专利名称：一种分布式视频处理装置及方法
技术领域：
本发明涉及视频信号处理技术领域，特别是一种分布式视频处理装置及方法。
背景技术：
随着机器人技术的发展，具有移动行走功能，对外感知能力以及自主规划能力的全自主移动机器人得到各国的普遍重视。视觉系统作为机器人感知外部世界的主要手段，其性能高低是衡量机器人性能的一个重要指标。目前的机器人获取视觉信息的方式主要有两种一种是通过图像采集卡将视频信号数字化；另一种是使用USB(一种计算机通用串行总线)接口的摄像机，直接输入数字图像到机器人。这两种方式对视觉信息的处理都要在机器人的主机上进行，采集卡和USB的数字摄像机只是单纯的提供数字化的视频信号。处理过程必需占用控制系统主机的CPU时间，难以满足机器人视觉系统对实时性越来越高的要求。一些嵌入式系统可以直接对模拟的视频信号进行数字信号的转换和视频信号的处理，但是往往不能提供与普通计算机或工控机合理实用的接口。以上几种方式对视频信号的采集电路都是固定的，分辨率的设置、采集窗口的大小调节、采集数据的格式等，都是在数据采集完成后通过软件来实现的，降低了工作的效率。
所谓分布式包括数据分布和操作分布。数据分布是指数据可以分散在网络的不同主机上，操作分布是指把计算分散在不同主机上处理。
发明内容
为克服现有方法的不足，本发明采取以下技术方案一种视频采集和处理装置，采集的硬件电路在工作过程中可随时定制，采集的同时可以对视频信号根据需要进行不同的处理，提供了基于PCI(一种计算机通用总线标准)总线的多路通信卡，多路视频信号可以同时被采集和处理。
一种分布式的视频处理方法，多路视频采集和处理装置同时工作，并通过PCI多路通信卡，将处理结果上传主机；主机可以根据需要，随时通过PCI多路通信卡下传命令，改变各个视频采集和处理装置的采集模式和处理方式。
为实现上述目的，该装置由两部分组成，一部分是一个嵌入式的视频采集和处理装置，采集的同时利用DSP(数字信号处理芯片)对视频信号进行处理，采集的硬件控制电路通过FPGA(现场可编程的逻辑阵列)来完成，实现了可随时定制；另一部分是基于PCI总线的多路通信卡，可以同时与多个嵌入式的采集处理装置进行通信；通信以LVDS(低压差分信号)的形式在非屏蔽双绞线上实现。
本发明用于需要进行多路视频信号同时处理的移动机器人和视觉监控系统，并且处理的结果需要上传集中到一个主计算机中。
技术方案一种分布式视频处理装置，由计算机或工控机、PCI多路通信卡、视频采集处理装置和摄像机组成，视频采集和处理装置接受来自摄像机的视频信号，转换成数字信号，然后进行处理；PCI多路通信卡实现主机与多路视频采集处理装置的双向通信；视频采集和处理装置，用于视频信号的采集和处理；基于PCI总线的多路通信卡，提供与普通计算机或工控机的接口；非屏蔽双绞线，作为通信介质，用于通信，以及通信装置。
所述的非屏蔽双绞线与通信双方的物理接口使用RJ45插座和插头，双绞线为5类或超5类非屏蔽双绞线。
所述的视频采集和处理装置，在进行视频采集的同时进行分布式的处理，且处理的方式可定制。
所述的视频采集和处理装置，视频采集的硬件控制电路可随时定制。
所述的通信装置，是基于PCI总线的，可以完成多路通信。
一种分布式视频处理方法，根据程序具体的应用，多路视频采集和处理装置同时进行不同模式的采集和分布式的处理。
所述的处理方法，多路视频采集和处理装置同时进行处理，并通过PCI多路通信卡，将结果上传主机。
所述的处理方法，多路视频采集和处理装置进行的采集模式和处理方法可以各不相同，可以通过主机下传的命令随时改变。
图1是本发明的分布式视频处理装置结构示意图。
图2是图1分布式视频处理装置中的视频采集与处理装置的结构图。
图3是图1分布式视频处理装置中的PCI多路通信卡的结构图。
图4是分布式视频处理方法流程图。
具体实施例方式
图1所示是本发明的结构图，由主机、PCI多路通信卡、视频采集处理装置和摄像机组成。视频采集和处理装置接受来自摄像机的视频信号，转换成数字信号，然后进行处理；PCI多路通信卡插到主机的PCI插槽中，实现主机与多路视频采集处理装置的双向通信；主机可以是一台普通的计算机也可以是一台工控机，主要负责整个分布式处理的控制，多路视频信息的融合。
图2是视频采集和处理装置的结构，是一个以DSP和FPGA为中心的嵌入式系统，在进行视频采集的同时可以进行处理。本装置中使用了高速的数字信号处理芯片DSP(选用TI公司的5000或6000系列的DSP)，在控制采集的同时，可以执行图像处理算法，实现了分布式处理。接口和采集控制逻辑通过一片FPGA来实现，简化了设计，提高了系统的集成度和稳定性，实现了硬件的可定制。其中，视频采集与处理装置，由视频AD、FIFO、FPGA、DSP、程序存储器组成，视频信号输入到视频AD，视频AD输入到FIFO，FIFO输入到FPGA，FPGA与视频AD的控制信号互联，FPGA与DSP互联，程序存储器连接DSP，FPGA、DSP、程序存储器通过数据和地址总线互联。
视频AD选用PHILIPS公司的SAA7113(也可使用SAA7111、SAA7114等)芯片，这些芯片都是基于I2C总线可编程的，在使用中可以根据需要，随时通过I2C总线对其编程。该系列芯片支持PAL和NTSC制式，支持黑白彩色的采集方式等，芯片内部集成了锁相环电路，模数转换的同时还提供同步信号的分离，利用该芯片提供的信号，可以方便的对数据流进行控制；视频AD转换后的数据直接连续写入FIFO(先入先出存储器，本装置选用了IDT公司的IDT72V293，也可选用其它高速FIFO芯片)，DSP可以随时读取数据进行处理。
FPGA选用了ALTERA公司的Cyclone系列芯片，该系列的FPGA支持LVDS(低压差分信号)接口，为通信提供了方便(也可选用专用的LVDS收发芯片实现电平转换)，在FPGA中实现了对AD的控制和数据采集逻辑，提供DSP的接口设计，完成图像的预处理和通信功能；通过输入输出端口可以实现对采集控制电路的选择；DSP提供各种图像处理的模块，使用中根据主机下传的命令选择定制相应的模块进行处理。程序存储器是非易失性存储器，本装置中选用了一片256KBytes的FLASH(闪存)芯片，用于固化DSP的程序。
程序存储器、DSP和FPGA通过DSP的地址和数据总线连接，视频AD的控制信号由DSP发出，通过FPGA产生；FIFO的读写控制来自FPGA。
图3是基于PCI总线的多路通信卡的结构图，该卡插在主机中，用以实现与多个嵌入式视频采集和处理系统的双向通信。该卡通过一个接口芯片(选用了PLX公司的PCI9054)实现与PCI总线的接口；高速SRAM(选用512K32Bits通用高速SRAM)用以存放各路采集处理装置上传的数据；FPGA提供了通信接口、通信逻辑和一部分图像处理算法。PCI9054是一个较为常用的PCI接口芯片，一端是与PCI总线的接口，另一端提供了一个局部总线，在设计时，FPGA和SRAM只需通过局部总线连接即可，SRAM的读写控制由FPGA提供。FPGA仍然使用了ALTERA公司的Cyclone系列芯片，该芯片通过9054的局部总线与SRAM和9054连接，在FPGA中实现了4路的通信接口和简单的通信协议，并可进行一些简单的图像处理操作。
其中，PCI多路通信卡，由PCI接口芯片、FPGA、SRAM组成，PCI接口芯片、FPGA、SRAM之间通过9054的局部总线互联。
通信线选用非屏蔽5类(CAT5)或超5类双绞线(CAT5E)，以RJ45插头和插座的形式连接。
图4是分布式视频处理方法的流程图。如图所示，系统启动时首先进行初始化工作，包括两部分主机上的初始化和视频采集处理装置上的初始化；步骤S1，主要完成通信的启动，通信缓冲区的初始化，采集处理路数的选择；步骤S2，完成视频采集处理装置的启动和自检，按默认值对SAA7113进行初始化，在DSP中选择默认的处理模块，完成步骤S2后，视频采集处理装置进入步骤S3；步骤S3，按照设定值开始采集和处理视频信息，连续的把处理结果上传主机，同时接受主机下传的命令，根据命令的要求随时改变采集和处理方式，并把处理的结果上传，当接收到结束命令时，停止采集和处理，进入待机状态，停止向主机的通信，进入步骤S7，结束运行；步骤S4，主机完成步骤S1后，进入步骤S4，随时判断程序是否要求改变某路采集模式和处理；在步骤S5中下传命令到相应的采集处理装置；步骤S6，当程序运行结束时，进入步骤S8，下传结束命令到各路装置，清除通信缓冲区，结束程序的运行。
权利要求
1.一种分布式视频处理装置，其特征在于，由计算机或工控机、PCI多路通信卡、视频采集与处理装置和摄像机组成，视频采集和处理装置接受来自摄像机的视频信号，转换成数字信号，然后进行处理；PCI多路通信卡实现主机与多路视频采集处理装置的双向通信；视频采集和处理装置，用于视频信号的采集和处理；基于PCI总线的多路通信卡，提供与普通计算机或工控机的接口；非屏蔽双绞线，作为通信介质，用于通信，以及通信装置。
2.根据权利要求1的分布式视频处理装置，其特征在于，视频采集与处理装置，由视频AD、FIFO、FPGA、DSP、程序存储器组成，视频信号输入到视频AD，视频AD输入到FIFO，FIFO输入到FPGA，FPGA与视频AD的控制信号互联，FPGA与DSP互联，程序存储器连接DSP，FPGA、DSP、程序存储器通过数据和地址总线互联。
3.根据权利要求1的分布式视频处理装置，其特征在于，PCI多路通信卡，由PCI接口芯片、FPGA、SRAM组成，PCI接口芯片、FPGA、SRAM之间通过局部总线互联。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的非屏蔽双绞线与通信双方的物理接口使用RJ45插座和插头，双绞线为5类或超5类非屏蔽双绞线。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的视频采集和处理装置，在进行视频采集的同时进行分布式的处理，且处理的方式可定制。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的视频采集和处理装置，视频采集的硬件控制电路可随时定制。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的通信装置，是基于PCI总线的，且可以完成多路通信。
8.一种分布式视频处理方法，其特征在于，根据程序具体的应用，多路视频采集和处理装置同时进行不同模式的采集和分布式的处理。
9.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，多路视频采集和处理装置同时进行处理，并通过PCI多路通信卡，将结果上传主机。
10.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，多路视频采集和处理装置进行的采集方式和处理方法可以各不相同，可以通过主机下传的命令随时改变。
11.根据权利要求6的分布式视频处理方法，其特征在于，系统启动时首先进行初始化工作，包括两部分主机上的初始化和视频采集处理装置上的初始化；步骤S1，主要完成通信的启动，通信缓冲区的初始化，采集处理路数的选择；步骤S2，完成视频采集处理装置的启动和自检，按默认值对SAA7113进行初始化，在DSP中选择默认的处理模块，完成步骤S2后，视频采集处理装置进入步骤S3；步骤S3，按照设定值开始采集和处理视频信息，连续的把处理结果上传主机，同时接受主机下传的命令，根据命令的要求随时改变采集和处理方式，并把处理的结果上传，当接收到结束命令时，停止采集和处理，进入待机状态，停止向主机的通信，进入步骤S7，结束运行；步骤S4，主机完成步骤S1后，进入步骤S4，随时判断程序是否要求改变某路采集模式和处理方式；在步骤S5中下传命令到相应的采集处理装置；步骤S6，当程序运行结束时，进入步骤S8，下传结束命令到各路装置，清除通信缓冲区，结束程序的运行。
全文摘要
一种分布式视频处理装置及方法，用于移动机器人和视频监控上进行多路数字视频信号的处理，包括视频信号的采集和处理装置，用于进行模拟视频信号的数字化和数字视频信号的处理；安装在计算机(或工控机)主板上基于PCI总线的多路通信卡，用于实现计算机主机与采集和处理装置的通信，使用非屏蔽的双绞线做通信线路，用于传输高速的数字信号。方法包括多路视频采集和处理装置同时进行不同模式的采集和分布式的处理；并在处理过程中根据主机程序的需要随时改变采集和处理方式。
文档编号H04N7/18GK1831724SQ20051005447
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月10日 优先权日2005年3月10日
发明者原魁, 周庆瑞, 邹伟, 路鹏 申请人:中国科学院自动化研究所