基于低成本CMOS攝像頭智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在考慮數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求和cmos攝像頭的價(jià)值、性能、功耗、體積和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，在普通pc機(jī)上運(yùn)用vc＋＋和vb編程實(shí)現(xiàn)了“基于低成本cmos攝像頭的數(shù)字圖像智能監(jiān)控系統(tǒng)”。當(dāng)監(jiān)控場景發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)拍照和錄像，并提供3個(gè)報(bào)警級別，同時(shí)實(shí)施相應(yīng)的處理機(jī)制，并進(jìn)行聲音報(bào)警，必要時(shí)還可以進(jìn)入人工干預(yù)。

1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)由微機(jī)、cmos攝像頭和軟件等組成，其基本功能如下：

（1）能夠克服廉價(jià)cmos攝像頭的不穩(wěn)定性和低象素低分辨率的缺陷，對監(jiān)控場景進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的監(jiān)控。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、自動(dòng)化。在發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，可以根據(jù)異常情況的危險(xiǎn)等級而實(shí)施不同的處理機(jī)制。

（3）具有拍照和錄像功能，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)將有關(guān)場景記錄在案，為日后分析提供影像證據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)還提供時(shí)間信息。

（4）具有完善的后處理能力，在本系統(tǒng)內(nèi)可以查看所拍攝的照片和錄像，方便用戶瀏覽查看，并且可以編輯、打印等。

（5）可靈活實(shí)現(xiàn)由自動(dòng)監(jiān)控到人工操作的切換。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主機(jī)由一臺(tái)普通pc機(jī)加載軟件而構(gòu)成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在兼顧高性能和低價(jià)格的綜合分析下，采用大容量的磁盤空間以存儲(chǔ)龐大的數(shù)據(jù)，選用穩(wěn)定性高的cpu以保證系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行。

cmos攝像頭為logitech express 2000。其象素值僅為10萬，當(dāng)分辨率為320×240pixels時(shí)，fps為15幀，照度在100－100 000勒克司之間。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序框圖

監(jiān)控軟件主程序框圖如圖2所示。

3.2 監(jiān)控程序框圖

監(jiān)控程序框圖如圖3所示。

系統(tǒng)將警報(bào)定為3個(gè)級別，分別是綠色警報(bào)、黃色警報(bào)和紅色警報(bào)。由低到高分別表示監(jiān)控場景安全、系統(tǒng)進(jìn)入警備狀態(tài)和系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)處于綠色報(bào)警狀態(tài)時(shí)，位于屏幕中心的視頻回放窗口中實(shí)現(xiàn)地回放cmos攝像頭捕捉的視頻圖像，位于屏幕下方的狀態(tài)欄則顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間以及當(dāng)前時(shí)間等信息。同時(shí)，內(nèi)部監(jiān)控程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測，一旦場景有變化就觸發(fā)高一級別的警報(bào)，并驅(qū)動(dòng)附屬設(shè)備工作。

4 對低成本cmos攝像頭的研究

4.1 圖像的獲取

在攝像頭圖像的獲取上，系統(tǒng)采用了logitech quick－cam sdk。這是一個(gè)com接口驅(qū)動(dòng)程序，通過對他的設(shè)定編程，就可以獲取攝像頭捕捉的圖像，圖4顯示了程序設(shè)計(jì)者和攝像頭低層驅(qū)動(dòng)之間的工作原理。

通過調(diào)用wdm驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序就可以和cmos攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

4.2 預(yù)處理方法

圖像在生成和傳輸過程中受噪聲干擾會(huì)使質(zhì)量下降。為了抑制噪聲和改善圖像質(zhì)量，必須對圖像進(jìn)行平滑處理。

為了濾除圖像中的噪聲，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用平滑技術(shù)，本系統(tǒng)中采用的平滑技術(shù)是對噪聲圖像使用局部算子，即僅對他的局部小領(lǐng)域內(nèi)的一些象素加以運(yùn)算。該方法也稱作非加權(quán)領(lǐng)域平均法，他均等地對待領(lǐng)域中的每個(gè)象素。設(shè)圖像中某象素的灰度值為f（x，y），他的領(lǐng)域s為n×n，點(diǎn)集總數(shù)為m，則平滑后該點(diǎn)的灰度值為整個(gè)區(qū)域的平均值。

領(lǐng)域運(yùn)算（neighborhood operation）實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行模板操作，即某個(gè)象素點(diǎn)的值不僅和本象素灰度有關(guān)，而且和其領(lǐng)域點(diǎn)的值有關(guān)，平滑模板的思想是通過某一點(diǎn)和其周圍8個(gè)點(diǎn)的象素值平均來濾除噪聲。

系統(tǒng)中采用的圖像模板操作函數(shù)如下：

利用該通用模板，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)局部平滑操作。

4.3 成像規(guī)律的研究

基于廉價(jià)的cmos攝像頭最嚴(yán)重的問題就是穩(wěn)定性差。也就是說如果對同一靜態(tài)場景進(jìn)行連續(xù)拍攝時(shí)，其圖像也存在很大差別。為此，首先進(jìn)行對靜態(tài)圖像連續(xù)拍攝的穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)，對圖像進(jìn)行三原色分離，比較各象素點(diǎn)的差值，統(tǒng)計(jì)不同的象素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

假設(shè)某一特定點(diǎn)在相鄰t1，t2時(shí)刻所對應(yīng)的三原色值分別為（r1，g1，b1）和（r2，g2，b2）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，r1≠r2，g1≠g2，b1≠b2，但其存在關(guān)系r1－r2△g1－g2△b1－b2。

三原色分離是分離前背景圖像的基礎(chǔ)，為此，構(gòu)建函數(shù)f（1），f（2）分別表示t1，t2時(shí)刻某一點(diǎn)所對應(yīng)的三原色函數(shù)值。通過對三原色分離后的誤差域值的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)|f（1）－f（2）|＝a＝45時(shí)（a稱為域值），可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)t1，t2時(shí)刻前背景圖像的分離，且系統(tǒng)反映速度較快，屬于非常合適的“折衷點(diǎn)”。因此，當(dāng)a≤45時(shí)，可以認(rèn)為圖像中t1，t2時(shí)刻的三原色差值是由于攝像頭的誤差造成的，否則判斷有物體進(jìn)入了監(jiān)控區(qū)域。

實(shí)現(xiàn)前背景分離的核心程序如下：

圖5所示即為程序運(yùn)行后的前背景分離結(jié)果。

5 結(jié)語

在系統(tǒng)的研究過程中，課題組投入了大量經(jīng)歷致力于低成本cmos攝像頭的研究，成功地克服了攝像頭穩(wěn)定性差、精度低等問題。探索出了一條低成本多媒體監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)之路。

通過在不同場所的系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)完全達(dá)到了高精度、高穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。但隨著對監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)一步要求，為適應(yīng)新的形勢，該系統(tǒng)在以下方面有待優(yōu)化。

（1）視頻信號的自動(dòng)切換，每間隔一定時(shí)間自動(dòng)切換攝像頭監(jiān)控區(qū)域。

（2）增加網(wǎng)絡(luò)功能，報(bào)警時(shí)可將照片和錄像傳輸?shù)竭h(yuǎn)端主機(jī)。

（3）增加電話報(bào)警功能，報(bào)警使可撥打報(bào)警電話。

（4）對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究。

（5）改進(jìn)圖像和視頻壓縮算法，采用mpeg4壓縮技術(shù)。