Un numériseur vidéo à 4 entrées avec détection de mouvement

Ce système vidéo noir et blanc compact est capable de numériser quatre entrées vidéo et de les envoyer séquentiellement à un ordinateur au moyen d’une liaison sérielle. Il dispose des fonctions QUAD et “MOTION DETECTOR” (détecteur de mouvement) numérique avec réglage de la sensibilité.


Parmi les appareils destinés au secteur de la Sécurité, il existe des dispositifs très sophistiqués capables de visualiser ce qui se passe à l’intérieur d’une banque, d’un magasin ou simplement dans les dépendances d’une villa (garage, cour, entrée, etc.). Les systèmes les plus simples, c’est-à-dire les centrales d’alarme, peuvent utiliser les capteurs les plus divers (du simple contact magnétique jusqu’au capteur volumétrique) mais, si votre objectif (c’est le cas de le dire !) consiste en un degré de sécurité encore plus élevéé, il faut absolument passer au contrôle visuel du local à surveiller. En effet, il n’existe pas de cas de figure (salle des coffres d’une banque, grands magasins et, en général, tous lieux où un contrôle continuel et extrêmement rigoureux est indispensable) où on n’ait pas recours à un système vidéo en circuit fermé, avec visualisation et éventuel enregistrement du signal vidéo capté en plusieurs endroits par, bien sûr, plusieurs caméras placées dans des positions stratégiques. Pour cela, sont disponibles les modules QUAD (ils permettent de visualiser en même temps quatre sources vidéo), les enregistreurs vidéo longue durée (en réduisant le “frame rate”, ou cadence de trame, ils permettent de mémoriser 960 heures de film sur de simples cassettes VHS de 180 minutes) et les caméras vidéo à capteurs numériques de mouvement (elles relèvent d’éventuelles variations du signal vidéo et activent alors automatiquement l’enregistrement sur bande ou support numérique).

Note : “Un numériseur”; C’est vrai, on dit encore plus couramment “digitaliseur” mais pour ma part je continue à réserver “digital” à ce qui se rapporte aux doigts !

Notre montage
Le montage que nous nous apprêtons à décrire rassemble en un seul circuit les fonctions que nous venons de décrire.
Mettant à profit la flexibilité de la technologie numérique ainsi que la puissance des microcontrôleurs et des ordinateurs modernes, nous avons pu développer un circuit compact en mesure de numériser 4 entrées vidéo et de les envoyer séquentiellement à un PC au moyen d’une liaison série. Ce circuit est, en outre, capable de relever une variation d’image (“Motion Detector” ou détecteur de mouvement) sur le premier des 4 signaux vidéo et, si cela arrive, d’informer l’ordinateur de la survenue de l’alarme. Nous avons prévu, en plus, une autre entrée d’alarme externe. La fonction QUAD et la fonction d’enregistrement numérique sont confiées à un logiciel spécial pour environnement Windows.
La platine ne dispose pas d’un système de numérisation propre mais elle utilise le module EF.360 décrit dans l'article : "Un digitaliseur vidéo
sur port série
". Un microcontrôleur U1, un PIC 16F876-MF402 déjà programmé en usine, travaillant à 20 MHz, gère le flux des données provenant du numériseur EF.360, la communication sérielle avec le PC, le module de commutation vidéo, le relais de sortie et l’entrée de l’alarme externe. Toutes ces opérations sont contrôlées par un “firmware” (logiciel à programme résident en ROM) complexe et sophistiqué : pour des motifs de rapidité d’exécution il a été principalement écrit en Assembleur. Avant d’analyser en détail les fonctions logicielles, il est nécessaire d’approfondir le fonctionnement du matériel en observant méticuleusement le schéma électrique.



Caractéristiques techniques

– 4 entrées vidéo
– Liaison sérielle au PC par RS232
– Enregistrement vidéo automatique ou manuel
– Sortie alarme activée par détecteur de mouvement
– Date et horaire en OSD
– Entrée d’alarme externe


Le schéma électrique
L’étage d’alimentation est un classique circuit avec régulateur de tension intégré de 5 V. Cette tension alimente la quasi totalité du montage à l’exception de l’enroulement du relais d’alarme alimenté directement par Val en amont du régulateur.
Le coeur de la platine est, nous l’avons vu, le microcontrôleur PIC 16F876-MF402, déjà programmé en usine, auquel sont connectés les divers périphériques. Pour effectuer la communication sérielle avec le PC nous avons utilisé un MAX232 dont le rôle est de convertir le niveau des signaux du +5 V du PIC au ±12 V nécessaires au PC. S1 et S2, représentant les deux micro-interrupteurs de configuration, contrôlent le niveau des broches 15 et 16 du microcontrôleur ; ces micro-interrupteurs, quand ils sont en position ON, mettent à la masse les broches qui, normalement, sont maintenues au niveau logique haut (1) par les deux résistances de “pull-up” R14 et R15.
Le signal d’alarme, provenant d’éventuels appareils externes, est conduit à la broche 6 du microcontrôleur par l’intermédiaire d’un pont résistif spécial composé de R12 et R13 réduisant le potentiel de 12 à 5 V environ. La plupart des capteurs disposent, en effet, de sorties d’alarme en 12 V alors que, comme nous le savons, les entrées des microcontrôleurs n’acceptent qu’une tension au maximum égale à leur tension d’alimentation, c’est-à-dire 5 V.
Le relais est piloté au moyen du transistor T1 qui, à son tour, est polarisé ou bloqué au moyen du signal présent sur la broche 7 du microcontrôleur.
La section de commutation vidéo, autour du circuit intégré U4, un classique 4066, mérite une attention toute particulière : à l’intérieur de ce circuit intégré se trouvent 4 interrupteurs analogiques commandés par autant de signaux de contrôle numériques.
Si l’on pilote comme il convient les 4 interrupteurs internes, il est possible d’acheminer un des 4 signaux vidéo, présents sur les entrées, vers le module de numérisation EF.360. En effet, si vous regardez l’organigramme de U4, vous verrez que les broches 1, 4, 8 et 11, reliées aux 4 signaux vidéo en entrée, représentent un pôle des interrupteurs contrôlés par les signaux de contrôle présents respectivement sur les broches 13, 5, 6 et 12. L’autre pôle de chaque interrupteur (broches 2, 3, 9 et 10) est relié à l’entrée du module numériseur. En pratique, les 4 sorties sont connectées entre elles.
Le microcontrôleur pourvoira à l’activation d’un seul interrupteur à la fois de manière à relier l’entrée vidéo correspondante au module EF.360. En regard de chaque entrée vidéo, nous avons prévu une paire de résistances de 150 ohms en parallèle (ce qui fait 75 ohms) permettant, par l’intermédiaire des “straps” correspondants J1, J2, J3 et J4, d’insérer ou non telle charge résistive sur les entrées correspondantes.
Cette option, indépendante pour chaque entrée, a été prévue pour le cas où le signal vidéo devrait être appliqué, outre à notre platine, à un autre appareil vidéo internement prédisposé pour une charge de 75 ohms (c’est-à-dire la valeur typique d’impédance de tous les signaux vidéocomposites). Par conséquent le “strap” ne sera inséré que si le signal vidéo correspondant est ensuite acheminé vers un monitor, VCR ou n’importe quel autre périphérique standard avec entrée vidéocomposite à 75 ohms d’impédance.
Les liaisons entre la platine de base à 4 entrées et le module EF.360 sont assurées par un connecteur à travers lequel transitent les signaux de contrôle et le bus parallèle à 8 bits.

Figure 1 : Schéma électrique du numériseur vidéo à quatre entrées avec détecteur de mouvement.

Figure 2 : Le montage terminé. Le module EF.360 est prêt à être mis en place.

Le montage décrit dans cet article utilise le module numériseur vidéo proposé dans l'article : "Un digitaliseur vidéo
sur port série
", sous l’appellation EF.360 (pour le “digitaliseur” vidéo proprement dit) et EF.362 (pour l’interface associée).
Sur ce module arrive le signal vidéo provenant d’une des 4 entrées de la platine, sélectionnée au moyen du commutateur numérique U4 contrôlé à son tour par le microcontrôleur U1. Ce dernier se charge de gérer les données de sortie du numériseur vidéo et de les envoyer, par l’intermédiaire du convertisseur MAX232, à l’ordinateur.

Organigramme du microcontrôleur MF402 ou “firmware” et logiciel
Après l’initialisation des ports I/O, le microcontrôleur s’occupe de la gestion des alarmes en contrôlant d’abord le signal du niveau d’entrée (si celui-ci est actif, il règle le “Flag Alarm”) puis l’éventuelle alarme produite par la routine du détecteur de mouvement, routine qui analyse l’image reçue par le numériseur et la compare avec celle mémorisée. En cas de variation et si celle-ci dépasse un seuil paramétré, l’alarme de Mouvement est réglée. La subroutine “Analyse Flags d’alarme” contrôle d’éventuelles alarmes et s’occupe de la désactivation du relais (si actif) quand la durée est échue. En outre, l’état des alarmes est envoyé au PC, par la liaison série, en utilisant de simples caractères : “F” signifie “aucune alarme”, “A” “Alarme Mouvement active”, “B” “Alarme provenant de l’entrée externe”, “C” “les deux Alarmes actives”. Revenant au début, le microcontrôleur contrôle l’état du Flag du détecteur de mouvement et, en cas d’alarme et en fonction du paramétrage des micro-interrupteurs, il active le relais pour la durée établie.
Sont enfin analysées d’éventuelles demandes effectuées par le PC (par exemple, configuration de la sensibilité du détecteur de mouvement ou demande de capture d’images).
Une des fonctions les plus complexes et les plus critiques confiées au microcontrôleur est sans doute la gestion du détecteur de mouvement auto-adaptatif.
Il s’agit d’une routine, écrite directement en Assembleur, ayant réclamé de nombreuses retouches pour obtenir une bonne stabilité, la sécurité de fonctionnement et l’immunité aux fausses alarmes que vous pourrez constater.
L’algorithme utilisé est configurable au moyen de la connexion au PC pour optimiser la sensibilité en fonction de la qualité du signal vidéo appliqué et de la typologie de la reprise. Le logiciel de cette section effectue environ 6 échantillonnages par seconde sur le canal 1 et, en analysant l’image, il en extrait une carte des valeurs moyennes pour un total de 70 aires sensibles distribuées sur la totalité de la surface de l’écran. Cette carte mémorisée dans la mémoire du PIC est continuellement corrigée et compensée en fonction des lents changements d’image pouvant se produire durant la journée. Cette continuelle analyse de l’image rend le détecteur de mouvement insensible aux variations environnementales dues au déplacement du soleil au cours de la journée, au passage des nuages ou à la lumière artificielle “critique” comme celle des néons par exemple (typiques des bureaux, magasins ou lieux clos à surveiller).
Quand la routine relève une intrusion, elle agit selon le paramétrage des micro-interrupteurs présents sur la platine (figure 4) : si tous deux sont OFF, la fonction est déshabilitée (“disabled”) et aucune action n’a lieu ; si 1 est ON et 2 est OFF, le relais est activé pour deux secondes ; si 1 est OFF et 2 est ON, le relais est activé pour 10 secondes ; si les deux sont ON, le relais est activé pour 60 secondes.
Ces temps sont à mesurer à partir de la cessation de l’événement relevé : ce qui veut dire que même si vous paramétrez les micro-interrupteurs pour avoir 2 secondes alors que dans le champ visuel des variations continuent de se produire, le relais restera excité pendant toute la période de durée de l’alarme et ne retournera au repos qu’après que les deux secondes se seront écoulées à partir de la cessation de l’intrusion.
En dehors de ce que nous venons de décrire, le microcontrôleur effectue d’autres opérations qui sont signalées au PC en temps opportun par la connexion sérielle. La relation bidirectionnelle avec l’ordinateur permet de gérer complètement la platine : un message spécifique est envoyé pour l’alarme du détecteur de mouvement et un autre message ensuite pour l’alarme sur le signal d’entrée. Avec ces informations, ce sera à l’ordinateur de “décider” comment agir grâce au logiciel que nous avons étudié spécialement et qui gère à distance toutes les fonctions de la platine. Le logiciel sur PC est en mesure de commander la capture d’un photogramme sur une quelconque des 4 entrées disponibles ou toutes ensemble en mode QUAD. Les fonctions de capture peuvent être manuelles (commandées par la pression d’un bouton), continues, de manière à simuler les fonctions d’un classique “Time Lapse” (enregistreur vidéo longue durée) ou sur événement (activées par conséquent par les alarmes de la platine). Chaque photogramme peut contenir, en surimpression, le numéro de la caméra active, la date et l’heure.
Les photogrammes, si la fonction correspondante est habilitée, peuvent être sauvegardés automatiquement et de manière continue avec un nom de fichier produit automatiquement par le logiciel en fonction de la date et de l’ordre du moment de la capture. Dans la modalité de l’enregistrement activé par un événement, si l’alarme arrive par le détecteur de mouvement, le système mémorise l’image présente sur le canal 1 alors que si l’alarme provient de l’entrée auxiliaire, l’image des quatre canaux est mémorisée en modalité QUAD.
Le programme permet de visualiser au choix un, aucun ou les deux événements et d’agir en conséquence. La vitesse de capture des photogrammes est limitée par la vitesse intrinsèque de la liaison série. En effet, même en travaillant avec un “baud rate” de 57 600 bits/seconde, pour transférer un “frame”, ou trame, en basse résolution, 5 secondes sont nécessaires. C’est pourquoi la possibilité a été prévue de configurer le format de capture vidéo en agissant sur les combinaisons des paramètres de résolution et de profondeur (bit/pixel) pour obtenir le meilleur rapport qualité/prestations, en fonction de vos propres exigences.
Maintenant que nous avons vu les fonctions principales du logiciel de gestion, nous pouvons nous occuper de la réalisation pratique.

Figure 3 : Le commutateur numérique.

Le commutateur numérique utilisé, un HCF4066, contient 4 interrupteurs indépendants, chacun étant ouvert ou fermé par l’effet d’un signal numérique (0 ou 1) appliqué à la ligne de contrôle correspondante.

Figure 4 : Paramétrage des micro-interrupteurs.

Le module numériseur

Figure 5a : Schéma synoptique du module numériseur EF.360.

Figure 5b : Le module numériseur (“digitaliseur”) EF.360 proposé dans l'article : "Un digitaliseur vidéo
sur port série
".


Le numériseur vidéo est essentiellement un module autonome disposant d’un bus parallèle pour la connexion avec l’unité de contrôle et d’une entrée à laquelle on peut envoyer n’importe quel signal vidéocomposite (N/B ou couleur) même si la numérisation se fait toujours en noir et blanc.
Le rôle du module est d’échantillonner le signal reçu en entrée, numériser et emmagasiner les données relatives à chaque image dans une RAM interne spéciale et paramétrer un “buffer”, de la capacité d’un photogramme, afin que le module d’interface puisse déposer les données correspondantes. L’échantillonnage se fait au moyen d’un convertisseur A/N à 8 bits et grâce à un microcontrôleur Scenix SX18.
Vous trouverez, figure 7, la photo du EF.360, en version “pro” (monté en usine), installé sur notre présent montage EF.402.

La réalisation pratique
La construction du numériseur vidéo à quatre entrées avec détecteur de mouvement ne présente aucune difficulté particulière.
Si vous décidez de réaliser vous-même le circuit imprimé, dont nous donnons, figure 8, le dessin à l’échelle 1, vous pourrez utiliser votre méthode habituelle ou celle décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".
Quand vous vous serez procuré le circuit imprimé ou que vous l’aurez gravé et percé, commencez par l’insertion des ponts filaires entre pistes, représentés figure 6 par des traits noirs (nous réservons le nom de “straps”, ou cavaliers, à J1, J2, J3 et J4). Placez ensuite les composants les plus bas de profil (résistances et diodes) et les supports de circuits intégrés en orientant d’emblée leur repère détrompeur comme l’indique la figure 6. Montez les condensateurs (attention à la polarité des électrolytiques), les micro-interrupteurs, le transistor T1, la diode LED, le régulateur de tension et le relais (de type miniature, 12 V, un contact).
En ce qui concerne les liaisons avec le module numériseur EF.360, prévoyez des barrettes femelles et soudez-les dans les trous correspondants : 2 + 11 + 2 côté droit et 2 côté gauche (figure 6).
N’oubliez pas les cavaliers ou “straps” amovibles J1 à J4 qui ne sont rien d’autre que des barrettes mâles coupées à deux éléments.
Enfin, il reste à souder les connecteurs d’entrée/sortie et d’alimentation.
Nous avons prévu un “plug” d’alimentation standard pour circuit imprimé, quatre BNC femelles pour le signal vidéo d’entrée, un connecteur DB9 série pour la liaison au PC et un connecteur DIN à 5 pôles pour l’entrée d’alarme et les sorties du relais (brochage figures 10 et 11). Les connecteurs ne peuvent entrer que dans un sens bien précis et il n’y a donc aucun risque de les monter de manière erronée.
Les soudures terminées, insérez les circuits intégrés dans leurs supports correspondants en orientant correctement leur repère détrompeur (en principe dans la même orientation que les supports… si vous y avez pensé ! mais dans le doute aidez-vous encore de la figure 6) ; montez le régulateur couché comme le montre cette même figure 6.
Installez enfin le module EF.360 en insérant ses éléments de barrettes mâles dans les éléments de barrettes femelles de notre montage.
La liaison entre la platine vidéo et l’ordinateur est effectuée par un câble série utilisant le port COM1. A la prise DIN correspondent en revanche les sorties du relais et l’entrée pour alarme externe, comme on peut le voir figure 10.
Avant de mettre en marche le circuit, pensez à paramétrer les micro-interrupteurs en fonction de vos exigences et à insérer ou non les “straps” résistifs (ou cavaliers) sur les entrées.
Le logiciel sera installé en suivant la procédure habituelle sous Windows.
Vous pouvez maintenant lancer le programme “Motion-4 ” et mettre le montage sous tension. Le programme se présente, au démarrage, sans aucune configuration par défaut. Il suffit d’essayer de paramétrer la modalité manuelle et de forcer la capture d’une ou de toutes les entrées vidéo (QUAD) pour visualiser le résultat sur PC. Toutes les autres fonctions sont intuitives et vous réussirez en peu de temps à tirer le meilleur parti de votre appareil.

Figure 6 : Schéma d’implantation des composants du numériseur vidéo à quatre entrées avec détecteur de mouvement.

Figure 7 : Photo d’un des prototypes du numériseur vidéo à quatre entrées avec détecteur de mouvement surmonté du module EF.360 en version “pro” (ce modèle est câblé en usine sur un circuit imprimé double face à trous métallisés, sérigraphié).

Figure 8 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du numériseur vidéo à quatre entrées avec détecteur de mouvement. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Liste des composants
R1 = 4,7 kΩ
R2 = 470 Ω
R3 = 150 Ω
R4 = 150 Ω
R5 = 150 Ω
R6 = 150 Ω
R7 = 150 Ω
R8 = 150 Ω
R9 = 150 Ω
R10 = 150 Ω
R11 = 4,7 KΩ
R12 = 22 kΩ
R13 = 10 kΩ
R14 = 10 kΩ
R15 = 10 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 220 μF 25 V électrolytique
C4 = 470 μF 25 V électrolytique
C5 = 1 μF 100 V électrolytique
C6 = 1 μF 100 V électrolytique
C7 = 1 μF 100 V électrolytique
C8 = 1 μF 100 V électrolytique
C9 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
LD1 = LED rouge 5 mm
T1 = NPN BC547
U1 = PIC16F876-MF402
U2 = Régulateur 7805
U3 = Intégré MAX232
U4 = Intégré HCF4066
DS1 = Dip-switchs 2 micro-inter.
RL1 = Relais mini pour ci 12 V 1 RT
Q1 = Quartz 20 MHz

Divers :
1 Support 2 x 7 broches
1 Support 2 x 8 broches
1 Support 2 x 14 broches
4 BNC pour ci
1 Connecteur DIN 5 broches pour ci
1 Connecteur DB9 femelle pour ci
1 Câble série 9 broches
1 Prise alimentation pour ci
17 Plots de bande sécable femelle
8 Picots de bande sécable mâle
4 Cavaliers pas 2,54 type informatique


Figure 9 : Le logiciel “Motion-4 ” SFW402.

Ce logiciel permet de gérer la platine numériseur dans toutes ses fonctions. Il est possible de définir la résolution et la profondeur de l’échelle des gris, de sélectionner l’entrée vidéo à numériser et de paramétrer la modalité QUAD ou CYCLIQUE. On peut paramétrer la capture (visualisation sur PC) ou la sauvegarde de l’image sur disque en mode manuel (sauvegarde l’image que l’on voit) ou en mode automatique (à la fin de la sauvegarde, une autre image est demandée qui, à son tour, est sauvegardée sur disque…). Des options sont proposées : possibilité de visualiser (et sauvegarder), en surimpression, la date et l’heure de l’image capturée ; gestion des événements “Motion Detector” (détecteur de mouvement) et Alarme externe. Dans le premier cas sont sauvegardées les images captées par la caméra 1 alors que dans le cas de “Capture sur Alarme externe” seront mémorisées en même temps les 4 images en modalité QUAD.

Figure 10 : Le brochage du connecteur DIN.
N.F. relais = Contact relais Normalement Fermé
C. relais = Contact relais Commun
N.O. relais = Contact relais Normalement Ouvert


Figure 11 : Une vue du côté des connecteurs.

De gauche à droite : Le relais RL1, la prise DIN, la LED LD1, la prise DB9 femelle. Derrière la LED LD1, on apperçoit nettement le dip-switchs à 2 micros-interrupteurs.

Note : Les écrans du logiciel “Motion-4” étaient en italien dans la version dont nous disposions pour la rédaction de cet article. Nous les avons traduits pour faciliter la compréhension. Le programme, réalisé dans cette langue, est en cours de francisation.

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