【文章內(nèi)容簡介】 [4346].......................................................................................... 34 圖像運動檢測的實現(xiàn) ...................................................................................................36 實驗結(jié)果與分析 ..........................................................................................................38 動態(tài)背景更新實驗 ................................................................................................. 38 1 緒論 11 緒論 課題研究的目的意義、主要內(nèi)容及關(guān)鍵問題 課題研究的目的及意義 隨著嵌入式計算機技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)字圖像技術(shù)等的發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)也得到了迅速發(fā)展[1]；基于 PC 的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)得到了迅速地普及。這種監(jiān)控系統(tǒng)可被廣泛應用于那些對于安全要求敏感的場合，如停車場、倉庫、超市、自動販賣機、ATM和交通管理等。當場景里出現(xiàn)可疑行為時，監(jiān)控系統(tǒng)能及時向保安人員發(fā)出警報，從而避免犯罪的發(fā)生。由于基于 PC 的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，穩(wěn)定性、可靠性不高，價格高昂、操作煩瑣等缺陷，不能滿足某些監(jiān)控領(lǐng)域的應用要求[2]。 隨著人們期望監(jiān)控點的增多，對監(jiān)控點的期望也在增多：期望監(jiān)控點能夠方便安裝——省去繁瑣的布線、期望監(jiān)控點能夠減輕監(jiān)控人員判讀圖像的工作強度——前端智能圖像處理、期望能夠省去中心的巨額投入——通過簡單的設(shè)備進行監(jiān)控。這些期望導致一種新型監(jiān)控系統(tǒng)的誕生——基于嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線技術(shù)的帶有前端圖像處理功能的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 這種監(jiān)控系統(tǒng)通常以嵌入式系統(tǒng)作為核心處理器，集成了嵌入式系統(tǒng)成熟的圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、Web 技術(shù)等，利用現(xiàn)有的計算機網(wǎng)絡(luò)通信信道進行遠程圖像的傳輸，省去了繁瑣的視頻布線及昂貴的中心設(shè)備，前端具有圖像檢測功能，通過任何一臺可以上網(wǎng)的計算機甚至手機即可獲得監(jiān)控現(xiàn)場的畫面。由于具有以上的優(yōu)點，這種圖像監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計正越來越多地受到人們的矚目。基于嵌入式技術(shù)的智能圖像監(jiān)控系統(tǒng)必將有良好的應用與發(fā)展前景，由它代替當前普遍應用的基于PC 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)將成為必然趨勢[3]。 本文順應圖像監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，在總結(jié)多種形式的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)利弊的基礎(chǔ)上，探討了一種具有前端運動目標檢測、有線（以太網(wǎng)）和無線（GPRS）傳輸技術(shù)相結(jié)合的基于 ARM 的嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)。 課題研究的主要內(nèi)容 本文以遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域現(xiàn)階段的技術(shù)為參考，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于 ARM內(nèi)核的高性能的嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)181。C/OSII 的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)在對現(xiàn)場圖像進行監(jiān)控的基礎(chǔ)上，嵌入了圖像前端處理的功能，對所監(jiān)控的視覺范圍實現(xiàn)運動目標檢測，并將現(xiàn)場圖像通過有線（以太網(wǎng)）或無線（GPRS）的方式發(fā)送至遠程監(jiān)控中心。這兩種傳輸通道分別采用了嵌入式 Web Server 技術(shù)和GPRS 技術(shù)，在遠程傳輸中起到互相彌補、傳輸方式靈活的作用。同時，這個圖像監(jiān)控系統(tǒng)平臺也為后繼的研究工作（包括目標檢測、目標分類、目標跟蹤、遠程傳輸和對西安工業(yè)大學碩士學位論文 4監(jiān)視器監(jiān)視器控制鍵盤畫面切換和畫面切割視頻矩陣控制器C錄像機….……. 圖 本地模擬監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 b．數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)不僅符合信息產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢，而且代表了監(jiān)控行業(yè)的未來發(fā)展方向，蘊藏著巨大的商機和經(jīng)濟效益，成為目前信息產(chǎn)業(yè)中頗受關(guān)注的數(shù)字化產(chǎn)品。特別是近年來，隨著技術(shù)的進步和社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，客觀上對圖像監(jiān)控系統(tǒng)的準確性、有效性和方便性提出了更高要求。具體地講，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是需要實施圖像監(jiān)控的范圍更加廣闊，由傳統(tǒng)的安防監(jiān)控向管理監(jiān)控和生產(chǎn)經(jīng)營監(jiān)控發(fā)展，而且對同一套系統(tǒng)的覆蓋面和實施距離也提出了更高的要求，通俗地說就是要達到點多面廣；二是要求監(jiān)控系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)對大量視頻數(shù)據(jù)的壓縮存儲、傳輸和自動處理，從而達到資源共享，為各級管理人員和決策者提供方便、快捷、有效的服務(wù)。數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)一般可以分為二類： （1）基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng) 進入20世紀80年代，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，給圖像監(jiān)控帶來了一次技術(shù)革命。人們慢慢地從過去模擬處理方式轉(zhuǎn)向數(shù)字處理方式，開始使用PC機來處理圖像信號。利用計算機的數(shù)據(jù)處理能力與顯示器的高清晰度，將視頻信號通過視頻采集卡采集到計算機中，顯示在顯示器上，大大提高了圖像的畫質(zhì)。 基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)是一般采用下面的結(jié)構(gòu)：在遠端監(jiān)控現(xiàn)場，有若干個攝像機、各種檢測、報警探頭與數(shù)據(jù)設(shè)備，通過各自的傳輸線路，匯接到多媒體監(jiān)控終端上，多媒體監(jiān)控終端可以是一臺PC機，也可以是專用的工業(yè)機箱組成多媒體監(jiān)控終端。除了處理各種信息和完成本地所需要的各種功能外，系統(tǒng)利用視頻壓縮卡和通信接口卡，通過通信網(wǎng)絡(luò)，將這些信息傳到一個或多個監(jiān)控中心。 基于PC的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)功能較強，但穩(wěn)定性不夠好、功耗高、需要有專人值守。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 2現(xiàn)場的控制等）提供了一個初步的平臺。本文就基于嵌入式的系統(tǒng)總體設(shè)計方案、圖像運動目標檢測的方法及實現(xiàn)、嵌入式 Web Server 的設(shè)計及圖像傳輸和基于 GPRS 圖像傳輸模塊設(shè)計等四個問題進行了研究。 a．基于嵌入式的系統(tǒng)總體設(shè)計方案 在嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)中，需要由多個功能事件構(gòu)成并協(xié)同工作，才能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的有序高效的運行。然而，各功能事件（任務(wù)）均運行于功能不像其它商業(yè)RTOS那么強大的嵌入式操作系統(tǒng)181。C/OSII之上，以及各個任務(wù)所能調(diào)用的硬件資源極其有限，這就增加了各功能任務(wù)進行協(xié)作的復雜性。因此，需要對整個系統(tǒng)進行總體分析規(guī)劃，制定一種有序且高效的系統(tǒng)協(xié)作機制。 b．圖像運動目標檢測的方法及實現(xiàn) 作為智能化的嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)中具有自適應入侵檢測功能是必然的。因此，本文在總結(jié)當前各種先進的運動目標檢測算法利弊的基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)資源有限的特點，重點研究了一種新型的自適應背景的運動目標檢測算法，并在目標系統(tǒng)中編程實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，該算法在現(xiàn)場環(huán)境不變或漸變的情況下，能較好的對運動目標進行檢測，并且背景圖像能夠自適應環(huán)境的變化而自動更新。 c．嵌入式Web Server的設(shè)計及圖像傳輸 對于遠程的嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)，其傳輸信道的可靠性、方便性和靈活性是基本的要求。系統(tǒng)的有線傳輸信道采用基于以太網(wǎng)的嵌入式Web Server來發(fā)布現(xiàn)場圖像。因而，只要有以太網(wǎng)的場所即可搭建此監(jiān)控系統(tǒng)，這給用戶帶來了極大的方便，也省去了特意建網(wǎng)的費用；遠端的監(jiān)控人員只要打開普通的IE瀏覽器即可監(jiān)視現(xiàn)場的情況。實驗結(jié)果表明，該嵌入式Web Server能穩(wěn)定的工作，采用服務(wù)器拖拽技術(shù)動態(tài)地更新遠端監(jiān)控人員的網(wǎng)頁，并將清晰的畫面?zhèn)鬏敵鋈ァ?d．基于GPRS圖像傳輸模塊的設(shè)計 系統(tǒng)的另一種傳輸方式是無線信道，采用 GSM 的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)將圖像發(fā)送出去。因而，必須去了解 GPRS 業(yè)務(wù)的相關(guān)知識，包括無線鏈路的建立，數(shù)據(jù)的傳輸和鏈路的斷開等，設(shè)計一個基于 GPRS 的圖像傳輸模塊。這無疑給系統(tǒng)的實現(xiàn)增加了另一挑戰(zhàn)。實驗結(jié)果表明，該基于 GPRS 的圖像傳輸模塊能夠穩(wěn)定的完成無線鏈路的建立，數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙ぷ?，并能進一步改進為通用的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊為以后更多的應用提供了一個良好的無線傳輸通道。 課題研究的關(guān)鍵問題及解決途徑 本課題的關(guān)鍵技術(shù)包括基于熵的圖像運動檢測算法及實現(xiàn)，以及基于GPRS的遠程傳輸。 a．基于熵的圖像運動檢測算法及實現(xiàn) 采用動態(tài)差分背景圖象法進行運動目標檢測時，從序列圖象中當前幀圖象減去背景圖象后，判定差分圖像中活動區(qū)域（像素點）的閾值是算法的重點；需要尋找一個合適的閾值來分割當前幀圖像與背景圖像的差分圖像，以便使二值化后的圖像能更正確地反映原圖像的運動目標。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，選擇基于熵的閾值確定算法。西安工業(yè)大學碩士學位論文 3該運動檢測算法的基本思想是，采用當前畫面與動態(tài)更新背景的差分圖像，選擇使目標和背景的信息量（熵）達到最大值的灰度值作為分割的閾值，認為超過該閾值的部分即為圖像中的運動部分，再對該部分進行目標大小的估計，從而判斷目標是否存在及目標是否構(gòu)成威脅。 為了獲得較高質(zhì)量的運動區(qū)域，還需要對背景圖像進行更新以使背景圖像能夠自適應外部環(huán)境的變化，減少動態(tài)場景變化對運動分割的影響，有效地抑制光照變化、氣候變化、飛鳥的介入等外界因素對于運動檢測的影響。動態(tài)背景更新算法采用采用一階Kalman 濾波實現(xiàn)。 算法采用C語言實現(xiàn)。為加快檢測算法的速度，圖像采用灰度圖像。文中給出了算法的實現(xiàn)流程以及所實現(xiàn)背景更新和運動檢測的效果。 b．基于GPRS的遠程傳輸 GPRS[51]—General Packet Radio Service，為通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是通過公共移動通信網(wǎng)絡(luò)GSM系統(tǒng)傳輸TCPIP分組數(shù)據(jù)的有效手段。GPRS鏈路的建立是實現(xiàn)基于GPRS的遠程傳輸?shù)年P(guān)鍵點，需要經(jīng)過附著至網(wǎng)絡(luò)、啟動GPRS連接（包括啟動PPP協(xié)議撥號連接）等步驟建立GPRS鏈接，并建立與監(jiān)控中心的TCP連接。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要對GPRS鏈路和被傳的數(shù)據(jù)進行檢測，以避免鏈路的異常斷開。 文中給出了作者采用ARM7實現(xiàn)對GPRS模塊實施控制并實現(xiàn)GPRS鏈路建立、TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布蛙浖O(shè)計；詳細的設(shè)計過程在論文第六章中給出。 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài) 圖像監(jiān)控的動態(tài)及趨勢 圖像處理以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應用于許多場合。在電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的過程中圖像處理的技術(shù)水平，直接反映了不同階段的技術(shù)水平，人們往往把當時最先進的相關(guān)技術(shù)應用于該領(lǐng)域。圖像處理技術(shù)是圖像監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以這么說，從模擬圖像監(jiān)控系統(tǒng)到數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，是數(shù)字化技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。根據(jù)圖像處理技術(shù)發(fā)展的不同階段，圖像監(jiān)控系統(tǒng)大致可分為兩個大階段[12]： a．本地模擬圖像監(jiān)視 從攝像機、電視機出現(xiàn)的那天起，原始的圖像監(jiān)視系統(tǒng)就己誕生。它被廣泛應用于保安、生產(chǎn)管理等場合。本地圖像監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像機、視頻矩陣、監(jiān)視器、錄像機等組成，由視頻線、控制線纜等連接。其最大優(yōu)點是圖像清晰、不丟幀，系統(tǒng)相對比較簡單。雖然目前還在很多場合使用，但是應該算是圖像監(jiān)視系統(tǒng)的早期實現(xiàn)方式。 本地圖像監(jiān)視系統(tǒng)一般采用模擬方式傳輸，采用視頻電纜（或光纖），因此傳輸距離不能太遠，主要應用于小范圍內(nèi)的監(jiān)控，如樓層監(jiān)控等，監(jiān)控圖像一般也只能在控制中心查看或者以錄像帶的方式錄制。 西安工業(yè)大學碩士學位論文 6統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件等幾大部分組成。 b．嵌入式技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 隨著信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)也將獲得廣闊的發(fā)展空間。進入20世紀90年代，嵌入式技術(shù)全面展開，目前己成為通信和消費類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在通信領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)正在全面取代模擬技術(shù)。在廣播電視領(lǐng)域，美國己經(jīng)開始由模擬電視向數(shù)字電視的轉(zhuǎn)變，歐洲D(zhuǎn)VB（數(shù)字電視廣播）技術(shù)己在全球大多數(shù)國家推廣。在個人領(lǐng)域中，嵌入式產(chǎn)品將主要是作為個人移動的數(shù)據(jù)處理和通信軟件。由于嵌入式設(shè)備具有自然的人機交互界面，GUI屏幕為中心的多媒體界面給人很大的親和力。手寫文字輸入、語音撥號上網(wǎng)、收發(fā)電子郵件以及彩色圖形、圖像已取得初步成效。對于企業(yè)專用解決方案，如物流管理、條碼掃描、移動信息采集等，這種小型手持嵌入式系統(tǒng)將發(fā)揮巨大的作用。自動控制領(lǐng)域，不僅可以用于ATM機、自動售貨機、工業(yè)控制等專用設(shè)備，和移動通信設(shè)備、GPS、娛樂等相結(jié)合，嵌入式系統(tǒng)同樣可以發(fā)揮巨大的作用。 今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)產(chǎn)值己經(jīng)超過了1萬億美元。1998年11月在美國加州舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，基于RTOS的Embedded Internet成為一個技術(shù)新熱點。在國內(nèi)，“維納斯計劃”和“女蝸計劃”一度鬧得沸沸揚揚，機頂盒、信息家電這兩年更成了IT熱點，而實際上這些都是嵌入式系統(tǒng)在特定環(huán)境下的一個特定應用。據(jù)調(diào)查，目前國際上己有兩百多種嵌入式操作系統(tǒng)，而各種各樣的開發(fā)工具、應用于嵌入式開發(fā)的儀器設(shè)備更是不可勝數(shù)。 嵌入式技術(shù)的迅速發(fā)展不僅使之成為當前微電子技術(shù)與計算機技術(shù)中的一個重要分支，同時也使計算機的分類從以前的巨型機、大型機、小型機、微機之分變?yōu)橥ㄓ糜嬎銠C與嵌入式系統(tǒng)之分。嵌入式的應用更是遍及金融、航天、電信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、醫(yī)療、工業(yè)控制、軍事等各個領(lǐng)域，以致有些學者斷言，嵌入式技術(shù)將成為后PC時代的主宰。 c．嵌入式技術(shù)發(fā)展前景 以信息家電為代表的互聯(lián)網(wǎng)時代嵌入式產(chǎn)品，不僅為嵌入式市場展現(xiàn)了美好前景，注入了新的生命；同時也對嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，特別是軟件技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。這主要包括：支持日趨增長的功能密度、靈活的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、輕便的移動應用和多媒體的信息處理，此外，當然還需對付更加激烈的市場競爭。 （1）嵌入式應用軟件的開發(fā)需要強大的開發(fā)工具和操作系統(tǒng)的支持 隨著因