谈述模块基于DSP智能视频质量诊断模块设计

论文导读：模和DesignofvideoqualitydiagnosticmodulebasedonDSPprocessorZhouYan，ZhouDalei，WangWencong，LiYundongNorthChinauniversityoftechnology，Beijing，100041，ChinaAbstract：Therearemanychallengesofoperationandmaintenanceinvideosurveillancesystemduetoagreatm
摘 要：视频监控系统中大量部署的摄像头为监控系统的运维工作带来巨大挑战。提出了一种基于嵌入式DSP处理器的智能视频质量诊断方案，通过对图像的分析能够自动检测视频信号丢失、图像亮度异常、图像模糊等故障并发出报警信号。
关键词：视频采集 视频质量诊断 BF536 ADV7180 梯度模和
Design of video quality diagnostic module based on DSP processor
Zhou Yan， Zhou Dalei， Wang Wencong， Li Yundong
North China university of technology， Beijing， 100041， China
Abstract： There are many challenges of operation and maintenance in video surveillance system due to a great many of cameras. In this paper， an intelligent video quality diagnostic scheme is proposed based on embedded DSP processor. It can automatically detect absentation of video signal， abnormal image brightness and image blurring.
Key words： video capture； video quality diagnosis； BF536； ADV7180； sum of gradient mode
视频监控系统在保障人民群众生命财产安全、维护社会治安稳定和防范犯罪行为等方面起到重要作用。我国视频监控系统经过多年迅速发展，已经从单机监控阶段进入大安防时代，呈现出明显的网络化、智能化特点。特别是平安城市等重大项目的实施，极大地促进了视频监控系统的发展，数以万计的摄像头通过网络连接在一起，实现数据共享，但同时也对设备维护带来极大的挑战。前端摄像头一旦出现故障，视频监控系统将会失效。面对数以万计的摄像头，如何快速排查故障，如何自动实现故障报警？面对这种应用背景及需求，智能视频质量诊断系统应运而生。智能视频质量诊断系统是一种基于计算机视觉和人工智能技术的智能化视频故障分析与预警系统，通过分析视频内容对图像出现的模糊、偏色、增益失衡等常见故障做出准确判断并发出报警信息，有效预防由硬件故障引起的监控失效问题。
笔者提出一种基于嵌入式DSP处理器的智能视频质量诊断方案。该模块可以放置在监控中心，通过接入信号分配器或者视频矩阵输出的CVBS复合视频信号即可自动完成分析工作并输出报警信号。由于该模块体积很小，因此也可将模块嵌入前端视频服务器或者网络摄像机之中，为前端设备赋予智能化功能。本文将从软硬件设计及诊断算法几个方面重点阐述智能视频质量诊断模块的设计。
1 硬件设计
智能视频质量诊断模块的核心是基于DSP处理器的视频采集系统，由DSP处理器、视频、SDRAM/FLASH、继电器输出、以太网和RS485接口组成。复合视频信号由视频输入端子进入，经过A/D转换后的数字信号通过PPI接口进入DSP处理器，经过分析后把结果通过继电器或者RS485接口输出。视频质量诊断模块硬件结构框图如图1所示。
图1 视频质量诊断模块硬件结构框图

1.1 DSP处理器

考虑模块体积、功耗与计算能力的要求，选择ADI公司的BF536 DSP作为主处理器。BF536处理器基于ADI公司与Intel公司联合开发的微信号架构，既可以运行操作系统，又适合密集运算，在低功耗与高计算能力之间达到很好的平衡。BF536处理器主频可达500 MHz，具有丰富的通讯接口，能够满足视频质量诊断模块的需求。Blackfin处理器的PPI接口是一种功能强大的同步并行接口，除了连接视频信号外还可以连接A/D转换芯片等其他并行接口芯片，甚至可以实现两个Blackfin处理器的大容量、高带宽的数据交换。PPI接口的基本特性如下：
（1）16位高速并行论文导读：图像读取单元、图像分析单元和结果输出单元。首先读取一帧图像数据，然后完成信号丢失、图像模糊、亮度异常等检测，最后把结果通过RS485输出或者输出继电器动作信号。
数据总线，由16个数据信号、3个同步信号和1个时钟信号组成，支持8位、10位和16位数据传输。
（2）半双工双向数据接口。
（3）时钟和同步信号极性可以编程。
（4）支持ITU-R 656和ITU-R 601格式的视频输入信号。
（5）可以无缝连接A/D，D/A，LCD，视频和视频编码器芯片。

1.2 视频

标清摄像机输出的视频信号是PAL或NTSC制式的复合视频信号（Composite Video Broadcast Signal，CVBS），是一种模拟信号，无法直接输入DSP处理器，需要经过A/D转换器。ADV7180是ADI公司开发的一款高性价比的视频[3]，能够将CVBS信号转换为数字信号，通过P0～P7连接到DSP的PPI接口。ADV7180与DSP的电路接口如图2所示。
图2 ADV7180与DSP的电路接口图
2 软件设计

2.1 软件架构

Blackfin处理器可以运行uClinux操作系统，整个软件系统包括Bootloader，uClinux，PPI驱动程序，GPIO中断驱动程序，I2C驱动程序及应用程序等部分，软件架构如图3所示。
图3 DSP模块软件架构框图
应用程序是研发工作的重点，包括图像读取单元、图像分析单元和结果输出单元。首先读取一帧图像数据，然后完成信号丢失、图像模糊、亮度异常等检测，最后把结果通过RS485输出或者输出继电器动作信号。

2.2 信号丢失检测

当摄像机电源、线缆被破坏或其他硬件原因导致无法输出信号时，ADV7180能够自动感知这种变化，并在状态寄存器中反映出来，同时输出蓝屏图像。我们采用读取寄存器状态位的方式判断信号丢失。当寄存器0x42的bit1（SD_UNLOCK_Q）从0到1跳变时，表示ADV7180未能检测到有效视频信号。检测完成后，需要将寄存器0x43的bit1（SD_UNLOCK_Q）置位以清除该状态位。

2.3 亮度异常检测

多种原因均可引起摄像机亮度异常，如光圈被调至最大或者最小、图像传感器异常、镜头被遮盖等因素。首先计算每帧图像所有像素亮度的平均值，然后对比连续两帧图像亮度均值，如果亮度均值大于预设阈值，则认为摄像机亮度异常。

2.4 图像模糊检测

当摄像机焦距发生变化时，图像将出现模糊现象。本文提出一种基于梯度模和（Sum of Gradient Mode，SGM）的失焦检测方法。对于一维函数，文献[4]证明了在高斯尺度空间中，随着尺度参数σ的增大，像素的梯度模将单调递减。对于二维图像，梯度反映了图像中某个像素与周围的像素之间的差异，通常细节处的像素具有较大的梯度模值。在二维图像空间中，定义像素xi的梯度模：
（1）
其中mx（xi）和my（xi）分别是当前像素水平和垂直方向上的梯度。为了反映图像梯度模整体的变化趋势，定义图像的梯度模和：
（2）
其中N为图像像素的总数。为了验证SGM与图像模糊之间的关系，我们对Lena灰度图像进行高斯滤波，滤波窗口为3×3，尺度参数σ从0.1逐渐增大到5，步长0.1，画出SGM与σ的关系曲线（如图4所示）。图像的高斯滤波相当于对图像的模糊化过程，尺度参数 越大，滤波得到的图像越模糊。从图中可以看出图像的梯度模和随着模糊程度的增大而单调递减。
a 512×512 Lena image
b SGM of Lena image
图4 梯度模和与图像模糊度的关系
具体的检测流程：首先计算一帧图像中每个点的梯度模，然后计算所有像素的SGM，对比连续两帧图像SGM的差异，当差值大于预设阈值时认为摄像机失焦。
3 实验测试
对我们开发的智能视频质量诊断模块进行测试：将摄像机连接到模块的视频输入端，调整好镜头焦距；运行uClinux操作系统及应用程序，分别测试信号丢失、亮度异常和焦距改变，论文导读：viceInc.ADSP-BF537BlackfinProcessorHardwareReference.http：///static/imported-files/data_sheets/ADSP-BF534_BF536_BF537.pdf.AnalogDeviceInc.10-Bit4xOversamplingSDTVVideoDecoder.http：///static/imported-files/data_sheets/ADV7180.pdf.LiYundong，ZhaoWeigang.Adaptiveupdatingofke
模块均能做出正确反应，表明我们开发的模块软硬件设计是可行和有效的。
4 结束语
为解决监控摄像头故障自我诊断的问题，笔者提出了一种基于DSP的智能诊断模块的设计方源于：论文库www.7ctime.com
法。该模块由DSP处理器和视频采集及通讯单元组成，能够自动分析图像数据并对信号丢失、亮度异常、图像模糊等故障报警。测试实验表明设计方案是可行而有效的。
参考文献
任广杰.智能视频质量诊断系统在监控系统中的应用[J].电信技术，2012，3：12-14.
Analog Device Inc. ADSP-BF537 Blackfin Processor Hardware Reference[EB/OL]. http：///static/imported-files/data_sheets/ADSP-BF534_BF536_BF53

7.pdf.

[3]Analog Device Inc. 10-Bit 4xOversampling SDTV Video Decoder[EB/OL].http：///static/imported-files/data_sheets/ADV7180.pdf.
[4]Li Yundong， Zhao Weigang. Adaptive updating of kernel band-width for mean-shift tracking[J]. Journal of Computational Information Systems， 2012，8（22）： 9569-9579.