基於聲源定位的動態視頻監控系統的製作方法
2023-06-14 19:48:26 1
專利名稱：基於聲源定位的動態視頻監控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種視頻跟蹤裝置，具體涉及ー種基於麥克風陣列的視頻跟蹤裝置。
背景技術：
在如今的日常可生活中無論是學校、公共場所、路旁、商場、社區攝像頭幾乎無處不在，監控攝像頭為保護公眾的人身財產安全，維護公共秩序，促進交通安全起到了不可或缺的作用。但注意觀察我們可以發現這些攝像頭大多是固定不動，即使少數攝像頭是能夠自動旋轉但是在某一單位時間內它依然是對準某一方位，別有用心的人只要把握好他的轉動周期就完全可以躲過攝像頭的拍攝。也就是說傳統攝像頭監控方位是靜態的，只能監控有限的方位區間。這樣的監控系統監控方位區間狹窄，難免存在很大的監控盲區，無法很好得實現監控。那麼這個問題又該如何解決呢？不難提出兩種方案第一，安裝更多的攝像頭以實現全面的監控覆蓋；第二，通過某種技術以實現攝像頭的跟蹤拍攝。第一種方案無疑會 大大的増加監控成本，同時也增加了監控視頻的存儲量，相應的也就縮短了監控視頻的存儲時間。因此採用第二套解決方案較為適合。目前，各種視頻跟蹤設計方案和有關產品被相繼推出，國內主要有
I)謝進一等人設計了一種加裝有數據採集卡和自動跟蹤軟體的閉路電視自動跟蹤系統，該系統成本低、維護方便，可實現手動選擇所要跟蹤目標，然後對其實現一定範圍內的自動跟蹤；2)劉成剛等人設計了異常目標發現及跟蹤攝像機系統，該系統由攝像機、雲臺、圖像採集視頻解碼晶片、數字圖像處理DSP、雲臺控制單片機等構成，可以實現入侵目標快速檢測和跟蹤；3)曾文斌設計了具有多攝像機的智能跟蹤監視系統，該系統由全景攝像機和多個跟蹤攝像機構成，可以進行大範圍、多目標檢測和跟蹤；4)江鬱霖設計了環場攝影監視追蹤系統，該系統由ー個環場攝像機、ー個高速球攝像機、坐標轉移模塊、初始化校對模塊、現實模塊等構成，可以環場追蹤、監視目標而不產生監視死角問題；5)目前市面上出現了自動跟蹤的球型攝像機，可以按照預先編程的邏輯路線掃描ー個區域，當發現運動目標吋，停止執行巡邏程序，發出警報引起現場監視人員注意，並對目標圖像變焦放大和跟蹤錄像，一定程度上實現了主動監視。國外主要有I) Murakami等人設計的全天候視頻監視系統方案，主要由一臺可見光攝像機和一臺紅外攝像機及相關控制設備組成，該系統循環採用可見光攝像機和紅外攝像機自動監測和跟蹤入侵目標，有效杜絕了外界光線情況影響，並有目標識別功能；2) Ishigami等人提出的聯合攝像機視頻監控系統，多個攝像機聯合檢測和跟蹤異常目標，其中包括一個可控的PTZ攝像機，等等。注意觀察不難發現現如今的視頻跟蹤系統多採用了圖像處理的方法實現對與目標點的跟蹤。這種跟蹤方法就好似我們的眼睛捕捉景物，當目標物體未出現在攝像頭的監控範圍內時它就無法實現目標物體的跟蹤。如果只依靠這種監控方案進行視頻跟蹤那麼就必須首先實現攝像頭監控範圍的全方位覆蓋，這無疑又大大增加了監控成本，失去了視頻跟蹤監控的主要價值。
發明內容
本發明要解決的技術問題是現有視頻監控設備需要安裝較大量的攝像頭、増加了成本，提供一種可以減少攝像頭數量、降低成本的基於聲源定位的動態視頻監控系統。
本發明的技術方案是以下述方式實現的一種基於聲源定位的動態視頻監控系統，包括若干個麥克風，將採集到的音頻信號轉化為模擬信號輸入到音頻採集模塊中；音頻採集模塊，把麥克風輸出的模擬信號轉換成數位訊號後傳輸給DSP數位訊號處理器；DSP數位訊號處理器，通過外部存儲器接ロ從Falsh模塊中提取算法程序，處理音頻採集模塊傳來的信號得到方位角和控制信號、通過EMIF輸出方位角和控制信號到UART模塊來對DSP輸出的並行控制信號進行並串轉換，而後與FPGA模塊實現信號傳輸；鎖相環，使得各路音頻採集模塊的時鐘同步；FLASH模塊，向DSP數位訊號處理器傳輸算法程序；FPGA模塊，對FLASH模塊進行翻頁、對PLL輸出頻率進行控制、對UART輸出串行信號頻率進行控制、對外部存儲器接ロ EMIF進行控制；SDRAM模塊，向DSP數位訊號處理器提供調試程序。還包括與DSP數位訊號處理器連接的視頻輸出模塊和視頻輸入模塊。所述音頻採集模塊是TLV320AIC23晶片，所述DSP數位訊號處理器是DM642晶片。本發明針對目前視頻跟蹤監控技術的不足，用若干個麥克風組成的麥克風陣列進行音頻信號的採集，而後傳輸給音頻採集模塊進行A/D轉換，進而把相應的數位訊號傳給數位訊號處理模塊應用相關算法程序進行處理運算得出方位角和控制信號，傳輸給通用異步串ロ UART進行並串轉換，而後將控制信號傳給步進電機和雲臺實現對於目標聲源的跟蹤拍攝。與現有技術相比，本發明所需要安裝的攝像頭數量較少，可以在保證監控區域的同時減小生產成本。
圖I是本發明的原理框圖。圖2是本發明的電路原理圖。圖3是音頻採集模塊的電路原理圖。圖4是FPGA模塊的電路原理圖。圖5是鎖相環的電路原理圖。圖6是SDRAM的電路原理圖。圖7是FLASH模塊的電路原理圖。圖8是UART模塊的電路原理圖。圖9是本發明系統算法流程圖。圖10是本發明中軟體流程圖。
具體實施例方式如附圖所示，一種基於聲源定位的動態視頻監控系統，包括四個麥克風，將採集到的音頻信號轉化為模擬信號輸入到音頻採集模塊中；音頻採集模塊，把麥克風輸出的模擬信號轉換成數位訊號後傳輸給DSP數位訊號處理器；DSP數位訊號處理器，通過外部存儲器接ロ從Falsh模塊中提取算法程序，處理音頻採集模塊傳來的信號得到方位角和控制信號、通過EMIF輸出方位角和控制信號到UART模塊來對DSP輸出的並行控制信號進行並串轉換，而後與FPGA模塊實現信號傳輸；鎖相環，使得各路音頻採集模塊的時鐘同步；FLASH模塊，向DSP數位訊號處理器傳輸算法程序；FPGA模塊，對FLASH模塊進行翻頁、對PLL輸出頻率進行控制、對UART輸出串行信號頻率進行控制、對外部存儲器接ロ EMIF進行控制；SDRAM模塊，向DSP數位訊號處理器提供調試程序。作為優選方案，本發明還包括與DSP數位訊號處理器連接的視頻輸出模塊和視頻輸入模塊。本發明中，四個麥克風組成麥克風陣列，它們將採集的音頻信號轉化為模擬信號輸入到音頻採集模塊，該模塊採用TLV320AIC23晶片，完成A/D轉換把麥克風採集來的模擬信號轉換成數位訊號。而後用McASP (多通道音頻採集串ロ)傳輸給數位訊號處理器，信號的處理部分採用DSP數位訊號處理器(TMS320DM642，即DM642晶片)。PLL (鎖相環)實現了4路音頻採集模塊的時鐘同歩。音頻信號傳輸給DSP數位訊號處理器前，首先對DSP數位訊號處理器初始化，通過EMIF (外部存儲器接ロ)從FLASH模塊中提取算法程序，然後對傳 入的音頻信號進行相關運算處理，得出方位角和控制信號，並通過EMIF輸出方位角和控制信號到UART (通用異步接收發送設備)來對DSP輸出的並行控制信號進行並串轉換，而後傳輸到步進電機、雲臺實現對攝像頭方位的控制。FPGA模塊和SDRAM模塊都通過EMIF與DSP數位訊號處理器相連。FPGA模塊在本系統中完成以下四種功能其一，完成對於FLASH模塊的翻頁，因為FLASH晶片AM29LV033C有22根地址線可訪問所有4M的FLASH內容，而DM642有20根地址線，所以在FLASH模塊中採用翻頁技術用三根地址線實現對它的翻頁控制，從而可以訪問全部的FLASH內容；其ニ，完成對於PLL輸出頻率的調頻控制；其三，完成對於UART輸出串行信號頻率的控制；其四，它也可對外部存儲器接ロ EMIF進行控制如控制其刷新速率、CAS延遲和很多SDRAM時序參數等。本系統採用的採集點數是256點毎次吋，由於採集的點數比較少，可以直接存儲在DSP數位訊號處理器的內部寄存器中，每次採集數據後新的數據覆蓋原來的數據，SDRAM模塊主要作為調試程序中使用。當採集點數較大時，可能造成DSP數位訊號處理器還沒有運算完上次的數據這次的數據就已經傳入，這樣就必須用到SDRAM模塊，將採集進來的數據先傳輸到SDRAM模塊中去，而後DSP數位訊號處理器使用時再從SDRAM模塊中提取。視頻的輸入輸出模塊是預留的兩個模塊，以便對於視頻信號的進ー步處理。本發明系統算法流程圖如圖8所示，首先，進行參數初始化，初始化的參數包括採樣頻率48khz ;陣元個數4個；陣元間距O. 06m，近似是接收音頻信號最小波長的一半，滿足近場模型，可以忽略柵瓣和空域混迭影響。然後對4路麥克風採集信號的輸入進行FFT變換，求空間譜，即採用離散傅立葉變換的快速算法，把時域信號轉變成頻域信號。因為時域信號補充延時，相當於對頻域信號進行相位移動，而且由於時域採樣點有限，頻域信號展寬後移動相位比時域補時延更容易，所以採用FFT變換有利於算法處理補充延吋。而後求協方差矩陣，可以使矩陣數據完全去相關，是標量隨機變量到高維度隨機向量的自然推廣，有利於算法後續處理。乘以波束形成加權向量，相當於用ー個空域濾波器，使信號在各陣元上的延遲和衰減均衡，相當於對時間序列譜分析中的加窗或銳化。對於陣元間距小於或等
於a/2的線陣，在加權和頻率——波數響應之間存在傅立葉變換的關係。因此，柵瓣和空域混迭就不是很重要了，可以忽略柵瓣和空域混迭，直接應用連續函數的傅立葉變換理論和波束形成加權向量處理。然後形成能量矩陣，以便於能量估計，最後使能量估計圖在角度範圍上掃描，能量值最大點對應角度即為聲源方位角。本發明使用時軟體流程如圖9所示，其中，採集信號的平均功率5 ，背景噪聲平均功率Stl，前一次採集信號的平均功率，n ^ 2。系統軟體設計原理如下系統上電工作後在DSP數位訊號處理器調用FALSH中算法程序並初始化數據，音頻採集模塊將採集來的4路麥克風音頻信號A/D轉換後，輸入DSP數位訊號處理器中，進行功率分析，採集信號的平均功率Sn小於或等於背景噪聲平均功率Sci時，系統將重新初始化，採集下一次數據，否則，對上一組數據進行進一歩判斷。若上一次採集信號的平均功率大於背景噪聲平均功率S11，系統將重新初始化，採集下一次數據，否則數據存儲並由DSP數位訊號處理器運算給出方位角，然後，FPGA控制步進電機驅動初始化，驅動步進電機轉動相應角，對準聲源。本發明應用仿生學原理模擬人類對於目標物體的跟蹤方式，利用聲學原理實現對 於目標物體的視頻跟蹤定位，採用這種視頻跟蹤方式可以大大減少監控成本，實現對於聲源真正意義上的全方位跟蹤。而監控攝像頭的主要監控目標就是人，在大多數場合下完全可以把人當作ー個語音信號的聲源來對待，從而利用麥克風整列和相關算法實現跟蹤監控。
權利要求
1.一種基於聲源定位的動態視頻監控系統，其特徵在於包括 若干個麥克風，將採集到的音頻信號轉化為模擬信號輸入到音頻採集模塊中； 音頻採集模塊，把麥克風輸出的模擬信號轉換成數位訊號後傳輸給DSP數位訊號處理器； DSP數位訊號處理器，通過外部存儲器接ロ從Falsh模塊中提取算法程序，處理音頻採集模塊傳來的信號得到方位角和控制信號、通過EMIF輸出方位角和控制信號到UART模塊來對DSP輸出的並行控制信號進行並串轉換，而後與FPGA模塊實現信號傳輸； 鎖相環，使得各路音頻採集模塊的時鐘同步； FLASH模塊，向DSP數位訊號處理器傳輸算法程序； FPGA模塊，對FLASH模塊進行翻頁、對PLL輸出頻率進行控制、對UART輸出串行信號頻率進行控制、對外部存儲器接ロ EMIF進行控制； SDRAM模塊，向DSP數位訊號處理器提供調試程序。
2.根據權利要求I所述的基於聲源定位的動態視頻監控系統，其特徵在於還包括與DSP數位訊號處理器連接的視頻輸出模塊和視頻輸入模塊。
3.根據權利要求I或2所述的基於聲源定位的動態視頻監控系統，其特徵在於所述音頻採集模塊是TLV320AIC23晶片，所述DSP數位訊號處理器是DM642晶片。
全文摘要
本發明公開一種基於聲源定位的動態視頻跟蹤系統，包括若干個麥克風、音頻採集模塊、DSP數位訊號處理器、鎖相環、FLASH模塊、FPGA模塊、SDRAM模塊。本發明針對目前視頻跟蹤監控技術的不足，用若干個麥克風組成的麥克風陣列進行音頻信號的採集，而後傳輸給音頻採集模塊進行A/D轉換，進而把相應的數位訊號傳給數位訊號處理模塊應用相關算法程序進行處理運算得出方位角和控制信號，傳輸給通用異步串口UART進行並串轉換，而後將控制信號傳給步進電機和雲臺實現對於目標聲源的跟蹤拍攝。與現有技術相比，本發明所需要安裝的攝像頭數量較少，可以在保證監控區域的同時減小生產成本。
文檔編號H04N5/232GK102695043SQ201210185080
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者周洲, 李勇, 李懿平, 李磊, 梁偉, 王浩 申請人:鄭州大學