基于SOC的智能野外目标监视和记录系统设计与实现

王筱箐+王宁+王卫东

摘要：该文首先简述了野外目标监视的需求，创造性地提出了工作模式可动态转换的智能化目标监视系统的方案，然后详细论述了基于SOC（system-on-chip）的该系统设计与实现，试验表明本文所述的系统具有工作时间超长、价格低廉、适应能力强、分辨率高等特点，可满足恶劣环境下的目标监视工作需求。

关键词：目标监视和记录；抗恶劣环境；超长工作时间；低功耗；低成本；智能化；SOC

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0184-03

1 综述

野外动物监视是一项费时、费力且工作环境十分恶劣的工作，它要求监视设备可不间断工作几十甚至上百小时，连续工作时间对成功获取动物目标影响较大，有时工作时间仅仅延长几小时都可能极大地提高获取目标的概率。目前，两个因素限制监视设备连续工作时间，其一是设备能耗，其二是图像记录设备的存储容量。在人迹罕至的野外环境下，不可能提供交流电源，大功率蓄电池体积较大，不便携带、安装和隐蔽，只能采用高功率工业电池组。近年来，随着半导体技术发展，数据记录设备容量增长较快，但是其容量尚不足以支撑连续记录几百小时，除非专门定制。此外，目前摄像头帧频为30、60，少数120帧。当帧频为30时，实践证明拍摄动作极为敏捷的虎、豹、松鼠及快速飞行的鸟类等动物时，常常捕捉不到目标，即使获取目标，图像往往模糊，事后无法判读，但过高的帧频不但导致图像记录困难、能耗大，而且也无法通过无线网络实现图像实时传输。该类设备的其他需求是价格适中、体积小以及抗恶劣环境。目前，在一个中规模的野外稀有珍贵动物的普查项目中，需使用近百台监视设备，高昂的价格将极大影响该类设备在相关领域的应用和推广，如在我国东北、西北农场的农业病虫害追踪中，需同时使用几百台设备，科研经费难以支持。

本文应用最先进的SOC技术，结合野外目标监视的特点，创造性地提出了工作模式可动态转换的智能化目标监视设备，可实现自动目标检测、记录和图像实时传送，具有超长工作时间、目标捕获率高、图像清晰等特点。文中介绍了总体设计方案、工作模式设计和关键逻辑设计，最后给出了试验验证结论。

2 总体方案设计

目标监视设备总体方案如图1所示，包括视频采集、图像处理、图像存储以及图像传输四部分。其中，视频采集部分主要由高速摄像头、摄像头控制模块、A/D等几部分组成。高速摄像头是该系统最基础的设备，由于普通摄像头在监视高速运动物体时往往会变得模糊和难以聚焦，本设计选择高速摄像头。摄像头控制模块主要用于镜头光圈和焦距的调节，整个控制操作由处理器完成。视频采集A/D电路实现将模拟的视频信号转换成数字信号，以便进行相关图像处理和图像压缩，其精度和转换速度对整个设备性能影响较大。

A/D 转换后的图像数据经预处理电路处理后，缓存在DDR3L存储器中。图像处理部分自DDR3L中读取图像数据，进行处理操作。处理后的图像信息经压缩后存储在电子盘中，以便事后进行精确图像分析。本设备可内置无线网卡，通过IEEE 802.11g无线网络环境，实现图像实时传输。目前，无线网卡作为选配设备，主要考虑到在野外环境，无线信号差，图像传输不稳定。从实用性考虑，设备仍以图像压缩存储、事后分析为主要工作方式。

2.1 工作模式设计

野生动物大部分时间不会出现在摄像镜头前，此时监视设备输出的图像不含目标信息，即为白图像，记录该类图像无任何实际意义，且浪费电能和存储器容量。根据该情况，我们定义了设备的两种工作模式，其一为监视模式，其二为记录模式，工作模式转移图如图2所示。

在监视模式下，图像缓冲暂存所有的图像帧，图像处理器处理每一帧图像，可根据设置每4帧记录1帧图像或不记录图像帧，当检测到目标后，设备转换到图像记录模式。本设备帧频为120帧，在监视模式下，图像压缩处理器的内核频率为在图像记录模式下工作频率的一半，存储的图像容量约为图像记录模式下的1/400，设备功耗约为图像记录模式下的1/3。

在记录模式下，图像缓冲暂存所有的图像帧，所有的图像帧经处理、压缩后，记录在电子盘中，当图像处理器在连续16个图像帧中检测不到目标信息后，设备转换至图像监视模式。在记录模式下，图像压缩处理器内核频率自动调整为正常频率，整个设备在满负荷状态下运行。通过监视模式与记录模式的动态转换，达到了节省电能和电子盘容量的目标，且保持较高的帧频。

2.2 目标检测

由于监视设备位置是固定的，场景不会实时变化，即便变化也是十分缓慢的，因此适合采用背景差法进行运动目标检测。背景差法的基本原理是通过将输入图像与背景模型进行比较的方法来检测运动目标，它能较好地检测出运动目标有关的所有像素点[1]。设t时刻背景模型参考图像为fb（t），如果当前帧的图像为fc（t），则背景差分图像为fd（x，y，t）=|fb （x，y，t）-fc（x，y，t）|，对运动目标检测的判据是：若fd （x，y，t）>T， 则（x，y）点是运动目标；反之，则属于背景，T是门限阈值。本系统运动物体检测软件是移植开源的运动图像检测源码motion -3.2.11，该软件规模小，代码效率高，十分适合实时应用，在本系统中一个CPU只运行图像处理任务，为了提高处理效率，采用裸机直接运行。

2.3 图像压缩

对数字图像的压缩编码，采用国际标准化组织（ISO）动态图像专家组（MPEG）制订的MPEG-4标准。MPEG-4采用帧间控制，只处理图像帧与帧之间有差异的元素而舍弃相同元素，以最少的数据量获得最佳的图像质量，比较适合本系统，试验证明压缩效果十分好，压缩率都在105之上。

2.4 核心硬件设计

本设计中核心逻辑结构如图3所示，采用一片Xilinx Zynq-7000系列SOC芯片，型号为Zynq-XC7Z020。该SOC芯片将FPGA和ARM集成在一个芯片上，包含ARM双核Cortex-A9处理器和丰富的外设资源。这两个ARM处理器可以同时运行各自独立的操作系统和软件，而且可以通过片内RAM进行通信。ARM处理器主频达1GHz，处理能力为2.5GIPS。芯片的ARM和FPGA直接通过AXI4数据总线进行通信，理论数据线宽度达到1024位，对于突发长度，最多支持256位。在本设计中两者之间通过64位的内存映射型AXI接口进行双向数据传输，理论带宽为9.6Gb/S，能够极大地提高FPGA和ARM的数据通信传输率，保证系统实时运行[2]。

在本设计中CPU1作为整个设备的主控节点，运行Linux操作系统[3]，通过以太网接口与用户交互，并负责系统上电硬件初始化、参数配置、启动CPU0、将配置文件烧写到FPGA中和升级系统软件、图像存储管理以及图像压缩等工作。CPU0仅执行图像处理程序，为了提高图像处理的实时性，将CPU0配置为

裸机运行。CPU0和CPU1通过片内256KB的RAM进行数据通信。

摄像头输出的视频信息，经A/D转换后传输至数字图像预处理逻辑，FPGA实现的图像预处理逻辑主

要实现图像滤波等功能，AXI_Master_Connector的AXI总线IP核将预处理后的图像数据转换为AXI4总线数据格式，通过ARM与FPGA的64位AXI HP（High Performance）高速接口传输到外部的DDR3中，数据传输完毕后，图像帧计数器加1并产生一个中断，CPU0接收到中断后，从DDR3读取数据并进行目标搜索操作，CPU0完成图像处理后，CPU1进行图像压缩，并将压缩后的图像数据存储在电子盘中。

两处理器共享1GB的DDR3内存、512KB的L2Cache和中断控制器，为了提高图像处理的实时性，采用了以下措施：

1） 配置Linux的CPU1使用1GB DDR3空间的640MB低端空间。CPU0、CPU1和FPGA共享随后的256MB高端空间，用于三者交换图像数据。三者共享一个环形缓冲，缓冲指针静态定义，当图像数据完成预处理、存储在DDR后，FPGA发送中断到CPU0，CPU0读取数据，进行目标检测。CPU0与CPU1间实现了一个深度为128、宽度为32的单向FIFO，用于存储需记录的图像帧的DDR存储器地址，CPU0将地址写入FIFO，CPU1读取FIFO的值，根据该地址信息，读取待记录的帧。为完整地获取目标进入视场的整个过程，当发现目标后，图像记录的帧地址为当前帧地址减3，即后退3帧。

2）CPU0禁用L2Cache，CPU1上的Linux完全占用L2Cache，提高大数据块的访问效率及CPU平均性能，主要原因是CPU1承担的MPEG4压缩任务较重，计算时间较长。

3）FPGA发送给CPU0的中断使用私有中断控制器，发送给CPU1的中断使用共享中断控制器，两者互不干扰。

由于MPEG4算法具有很高的计算复杂度，试验证明ARM处理器难以实现高频帧的压缩。在本设计中，MPEG4部分功能由CPU1执行软件实现、部分功能由FPGA逻辑实现，实现时借用了商用IP，此内容限于篇幅不详述。

3 试验测试

我们研制的野外视频监视设备体积约为3U，安装架可拆卸。在监视状态下功耗为3.2W，在记录状态下功耗为8W，采用符合工业标准的720WH锂电池包，重量约650克，主要重量是电池包的重量。西安市第四十六中理科试验班的同学在2015年夏天举办的中学生秦岭野外探险夏令营中，携带该设备，进行了现场试验，该设备连续工作一周，成功捕获了金丝猴的图像，图像画面十分清晰，可准确判读。此外，通过无线网络，在通信距离50m范围内，设备可实时传输高质量画面。但试验也表明，由于山区地形的限制，无线图像传输功能尚需改进。

4 结束语

本文应用最先进的SOC技术，结合野外目标监视的特点，创造性地提出了工作模式可动态转换的智能化目标监视设备，可实现自动目标检测、记录和图像实时传送，它具有目标捕捉准确、体积小、安装方便、抗恶劣环境、价格低廉、连续工作时间长达两周以及图像画面清晰等特点，国内尚未见同类产品报道，该产品可广泛应用于野外野生动物普查、农作物病虫害普查以及特殊环境下的监控，如高速公路车辆监测等，目前该产品已经投入批量生产。

参考文献：

[1] 李保国. 基于嵌入式ARM 的远程视频监控系统研究[D]. 南京： 南京理工大学，2009.

[2] 孙天泽.嵌入式linux 开发技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.