有效像素计数器,对的二分频计数,间隔采集个像素。每行 的起始地址相差,而行内地址则由有效像素计数器按加规律产 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/仪器仪表学报第卷生,两部分相加,产生完整的地址信号。若系统要求采集两场信号时,则以每行间隔交替的方式重叠起来,合成为一完整的图像。两场信号的一帧图像为行 奇场行,偶场的行第一行。两场交叉存 储,每行内 地 址连续变化,范 围 是点,同 一 场 内相 邻 两 行 的地 址 相 差 了点,而奇、偶场起始地址相差了,以此规律,利用不同模值的加法器生成的实际存储地址。系统选用两片组成图像存储器,两片存储器之间是交替工作的,由帧切换控制模块控制。帧切换控制模块为同步输出状态机,通过视频采集和神经元芯片之间的握手应答信号,保证双方控制电路可靠切换。在图像 数据写入时,神经元芯片将读取的数据。当中数据满,由帧状态控制单元 向神经元芯片申请中断,若神经元芯片准备好 向主机发送数据,则通过中断响应信号,触发多路转换器,由神经元芯片读取中数据,而图像采集控制单元则 向写入新的一帧图像数据。图像预处理单元图像处理单元的主要工作原理是通过图像处理算法的硬件实现,在提高系统实时性能的同时,对图像数据进行滤波、压缩操作等,为在上层监控系统 中的复杂综合处理提供真实数据。系统中涉及的主要处理算法为边缘提取。算子边缘提取用于边缘提取的算法种类较 多,经 综合比较,选择算子 的模板匹配法,一般能得到比较完整的边缘,且计算量较小,便于硬件 电路实现。边缘点的特征是沿边缘线方 向,图像灰度变化缓慢,而其垂直方向变化剧烈。将图像数据与算子模板卷积,求出其在水平和垂直两个方 向上的分量,与确定的灰度 闽值相比较,如果大于阑值,则认为为边缘点,否则为非边缘点。任意像素点的灰度变化的梯度值可表示为二甲昌寻其 中。,、为梯度值的水平分量和垂直分量,为便于计算及 电路实现,式可近似为一。,。,、其误差在梯度方 向角度小于。时,误差小于。其中图像硬件滤波处理体系结构利用算子检测边缘,在计算任一像素点。和时,相邻像素数据需重复使用三次,若重复读取数据,访问图像存储器将占用大量时间,影响处理速度。系统选择 内部存储器并行结构,将存储、处理单元集成在一起,作为数据缓存,避免了外部像素数据的重复读取,通过流水线结构实现了数据存取和处理的并行工作机制。算子选用的模板为,因每行图像有个像素,因此在中定义三个的双口,作为图像数据的缓存,结构图如图所示。在体系结构设计 中,整个算法的实现采用了流水线机制。根据算法,主要执行以下三个步骤每个时钟周期存储一个图像数据到中,当数据传到第三行数据时开始将三个中的前三个数据送入算子模板窗口寄存器中根据算子模板计算水平分量。和垂直分量利 用比较 器和加法 器计算,。,、,并与闺值进行比较以确定该像素点是否为边缘点。流水线工作机制为处理单元首先将图像前两行的像素数据读到内部的和中,向写入第三行数据开始,将每行前三个像素数据送入算子模板窗口中见图缓存窗口,此时边缘检测电路开始计算。和。因系统采用同步时钟,内部的双口的读写操作可同时进行,向写入数据第四行数据时,输出第一个像 素判别值。当读完第三行数据,第二行 的边缘检测已经完成。然后将第四行数据写入,覆盖第一行 数据。算子模板窗口中采用结构,读取第四列至窗口模板的同时,第三列和第二列数据依次前移,开始计算第二个像素点的梯度见图缓存窗口。结构实现缓存窗口更新的同时,避免了外部像素数据的重复读取。输入像素数据为,进行算子边缘检测后,一个像素就可以用来表示,数据量就减小为原来的,实现 了数据的压缩。总线接口“是系统设备的核心器件,是由公司研制的集通信、控制、调度和支持为一体的器件。协议由硬件和固件来实现,保证足够的处理能力。其中包括个位两个用于网络通信,一个用于应用,通过共享内存方式工作,三类存储器共一八乙口一上一一一尸一一了关一一,一。尸一一为像点周 围相邻个元素值。1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第期增刊基于总线的远程数字视频监控系统,和,两个位定时器 计数器,个软件定时器,允许定制芯片和附加功能加入芯片中。采用的芯片,采用其引脚作为并口输入,通过对编程,采用语言作为开发工具,实现与图像预处理 电路进行数据交换,控制图像数据 的读取和与总线上层设备的传输一。其网络互连 系统包括了单一的网络操作系统,包含了模型、对象和基于部件的软件开发等先进思想后推出的,保证多个应用在网上同时激活,实现多用户同时安装设备、操作系统、诊断问题和维护修理。设备的 内插件包括 内建的问题诊断和排除工具,辅助并确认配置选项的用户对话,使用,制造商 的设备 内插件可以不做修改就运行在各种上。图像数据缓缓存窗口一一。水平分量量量加法器器川川川双四“计算单元元元比较器器叫叫叫”洲日日日日缓缓缓缓缓存窗口一一一一一一日日垂垂垂垂垂垂垂垂垂垂垂垂直分量量量量计计计计计计计计计计计计算单元元元元元元厂厂厂厂厂厂洲洲一一一住住】门门门门门门门门门飞系统时钟图系统体系结构图实验结果结束语本文中的视频采集控制及 图像预处理 电路采用原理 图和语 言混合 设 计 的 方 法 实现,在环境下,针对器件环境绑定,进行验证,实现 图像采集和边缘提取,处理效果见 图左侧为原始图像,右侧为边缘图像。系统可与原有监控系统并行,也可对其进行无人值守改造。在总线上位监控机在监控系统中加入模式识别与专家系统,可将画面数值信号量化输出,监控远程工作现场,在远程抄表、电子警察系统或消防演习模拟等系统 中有着广阔应用前景,不同的控制功能只需在中控室内操作。未来的工作将 围绕着基于总线的应用开发工具进行,将所有采集、传输模块固化,实现标准化插接以及驱动程序的内插件规范化设计。今后的发展方 向,将是基于开放体系的混合网络接口间的互通互连及跨平台支撑。参考文献莎王双庆总线技术及发展计算机自动测量与控制,一,图模拟数据处理前后效果图 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/