嵌入式人感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，監(jiān)控設(shè)備在日常生活中被廣泛使用。本文介紹的嵌入式人感系統(tǒng)就是基于嵌入式操作系統(tǒng)之上，對(duì)監(jiān)控設(shè)備功能作了部分改良和拓展后，在安防領(lǐng)域的運(yùn)用。本文從操作系統(tǒng)選擇、硬件結(jié)構(gòu)介紹和圖像處理、圖像識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)等方面，分別對(duì)嵌入式人感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了全面描述。在實(shí)際環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)表明：嵌入式人感系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的異常狀況實(shí)時(shí)、高效、精確地實(shí)現(xiàn)了判斷、報(bào)警功能。
關(guān)鍵詞：人感系統(tǒng)；嵌入式技術(shù)；圖像處理；圖像識(shí)別

0 概述
    隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種各樣的監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)隨處可見(jiàn)，在不同的領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。但是諸如保密室、金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)等關(guān)系到重大財(cái)產(chǎn)安全的場(chǎng)所，簡(jiǎn)單的視頻監(jiān)控功能是無(wú)法滿足其在安防層面上的要求的。實(shí)際應(yīng)用中普遍使用的方式是：出現(xiàn)異常情況后，通過(guò)報(bào)警器報(bào)警，并將現(xiàn)場(chǎng)狀況通過(guò)監(jiān)控設(shè)備記錄下來(lái)，供警方在事后調(diào)查時(shí)進(jìn)行取證。因此實(shí)時(shí)性極差，且由于受到報(bào)警器前端探測(cè)裝置的物理性能的限制，往往會(huì)因溫度、濕度、光照角度等環(huán)境因素的影響，而對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的狀況做出誤判，引起誤警的情況。同時(shí)，監(jiān)控設(shè)備的持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作也很浪費(fèi)能源，不符合當(dāng)下節(jié)能環(huán)保的理念。如何降低誤判率，合理控制監(jiān)控設(shè)備的工作模式，已經(jīng)成為用于此類特殊場(chǎng)所的安防設(shè)備在下階段開(kāi)發(fā)中一個(gè)重要的研究課題。
    本文研究的嵌入式人感系統(tǒng)正是應(yīng)用在此類特殊環(huán)境下的安防設(shè)備。本系統(tǒng)旨在對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況做出準(zhǔn)確、完整的判斷和快速、高效的處理，更好地實(shí)現(xiàn)安防的功能。
    考慮到本系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備功能的改良和拓展，需要簡(jiǎn)單精悍、開(kāi)銷不大、使用靈活方便，同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)部件損壞時(shí)要便于更換，還要美觀實(shí)用，從技術(shù)的角度而言，運(yùn)用嵌入式技術(shù)是最為便捷合理的方式。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
    隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)芯片具備了更強(qiáng)的處理能力，使得集成了多種接口已成為可能。同時(shí)，由于各類產(chǎn)品對(duì)于可靠性、成本、更新?lián)Q代要求的提高，使得嵌入式系統(tǒng)逐漸在同類產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，成為了IT界的新焦點(diǎn)。
    嵌入式系統(tǒng)被普遍認(rèn)可是一類以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、滿足對(duì)系統(tǒng)功能、可靠性、體積、功耗、成本等嚴(yán)格要求的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管嵌入式系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上處于主流位置，但在開(kāi)發(fā)過(guò)程中采用的諸如Linux、OSGi或者Java都是開(kāi)放式編程環(huán)境，不存在市場(chǎng)壟斷，且充滿創(chuàng)新，不斷發(fā)展。嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為通信產(chǎn)品和消費(fèi)電子領(lǐng)域的共同發(fā)展方向，并開(kāi)始逐漸用于安防領(lǐng)域。同時(shí)，由于業(yè)界的廣泛關(guān)注，各類嵌入式處理器(硬件)、嵌入式操作系統(tǒng)(軟件)的開(kāi)發(fā)也推動(dòng)了嵌入式技術(shù)的進(jìn)步和信息技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的發(fā)展。
    鑒于嵌入式技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的信息采集和數(shù)據(jù)處理的功能，在承擔(dān)高要求、強(qiáng)負(fù)荷的同時(shí)，性能穩(wěn)定且卓越，所以本文在人感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中采用嵌入式技術(shù)。
    根據(jù)各類安防系統(tǒng)對(duì)信息處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求，人感系統(tǒng)采用如下的設(shè)計(jì)思路：采用主芯片、圖像采集模塊和PIR紅外傳感器模塊的組合，由PIR紅外傳感器模塊對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)中的狀況做持續(xù)主動(dòng)檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，通知主芯片控制圖像采集模塊進(jìn)行定周期的圖像采集，并對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，根據(jù)判別結(jié)果，由主芯片執(zhí)行后續(xù)操作。若圖像采集模塊出現(xiàn)連續(xù)10個(gè)周期無(wú)異常圖像時(shí)，則關(guān)閉圖像采集模塊；否則，啟動(dòng)報(bào)警裝置，并將采集得到的最后20個(gè)周期圖像壓縮存儲(chǔ)于存儲(chǔ)設(shè)備中或傳輸至終端設(shè)備上。通過(guò)利用這樣的雙重智能識(shí)別的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)減少對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況可能產(chǎn)生的誤判和合理控制監(jiān)控設(shè)備工作模式的目的，真正達(dá)到智能安防的效果。

    圖中：PIR Senser(紅外傳感器模塊)，負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行物理監(jiān)測(cè)；CMOS<圖像采集模塊)，完成對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)狀況的圖像采集；MCU(主芯片)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、圖像處理，周像識(shí)別等功能；IRLED(紅外LED補(bǔ)光)輔助功能模塊，當(dāng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境光線比較差的時(shí)候，為了有更好的圖像采集效果，通過(guò)該模塊進(jìn)行紅外補(bǔ)光。
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2 硬件模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    基于上一節(jié)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)各個(gè)硬件模塊主要構(gòu)成如下：
2．1 PIR紅外感應(yīng)模塊
    PIR紅外感應(yīng)模塊在未斷電的情況下，是始終保持工作狀態(tài)的，只要當(dāng)監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)了符合其觸發(fā)條件的目標(biāo)，它就會(huì)通過(guò)發(fā)送一個(gè)高電平信號(hào)的方式通知主芯片啟動(dòng)圖像采集模塊，進(jìn)而進(jìn)行之后的相關(guān)操作。其仍然保持工作狀態(tài)。
2．2 圖像采集模塊
    圖像采集模塊由于其硬件性能的原因，如果以PIR紅外感應(yīng)模塊相同的工作方式長(zhǎng)時(shí)間工作，一方面會(huì)非常耗電，不符合節(jié)能的設(shè)計(jì)初衷，同時(shí)對(duì)于其硬件部分也有很大的損害，減短模塊的使用壽命。因此，該模塊采用的是，當(dāng)需要進(jìn)行圖像采集操作時(shí)，由主芯片啟動(dòng)的方式工作。模塊啟動(dòng)后，通過(guò)攝像頭部件定時(shí)對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的場(chǎng)景進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像保存到主芯片中，由主芯片對(duì)圖像進(jìn)行下一步的操作。在未接到主芯片令其停止工作的指令前，它始終保持循環(huán)執(zhí)行以上工作過(guò)程的狀態(tài)。
2．3 主芯片
    主芯片除了負(fù)責(zé)對(duì)PIR紅外感應(yīng)模塊狀態(tài)監(jiān)控、圖像采集模塊工作模式的控制和警報(bào)控制操作之外，還有一個(gè)非常重要的工作一對(duì)圖像采集模塊采集得到的圖像進(jìn)行圖像處理、圖像識(shí)別和結(jié)果判斷，決定是否需要執(zhí)行相應(yīng)的警報(bào)控制操作。所以，在主芯片的選擇上既需要有充足的內(nèi)存空間，還需要具備較強(qiáng)的處理能力，綜合以上需求，最終確定選擇Samsung S3C6410這塊ARM7處理芯片來(lái)作為主芯片。
2．4 紅外LED補(bǔ)光
    紅外補(bǔ)光模塊是人感系統(tǒng)的一個(gè)輔助功能模塊，當(dāng)圖像采集模塊獲得的圖片亮度過(guò)低時(shí)，為了有更好的圖像采集效果，在圖像采集模塊工作時(shí)通過(guò)該模塊進(jìn)行紅外補(bǔ)光。
    注；鑒于節(jié)能的原則，以上處于長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)的電路模塊使用的都是3．3～5．0V的直流電源。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)
    鑒于人感系統(tǒng)的特點(diǎn)，軟件模塊設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容主要是主芯片對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)中異常狀況的圖像采集，以及之后的圖像處理和圖像識(shí)別算法的相關(guān)技術(shù)，不包括圖像傳輸和圖像壓縮存儲(chǔ)方面的內(nèi)容。
    隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)的提取和有效監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為圖像處理、圖像識(shí)別中的關(guān)鍵技術(shù)。在圖像序列中如何精確地提取出具有實(shí)際意義的對(duì)象實(shí)體，是之后根據(jù)預(yù)設(shè)的閾值對(duì)對(duì)象實(shí)體進(jìn)行圖像識(shí)別的基礎(chǔ)。
3．1 對(duì)象提取
    對(duì)象提取的常用方法有，幀間差分法、背景差分法和光流法。幀間差分法是基于時(shí)間序列圖像上的差分方法，對(duì)外界干擾不敏感，可以避免一些不必要的噪聲干擾，但通常難以獲取檢測(cè)目標(biāo)的完整輪廓；光流法是利用圖像序列中的像素強(qiáng)度的時(shí)域變化和相關(guān)性來(lái)確定各自像素位置的狀況，由于該方法是對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的位置確認(rèn)，且運(yùn)算公式復(fù)雜，計(jì)算量比較大，不適合用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的系統(tǒng)中。鑒于實(shí)際需求等因素的考慮，在本設(shè)計(jì)中采用最直接、最簡(jiǎn)單的背景差分法來(lái)對(duì)圖像采集模塊得到的圖像進(jìn)行對(duì)象提取。
    背景差分法需要事先將背景圖像存儲(chǔ)起來(lái)，供以后差分時(shí)使用，因此在人感系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，圖像采集模塊會(huì)隨之啟動(dòng)，采集并存儲(chǔ)當(dāng)前幀的圖像，然后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式。由于新出現(xiàn)的對(duì)象實(shí)體在灰度上和背景的灰度會(huì)存在較為明顯的差異，這樣作差之后的圖像中新出現(xiàn)的對(duì)象實(shí)體會(huì)有較大的灰度值。背景差分法就是基于此原理，通過(guò)對(duì)當(dāng)前圖像和背景圖像作差的方式，將對(duì)象實(shí)體從背景中提取出來(lái)。
    假設(shè)當(dāng)前幀二值化后的圖像為Ni，背景圖像二值化后為B，圖像閾值為pt，那么背景差分二值化后的圖像為：
   
    這樣，當(dāng)背景差分二值化后圖像的灰度值為255的像素點(diǎn)都被視為對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)。
3．2 對(duì)象識(shí)別
    對(duì)象識(shí)別就是對(duì)提取得到的對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)的面積與預(yù)設(shè)閾值的比較。
    當(dāng)完成了對(duì)象提取步驟后，需要根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)拈撝礣，對(duì)獲得的對(duì)象實(shí)體進(jìn)行判斷。當(dāng)對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)組成的連通域的總面積大于閾值T時(shí)，視為出現(xiàn)異常情況，通知主芯片啟動(dòng)報(bào)警裝置；當(dāng)對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)組成的連通域的總面積小于閾值T時(shí)，視為PIR紅外傳感器模塊被誤觸發(fā)或者觸發(fā)PIR紅外傳感器模塊的物體不是&ldquo;入侵者”，非異常情況，無(wú)需啟動(dòng)報(bào)警裝置。
3．3 圖像處理
    背景差分法能夠簡(jiǎn)單地將對(duì)象實(shí)體從背景中提取出來(lái)，能完整獲得對(duì)象實(shí)體的位置、大小、形狀等信息，但是由于其自身算法的限制，該方法往往會(huì)遇到噪聲和外界環(huán)境變化帶來(lái)的影響。
    由于噪聲的影響，會(huì)使一些本不屬于對(duì)象實(shí)體上的點(diǎn)被錯(cuò)誤地歸入對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)，或者由于背景圖像中的噪聲，導(dǎo)致一些本屬于對(duì)象實(shí)體上的點(diǎn)被忽略。為了減少這類因素的影響，在圖像二值化操作之前，需要先對(duì)圖像去噪處理后再進(jìn)行對(duì)象提取。另外，由于受到光線等環(huán)境因素的影響，圖像中會(huì)出現(xiàn)與目標(biāo)實(shí)體具有一定相同視覺(jué)特性的陰影像素點(diǎn)，若直接使用背景差分法，對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)組成的連通域的總面積會(huì)因陰影像素點(diǎn)的存在而變大，使得對(duì)象識(shí)別時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。為此，在對(duì)象提取前，還需要對(duì)當(dāng)前幀在HSV色彩空間中進(jìn)行陰影檢測(cè)。
   
    式中，I為當(dāng)前幀，B為背景圖像，S為陰影像素點(diǎn)。設(shè)定α為光源影響系數(shù)，光源越強(qiáng)，α越??；β是為了去除噪聲的影響。Ts、Th的設(shè)定是為了區(qū)分當(dāng)前幀和背景圖像之間的差別。
    為了進(jìn)一步精確地獲取對(duì)象實(shí)體，在圖像識(shí)別前，需要運(yùn)用諸如數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，對(duì)背景差分二值化后的圖像進(jìn)行處理，計(jì)算對(duì)象實(shí)體目標(biāo)點(diǎn)組成的連通域的總面積時(shí)設(shè)定一個(gè)統(tǒng)計(jì)閾值t，當(dāng)某個(gè)連通域面積小于t時(shí)，則該連通域的面積不計(jì)入總面積之中。
    至此，就可以比較完整地提取出對(duì)象實(shí)體，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行較為精確的對(duì)象識(shí)別操作了。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本實(shí)驗(yàn)是為了驗(yàn)證上節(jié)軟件模塊設(shè)計(jì)部分的對(duì)象提取、圖像處理和圖像識(shí)別算法的可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)際應(yīng)用效果。(軟件環(huán)境：Linux；每幀大?。?52×288。)
    在一個(gè)封閉的辦公室中，啟動(dòng)人感系統(tǒng)，然后有一個(gè)人進(jìn)入并通過(guò)監(jiān)控區(qū)域，人感系統(tǒng)準(zhǔn)確判定出目標(biāo)為&ldquo;入侵者”。
    實(shí)驗(yàn)效果圖如下：

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    圖2當(dāng)前幀圖像

    圖3圖像處理后對(duì)象處理得到的圖像
    實(shí)驗(yàn)表明：硬件模塊可以正常、穩(wěn)定地運(yùn)行，當(dāng)連接液晶顯示屏觀察圖像采集模塊工作狀態(tài)時(shí)，顯示效果良好，采集得到的圖像是352× 288像素的圖像，在不同的亮度條件下，采集得到的目標(biāo)都 比較清晰，表明圖像采集模塊可高效完成圖像采集任務(wù)。
    系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，有PIR紅外傳感器模塊、圖像采集模塊和主芯片組成的人感系統(tǒng)在安防環(huán)境下是穩(wěn)定、可靠、高效的。
    采用的圖像處理、圖像提取和對(duì)象識(shí)別算法，可以對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行有效處理和識(shí)別判斷，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié)論
    經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、數(shù)字信息時(shí)代的到來(lái)，給嵌入式技術(shù)創(chuàng)造了巨大的發(fā)展空間，對(duì)于監(jiān)控設(shè)備在安防領(lǐng)域的運(yùn)用提出了更多、更高的要求。嵌入式技術(shù)必將在安防領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，特別是圖像處理與圖像識(shí)別方面。
    本文基于安防領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和特殊需求，結(jié)合嵌入式技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，采用嵌入式技術(shù)，以主芯片、圖像采集模塊和PIR紅外傳感器模塊構(gòu)建了人感系統(tǒng)。引入圖像處理和圖像識(shí)別算法，有效降低了誤判率，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。