報(bào)警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于銀行、飯店、交通管理以及智能大廈等場(chǎng)所和領(lǐng)域。傳統(tǒng)的自動(dòng)報(bào)警裝置，大多采用單點(diǎn)信號(hào)報(bào)警，即在某一特定位置安放傳感器，當(dāng)該采集點(diǎn)處的物理量達(dá)到報(bào)警門限時(shí)，就向中心控制計(jì)算機(jī)發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求信號(hào)。這種報(bào)警裝置的優(yōu)點(diǎn)是安裝便利，反應(yīng)迅速，但其適用范圍較小，對(duì)單點(diǎn)噪聲過(guò)分敏感而導(dǎo)致誤報(bào)，在防止誤報(bào)和漏報(bào)兩方面不可兼得等先天缺陷，限制了它不能被應(yīng)用于情況復(fù)雜、并要求具備一定動(dòng)態(tài)控制能力的場(chǎng)所。

    基于圖像的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)克服了上述缺陷。通過(guò)對(duì)所監(jiān)視場(chǎng)景的全景拍攝，避免了對(duì)單一采集點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的隨機(jī)噪聲敏感性；而數(shù)字圖像處理技術(shù)的引入，使整個(gè)系統(tǒng)可以在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

１ 自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)的組成

    完整的自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像采集攝像機(jī)、圖像信號(hào)處理與報(bào)警信號(hào)發(fā)生、中心控制計(jì)算機(jī)[１]。本文僅對(duì)上述第二部分進(jìn)行討論，前文中的自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)實(shí)際上也特指該子系統(tǒng)。

    為降低中心控制處理的復(fù)雜度和圖像信號(hào)傳輸?shù)念~外開銷，將圖像信號(hào)處理及報(bào)警信號(hào)發(fā)生以硬件實(shí)現(xiàn)并隨同攝像機(jī)安置于前端，從而構(gòu)成分布式處理系統(tǒng)。圖像報(bào)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。
２ 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

    保證實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)調(diào)整能力是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的首要目的。為便于硬件處理，算法上采用灰度閾值分割和差值圖像面積累計(jì)?；诮档拖到y(tǒng)成本的考慮，不可能選用具有較強(qiáng)數(shù)字信號(hào)處理能力的ＤＳＰ芯片，而一般的工業(yè)控制單片機(jī)又很難達(dá)到實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求，這正是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

    本系統(tǒng)中采用了查找表的思想，將圖像差值運(yùn)算轉(zhuǎn)換為對(duì)ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ的讀操作。其原理是預(yù)先將差值算法的處理結(jié)果存儲(chǔ)于ＦＬＡＳＨ或ＥＰＲＯＭ的既定存儲(chǔ)單元中，而進(jìn)行差值運(yùn)算的兩幀圖像的象素灰度數(shù)據(jù)（８ｂｉｔｓ）分別作為存儲(chǔ)器的高８位地址和低８位地址。這樣處理的結(jié)果是每進(jìn)行一個(gè)象素的差值運(yùn)算，所需要的時(shí)間是存儲(chǔ)器的一個(gè)讀周期，顯然可以滿足實(shí)時(shí)的要求。經(jīng)過(guò)差值處理后的象素灰度值再經(jīng)過(guò)閾值判別送計(jì)數(shù)器，當(dāng)累計(jì)數(shù)量超過(guò)一定面積時(shí)，ＭＣＵ將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

    存儲(chǔ)器（ＦＬＡＳＨ／ＥＰＲＯＭ）的算法為：

    (Ｇｖａｌｕｅ)＝｜Ｈｖａｌｕｅ－Ｌｖａｌｕｅ｜（１）

    其中Ｈｖａｌｕｅ為Ａ／Ｄ直通圖像抽樣信號(hào)（８ｂｉｔｓ），同時(shí)也是存儲(chǔ)器高８位地址；Ｌｖａｌｕｅ為ＤＲＡＭ中存儲(chǔ)的數(shù)字圖像參考幀抽樣信號(hào)（８ｂｉｔｓ），即存儲(chǔ)器低８位地址；Ｇｖａｌｕｅ為存儲(chǔ)器１６位地址。

    閾值判別采用全局閾值法[２]，這種方法適用于場(chǎng)景具有均勻光照條件的情況。對(duì)于場(chǎng)景整體灰度的變化，可以通過(guò)由ＭＣＵ控制定時(shí)刷新ＤＲＡＭ參考幀數(shù)據(jù)，并調(diào)整全局閾值Ｔ和臨界面積Ｓ而獲得自適應(yīng)的效果。閾值判別和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)如式（２）（３）所描述：

    ｉｆ(Ｇｖａｌｕｅ)＞Ｔ，ｃｏｕｎｔ＝ｃｏｕｎｔ＋１（２）

    ｉｆ ｃｏｕｎｔ＞Ｓ，觸發(fā)報(bào)警（３）

    系統(tǒng)工作實(shí)例如圖２所示。

３ 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)中的器件選擇和工作特性描述

    硬件實(shí)現(xiàn)中器件的選擇對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能起著舉足輕重的作用。ＡＴＭＥＬ公司是世界上著名的高性能、低功耗、非易失性存儲(chǔ)器和數(shù)字集成電路的一流半導(dǎo)體制造公司。經(jīng)過(guò)認(rèn)真調(diào)研，本系統(tǒng)選用了ＡＴＭＥＬ的幾款芯片完成系統(tǒng)的關(guān)鍵部分功能。

３．１ ＲＩＳＣ結(jié)構(gòu)單片機(jī)ＡＴ９０Ｓ２３１３

    ＡＴＭＥＬ公司的９０系列單片機(jī)是增強(qiáng)ＲＩＳＣ內(nèi)載ＦＬＡＳＨ的單片機(jī)，通常簡(jiǎn)稱為ＡＶＲ單片機(jī)。傳統(tǒng)的基于累加器的結(jié)構(gòu)需要大量的程序代碼，以實(shí)現(xiàn)累加器和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳送，并且由于時(shí)鐘分頻，使得數(shù)據(jù)傳輸成為系統(tǒng)瓶頸。ＡＶＲ單片機(jī)是第一種真正的８位ＲＩＳＣ單片機(jī)，快速存?。遥桑樱眉拇嫫魑募蛦沃噶钪芷谑顾男阅苊黠@優(yōu)越于普通８位單片機(jī)[３]。

    ＡＴ９０Ｓ２３１３具有２Ｋ字節(jié)內(nèi)載編程ＦＬＡＳＨ，１２８字節(jié)ＳＲＡＭ數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，１２８字節(jié)ＥＥＰＲＯＭ工作寄存器，３２字節(jié)通用工作寄存器，１５Ｉ／Ｏ，８位和１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器各一個(gè)，通用異步收發(fā)，２０腳ＰＤＩＰ或ＳＯＩＣ封裝，支持在系統(tǒng)編程，最高工作頻率達(dá)１２ＭＨｚ[４]。本系統(tǒng)中，它負(fù)責(zé)完成Ａ／Ｄ器件的初始化，地址發(fā)生器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的控制，以及計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)和報(bào)警觸發(fā)。

    Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換選用了Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＳＡＡ７１１１，其初始化通過(guò)Ｉ２Ｃ總線進(jìn)行。利用兩個(gè)ＡＴ９０Ｓ２３１３的通用Ｉ／Ｏ引腳，就可以產(chǎn)生Ｉ２Ｃ總線的時(shí)序信號(hào)，完成對(duì)ＳＡＡ７１１１的初始化。片內(nèi)的１６位計(jì)數(shù)器用以進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，并產(chǎn)生中斷報(bào)警信號(hào)。閾值判別和臨界面積的設(shè)定以及ＤＲＡＭ參考幀的定期刷新都通過(guò)對(duì)ＡＴ９０Ｓ２３１３的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    由于采用了精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，ＡＴ９０Ｓ２３１３的編程與通常的５１系列有所不同。為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制功能，還可考慮選擇ＡＴ９０Ｓ系列的其他型號(hào)，如４４１４、８５１５等。

３．２ ＡＴ２９Ｃ５１２高密度ＦＬＡＳＨ

    盡管ＦＬＡＳＨ技術(shù)在今天已經(jīng)不是什么新鮮產(chǎn)物，但ＡＴＭＥＬ的ＡＴ２９和ＡＴ４９系列仍以其卓越的性能和廣泛的適用性在市場(chǎng)上獨(dú)占熬頭。本系統(tǒng)根據(jù)差值數(shù)據(jù)寬度的需要，選擇ＡＴ２９Ｃ５１２（６４Ｋ×８）Ｂｏｏｔ ＦＬＡＳＨ，其讀周期長(zhǎng)度為７０ｎｓ，完全滿足實(shí)時(shí)處理的要求。

    選用ＦＬＡＳＨ的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行在系統(tǒng)改寫，這在使用環(huán)境復(fù)雜、需要大量動(dòng)態(tài)調(diào)整處理的情況下是非常有利的?？梢酝ㄟ^(guò)ＡＴ９０Ｓ２３１３對(duì)ＦＬＡＳＨ中的差值算法進(jìn)行修改以適應(yīng)實(shí)際環(huán)境的需要。

    對(duì)于環(huán)境條件變化不大的情況，可以使用ＡＴＭＥＬ公司的ＥＰＲＯＭ產(chǎn)品，型號(hào)為ＡＴ２７Ｃ５１２Ｒ或ＡＴ２７Ｃ５２０。

３．３ ＡＴＦ１５００Ａ高密度ＣＰＬＤ

    ＤＲＡＭ的操作時(shí)序信號(hào)包括行、列地址產(chǎn)生、刷新控制、讀寫控制等全部由地址信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生，這里選用了ＡＴＦ１５００Ａ高性能ＦＬＡＳＨＣＰＬＤ。除產(chǎn)生經(jīng)過(guò)抽樣選擇的行、列地址信號(hào)外，還需要給ＡＴ２９Ｃ５１２提供讀控制信號(hào)及完成整個(gè)系統(tǒng)的同步。ＳＡＡ７１１１主模式所產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)ＬＬＣ２是系統(tǒng)工作的基準(zhǔn)時(shí)鐘。由于ＳＡＡ７１１１輸出的圖像格式大大超出了報(bào)警系統(tǒng)所需要的基本分辨率，所以要進(jìn)行一定的分頻即抽樣處理。

    ＡＴＦ１５００Ａ具有３２個(gè)觸發(fā)器，３２Ｉ／Ｏ和１５００等效門，最大管腳間延時(shí)為７．５ｎｓ，４４腳ＰＬＣＣ或ＴＱＦＰ封裝[５]。其各種工作參數(shù)充分滿足了系統(tǒng)地址／控制總線結(jié)構(gòu)的需要，并且具有第三方開發(fā)工具支持和加密特性。

    除ＡＴＦ１５００Ａ以外，１５００系列還包含多種型號(hào)來(lái)滿足不同復(fù)雜度的應(yīng)用需要，包括在系統(tǒng)編程功能。另外還可以考慮使用多片ＡＴＦ２２Ｖ１０來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，或者使用ＡＴＦ７５０系列，后者采用ＡＴＭＥＬ公司獨(dú)有的ＰＬＤ結(jié)構(gòu)，在２４腳的封裝類型中功能最強(qiáng)。

４ 系統(tǒng)性能評(píng)估

    與單點(diǎn)信號(hào)報(bào)警相比，自動(dòng)圖像報(bào)警系統(tǒng)具有全景監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)整和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用了查找表技術(shù)降低處理器復(fù)雜度，并通過(guò)器件的比較和選用，使系統(tǒng)運(yùn)行效果達(dá)到了優(yōu)化。

    在系統(tǒng)試運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)蚊蟲爬上攝像機(jī)鏡頭和閃電等情況時(shí)，可能導(dǎo)致誤報(bào)的發(fā)生。解決的方法涉及對(duì)圖像內(nèi)容的理解和動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整與時(shí)間密度相關(guān)性的問(wèn)題，將進(jìn)行深入研究和討論。