王筱箐+王寧+王衛(wèi)東

摘要：該文首先簡述了野外目標(biāo)監(jiān)視的需求，創(chuàng)造性地提出了工作模式可動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的智能化目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)的方案，然后詳細(xì)論述了基于SOC（system-on-chip）的該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)表明本文所述的系統(tǒng)具有工作時(shí)間超長、價(jià)格低廉、適應(yīng)能力強(qiáng)、分辨率高等特點(diǎn)，可滿足惡劣環(huán)境下的目標(biāo)監(jiān)視工作需求。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)監(jiān)視和記錄；抗惡劣環(huán)境；超長工作時(shí)間；低功耗；低成本；智能化；SOC

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）10-0184-03

1 綜述

野外動(dòng)物監(jiān)視是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且工作環(huán)境十分惡劣的工作，它要求監(jiān)視設(shè)備可不間斷工作幾十甚至上百小時(shí)，連續(xù)工作時(shí)間對成功獲取動(dòng)物目標(biāo)影響較大，有時(shí)工作時(shí)間僅僅延長幾小時(shí)都可能極大地提高獲取目標(biāo)的概率。目前，兩個(gè)因素限制監(jiān)視設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間，其一是設(shè)備能耗，其二是圖像記錄設(shè)備的存儲(chǔ)容量。在人跡罕至的野外環(huán)境下，不可能提供交流電源，大功率蓄電池體積較大，不便攜帶、安裝和隱蔽，只能采用高功率工業(yè)電池組。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)記錄設(shè)備容量增長較快，但是其容量尚不足以支撐連續(xù)記錄幾百小時(shí)，除非專門定制。此外，目前攝像頭幀頻為30、60，少數(shù)120幀。當(dāng)幀頻為30時(shí)，實(shí)踐證明拍攝動(dòng)作極為敏捷的虎、豹、松鼠及快速飛行的鳥類等動(dòng)物時(shí)，常常捕捉不到目標(biāo)，即使獲取目標(biāo)，圖像往往模糊，事后無法判讀，但過高的幀頻不但導(dǎo)致圖像記錄困難、能耗大，而且也無法通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸。該類設(shè)備的其他需求是價(jià)格適中、體積小以及抗惡劣環(huán)境。目前，在一個(gè)中規(guī)模的野外稀有珍貴動(dòng)物的普查項(xiàng)目中，需使用近百臺(tái)監(jiān)視設(shè)備，高昂的價(jià)格將極大影響該類設(shè)備在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，如在我國東北、西北農(nóng)場的農(nóng)業(yè)病蟲害追蹤中，需同時(shí)使用幾百臺(tái)設(shè)備，科研經(jīng)費(fèi)難以支持。

本文應(yīng)用最先進(jìn)的SOC技術(shù)，結(jié)合野外目標(biāo)監(jiān)視的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了工作模式可動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的智能化目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)檢測、記錄和圖像實(shí)時(shí)傳送，具有超長工作時(shí)間、目標(biāo)捕獲率高、圖像清晰等特點(diǎn)。文中介紹了總體設(shè)計(jì)方案、工作模式設(shè)計(jì)和關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)，最后給出了試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論。

2 總體方案設(shè)計(jì)

目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備總體方案如圖1所示，包括視頻采集、圖像處理、圖像存儲(chǔ)以及圖像傳輸四部分。其中，視頻采集部分主要由高速攝像頭、攝像頭控制模塊、A/D等幾部分組成。高速攝像頭是該系統(tǒng)最基礎(chǔ)的設(shè)備，由于普通攝像頭在監(jiān)視高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)往往會(huì)變得模糊和難以聚焦，本設(shè)計(jì)選擇高速攝像頭。攝像頭控制模塊主要用于鏡頭光圈和焦距的調(diào)節(jié)，整個(gè)控制操作由處理器完成。視頻采集A/D電路實(shí)現(xiàn)將模擬的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便進(jìn)行相關(guān)圖像處理和圖像壓縮，其精度和轉(zhuǎn)換速度對整個(gè)設(shè)備性能影響較大。

A/D 轉(zhuǎn)換后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理電路處理后，緩存在DDR3L存儲(chǔ)器中。圖像處理部分自DDR3L中讀取圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理操作。處理后的圖像信息經(jīng)壓縮后存儲(chǔ)在電子盤中，以便事后進(jìn)行精確圖像分析。本設(shè)備可內(nèi)置無線網(wǎng)卡，通過IEEE 802.11g無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)傳輸。目前，無線網(wǎng)卡作為選配設(shè)備，主要考慮到在野外環(huán)境，無線信號(hào)差，圖像傳輸不穩(wěn)定。從實(shí)用性考慮，設(shè)備仍以圖像壓縮存儲(chǔ)、事后分析為主要工作方式。

2.1 工作模式設(shè)計(jì)

野生動(dòng)物大部分時(shí)間不會(huì)出現(xiàn)在攝像鏡頭前，此時(shí)監(jiān)視設(shè)備輸出的圖像不含目標(biāo)信息，即為白圖像，記錄該類圖像無任何實(shí)際意義，且浪費(fèi)電能和存儲(chǔ)器容量。根據(jù)該情況，我們定義了設(shè)備的兩種工作模式，其一為監(jiān)視模式，其二為記錄模式，工作模式轉(zhuǎn)移圖如圖2所示。

在監(jiān)視模式下，圖像緩沖暫存所有的圖像幀，圖像處理器處理每一幀圖像，可根據(jù)設(shè)置每4幀記錄1幀圖像或不記錄圖像幀，當(dāng)檢測到目標(biāo)后，設(shè)備轉(zhuǎn)換到圖像記錄模式。本設(shè)備幀頻為120幀，在監(jiān)視模式下，圖像壓縮處理器的內(nèi)核頻率為在圖像記錄模式下工作頻率的一半，存儲(chǔ)的圖像容量約為圖像記錄模式下的1/400，設(shè)備功耗約為圖像記錄模式下的1/3。

在記錄模式下，圖像緩沖暫存所有的圖像幀，所有的圖像幀經(jīng)處理、壓縮后，記錄在電子盤中，當(dāng)圖像處理器在連續(xù)16個(gè)圖像幀中檢測不到目標(biāo)信息后，設(shè)備轉(zhuǎn)換至圖像監(jiān)視模式。在記錄模式下，圖像壓縮處理器內(nèi)核頻率自動(dòng)調(diào)整為正常頻率，整個(gè)設(shè)備在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。通過監(jiān)視模式與記錄模式的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，達(dá)到了節(jié)省電能和電子盤容量的目標(biāo)，且保持較高的幀頻。

2.2 目標(biāo)檢測

由于監(jiān)視設(shè)備位置是固定的，場景不會(huì)實(shí)時(shí)變化，即便變化也是十分緩慢的，因此適合采用背景差法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測。背景差法的基本原理是通過將輸入圖像與背景模型進(jìn)行比較的方法來檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，它能較好地檢測出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有關(guān)的所有像素點(diǎn)[1]。設(shè)t時(shí)刻背景模型參考圖像為fb（t），如果當(dāng)前幀的圖像為fc（t），則背景差分圖像為fd（x，y，t）=|fb （x，y，t）-fc（x，y，t）|，對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測的判據(jù)是：若fd （x，y，t）>T， 則（x，y）點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；反之，則屬于背景，T是門限閾值。本系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)物體檢測軟件是移植開源的運(yùn)動(dòng)圖像檢測源碼motion -3.2.11，該軟件規(guī)模小，代碼效率高，十分適合實(shí)時(shí)應(yīng)用，在本系統(tǒng)中一個(gè)CPU只運(yùn)行圖像處理任務(wù)，為了提高處理效率，采用裸機(jī)直接運(yùn)行。

2.3 圖像壓縮

對數(shù)字圖像的壓縮編碼，采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）動(dòng)態(tài)圖像專家組（MPEG）制訂的MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4采用幀間控制，只處理圖像幀與幀之間有差異的元素而舍棄相同元素，以最少的數(shù)據(jù)量獲得最佳的圖像質(zhì)量，比較適合本系統(tǒng)，試驗(yàn)證明壓縮效果十分好，壓縮率都在105之上。

2.4 核心硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中核心邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用一片Xilinx Zynq-7000系列SOC芯片，型號(hào)為Zynq-XC7Z020。該SOC芯片將FPGA和ARM集成在一個(gè)芯片上，包含ARM雙核Cortex-A9處理器和豐富的外設(shè)資源。這兩個(gè)ARM處理器可以同時(shí)運(yùn)行各自獨(dú)立的操作系統(tǒng)和軟件，而且可以通過片內(nèi)RAM進(jìn)行通信。ARM處理器主頻達(dá)1GHz，處理能力為2.5GIPS。芯片的ARM和FPGA直接通過AXI4數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，理論數(shù)據(jù)線寬度達(dá)到1024位，對于突發(fā)長度，最多支持256位。在本設(shè)計(jì)中兩者之間通過64位的內(nèi)存映射型AXI接口進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，理論帶寬為9.6Gb/S，能夠極大地提高FPGA和ARM的數(shù)據(jù)通信傳輸率，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行[2]。

在本設(shè)計(jì)中CPU1作為整個(gè)設(shè)備的主控節(jié)點(diǎn)，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)[3]，通過以太網(wǎng)接口與用戶交互，并負(fù)責(zé)系統(tǒng)上電硬件初始化、參數(shù)配置、啟動(dòng)CPU0、將配置文件燒寫到FPGA中和升級(jí)系統(tǒng)軟件、圖像存儲(chǔ)管理以及圖像壓縮等工作。CPU0僅執(zhí)行圖像處理程序，為了提高圖像處理的實(shí)時(shí)性，將CPU0配置為

裸機(jī)運(yùn)行。CPU0和CPU1通過片內(nèi)256KB的RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

攝像頭輸出的視頻信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至數(shù)字圖像預(yù)處理邏輯，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的圖像預(yù)處理邏輯主

要實(shí)現(xiàn)圖像濾波等功能，AXI_Master_Connector的AXI總線IP核將預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AXI4總線數(shù)據(jù)格式，通過ARM與FPGA的64位AXI HP（High Performance）高速接口傳輸?shù)酵獠康腄DR3中，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，圖像幀計(jì)數(shù)器加1并產(chǎn)生一個(gè)中斷，CPU0接收到中斷后，從DDR3讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行目標(biāo)搜索操作，CPU0完成圖像處理后，CPU1進(jìn)行圖像壓縮，并將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電子盤中。

兩處理器共享1GB的DDR3內(nèi)存、512KB的L2Cache和中斷控制器，為了提高圖像處理的實(shí)時(shí)性，采用了以下措施：

1） 配置Linux的CPU1使用1GB DDR3空間的640MB低端空間。CPU0、CPU1和FPGA共享隨后的256MB高端空間，用于三者交換圖像數(shù)據(jù)。三者共享一個(gè)環(huán)形緩沖，緩沖指針靜態(tài)定義，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)完成預(yù)處理、存儲(chǔ)在DDR后，F(xiàn)PGA發(fā)送中斷到CPU0，CPU0讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行目標(biāo)檢測。CPU0與CPU1間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)深度為128、寬度為32的單向FIFO，用于存儲(chǔ)需記錄的圖像幀的DDR存儲(chǔ)器地址，CPU0將地址寫入FIFO，CPU1讀取FIFO的值，根據(jù)該地址信息，讀取待記錄的幀。為完整地獲取目標(biāo)進(jìn)入視場的整個(gè)過程，當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，圖像記錄的幀地址為當(dāng)前幀地址減3，即后退3幀。

2）CPU0禁用L2Cache，CPU1上的Linux完全占用L2Cache，提高大數(shù)據(jù)塊的訪問效率及CPU平均性能，主要原因是CPU1承擔(dān)的MPEG4壓縮任務(wù)較重，計(jì)算時(shí)間較長。

3）FPGA發(fā)送給CPU0的中斷使用私有中斷控制器，發(fā)送給CPU1的中斷使用共享中斷控制器，兩者互不干擾。

由于MPEG4算法具有很高的計(jì)算復(fù)雜度，試驗(yàn)證明ARM處理器難以實(shí)現(xiàn)高頻幀的壓縮。在本設(shè)計(jì)中，MPEG4部分功能由CPU1執(zhí)行軟件實(shí)現(xiàn)、部分功能由FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)借用了商用IP，此內(nèi)容限于篇幅不詳述。

3 試驗(yàn)測試

我們研制的野外視頻監(jiān)視設(shè)備體積約為3U，安裝架可拆卸。在監(jiān)視狀態(tài)下功耗為3.2W，在記錄狀態(tài)下功耗為8W，采用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的720WH鋰電池包，重量約650克，主要重量是電池包的重量。西安市第四十六中理科試驗(yàn)班的同學(xué)在2015年夏天舉辦的中學(xué)生秦嶺野外探險(xiǎn)夏令營中，攜帶該設(shè)備，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，該設(shè)備連續(xù)工作一周，成功捕獲了金絲猴的圖像，圖像畫面十分清晰，可準(zhǔn)確判讀。此外，通過無線網(wǎng)絡(luò)，在通信距離50m范圍內(nèi)，設(shè)備可實(shí)時(shí)傳輸高質(zhì)量畫面。但試驗(yàn)也表明，由于山區(qū)地形的限制，無線圖像傳輸功能尚需改進(jìn)。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用最先進(jìn)的SOC技術(shù)，結(jié)合野外目標(biāo)監(jiān)視的特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了工作模式可動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的智能化目標(biāo)監(jiān)視設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)檢測、記錄和圖像實(shí)時(shí)傳送，它具有目標(biāo)捕捉準(zhǔn)確、體積小、安裝方便、抗惡劣環(huán)境、價(jià)格低廉、連續(xù)工作時(shí)間長達(dá)兩周以及圖像畫面清晰等特點(diǎn)，國內(nèi)尚未見同類產(chǎn)品報(bào)道，該產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于野外野生動(dòng)物普查、農(nóng)作物病蟲害普查以及特殊環(huán)境下的監(jiān)控，如高速公路車輛監(jiān)測等，目前該產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李保國. 基于嵌入式ARM 的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 南京： 南京理工大學(xué)，2009.

[2] 孫天澤.嵌入式linux 開發(fā)技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.