基于S3C6410處理器和Linux的家居監(jiān)控運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)

選用ARM11(S3C6410)處理器作為硬件平臺，嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，綜合運(yùn)動圖像檢測的背景差分法和幀間差分法為算法，并與GSM模塊相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用于家居環(huán)境或私人辦公室無人值守的運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)。提出了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟硬件平臺的設(shè)計流程，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們的安防意識越來越強(qiáng)，而計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信技術(shù)，和數(shù)字視頻編碼技術(shù)的日益成熟，使基于計算機(jī)的多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。但是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)因十分復(fù)雜，功耗和成本較高且需要值守，而無法應(yīng)用于諸如家居或私人辦公室等場所，為此，本文設(shè)計了一種以ARM11為核心處理器，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上加入了目標(biāo)檢測的算法，并與GSM模塊相結(jié)合，已達(dá)到無人值守的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

運(yùn)動目標(biāo)檢測系統(tǒng)采用S／B(服務(wù)器／瀏覽器)工作模式，總體上分為服務(wù)器監(jiān)控模塊，短信通知模塊(GSM)和客戶查看模塊。服務(wù)器監(jiān)控模塊采用三星公司的ARM11(S3C6410)微處理器，開源的Linux操作系統(tǒng)，GSM模塊采用Q2403A芯片，當(dāng)監(jiān)控的畫面發(fā)生變化，即檢測到運(yùn)動目標(biāo)時，服務(wù)器會將發(fā)生變化的圖像以圖片的格式存儲起來發(fā)送給客戶端，與此同時2403A會以短信的方式通知客戶，客戶可以通過IE瀏覽器來查看圖像的變化結(jié)果。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)

? ??本文采用廣州友善之臂公司的Tiny6410開發(fā)板，Tiny6410是一款以ARM11(三星S3C6410)作為主處理器的嵌入式板，該CPU基于ARM11-76JZF-S核設(shè)計，內(nèi)部集成了強(qiáng)大的多媒體處單元。硬件架構(gòu)如圖2所示。短信通知模塊的Q2403A為WAVECOM公司推出的一款GSM?GPRS模塊，其體積較小，重量較輕，主要由射頻天線，內(nèi)部FLASH，SRAM和GSM基帶處理器，匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個協(xié)處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。

3 軟件平臺

? ??系統(tǒng)軟件平臺以Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首先在宿主機(jī)上建立交叉編譯環(huán)境，并安裝交叉編譯器arm-Linux-gCC。其次完成U-Boot以及Linux 2．6．33內(nèi)核的移植和編譯，構(gòu)建基于busy-box1．13．3的根文件系統(tǒng)，由于嵌入式服務(wù)器資源的局限性，包括內(nèi)存大小，CPU的
處理能力等。因此，在設(shè)計過程中需要對內(nèi)核進(jìn)行裁剪，在提高系統(tǒng)性能的同時減少了系統(tǒng)資源的占用，在剪裁過的Linux操作系統(tǒng)上編寫運(yùn)動檢測的應(yīng)用程序和短信報警程序。
? ? ? ? ? ?3．1 嵌入式Linux下的運(yùn)動目標(biāo)檢測算法
? ??目前，對運(yùn)動物體的檢測和運(yùn)動參數(shù)測量的研究方向主要有2種，即：運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)用圖像處理的方法，大多數(shù)專家學(xué)者都把研究重點放在運(yùn)用圖像處理的方法進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測和跟蹤，現(xiàn)在的比較有效的圖像運(yùn)動目標(biāo)檢測的方法主要是光流法和差分圖像法。一般來說光流發(fā)的時間開銷很大，其實時性和實用性。相反，圖像差分法比較簡單，易于實現(xiàn)，圖像差分法可分為2類：背景圖像差分法和幀間差分法。背景圖像差分法是傳統(tǒng)運(yùn)動目標(biāo)檢測方法中最直接最簡序列圖像當(dāng)前幀與背景圖像做減法運(yùn)算。由于運(yùn)動物體和背景在灰度或色彩上存在差別，相減后所得的結(jié)果中每一像素的值和一個預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，如果這個像素的值大于設(shè)定的閾值，則判定被監(jiān)控的場景中存在運(yùn)動物體，總而得到運(yùn)動的目標(biāo)。背景圖像差分法原理設(shè)計簡單，但同時也存在受光線，天氣等外界條件變化的影響較大。幀間差分法是一種通過對視頻圖像序列中相鄰兩幀做差分運(yùn)算來獲得運(yùn)動目標(biāo)輪廓的方法，它可以很好地適用于存在多個運(yùn)動目標(biāo)和攝像機(jī)移動的情況，當(dāng)監(jiān)控場景中出現(xiàn)異常物體運(yùn)動時，幀與幀之間會出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，得到兩幀圖像亮度的絕對值，判斷它是否大于閾值來分析視頻或圖像序列的運(yùn)動特性，確定圖像序列中有無物體運(yùn)動，圖像序列逐幀的差分，相當(dāng)于對圖像序列進(jìn)行時域上的高通濾波。幀間差分法對光線等場景變化不太敏感，能適應(yīng)各種動態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定性較好，其缺點是：不能提取出對象的完整區(qū)域，只能提取出邊界，當(dāng)物體在前后兩幀中幾乎完全重疊時，則檢測不到運(yùn)動的物體。鑒于背景差分法和幀間差分法的優(yōu)缺點，將兩種方法結(jié)合起來，使它們優(yōu)勢互補(bǔ)。在視頻圖像序列中，利用已有的背景差分法和幀間差分法作為啟示，將動態(tài)圖像中連續(xù)兩幀差圖像和背景差圖像直接進(jìn)行與操作，再將結(jié)果進(jìn)行二值化處理得到運(yùn)動結(jié)果。

3．2 算法描述
? ??算法描述如下所示：
? ? (1)對序列圖像進(jìn)行3x3中值濾波預(yù)處理，去掉圖像隨即噪聲。減少以后運(yùn)算的復(fù)雜度，克服噪聲對圖像處理結(jié)果的干擾；
? ? (2)從視頻圖像序列中選取背景圖像Bk(x,y)，使其只包含固定的背景圖像；
? ? (3)在視頻圖像序列中選取連續(xù)的兩幀圖像，其中前一幀圖像Pk-1(x，y)；
? ? (4)計算當(dāng)前幀與背景幀差得FD(x，y)，從圖像中提取出完整的目標(biāo)；
? ? (5)計算當(dāng)前幀與前一幀的差得FD(x，y)，得到目標(biāo)的變化量；
? ? (6)求幀差FD(x，y)與FG(x，y)的交集得到運(yùn)動目標(biāo)粗糙的運(yùn)動區(qū)域圖像；
? ? (7)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算使得運(yùn)動區(qū)域封閉，連續(xù)完整，并去掉背景中的噪聲。
? ? 其中:
? ?
? ? 式中T為閾值。對于給定視頻序列的圖像，假設(shè)像素點k處沒有運(yùn)動，其幀差也服從均值為0，方差為σ2的Gauss分布N(O，σ2)：
? ??
? ? 式中：H0表示無運(yùn)動假設(shè)；σ2是幀差得統(tǒng)計方差，通常認(rèn)為他等于攝像頭噪聲方差的2倍。根據(jù)概率統(tǒng)計學(xué)假設(shè)檢驗“3σ”法則，并根據(jù)“正確的閾值T應(yīng)該能消除大部分噪聲”的原則。由實驗測試的閾值T在本系統(tǒng)的應(yīng)用背景下可以選在5～15之間。基于以上算法，系統(tǒng)的具體實現(xiàn)如圖3所示。

3．3 GSM模塊的短信通知
? ??對于GSM模塊來說所有的操作都是通過AT命令(AT命令就是與MODEM相連的終端或計算機(jī)發(fā)出的以“AT”開始(除兩個立即執(zhí)行命令外)，以回車結(jié)束執(zhí)行的一套命令)來實現(xiàn)的。編程時先把AT命令作為數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)串口發(fā)送給GSM模塊，GSM模塊把接收到的數(shù)據(jù)作為AL命令來解釋，隨后根據(jù)命令執(zhí)行響應(yīng)的操作。具體操作為：包含串口操作需要的頭文件，打開串口，在linux下串口相關(guān)文件是位于／dev下，打開串口是通過使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)操作：fd=open(“／dev／ttySO”，O_RDWR)；設(shè)置串口最基本的設(shè)置串口包括波特率，校驗位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值；設(shè)置短信發(fā)送格式(O_PDU，1_文本)；發(fā)送短消息。例如短消息的內(nèi)容為hel lo，則AT指令應(yīng)為AT+CMGS=“139# # # # #2312”>hello＾z(^z表示CTRl+z)；關(guān)閉串口close(fd)。
? ? ? ? 3．4 圖像的傳輸
? ??實現(xiàn)流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆椒ㄓ泻芏?，超文本傳輸協(xié)議(HyperText Transfer Protocol，HTTP)是用于從WWW服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳輸協(xié)議，屬于客戶端瀏覽器與Web服務(wù)器之間的應(yīng)用通信層協(xié)議，它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡(luò)傳輸減少。HTTP協(xié)議采用了請求／響應(yīng)模式，具體實現(xiàn)過程為：在嵌入式開發(fā)板S3C6410中植入嵌過人式Web服務(wù)器，在完成配置之后，用戶先在地址欄里輸入URL地址，此時客戶端瀏覽器打開一個Socket文件，標(biāo)志著成功的建立了連接，通過Socket客戶端瀏覽器IE向Web服務(wù)器提交請求，Web服務(wù)器接收到請求后處理請求，并將結(jié)果通過HTTP送回給客戶端瀏覽器IE。當(dāng)瀏覽器IE與服務(wù)器建立了連接后，通過system(“tar”)和system(“cp”)將存儲在開發(fā)板上的圖片打包并拷貝到Web服務(wù)器的主目錄下，并編寫主目錄下的超文本標(biāo)記語言(Hypertext MarkedLanguage，HTML)，是一種用來制作超文本文檔的簡單標(biāo)記語言，超文本傳輸協(xié)議規(guī)定了測覽器在運(yùn)行HTML文檔時所遵循的規(guī)則和進(jìn)行的操作。HTML文件中最端的瀏覽器可以訪問服務(wù)器主目錄下保存的圖像。具體的格式為：超鏈接名稱，標(biāo)簽表示一個鏈接的開始，表示鏈接的結(jié)束。

4 實驗結(jié)果

? ??整套系統(tǒng)在模擬的環(huán)境下進(jìn)行了測試，啟動系統(tǒng)，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，移動攝像頭視野中的某樣物體，使監(jiān)控的畫面發(fā)生變化，此時系統(tǒng)會發(fā)短信給用戶，當(dāng)用戶收到短信時，打開瀏覽器，在地址欄輸入URL，下載存儲在Web服務(wù)器主目錄下的圖片，便可以查看實驗結(jié)果。顯示的圖片結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)會將攝像頭視野范圍內(nèi)的運(yùn)動物體框起來，并記錄下發(fā)現(xiàn)運(yùn)動物體的時間。

5 結(jié)語

? ??本文設(shè)計了一種以ARM11為核心芯片，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，采用背景差分法和幀間差分法相結(jié)合作為核心算法的運(yùn)動檢測系統(tǒng)。并與GSM模塊相結(jié)合，已達(dá)到監(jiān)控?zé)o人值守的目的，實驗結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的，該系統(tǒng)體積小，功耗低，成本低，使用方便靈活，功能可擴(kuò)展等特點，可用于家居環(huán)境或是私人辦公室等場所。具有較好的市場前景。