CN1825362A - 一种车载的嵌入式图像监控系统 - Google Patents

Abstract

一种嵌入式图像监控系统，由摄像头、麦克风、音视频数字编解码器、液晶显示器、扬声器、有线操作控制器等组成。本发明采用嵌入式系统设计和OSD技术，可靠性高，体积小，功耗低且操作简便，适宜于在汽车等交通工具内部安装使用。采用小容量的固体存储器件(CF卡)和循环交替的存储模式，以及支持MPEG－4的自适应可变码率(VBR技术)的图像编码技术，解决了在车辆高速运动的环境下系统防振动和记录清晰图像的技术难题。本系统能够自动或通过人工操作记录最近发生事件的录像，通过录像回放可以为交通事故责任的认定以及发生在营运车辆上的抢劫等突发事件提供直接证据。

Description

一种车载的嵌入式图像监控系统

技术领域

本发明涉及一种把视频图像及音频信号进行数字化高效压缩记录的嵌入式图像监控系统，其特点是体积小，功耗低，防震动，可靠性高，操作简便，适宜于在普通交通工具内部安装使用，能够自动或通过人工操作来捕获记录事故图像信息，为交通事故责任认定以及发生在营运车辆上的抢劫等突发事件提供直接证据。

背景技术

随着国民经济的发展，全社会机动车的保有量不断增加，随之而来的是频繁的交通事故。产生交通事故的原因很多，一方面可能是驾驶员违章驾驶，另一方面也有很多情况是在驾驶员完全遵章驾驶的情况下发生的交通事故，比如由于行人和非机动车违章造成的交通事故，但是在驾驶员不能提供充分的证据来证明自己无责的情况下，本着同情弱者(非机动车和行人)一方的精神，执法部门还是倾向于判定让驾驶员承担部分或全部责任。此外对于“以身撞车”或“以车撞车”等蓄意制造撞车假相图谋获取巨额赔偿等诈骗活动，由于取证困难，使得执法部门很难保证执法的公正性。还有专门针对营运车辆的抢劫等刑事案件也时有发生。因此迫切需要一种适合于在汽车等交通工具内部安装使用，能够保存记录突发事件过程录像的车载图像监控系统，来解决上述问题。

在国家知识产权局网站上检索已有的“车载监控系统”相关专利，比如实用新型专利“车载监控系统”(专利号02281517.1)，其结构是由中央控制器相连的车外摄像机，全方位万向云台，记录器，减震器，操作面板和显示器组成，能在运动的车辆上自动摄取和保存高质量图像和声音。还有发明专利申请“车载图像记录系统中的图像存储用动作装置”(专利申请号00103063.9)等相关专利申请，也提出了类似的车载监控系统解决方案。以上所述专利在原理上可行，但在系统设计和实施上存在以下局限性和不足：

1.以上所述专利中的监控系统设计考虑都是基于全天候无中断的长时监控，这也是目前在诸如银行、大商场、写字楼和机场等重要场所广泛使用的监控系统的工作模式。而对于驾驶员所需的车载事故图像监控系统，没有必要长时记录保存整个行驶过程，只需要记录保留突发事件发生瞬间的短时过程，因此车载事故监控系统不需配备大容量的存储设备；

2.以上所述专利中的监控系统的数据存储一般采用磁带录像机或硬盘录像机两种方案。如果应用于车载事故监控，磁带录像机的缺陷是要经常检查录像带是否已到头，假如事故发生瞬间正好录像磁带用完就可能错过事故过程的记录。传统的硬盘录像机以数码方式要清晰记录高速移动的车外信息就比较难以实现(随着车速的增加需要更高的图像编码速率)。磁带录像机和硬盘录像机还有一个共同的缺陷是记录器中磁头在车载情况下的防震与减震问题，实用新型专利“车载监控系统”(专利号02281517.1)给出了一个由振动式复合传感器，减震控制器和减震器泵阀等构成的减震系统，虽然在原理上解决了减震问题，但结构复杂，同时也造成成本的上升；

3.对于发生在营运车辆内部的抢劫等突发事件，以上所述专利的监控系统中没有考虑安装单独而又隐蔽的监控模式切换装置，使得驾驶员可以在不被犯罪分子察觉的情况下将针对路面情况的车外监控模式切换到记录车内信息的车内监控模式，从而安全地记录下犯罪过程的图像信息；

4.以上所述专利中的监控系统由于设计的原因，监控系统的体积、重量和功耗都偏大，在特种车辆中安装问题不大，但在一般的车辆中，特别是对于私家车和出租车，如果占据很大的安装空间对于车主来讲是很难接受的。

发明内容

本发明基于以上的分析和考虑，以独特的设计方案，应用最新的图像编解码技术，设计出一种体积小、功耗低，防震动，可靠性高，操作简便，适宜于在普通汽车等交通工具内部安装使用的，可以清晰记录交通事故过程以及发生在交通工具内部的突发事件过程的车载数字化图像监控记录系统。

本发明提供了一种嵌入式图像监控记录系统，能够自动或通过人工操作来捕获记录交通工具运行中发生的突发事件的图像信息，为交通事故责任认定以及发生在营运车辆上的抢劫等刑事案件提供直接录像证据。应用该系统后将便于执法部门对交通事故进行责任判定，切实保护遵章守纪的驾驶员的利益，从而维护了执法的公正性；推广使用该系统对经营车险的保险公司而言可以有效地控制赔付支出，产生良好的经济效益；同时，公安机关可以据此有效的打击并震慑相关的犯罪行为，保护营运车辆的安全，产生积极的社会效应。

本发明解决了以下技术问题：

1.采用了新的数字图像存储方案，本发明不使用传统监控系统中的磁带存储或硬盘存储模式，采用小容量(256M到1G)的固体存贮器件，如CF卡(Compact Flash Card)，以循环交替的存储模式捕获存贮最近发生的突发事件的图像信息，从而降低成本并减小监控系统的体积。且CF卡防振动，适用于在车载振动的环境中使用。

2.设置了单独的控制器和控制开关。本发明把图像压缩编解码器的操作控制部分功能分离出来，用一个或多个线控器完成，实现有线遥控操作。对于营运车辆，将对应车内图像监控和车外图像监控两种监控模式的切换开关单独安装在靠近驾驶员左侧的汽车面板，方向盘或车门等隐蔽位置。如遇紧急情况驾驶员可以在不被别人察觉的情况下将监控模式由车外监控切换到车内监控模式。而体积较大的图像压缩编解码器可安装在汽车的座位下或后备箱等其它隐蔽方便的地方。

3.本发明采用了嵌入式CPU和嵌入式Linux操作系统等嵌入式系统设计，最大限度地减小了监控系统的体积和功耗，增加了系统的可靠性。同时采用OSD(On Screen Display)菜单直接在视频显示器上显示操作界面，省去了传统监控系统中显示器，进一步减小了监控记录系统的体积和功耗。本发明中的主机(音视频数字编解码器)体积不超过(200mm×80mm×160mm)，功耗小于5W。

4.本发明采用支持MPEG-4的自适应可变码率(VBR技术)的图像压缩编码器，能够在高速运动的汽车等交通工具上，清晰地记录车内外静止或运动的物体的数字图像信息。高速运动图像的压缩比静止图像需要分配更高的编码码率才能得到清晰的图像，否则运动图像的马赛克现象会非常严重。而在记录车内相对静止的图像信息时则可以采用较低码流从而可以获得更长的图像记录保存时间。

本发明的技术方案：

图像监控系统由摄像头(如CCD摄像头)、音视频数字编解码器、麦克风(可选配)、液晶显示器(可选配)、扬声器(可选配)、有线遥控操作控制器和外部信号输入接口组成。摄像头的视频信号和麦克风的音频信号线连接到音视频数字编解码器，提供需要压缩的视频和音频信号；扬声器和液晶显示器用来输出音视频数字编解码器解压缩的视频和音频信号；有线遥控操作控制器有控制图像监控系统工作状态的各种功能键，便于伺机人工控制操作；外部信号输入接口接收来自汽车发动机的运转信息或来自其它传感器的信号，可自动控制音视频数字编解码器的工作状态。它们的连接关系如图1所示。

音视频数字编解码器主要包括一个嵌入式微处理器(CPU：STPC5HEBC)、一个MPEG4数字音视频编解码DSP处理器(AVCodec：TMS320 C6415 DSP)和固体存贮器件(Compact Flash Card)，以及同步存贮器SDRAM，视频信号模数转换芯片(SAA7115)，音频信号模数转换芯片(UDA1342)，视频信号数模转换芯片(SAA7121)，音频信号模数转换芯片(CS4330)以及外部信号输入接口等，其连接关系如图2所示。

固体存贮器件(如Compact Flash Card)的容量一般在几百兆到几个G，不能长时间存贮数字压缩图像。我们使用了循环交替存贮和机动车发动机运转信息(或其它传感器的信号)自动触发记录的工作方式。循环记录就是，把CF卡的有效存贮空间分为至少两个文件进行存贮，每个文件存贮空间的最大值就是总的存贮空间除以文件数，数字压缩记录存贮开始后，先从一个文件开始记录，文件的达到其存贮空间最大值时，我们实现了在不中断图像压缩记录的同时打开第二个文件继续进行记录并关闭第一个文件，当最后一个文件达到其存贮空间最大值时，我们又打开第一个文件，并把文件写指针设定在文件开头，然后以覆盖方式记录新的视频压缩数据，并这样一直重复下去。这种方式最大限度的保存最近时间段以内所记录的视频图像数据，通常1G容量的CF卡，能够保存最近2个小时以内相当于MPEG1(VCD)质量的视频图像(码率1Mbps)，或保存1个小时以内相当于MPEG2(DVD)质量的视频图像(码率2Mbps)。机动车发动机触发记录方式是，当发动机开始运转时，给音视频数字编解码器一个触发信号，从而使图像监控系统启动并开始图像压缩记录工作，当发动机停止运转时，又给音视频数字编解码器一个触发信号，图像监控系统即刻停止工作继续工作一段时间(时长可自由设定)后停止图像压缩并保存最近的图像信息。由于事故基本上是在汽车发动机停止运转前发生的，因此循环存贮和机动车发动机触发记录方式实现了在小容量存贮器上自动捕获存贮突发事件图像信息的功能。

有线遥控操作控制器配备了控制图像监控系统工作状态的各种功能键，它们有电源开关，启动、停止，播放、暂停、快进、快退，和允许机动车发动机运转信息触发记录工作的自动监控模式开关以及车内监控和车外监控模式切换开关(可单独设置安装)，并可方便按需新增功能键。

音视频编解码DSP处理器，可以把图像压缩成MPEG1、MPEG2和MPEG4格式，我们把数据压缩格式设定为MPEG4格式，这种模式图像压缩效率最高。图像编码码率可以设置为恒定码率，也可以根据图像编码中运动矢量的变化来判断视频图像，当图像处于高速运动时，增加码率，低速时减小码率，实现可变码率图像压缩功能。

嵌入式微处理器STPC5HEBC，主要负责设定音视频编解码的工作方式，并把音视频编解码器的视频压缩数据通过PCI总线取出并以循环记录方式存入CF卡中，或把数据从CF卡中取出通过PCI总线送入音视频编解码器中进行解压缩。

我们把计算机的控制信息，如控制选择菜单用OSD(On Screen Display)方式实现，即通过编程，把菜单信息叠加到视频信号上进行输出，因此在液晶显示器上既显示了视频图像信息，又显示了计算机的控制菜单信息，这样省去计算机显示器，从而减少设备，降低功耗。

嵌入式微处理器STPC5HEBC中采用Linux操作系统，通过系统剪裁，其占用资源少，可靠性高，且没有发行版权费用，降低了成本。

本发明的有益效果是：体积小，功耗低，可靠性高，操作简便，适宜于在汽车等交通工具内部安装，可自动或人工操作来捕获存贮突发事件的图像信息。

附图说明

图1.应用于营运车辆的嵌入式图像监控系统的基本设备组成及连接示意图

图1中，1.麦克风，2a和2b.摄像头，3.音视频数字编解码器，4.液晶视频显示器，5.扬声器，6.汽车发动机运转状况信息，7.有线遥控操作控制器，8.汽车内外监控模式转换开关。

图2.音视频数字编解码器的电路原理图

图2中，视频解码芯片SAA7115将模拟信号转换成数字信号，芯片UDA1342完成模拟到数字的音频采样，视频编码芯片SAA7121转换数字信号到模拟信号，芯片CS4330完成数字到模拟音频信号的转换，图像编解码芯片使用同步动态存贮芯片SDRAM，MPEG4音视频编解码使用DSP处理器(AVCodec：TMS320C6415DSP)，CF卡作为存贮器，ST CPU微处理器使用同步动态存贮芯片SDRAM，IO输入输出接口用于连接有线遥控操作控制器和汽车发动机运转状况信息接口。

图3.应用于私家车等非营运车辆的嵌入式图像监控系统基本设备组成

图3中，、1.麦克风，2.摄像头，3.音视频数字编解码器，4.液晶视频显示器，5.扬声器，6.汽车发动机运转状况信息，7.有线遥控操作控制器。

具体实施方式

1.应用于营运车辆的嵌入式图像监控系统

图1是基本设备组成及连接示意图。麦克风(1)将音频信号以及摄像头(2a)(或摄像头(2b)，由监控模式切换开关(8)来控制切换)将视频信号分别输入到音视频编解码器(3)，经过解压缩的音频和视频信号输出到液晶显示器(4)和扬声器(5)，汽车发动机运转状况信息(6)和有线遥控操作控制器(7)以及监控模式切换开关(8)连接到音视频数字编解码器。其中麦克风(1)安装在汽车内顶部的中央位置，用于记录车内声音，摄像头(2a)还是安装在汽车内部靠近前挡风玻璃上端中央的位置，摄像头水平对准汽车正前方以捕获汽车行驶中正前方的图像信息(为了获得更大的监控视角同时在夜间使用可以选用带夜视功能的广角摄像头)。摄像头(2b)安装在车内驾驶员上方对准车内的乘客坐位方向，用以捕获汽车内部的图像信息(为了获得更大的监控视角同时在夜间使用可以选用带夜视功能的广角摄像头)。音视频数字编解码器(3)可以安装在汽车座位下，汽车行李箱或汽车内部其它隐蔽处。液晶显示器(4)可以安装在驾驶员上方的遮阳板等位置，对于已经配置了显示器的汽车如果其显示器有外部视频输入接口可不必再安装单独的液晶显示器，将视频输出直接接入已配的显示器。扬声器(5)可以安装在汽车内部方便的位置，也可以不单独安装而直接使用汽车内部已配置的音像系统中的一个适合的扬声器。有线遥控操作控制器(7)安装在汽车前面板驾驶员触手可及的地方。对应车内图像监控和车外图像监控两种监控模式的监控模式切换开关(8)单独安装在靠近驾驶员左侧的汽车面板，方向盘或车门等隐蔽位置。如遇紧急情况驾驶员可以在不被别人察觉的情况下将监控模式从车外监控切换到车内监控模式。

图2是音视频编解码器的电路原理图，音视频编解码器可以工作在三种模式下，第一是压缩编码模式，第二是解码模式，第三是编码解码模式。压缩编码模式的工作流程是，芯片SAA7115把复合视频信号或S型视频模拟信号转换成数字信号，UDA1342把音频信号采样转换成数字信号，音视频数字信号被传送到音视频编解码DSP处理器进行压缩编码成MPEG4数据，CPU处理器把压缩后的音视频数据经过PCI总线接收进来并按循环存贮方式存贮到CFlashCard中，在图像压缩过程中还可设定音视频编解码DSP处理器工作于恒定码率压缩方式或可变码率压缩方式，在可变码率压缩方式中音视频编解码DSP处理器可根据图像的运动快慢程度自适应分配码率；解码模式的工作流程是，CPU处理器把压缩存贮的音视频压缩数据从CFlashCard中取出经过PCI总线送入音视频编解码DSP处理器进行解码，解码后的视频数字信号送入芯片SAA7121，它把数字视频信号编码为模拟复合视频信号或S型视频信号，解码后的音频数字信号送入CS4330，它把数字音频信号转换为模拟音频信号；编码解码模式的工作流程是，其中编码功能完全等同于第一种压缩编码模式，解码功能是把压缩好的数据在音视频编解码DSP处理器中立刻再解码，并分别输出到芯片SAA7121和CS4330进行解码回放，该工作模式实现了实时监视和记录的功能。IO控制接口的作用是用来输入有线遥控操作控制器和发动机的运转信息，有线遥控操作控制器可以设定音视频编解码器的工作状态，例如启动、停止，播放、暂停、快进、快退等功能，还可以设置让机动车发动机运转信息触发记录的自动工作模式以及其它的监控系统工作模式。当选择机动车发动机运转信息触发记录的工作模式后，机动车发动机从停止开始启动后，监控系统也开始启动工作，当发动机从启动变为停止后，监控系统停止工作或继续工作一段时间后自动关机，停止图像压缩记录并保存最新的图像数据。两块SDRAM是CPU和编解码芯片所需的工作内存。

2.应用于私家车等非营运车辆的嵌入式图像监控系统

对于私家车等不需要车内监控模式的非营运车辆，可以不必安装监控车内的摄像头和单独的监控模式切换开关。图3是基本设备组成及连接示意图，麦克风(1)将音频信号以及摄像头(2)将视频信号分别输入到音视频数字编解码器(3)，经过解压缩的音频和视频信号输出到液晶显示器(4)和扬声器(5)，有线遥控操作控制器(7)和汽车发动机运转状况信息(6)连接到音视频数字编解码器(3)。其中麦克风(1)安装在汽车前保险杠上，摄像头(2)安装在汽车内部靠近前挡风玻璃上端中央的位置，摄像头水平对准汽车正前方以捕获汽车行驶中正前方的图像信息(为了获得更大的监控视角同时可在夜间使用可以选用带夜视功能的广角摄像头)。音视频数字编解码器(3)可以安装在汽车座位下，汽车行李箱或汽车内部其它隐蔽处。液晶显示器(4)可以安装在驾驶员上方的遮阳板等位置，对于已经配置了显示器的汽车如果其显示器有外部视频输入接口可不必安装单独的液晶显示器，将视频输出直接接入已配的显示器。扬声器(5)可以安装在汽车内部方便的位置，也可以不单独安装而直接使用汽车内部已配置的音像系统中的一个适合的扬声器。有线遥控操作控制器(7)安装在汽车前面板驾驶员触手可及的地方。在实际应用时还可以只保留摄像头、音视频数字编解码器和有线遥控操作控制器，可以选配麦克风、扬声器和液晶显示器等设备以节约成本，在需要查看事故录像时可临时外接显示器或取出存贮卡在计算机上显示图像。

该系统的音视频数字编解码器的电路原理图同图2。

Claims (8)

1.一种车载的嵌入式图像监控系统，主要由摄像头、麦克风、音视频数字编解码器、液晶显示器、扬声器和有线遥控操作控制器组成，其中音视频数字编解码器主要包括，嵌入式CPU控制器，音视频编解码处理器和存贮器件构成。

2.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控系统，其特征是：采用固体存贮器件，如CF卡(Compact Flash Card)作为存储介质，可以在车载移动情况下防振动。

3.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控系统，其特征是：压缩的数字图像在固体存贮器件上以循环存贮方式工作，即把固体存贮器上的存贮空间分为至少两个文件进行存贮，每个文件存贮空间的最大值就是总的存贮空间除以文件数，数字压缩记录存贮开始后，先从一个文件开始记录，文件达到其存贮空间最大值时，在不中断图像压缩记录的同时打开第二个文件继续进行记录并关闭第一个文件，当最后一个文件达到其存贮空间最大值时，系统又打开第一个文件，并把文件写指针设定在文件开头，然后以覆盖方式记录新的视频压缩数据，并这样一直重复下去。

4.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控系统，其特征是：采用嵌入式CPU控制器和嵌入式LINUX操作系统，其特点是体积小，功耗低，操作简便，性能可靠。

5.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控系统，其特征是：音视频数字编解码器的控制菜单以OSD方式在视频显示器上显示，即菜单的文字信息叠加到视频图像数据上输出显示。

6.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控记录系统，其特征是：音视频数字编解码器的操作控制部分功能可以与主机一体，也可以分离出来，用一个或多个线控制器完成，实现有线遥控操作，这样体积较大的音视频编解码器可安装在汽车内部安全方便的地方，而体积较小的线控制器可安装到驾驶员可以方便操作控制的汽车仪表台面附近。

7.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控记录系统，其特征是：可以在监控系统中增加一个监控车内信息的摄像头和麦克风并在车内单独安装监控模式切换开关，触动该开关可以将监控系统的工作模式在车外监控和车内监控两种模式之间进行切换。

8.根据权利要求1所述的嵌入式图像监控系统，其特征是：音视频数字编解码器可以以恒定的图像编码速率工作，也可以根据图像的运动情况自适应改变图像的编码速率。

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