基于DSP的车站视频图像处理平台的设计

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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 视频监控是近年来机器视觉领域的一个研究热点，早已经被应用于生产生活的方方面面。从生活小区和银行、超市等地方的安保监控到应用在城市交通领域的交通监控，从军事目标的探测到武器研究中探测设备的研发，都离不开视频监控发挥的巨大作用。视频监控是伴随着计算机技术、图像处理技术的发展而发展起来的。它是指利用机器视觉的方法，在不需要人的操控的情况下，对摄像机拍摄过来的视频图像进行分析、处理，得到视频图像中所需的信息。并根据这些信息所反应的情况，对所监控的对象进行有效的管理。视频监控的内容一般包括视频监控硬件平台的设计、运行在其上的软件平台的设计及监控算

2、法研究等。 根据某火车站对通行环境监测的需要，本文设计了一个通用视频图像处理平台，用于火车站通行环境的监控。火车站一般都有完善的视频采集系统，采集到的视频图像中包含了人流密度的完整信息。通过视频图像分析出车站实时的客流量信息，就可以对整个车站的环境和通行状况有一个很好的了解。再根据保障安全出行的要求，对车站的通行进行有效管理，就能很大程度的保障安全出行和提高通行效率。 本文首先介绍了课题的研究背景，目的，及要达到的目标。然后对视频图像处理系统的方案设计进行了说明。以 DSP 为核心的硬件平台的设计是整个系统设计最重要的部分。本文在分析系统的具体需求基础上，提出了选用 TI 公司的高性能多媒体数

3、字信号处理器 TMS320DM642 为核心处理单元来搭建系统。整个系统包括视频输入部分电路设计，视频输出部分电路设计，增强性外部数据接口设计，电源及电源监控电路设计，时钟设计，以太网接口设计，JTAG 和 I2C 总线接口设计等。并对人流密度检测算法做了一些研究。最后对研究情况做一小节，并对未来的发展做出展望。 关键字：视频监控;图像处理;DM642;客流密度检测 I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Video Surveillance is a research hot spot in the field of machine vision in recen

4、t years. It has already been applied to production and living in many ways. From local security monitoring in the banks, supermarket and other living areas to the application in the field of urban traffic monitoring, from detection of military targets to the R Video image processing;DM642;Detection

5、of flow density III独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文

6、的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 在现代车站和道路管理中，自动化和智能化的控制技术使用的越来越广泛。车站和道路监控对象的范围也越来越大。随着图像采集，图像传输，图像处理技术的不断发展，基于机器视觉的智能监控技术被越来越多的应用到车站和道路的管理中。对于整个管理的智能化和信息化发展起到了巨大的作用，产生了巨大的经济和

7、社会效益。 1.1 视频监控系统的发展状况 视频监控系统的发展经历了三个时期。在上世纪九十年代初以前，视频监控设备主要是以模拟设备为主，含摄像机和磁带录像机的全模拟电视监控系统。称为第一代的模拟监控系统。这一时期监控系统基本不使用视频监控软件，只是把摄像机采集来的多处的视频图像集中在一个地方进行监控。在九十年代中期，随着计算机技术和视频技术的发展，使利用计算机的高速数据处理能力进行视频图像的采集和处理成为可能。此时，可以在高分辨率的显示器上显示各地点的监控图像，图像的质量有了很大的提高。但是图像数据的传输依旧采用传统的模拟视频电缆，这种基于PC机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控系

8、统。 到了二十世纪初，随着网络带宽的提高、数字信号处理器的发展、数据存储能力的提升，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网络时代。这一时期的监控系统称为第三代远程视频监控系统。第三代视频监控系统依托于网络，以视频数据的采集、压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，引发了视频监控行业的技术革命，受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视1。 现在，这种第三代全数字化的视频监控系统得到了充分的应用。与传统的监控系统相比，它具有很多的优点。第一，由于对视频图像进行了数字化，这就便于应用计算机和数字信号处理器的快速处理能力对数字视频图像进行压缩、处理、存储1华 中

9、科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 和显示。第二，数字视频信号的抗干扰能力强，在传输过程中不容易衰减，也不容易受到干扰的影响。第三，采用数字存储的方式非常便于以后的查看。第四，由于使用计算机或数字信号处理器可以对图像质量进行调整，可以很好的提高监控效率。第五，数字视频监控系统主要由电子设备组成，集成度很高。整个系统是模块化的结构，体积小，易于安装、使用和调试234。 正是由于数字视频监控系统有这些优点，符合了当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，这种监控系统才可能广泛应用于各个行业。本文要设计的车站视频图像处理平台就是基于数字监控系统而设计的。 1.2 视频图像处理平台的研究现状

10、 视频图像处理系统的核心就是数字图像处理的硬件平台。它的功能模块主要有三个。一个是图像采集部分，其功能主要实现模块是视频解码器。其二是处理器，负责对图像信息进行处理。其三是视频编码器，负责对处理过的图像信息进行编码输出。根据不同的需求可以选择不同的视频编解码器和处理器。尽管视频处理系统有多种实现方式，但可以根据用途和功能的不同把目前经常使用的视频处理系统分为三类。第一种是以PC机为处理核心的视频采集系统，第二种是以专用视频处理芯片为核心的视频采集系统，第三种是基于高速多媒体数字信号处理器的视频采集系统6。 1) 以 PC 机为核心的视频采集与处理系统 基于PC机的视频采集与处理系统一般是通过一

11、个视频采集卡做为摄像设备与PC机之间的桥梁。摄像机采集来的视频信号接入视频采集卡，采集卡把接入的信号进行 A/D 转化并进行压缩。然后通过计算机的 PCI 接口与计算机连接。把处理过的视频数据传入计算机。计算机主要做一些上层的应用。这种视频采集与监控系统应用的很广泛。系统的优点是产品开发需要的时间比较短，费用比较低，维护和升级起来比较方便。但它对于大运算量和较大复杂度的算法支持不够。而新的视频压缩标准是不断出现的，算法的运算量和复杂度是在提升的。而且它也不适用于对实时性2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 要求比较高的场合。 图 1-1 基于 PC 机的视频采集与处理系统 2) 以

12、专用视频处理芯片为核心的视频采集与处理系统 这种方法是指把解码过来的视频图像信号导入专用视频处理芯片进行处理。通常这种具有专门用途的视频处理芯片为专用 DSP。 而且这种处理系统的结构也比较简单，其框图如图 1-2。从摄像头输入的模拟视频信号通过视频解码器，一般的视频解码器内部都含有模数转换控制器 ADC。解码过后的信号被输入这种具有特殊用途的 DSP。DSP 处理过后的信号再经过视频编码器，通用的视频编码器内部都含有数模转换控制器 DAC， 编码后的模拟视频信号直接输出到显示设备。 图 1-2 基于专用视频处理芯片的图像采集与处理系统 由于 DSP 内部已经由生产厂家应用硬件的方法把算法固定

13、在芯片中。用户只需要选择合适的 DSP 作为核心，组织整个系统即可。这种系统设计比较简单，由于用硬件实现，系统的运行效率非常高。但这种芯片的价格昂贵，由于算法固化，不可更改，只可用到特定的场合。系统的通用性比较差。 3) 基于通用高速多媒体 DSP 的图像采集与处理系统 随着电子技术的发展，越来越多的高性能数字信号处理器诞生。这种 DSP 的通用性很强，集成了很多外设，软件可编程，灵活性高。被越来越多的应用到图像采集系统当中。根据实际需要，也可以加入 FPGA 或者是 CPLD 来进行逻辑控制。这种方式集合了前两种方式的优点，又很好的弥补了以上两种方式的不足。系统升级时在硬件上不需要做什么修改

14、，只需在软件上进行重新编程即可。根据具体的应用场合和要求，可以把视频压缩和视频图像处理的算法用软件的方法在 DSP 内部实现。这种系统具有很强的灵活性。这种图像采集如处理系统的框图如图 1-3。 3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 1-3 基于通用高速多媒体 DSP 的图像采集与处理系统 目前这种通用高速 DSP 都集成了视频图像处理所需的各种外设，根据实际需要决定是否选用 FPGA/CPLD。 1.3 课题研究的目的和意义 本文基于 DSP 的车站视频图像处理平台的研究是基于某车站视频监控系统的设计的课题而来的。现在的一些大型公共场所如火车站，商场，交通要道等都布设有完善的

15、图像采集系统。分布在这些地区的摄像设备采集了这些地点的交通信息。对这些信息进行分析处理，就可以对通行状况进行有效的管理。在本课题中，希望得到的信息有当前的客流量的大小和光照度的情况等。 客流量又称人流量，是描述人流密度的一个重要参数。它是车站，商场，体育场，道路交通等场所管理不可或缺的参数。只有了解了这些场所的客流量信息，才可以很好的组织管理和运营，保障出行。但目前主要是由人工来辨别出人群及统计人群密度，并不能实现对人群数量的自动统计。这样就需要专人来负责观测人群密度。人工统计不可能每时每刻都精确的统计出人群数目，长时间的工作必然会造成工作效率低下。很多时候只可能给出一个模糊的概念，即现在的现

16、场环境是不是很拥挤5。 照度信息即整个通行环境的光照度情况。图像采集设备采集的图像信息中包含了实时的光照度信息。通过分析这些图像就可以得到这些信息，再根据保障出行的要求合理的控制照明设备的开闭。可以达到既保障出行，又节约电能的目的。 本文设计了一个基于 DSP 的视频图像处理平台，可以有效的对视频图像进行处理。不仅能实现场所监控的功能，还能够有网络化等更多应用，更能实现客流量的智能检测。实现了火车站通行监控的自动化和智能化。 4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 本文研究了TI公司C6000型数字信号处理器TMS320DM642的体系结构和接口功能，构建了以 DM642 为核心的图像处理平台。介绍了视频解码芯片 TVP5150PBS和视频编码芯片SAA7121的结构功能， 完成了视频采集电路和视频输出电路的设计。 完成了 DM642 的各种外设电路的设计，包括外接 SDRAM、FLASH、UART 和处理平台的以太网接口的设计。并在硬件平台设计的基础上完成了软件系统的设计。最后对如何在