Bildverarbeitung

FPGA sorgt für Sicherheit

17. November 2010, 10:58 Uhr | Niladri Roy
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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

FPGA sorgt für Sicherheit

Analyse der Videodaten

Sicherheits- und Überwachungskameras müssen sich oft an schnell wechselnde Lichtverhältnisse anpassen, um den Inter-Scene-Dynamikbereich (also einen Bereich zwischen einzelnen Szenen: eine Dynamik von Bild zu Bild) innerhalb des Bilds oder den System-Dynamikbereich zu verbessern.

Typische Systeme zeigen ein weißes Überstrahlen auf dem Display, wenn sich eine Szene von dunkel auf hell verändert, während sich die automatische Belichtungsregelung anpasst. Je kürzer dieses Überstrahlen andauert, umso höher ist die Qualität des entsprechenden Systems.

Die Fähigkeit einer automatischen Belichtungsregelung, diesen Intra-Scene-Dynamikbereich auf Basis von sich verändernden Lichtbedingungen zu verschieben, kann schnell die Dauer der ersten Belichtung im Rahmen des zuvor besprochenen Drei-Belichtungen-Schemas anpassen, um so einen Inter-Scene-Dynamikbereich von über 150 dB zu erreichen – eine Anforderung, die Automobilhersteller wie BMW und Audi routinemäßig für Automotive-Kameras spezifiziert haben.

Eine Videoanalyse kann mögliche Bedrohungen identifizieren, indem sie Bildelemente innerhalb einer Szene erkennt und kategorisiert. So könnte beispielsweise eine Analysefunktion automatisch danach suchen, was sich von einem Bild-Frame zu einem anderem innerhalb einer kurzen Zeitspanne verändert hat.

Hierfür kann das Speichern eines Bildes nebst dessen Vergleich mit einem neuen Bild erforderlich sein. Ein gewichteter Durchschnitt der Differenz auf Pixel-für-Pixel-Basis könnte den Betrag der Veränderung messen und dem Auswertungspersonal die Bilder mit den meisten erkannten Änderungen als Bilder hoher Priorität übermitteln.

Bild 3: Video- ilddatenverarbeitung, die zur Bestimmung der Bild-Prioritäten benötigt wird
© Lattice Semiconductor

Bild 3 zeigt, wie diese Funktion arbeiten könnte. Zwei aufeinander folgende Bilder einer Kamera (im oberen Teil der Abbildung) dienen dazu, die Differenz in der Umgebung (links unten in blau) zu berechnen.

Eine Overlay-Target genannte darübergelegte »Zielschablone « (schwarze Ovale) zeigt die relative Gewichtung, sodass die Bewegung innerhalb des kritischen Teils der Szene eine höhere Priorität bekommt. Anschließend berechnet das System die gewichtete durchschnittliche Differenz.

Wenn das Ergebnis einen vorher programmierten Grenzwert überschreitet, schickt es eine Alarmnachricht an das Betriebspersonal. Gemäß der Zusammenfassung im unteren rechten Teil von Bild 3 kommen für diese Berechungen Arithmetik-Ressourcen eines FPGAs zum Einsatz.

Die Subtraktionsblöcke ermitteln die Unterschiede zwischen den Bildern, während ein Multiplizierer die gewichteten Durchschnittsdaten berechnet. Um den Verarbeitungsteil des Video-Sicherheitssystems in einem FPGA effizient zu implementieren, ist es wichtig, für sämtliche kritischen Funktionen bewährte IP-Cores zu haben.

Durch die Verfügbarkeit solcher Standard-IP können die Entwickler ihre Aktivitäten auf die differenzierenden, wettbewerbsrelevanten Elemente des Designs konzentrieren. So stellt beispielsweise Lattice Semiconductor HDR-IP zur Verfügung, die mit Sensoren mit bis zu 12 MPixel zusammenarbeitet und volle 1080p bei 60 Frames/s implementiert, ohne dass hierfür ein externer Frame-Buffer erforderlich ist.

Darüber hinaus ermöglicht diese IP eine schnelle automatische Belichtungsanpassung, die innerhalb von weniger als vier Frames ohne sichtbares Überstrahlen oder Blackouts ihren Dienst verrichtet, während gleichzeitig ein System-Dynamikbereich von 170 dB bei einer Verzögerungszeit von 0,1 ms bis 0,5 ms (je nachdem, welche IPBlocks zum Einsatz kommen) erzielt wird.

Standard-IP-Cores für Codec-Funktionen wie beispielsweise H.264, Video-Übertragungsfunktionen wie DVI, SDI oder CVBS und eine direkte Kamera-Anbindung (Camera Link) sind auch verfügbar.

Da Lattice auch die passenden Video-Analysefunktionen zur »intelligenten« Video-Bewegungserkennung, Einbruchmeldung, Objekt- und Personenzählung sowie die Erkennung von Manipulationen an der Kamera und von Sabotage bietet, lassen sich Design-Basiselemente, die zur Implementierung wettbewerbsdifferenzierender Analyseelemente gebraucht werden, schneller entwickeln.

Darüber hinaus ist von Lattice und Maxim ein DVR/NVR-Referenzdesign erhältlich, das mehrere Kanäle (vier Kanäle D1 oder 16 Kanäle CIF), Datenanpassung mit Byte-to-Frame-Interleaving sowie eine 16xCIF-Preview-Video-Generierung mit Audio-Support zur Unterstützung der kompletten Signalkette bei Sicherheits- und ÜberwachungsVideosystemen enthält.


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