基于計算機視覺的學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張海濤+唐權(quán)華

摘 要： 針對當(dāng)前視頻監(jiān)控進行考試監(jiān)考的丟包率大和智能化程度不高的問題，在計算機視覺下進行學(xué)生考試自動監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，提出一種基于視頻幀循環(huán)糾錯編碼的計算機視覺自動監(jiān)考系統(tǒng)設(shè)計方法。系統(tǒng)設(shè)計分為硬件和軟件部分，包括A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效降低監(jiān)考過程中的視頻丟包，提高監(jiān)考區(qū)域的視覺覆蓋度，系統(tǒng)集成性和智能性較高。

關(guān)鍵詞： 計算機視覺； 考試； 自動監(jiān)考； 視頻幀

中圖分類號： TN957.52+3?34； TP373 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）14?0099?03

Abstract： In view of the high packet loss rate and low intelligent degree of the current video monitoring for test invigilation， the optimal design was carried out for the computer vision based automatic monitoring system of student examination. A video frame cycle error correction coding based design method of automatic invigilation system based on computer vision is put forward. The system design is divided into hardware and software design， including the A/D circuit， clock circuit， video frame cycle error correction coding circuit， program load circuit and output interface circuit. The experimental test results show that the system can reduce the video packet loss in the invigilation process effectively， improve the vision coverage degree of invigilation area， and has high system integration and intellectuality.

Keywords： computer vision； examination； automatic invigilation； video frame

0 引 言

隨著視頻圖像處理技術(shù)的發(fā)展，采用計算機視頻監(jiān)測方法進行現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計，提高對監(jiān)控區(qū)域的自動化識別和管理能力[1]。學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)是考試智能化管理系統(tǒng)的重要部分，采用計算機視覺分析方法進行自動監(jiān)考，首先采用計算機視頻監(jiān)控方法進行考試現(xiàn)場的實時視覺畫面采集，從而實現(xiàn)對考試現(xiàn)場的檢驗分析和指導(dǎo)。研究學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)，在促進智能化考試管理和提高考場監(jiān)考的管控能力方面具有積極重要意義[2]，對學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)是建立在視頻圖像分析基礎(chǔ)上的，結(jié)合系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計和軟件開發(fā)，采用計算機視覺分析方法進行監(jiān)控現(xiàn)場的異常信息特征提取和分析，采用視頻幀循環(huán)糾錯編碼避免監(jiān)控過程中的丟包和誤碼失真。首先進行系統(tǒng)的總體構(gòu)架分析，然后進行監(jiān)考系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，最后進行系統(tǒng)調(diào)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 外圍器件選擇

根據(jù)上述設(shè)計思想和總體設(shè)計構(gòu)架，進行基于計算機視覺的學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計，學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。通過PCI橋接芯片與PC機進行數(shù)據(jù)通信，采用PCI9054的LOCAL 總線設(shè)計方法，進行數(shù)據(jù)特征采集，把學(xué)生考試監(jiān)考現(xiàn)場的視頻信息存儲到PCI總線上，在嵌入式RAM中對監(jiān)控視頻信息進行收發(fā)轉(zhuǎn)換和視頻幀間編碼，基于視頻幀循環(huán)糾錯編碼方法進行視頻糾錯。硬件設(shè)計主要包括如下幾個部分：學(xué)生考試監(jiān)考現(xiàn)場的視頻信息的DSP信號處理器、模擬信號預(yù)處理機、視頻信息的邏輯控制設(shè)備、外部I/O設(shè)備以及A/D設(shè)備和電源供電設(shè)備，用DSP控制A/D轉(zhuǎn)換FLASH寄存器寄存學(xué)生考試監(jiān)考現(xiàn)場的視頻視覺特征信息，同時DSP與PCI通信，DSP接收PCI總線的用戶信息，輸出多路視頻編碼到功率放大器。通過串行E2PROM進行配置校驗，在C 模式下通過PCI總線送采樣數(shù)據(jù)或處理結(jié)果到PC機進行監(jiān)考現(xiàn)場的監(jiān)控信息分析。

1.2 監(jiān)考系統(tǒng)的電路設(shè)計

根據(jù)上述總體設(shè)計要求，結(jié)合選擇的外圍器件，采用可編程DSP芯片ADSP?BF537作為核心處理芯片，進行學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的電路設(shè)計，主要包括了A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路等，分別設(shè)計描述如下：

（1） A/D電路。學(xué)生考試監(jiān)考系統(tǒng)的A/D電路是實現(xiàn)對輸入視頻采集信息的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，提供給計算機和DSP芯片可識別的原始計算機視覺信息，結(jié)合視頻幀循環(huán)糾錯編碼方法進行可視化校對和視頻編碼。外部I/O設(shè)備包括A/D轉(zhuǎn)換器AD7864兩片，A/D電路的分辨率為12位，最大采樣頻率25 kHz，采用AD7864（以下簡稱7864）作為A/D芯片，它是4通道輸入、轉(zhuǎn)換速度1.65 μs的高性能AD芯片，自動監(jiān)考系統(tǒng)的A/D輸入電壓滿足：

采樣通道數(shù)由DSP數(shù)據(jù)總線dspD[3：0]控制[3]，A4～A0和譯碼，利用信號作讀數(shù)標(biāo)志信號，得到A/D電路的接口硬件設(shè)計圖如圖1所示。

考慮到系統(tǒng)處理視頻傳輸信息的時間和讀數(shù)匹配問題，在進行A/D設(shè)計中，需要考慮7864模擬輸入/輸出對應(yīng)碼表，見表1。

（2） 時鐘電路。時鐘電路執(zhí)行學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的時鐘中斷控制功能[4]，采用5409A 作為自動監(jiān)考系統(tǒng)的時鐘中斷的核心控制芯片，5409A有3個多通道緩沖串口McBSPs，提供串行A/D、D/A 設(shè)備以及其他的串行器件直接接口，本地總線支持復(fù)用/非復(fù)用的 32 位地址/數(shù)據(jù)，包括 PCI 總線操作和LOCAL總線操作，PC9054 內(nèi)部CI9054的LOCAL 總線與PCI總線通過異步操作實現(xiàn)兩個 DMA數(shù)據(jù)的串行接口輸入和輸出。時鐘電路的引腳設(shè)計如圖2所示。

（3） 視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路。視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心模塊，視頻幀循環(huán)糾錯編碼通過Emulator由JTAG（Joint Test Action Group）口下載到DSP中運行，在IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下進行 5409A芯片外圍器件的操作測試，芯片采用4通道高性能運放，帶寬為10 MHz。使用ADUM1201進行幀同步信號設(shè)計[5]，選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為自動監(jiān)考系統(tǒng)的三維特征分析模塊，從外部16位存儲器讀取監(jiān)測視頻圖像的編碼特征，引出雙排的14腳插針外接上拉或下拉電阻，選擇引腳、時鐘信號輸入引腳，數(shù)據(jù)總線LD 9054與應(yīng)用電路連接，以串行E2PROM的配置電路作為I/O 初始化控制寄存器模塊單元，直接從地址0x20000000執(zhí)行16位打包模式實現(xiàn)視頻糾錯編碼，得到視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路設(shè)計如圖3所示。

（4） 程序加載電路。選擇Motorola 公司高性能 MPC850/86作為學(xué)生考試自動監(jiān)考的可視化校驗視覺分析的程序加載電路的核心處理芯片。在程序加載電路中，采用可編程邏輯芯片PLC進行圖像信息分析，在程序加載中，從外部16位存儲器直接執(zhí)行16位打包模式，引導(dǎo)ROM配置異步存儲器空間，通過連續(xù)讀取0x00字節(jié)的個數(shù)來確定學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的SPI存儲器的片選[6]，程序加載電路設(shè)計如圖4所示。

圖4中，在VCC和地之間并聯(lián)1個電容，滿足程序加載電路的可編程的硬件寫保護和片內(nèi)的偶然性的寫保護功能。

（5） 輸出接口電路。輸出接口電路設(shè)計中，通過JTAG接口訪問CPU的內(nèi)部寄存器，通過串行E2PROM進行配置校驗。使用JTAG仿真器執(zhí)行12通道DMA異步串行口設(shè)計，采用分立元件構(gòu)成串口復(fù)位電路，降低DSP的能耗。開關(guān)頻率也可在0～1間調(diào)節(jié)，內(nèi)核電壓在0.8～1.2 V間調(diào)整，內(nèi)核電源通過10 和0.1 電容濾波，以減少電源噪聲。實時時鐘電源與I/O電源采取分別供電策略，綜上分析，得到輸出接口電路見圖5。

在上述進行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)集成設(shè)計與軟件開發(fā)。

2 實驗測試分析

對上述學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)進行軟件開發(fā)和系統(tǒng)調(diào)試分析。軟件開發(fā)建立在CCS 2.20開發(fā)平臺下，借助于 LabWindows/CVI，C/C++開發(fā)計算機視覺下的圖像和視頻信息處理程序。根據(jù)編寫的PCI卡驅(qū)動程序進行視頻信息采樣和監(jiān)考系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)采集，得到學(xué)生考試自動監(jiān)考的視頻采集分析界面如圖6所示。

從圖6可見，采用本文設(shè)計的考試自動監(jiān)考系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)計算機視覺下的監(jiān)考視頻信息傳輸。為了定量測試系統(tǒng)的性能，圖7給出了不同方法進行監(jiān)考視覺分析的視頻丟包率對比結(jié)果，從圖7得知，該系統(tǒng)能有效降低監(jiān)考過程中的視頻丟包，從而提高監(jiān)考區(qū)域的視覺覆蓋度。

3 結(jié) 語

本文提出一種基于視頻幀循環(huán)糾錯編碼的計算機視覺自動監(jiān)考系統(tǒng)設(shè)計方法。系統(tǒng)設(shè)計分為硬件和軟件部分，首先進行了學(xué)生考試自動監(jiān)考系統(tǒng)的總體設(shè)計構(gòu)架分析和功能指標(biāo)描述；然后以ADSP?BF537并行微處理芯片為核心進行監(jiān)考系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括A/D電路、時鐘電路、視頻幀循環(huán)糾錯編碼電路、程序加載電路和輸出接口電路；最后在Visual DSP++集成開發(fā)環(huán)境中進行自動監(jiān)考系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計，結(jié)合視頻幀循環(huán)糾錯編碼進行程序加載，實現(xiàn)計算機視覺下的自動監(jiān)考。實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效降低監(jiān)考過程中的視頻丟包，提高了監(jiān)考區(qū)域的視覺覆蓋度，具有優(yōu)越性能。

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