基于CAN 总线的视频监控系统的研究与实现

摘要:给出了一种采用小波变换和动态检测的视频压缩方法,结合对总线负荷实时检测的综合方案,初步实现了在有限带宽条件下通过CAN 总线的工业视频监控图像的实时传输。以嵌入式模块为核心的系统设计简化了系统结构,保证了CAN 总线系统的可靠性。

关键词:CAN 总线;监控系统;小波变换;DSP

CAN 总线网络是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于CAN 总线的灵活性、实时性、可靠性及低成本,CAN 总线系统已成功应用于很多领域,是最有发展前途的现场总线之一。但由于CAN 总线的位速率仅为1 Mb/ s(有效带宽大约为720 kb/ s) ,如何在不影响CAN 总线系统可靠性的前提下,利用其有限的带宽传输工业视频监控图像,简化监控系统结构,目前尚未见到成熟的解决方案。要做到这一点,其关键就是对图像压缩方案和总线负荷的实时检测方案的选取。当前数字监控系统多采用MPEG21 或MPEG22 格式来压缩采集的视频数据,它们适用于传输速率分别为2 Mb/ s和10 Mb/ s 的数字视频系统。本系统采用一种基于小波变换和动态检测的视频压缩方案,充分利用工业视频图像特定的环境和工业视频图像的视觉特点,结合TMS320C6211 及其实时内核DSP/ BIOS 的功能,根据总线负荷的实时检测结果,动态改变压缩比的综合方案,保证了CAN 总线系统的可靠性。

1 　总体方案

1. 1 　视频压缩方案分析
分析—合成的编码方法是一种在极低码速率下有效的工业视频图像压缩编码方法,其实质是通过对信源的分析,将其分解成一系列更易于表示的“基元”或从中提取出若干具有更本质意义的参数,编码仅对这些基本单元或特征参数进行。小波变换编码便是其中一种,它采用强有力的非均匀分辨率对信号进行时间频率局部分析和合成,获得了很高的压缩比。另外由于小波变换编码是对整幅图像进行变换,充分利用了图像的整体相关性,消除了方块效应。

由于工业电视的摄像头一般安装在固定地点,照明灯光基本不变,所以第n 帧与第n - 1 帧的背景区的数据基本相同,这表明两帧背景区有很强的相关性,即工业图像的背景区基本上是静止的,在不影响观察的情况下,可近似相同。这便为本系统采用基于目标区/ 背景区的动态检测方法提供了依据,即通过降低背景区的对比度而不改变目标区的对比度,以及降低图像的时间分辨率来进一步提高压缩比。

1. 2 　方案总体框图
本系统主要分为2 部分:视频压缩部分和CAN 总线接口部分(如图1 所示) 。视频压缩部分根据工业环境的特点和CAN总线接口部分反馈的总线负荷动态地调整压缩比,完成视频数据的采集和压缩处理。CAN 总线接口部分将视频压缩部分处理所得的视频数据的不同部分分配不同的优先级送到CAN 总线上,并向视频压缩部分返回总线的负荷信息。

图1 系统总体框图

2 　系统方案设计

2. 1 　系统简介
本系统方案原理如图2 所示。视频压缩部分采用PHILIPS公司的带A/ D 的可编程视频输入处理芯片SAA7111A 和ANALOG 公司的实时压缩视频编解码芯片ADV612 , 以TMS320C6211(以下简称C6211) 为核心,充分利用其实时内核DSP/ BIOS的实时监控和实时进程安排的强大功能,能很好地

完成视频压缩的任务。C6211 依靠FLASH 存储器中的引导程序启动,完成整个系统的初始化,包括通过两个GPIO 引脚模拟IIC 总线对SAA7111A 以及通过EMIF 对ADV612 进行适当初始化,使得摄像头的模拟视频图像经过SAA7111A 的解码和A/D 后,成为CCIR2656 ( YCrCb ,4∶2∶2) 格式的未压缩视频数据流,送入ADV612 进行压缩。当ADV612 的512 字深的FIFO 满时,C6211 通过EMIF 读入到SDRAM内;C6211 完成对当前场最小亮度块的重建,综合从TMS320LF2407(以下简称LF2407) 得到的总线负荷情况确定后续场中质量窗的位置和大小,并将要传输的场的压缩视频流进行必要的滤波处理后放入输出缓冲区。

图2 系统方案原理图

CAN 总线接口部分以L F2407 为处理平台,因为L F2407与C6211 的HPI 口相连,可以访问C6211 的所有存储空间,包括位于SDRAM 中的输出缓冲区; 根据总线的负荷情况,L F2407 从缓冲区取得视频数据后对图像不同部分分配不同优先级的方式发送到总线上去,并完成对总线负荷的检测任务。CAN 总线接口获得总线负荷信息后,将其存入在C6211 的SDRAM 中特别定义的负荷标示单元中,以备C6211 使用。当总线超负荷时,C6211 将根据优先改变背景区的对比度以获得较大的压缩比,如还不能满足总线负荷要求,则减小帧速率以获得更大的压缩比,反之,当总线有一定富余带宽时,系统将自动调高帧速率,当达到标准帧速率(如NTSC 的30 帧/ s) 还有富余带宽时,则改变背景区的对比度,以充分利用系统总线带宽并获得较高质量的画面。

2. 2 　编码方案与小波变换下动态检测的原理及实现
在实现基于目标区/ 背景区的动态检测压缩编码方案中,其关键是目标区的选取。在本系统中,以5 级小波变换所产生的最小亮度块为单位进行动态检测,以快速定位目标区的相对位置。

对图像进行小波变换即是用具有合适小波基函数的小波变换滤波器组从垂直方向和水平方向对图像滤波。一级二维小波变换完成后,一幅图像被分为4 个子带部分,分别用LL1 、LH1、HL1 、HH1 来表示,如图3 所示,然后对得到的LL1 子带部分再次进行小波变换,可以完成对图像的二级小波变换,依此类推,可以对图像进行多级小波变换。不过小波变换本身并不能完成对图像的压缩,但可以通过合适的编码方案对小波变换系数进行编码来压缩图像。在本系统中,ADV612 包含了两种类型的熵编码器以获得无失真的编码:游程编码和哈夫曼编码,其编码通道如图4 所示。游程编码主要用来查找长的零字符串同时用短的码字代替,哈夫曼编码器理论上可以产生所有最常用的码字序列表ADV612 中使用了3 种固定的 哈夫曼编码字表,而没有产生码字表。

图3 小波变换示意图


图4 ADV612 编码通道

在隔行扫描系统中,一幅图像由相邻两场组成,可以通过分析连续视频场间的差别来完成一幅图像目标区域的动态检测。这一点可通过直接对相邻两场的级差得到,但采用这种方法计算量会很大。本系统采用5 级小波变换后的最小亮度块LL5来做差,当LL5 中某数据点处的差值超过一个固定门限值T0时,认为该数据点对应的原图像中的图像块有变化,否则认为没有变化,目标区即是包括原图像中所有有变化的图像块的矩形区域。这有两个好处:
①噪声滤除作用:由于小波变换的过程就是对图像多次抽取和滤波的过程,在最小亮度块形成的过程中,已经很大地减小了噪声的影响;
②减少计算量:由于最小亮度块尺寸不到原图像尺寸的千分之一,使得计算量得到减少。

但由于最小亮度块中的一个数据点对应原图像中的一个32 ×32 的数据块,如果简单地用以上级差方法得到的差值作为动态检测的结果,得到的图像并不平滑,所以本系统中设计了相应的滤波器对动态检测得到的图像进一步进行滤波处理,以提高系统视频图像的稳定性。

该方案的具体实现方法是借助于ADV612 的可编程质量窗,如图5 所示,它对应于图像的目标区,通过改变ADV612 内部的HSTART ,HEND ,VSTART ,VEND 四个寄存器来改变质量窗即目标区的大小与位置。另外可以通过改变位于0x09 的模式寄存器2 的bit [2∶0 ]三位来改变背景区的对比度,而目标区的对比度则不变。

图5 ADV612 的质量窗

2. 3 　CAN 总线负荷检测的实现原理和算法
在CAN 总线系统中,由于通常总线上传输的是控制命令、工作状态及测试数据,而往往这些数据的实时性对整个系统的安全和效率影响很大,并且其具有突发性。另一方面,视频图像的数据量比较大,如何在传输视频图像的同时保证基本不影响这些信息传输,以及在总线负荷比较小时,如何充分利用总线改善图像的视觉效果是本系统要解决的一个重要问题。

CAN 总线的主要特性如下:
①多主站依据优先权进行总线访问;
②非破坏性的基于优先权的仲裁;
③采用短帧结构传输,有很高的可靠性。

基于CAN 总线的以上特性,本系统节点不停地向总线上发送数据,传送的数据有2 种,包括图像数据和压力数据。这里图像数据是优先于压力数据以系统设定的优先级传输的,而这里的压力数据并不是真正意义上的压力值,它只是为了使总线工作在饱和状态系统自动加上的附加数据,由于它在总线空闲的时候不停地以整个总线系统最低优先级发送的,所以此时总线的饱和并不是真正的饱和,压力数据的传送并不会影响其他总线节点传送信息。

具体算法如下:
①系统启动时本系统全部发送压力数据,测得单位时间内能发送的数据量为N ;
②调整压缩比使得单位时间内所产生的视频数据量为N- βN ;
③将视频数据的不同部分以系统设定的两种不同优先级发送出去,并在总线空闲时以总线系统最低优先级发送压力数据;
④单位时间后,统计已发送数据量X ;
⑤根据X 重新评估单位时间内能发送的数据量N = (1 -α) N +αX ;
⑥重复第二步。

对本算法分析如下:

(1) 对CAN 总线上其他接点的影响。
为了减小本节点对总线上其他节点的影响,本方案采取了3 种措施:
①在第2 步中采用了向下裕量,β反映了裕量的相对大小,这就为其他节点的小数据量突发传输预留了总线带宽;
②传送压力数据时总线是工作在虚饱和状态下,基本不会影响到其他节点数据的传输;
③对图像的目标区以系统设定的较高优先级发送,而背景区则以较低优先级发送,这样既有利于目标区的及时更新,又减小了对其他节点的影响。

(2) 网络载荷对本节点的影响。
当网络上其他节点出现突发大量数据时, X 的值将会大幅减小,为了避免X 对N 的评估影响太大,所以在对N 进行评估时,采用加权的办法。α对N 的取值起着决定性的作用,α过大, N 将变得不很稳定,从而导致压缩比率不断变化,使得图象的质量发生不断变化。α过小,则得到的N 不能很好地反映当前网络的冗余载荷,使得当网络变得繁忙时,积压很多数据,而当网络通畅时又不能很快充分地利用网络。

(3) 算法的稳定收敛性。
由表达式N = (1 - α) N +αX 知,这就是一阶系统N ( s)∕X ( s) =1∕｛(1/α) s + 1｝的时域表达式(其中1/α为时间常数, X 为输入, N为输出,1/α反映了整个算法稳定的时间) 。由此可以看出当总线流量稳定后, N 不会有很大的波动,所得到的视频图像的质量也会变得比较稳定。

3 　监控系统的性能
在本系统中,由于可以通过设定视频压缩模块ADV612 的相应寄存器来获得相应压缩比的视频流,所以对本系统实时性影响最大的是动态估计和LL5 最小亮度块的解码运算复杂度。本系统中其计算复杂度统计如表1 所示。


在本系统中,可利用动态检测结果对视频帧速率进行压缩,如把帧速率降到每秒一场甚至更低,以获得ADV612 图像压缩的极限压缩比7 500∶1 。以A/ D 后速率为167 MB/ s 的NTSC 数字视频信号为例,首先运用帧内编码方式压缩到250∶1 ,再根据动态检测结果将帧速率缩小为每秒一场,并配合质量窗的作用可以将图像压缩为25 kb/ s。

另外由于ADV612 内置有自适应量化器模块,它根据人的视觉特性分别对不同的频率分量采用不同的量化幅度,对通过小波变换滤波器组滤波后的图像进行量化,通过前述的反馈式压缩比调节策略, 配合本系统特别设计的滤波器对通过ADV612 得到的视频信号进行滤波,可以得到比较稳定满意的图像。

4 　结束语
本方案已应用到开发搭建的CAN 总线智能环境监控系统实验平台中,实践证明该方案能较好地解决在利用CAN 总线传输工业视频监控图像的同时保证CAN 总线系统可靠性的问题。