嵌入式人感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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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“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；每幀大小：352×288。)
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“入侵者”。
實(shí)驗(yàn)效果圖如下：本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/148169.htm
評(píng)論