王翠萍

山東英才學(xué)院 山東 濟(jì)南 250104

0 引言

視頻監(jiān)控的智能化是目前安防發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別。在這個(gè)過程中經(jīng)常需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行背景分離然后進(jìn)行特征提取并標(biāo)識(shí)。對(duì)于目標(biāo)的背景分離根據(jù)應(yīng)用的不同對(duì)應(yīng)采用的算法也不同，目標(biāo)背景分離并不是本文的討論的重點(diǎn)。本文主要討論目標(biāo)分離后的二值化圖像的處理。對(duì)二值化圖像經(jīng)常要進(jìn)行目標(biāo)連通域檢測(cè)，在檢測(cè)過程中需要提取目標(biāo)的一些特征，比如目標(biāo)的大小和目標(biāo)框的坐標(biāo)。并根據(jù)目標(biāo)框的坐標(biāo)在視頻中將目標(biāo)框選出來。

FPGA內(nèi)置了硬核DSP和存儲(chǔ)器模塊，效率和靈活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于DSPIC，并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)并行處理能力，其圖像處理能力在極低時(shí)鐘頻率下就可以實(shí)現(xiàn)圖像處理的實(shí)時(shí)性。基于FPGA［1］可以實(shí)現(xiàn)SOPC（片上可編程系統(tǒng)），用戶可以根據(jù)需要定制系統(tǒng)，縮短產(chǎn)品研發(fā)和更新?lián)Q代的周期，快速做出有自己特色和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，因此其在智能視頻監(jiān)控中得到廣泛采用。

1 快速連通域檢測(cè)法目標(biāo)特征提取

1.1 算法原理

連通區(qū)域檢測(cè)是圖像處理、模式識(shí)別中常用的一個(gè)基本方法。在目標(biāo)分割，邊緣檢測(cè)，區(qū)域檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。算法有4鄰域或8鄰域檢測(cè)和基于像素或行程檢測(cè)。本系統(tǒng)采用基于行程的8鄰域連通域檢測(cè)方法提取目標(biāo)的外接矩形框 （目標(biāo)框）坐標(biāo)，該方法運(yùn)行速度快，掃描一次二值化圖像數(shù)據(jù)即可完成目標(biāo)數(shù)目的統(tǒng)計(jì)和目標(biāo)特征的提取。將一行中連續(xù)的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)作為一個(gè)行程，根據(jù)當(dāng)前行與上一行行程的相接關(guān)系，按照特定規(guī)則標(biāo)記當(dāng)前行程和特征修改［3］。不同的標(biāo)記規(guī)則造成了特征修改方式的不同。文獻(xiàn)［2］規(guī)則中“STEP7”對(duì)上一行中不同標(biāo)號(hào)的行程處理是在等價(jià)數(shù)組中記錄等價(jià)關(guān)系，和更新第一個(gè)出現(xiàn)行程的特征，并沒有比較行程標(biāo)號(hào)的大小。文獻(xiàn)［3］也沒有采用比較標(biāo)號(hào)大小，導(dǎo)致多叉樹深度增加，特征的修改深度相應(yīng)增加。

基于行程的連通域檢測(cè)方法［4-6］所用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

//行程結(jié)構(gòu)體

typedef struct_line{long index；unsigned short colthOfStart，colthOfEnd；}line；

//連通域特征結(jié)構(gòu)體

typedef struct COMPONENT {unsigned short left，top，right，bottom；long area；}_Com；

//單元結(jié)構(gòu)體

typedef struct_node{long flag；_Com ComAttr；}node；

2.2 算法實(shí)現(xiàn)

定義兩個(gè)行程數(shù)組，數(shù)組大小為列像素的一半，如 line Array1［WIDTH/2］，Array2［WIDTH/2］。定義兩個(gè)行程指針分別指向兩個(gè)行程數(shù)組，一個(gè)用于當(dāng)前行行程數(shù)組訪問，另一個(gè)用于上一行行程數(shù)組訪問，如 line*curLine=Array1；line*preLine=Array2。初始化全局行程標(biāo)識(shí)為1，label=1。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)行程結(jié)束時(shí)處理步驟如下：

1）與上一行行程無相接行程

更新該行程標(biāo)識(shí)index為全局標(biāo)識(shí)，然后全局標(biāo)識(shí)加1；用該行程數(shù)據(jù)初始化其標(biāo)識(shí)指向單元的特征，行程標(biāo)識(shí)初始化該單元標(biāo)號(hào)。即

nodeArray［*（curLine+cur_index）.index］.flag=*（curLine+cur_index）.index；label++；

2）與上一行有行程相接分三種情況

（1）若當(dāng)前行程未標(biāo)識(shí)，更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)為上一相接行程指向單元的標(biāo)號(hào)。即*（curArray+cur_index）.index=nodeArray ［（* （preArray+pre_index）.index］.flag；并更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)指向單元特征。

（2）若當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)大于上一行相接行程標(biāo)識(shí)，更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)指向單元標(biāo)號(hào)和更新上一行相接行程標(biāo)識(shí)指向單元的屬性，即

nodeArray［*（curArray+cur_index）.index］.flag=*（preArray+pre_index）.index；

nodeArray ［* （preArray+pre_index）.index］.ComAttr需要根據(jù)

nodeArray ［* （curArray+cur_index）.index］.ComAttr屬性更新。

更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)為上一行相接行程標(biāo)識(shí)*（curArray+cur_index）.index = * （preArray+pre_index）.index；

（3）若當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)小于上一行相接行程標(biāo)識(shí)，更新上一行相接行程標(biāo)識(shí)指向單元標(biāo)號(hào)和更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)指向單元的屬性，即：

nodeArray［*（preArray+pre_index）.index］.flag=*（curArray+cur_index）.index；

nodeArray［*（curArray+curArray_index）.index］.ComAttr需要根據(jù)

nodeArray［*（preArray+preArray_index）.index］.ComAttr屬性更新。

圖1 行程標(biāo)識(shí)

圖 1a）當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)更新為 5，修改 nodeArray［5］屬性；b） 先更新 nodeArray［5］.flag=1； 并根 據(jù)nodeArray［5］更新 nodeArray［1］的屬性。 更新行程標(biāo)識(shí)為 1；c）需 要 更 新 nodeArray［3］.flag=1， 根 據(jù)nodeArray［3］更新 nodeArray［1］屬性；d）用 nodeArray［3］.flag 更新當(dāng)前行程標(biāo)識(shí)，更新 nodeArray［1］屬性。

1.3 算法驗(yàn)證

算法在VC環(huán)境下測(cè)試，輸入以下三幅分辨率為324×256的二值化圖像數(shù)據(jù)，分別采用本文算法和經(jīng)典檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果見表1：

圖2 測(cè)試圖

表1 性能對(duì)比表

由表1可以看出，隨著連通個(gè)數(shù)的增加和連通性復(fù)雜程度的增加，處理時(shí)間只是略有增加。而傳統(tǒng)經(jīng)典算法處理時(shí)間增加明顯。

2 目標(biāo)框在視頻序列上的疊加實(shí)現(xiàn)

視頻信號(hào)由3部分組成：圖像信息、同步脈沖、消隱脈沖［7-8］。視頻同步分離芯片LM1881引腳和視頻信號(hào)組成如圖3所示。在視頻上顯示一個(gè)亮點(diǎn)的基本原理是在場(chǎng)同步信號(hào)有效期間 （即高電平期間）和行同步信號(hào)有效期間（即高電平期間），在行同步信號(hào)相應(yīng)的位置上，圖像信號(hào)部分疊加一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的電壓幅值大小決定了該點(diǎn)的顯示亮度，而脈沖信號(hào)的寬度決定了亮點(diǎn)顯示的寬度。字符或線條的顯示效果就是由許多這樣的亮點(diǎn)組成。

本文目標(biāo)框疊加電路組成如圖4所示，包括視頻放大電路、行場(chǎng)同步信號(hào)分離電路和模擬信號(hào)選擇電路。當(dāng)2路模擬復(fù)用器芯片在某段時(shí)間內(nèi)選擇輸出可調(diào)電平時(shí)，復(fù)合視頻信號(hào)在此段時(shí)間內(nèi)為該電平。這樣在顯示視頻中就會(huì)看到一條亮線，線的亮度可通過可調(diào)電平改變。當(dāng)選通時(shí)間可精確到一個(gè)像素在信號(hào)中占用時(shí)間時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)在屏幕任意位置，控制輸出1個(gè)像素大小的亮點(diǎn)。

圖3 視頻信號(hào)波形

圖4 目標(biāo)框疊加電路組成

3 FPGA視頻處理架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的FPGA視頻處理架構(gòu)如圖5所示，F(xiàn)PGA配置成一個(gè)基于NIOSII嵌入式軟核的SOPC系統(tǒng)。該嵌入式系統(tǒng)包括圖像采集預(yù)處理單元、OSD單元、NIOSII微處理器單元、SDRAM控制單元、Avalone總線單元、異步串口UART單元、串行存儲(chǔ)EPCS單元、定時(shí)器Timer單元；其中圖像采集預(yù)處理單元與OSD單元采用自定義外設(shè)的設(shè)計(jì)架構(gòu)，以充分發(fā)揮FPGA的并行處理能力。

圖5 FPGA內(nèi)部功能單元組成

4 結(jié)束語

本文采用基于行程的連通域檢測(cè)方法提取二值化目標(biāo)的外接矩形框特征，征提取速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)算法，采用NIOII處理器完全能夠做到實(shí)時(shí)處理。目標(biāo)框疊加電路為以FPGA為處理核心的視頻處理方案提供了一種簡(jiǎn)單高效的字符疊加方法。并且由于FPGA本身采用并行處理方式，大大提高了圖形處理速度，適用于實(shí)時(shí)性要求高的嵌入式應(yīng)用場(chǎng)合。

［1］帕克（美），鄧天平（譯）.嵌入式視頻處理權(quán)威指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：78-247.

［2］孔斌.快速連通域分析算法及實(shí)現(xiàn)［J］.模式識(shí)別與人工智能，2003，16（1）：110-115.

［3］張恒.基于快速連通域分析的目標(biāo)特征提取算法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（29）：230-232.

［4］M.B.Dillencourt，H.Samet.A general approach to connected component labeling for arbitrary image representations［J］.Journal of the ACM： vol.39，1992，pp.253-280.

［5］ J.Hecquard，R.Acharya.Connected component labeling with linear octree.Pattern Recognition： vol.24，No.2，1991，pp.515-531.

［6］ A.Choudhary，R.Thakur.Connected component labeling on coarse grain parallel computers：an experimental study.Journal of Paralleland Distributed Computing： vol.20，1994，pp.78-93.

［7］黃燕群，李利品.基于 FPGA 的 OSD 設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2010，25（3）：439-433.

［8］ 杜升平，曹劍中，田雁，等.FPGA 在 OSD 中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（14）：2065-2067.