鄭國剛, 丁海洋

(1.上海辰銳信息科技公司北京分公司,北京100012;2.北京印刷學(xué)院,北京102600)

1 引言

針對基于DSP6000的實驗室安全控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,即以TI的TMS320DM642為核心構(gòu)建一個實驗室安全控制系統(tǒng)。TMS320DM642主頻600MHz,其最大處理能力可達(dá)到4800MIPS,采用兩級緩存結(jié)構(gòu)L1P、L1D、L2,最大外擴(kuò)存儲器1024MB,具有64個獨立通道的EDMA[1]。

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,很多實驗室具有大量昂貴的設(shè)備,而實驗室出入的人員較多,所以實驗室的安全控制就顯得尤其重要。王玉峰[2]描述了實驗室頻監(jiān)控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用的思想;黃三偉[3]和呂陽偉[4]介紹了實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案和實現(xiàn)思路;李玉峰[5]介紹了基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。以上重點介紹了實現(xiàn)思路和方案,但是實驗驗證較少。

以TMS320DM642為核心構(gòu)建一個實驗室安全控制系統(tǒng),通過攝像機(jī)采集視頻圖像,將圖像傳輸給DM642進(jìn)行圖像處理,包括獲取背景圖像、差影處理、圖像分割、運(yùn)動目標(biāo)檢測、安全控制,并將檢測結(jié)果顯示在液晶屏上。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

通過模擬攝像頭采集得到PAL制電視模擬信號,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換芯片SAA7115得到數(shù)字視頻信號,傳給DM642的視頻接口,DM642對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理,完成印刷質(zhì)量檢測,輸出的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換芯片SAA7105轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電視信號輸出TV顯示,而處理前后的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)都存儲在SDRAM中。

系統(tǒng)的核心是在DM642上編程實現(xiàn)實驗室安全控制系統(tǒng),系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖1 實驗室安全控制系統(tǒng)硬件組成框圖

圖像采集：通過鏡頭和CCD相機(jī)采集實驗室環(huán)境中的彩色視頻圖像。獲取背景：從視頻序列圖像中,獲取一幀圖像作為背景圖像。差影處理：將當(dāng)前采集的前景圖像與背景圖像進(jìn)行差影處理,對差影后的圖像進(jìn)行圖像平滑和圖像分割,得到分割后的圖像。運(yùn)動目標(biāo)檢測：在分割后的圖像中,結(jié)合投影法進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測,檢測當(dāng)前是否有運(yùn)動目標(biāo),如果有,獲取該目標(biāo)的位置。安全控制：在當(dāng)前幀圖像中,標(biāo)出運(yùn)動目標(biāo)位置,存儲該幀圖像,并可以根據(jù)需要進(jìn)行其他安全控制,如：發(fā)出警報、閃爍紅燈、存儲文件等。

圖2 實驗室安全控制算法實現(xiàn)框圖

2 獲取背景及差影處理

在實驗室環(huán)境中,當(dāng)攝像機(jī)的位置和角度固定后,當(dāng)采集區(qū)域內(nèi)沒有運(yùn)動目標(biāo)時,攝像機(jī)采集的圖像應(yīng)該是基本沒有變化的,所以主要以差影法為核心,進(jìn)行安全控制,即先采集一幅機(jī)房中常態(tài)下的圖像作為背景圖像。所謂常態(tài)下的圖像,即機(jī)房中無人的情況下,平時正常的圖像;所謂安全控制,主要是檢測采集區(qū)域內(nèi)是否有人的出現(xiàn),即將采集的圖像與背景圖像進(jìn)行差影法處理,并進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測,根據(jù)檢測的結(jié)果,進(jìn)行相應(yīng)的安全控制。

在開始采集圖像后,固定攝像機(jī)的位置和角度,采集下一個合適條件下的圖像,作為背景圖像,保存起來,圖3為實驗室環(huán)境中的背景圖像。

2.1 差影法

差影法,即圖像的相減運(yùn)算,是指把同一景物在不同時間拍攝的圖像相減[6],差值圖像提供了圖像間的差異信息,能用以指導(dǎo)動態(tài)檢測、運(yùn)動目標(biāo)檢測和跟蹤、圖像背景消除及目標(biāo)識別等工作。文中采用不同時間拍攝的背景圖像和前景圖像進(jìn)行差影法處理。實時采集得到檢測圖像,如圖4所示。將檢測圖像與背景圖像進(jìn)行差影處理。

圖3 實驗室背景圖像

另外,要進(jìn)行差影處理一定要保證攝取的背景圖像和手勢圖像時,攝像機(jī)的位置和角度不變,如果攝像機(jī)位置或角度發(fā)生變化,則要重新攝取背景圖像。

圖4 差影法圖像

2.2 圖像平滑

對差影處理后的圖像,為了減少噪聲點的干擾,需要先進(jìn)行圖像平滑處理,再進(jìn)行圖像分割,最常用的圖像平滑方法,即鄰域平均法。這種方法的主要思想是用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度。假定有一幅N×N個像素的圖像f(x,y),平滑處理后得到一幅圖像g(x,y)。

式中 x,y=0,1,2,…,N-1,S是(x,y)點鄰域中點的坐標(biāo)的集合,M是集合內(nèi)坐標(biāo)點的總數(shù)。上式說明平滑化的圖像g(x,y)中的每個像素的灰度值均由包含在集合S中的f(x,y)的幾個像素的灰度值的平均值來決定。集合S通常有四鄰域和八鄰域,四鄰域表示為：

八鄰域表示為：

論文采用八鄰域的圖像平滑算法,即采用一個3×3模板對圖像中每個像素(邊界點除外)進(jìn)行平滑,將像素及其八鄰域的各像素像素值求和,再取平均值代替該像素原像素值。

圖5 3×3平滑模板

2.3 閾值分割

閾值分割的基本思想是找到一個閾值,使按照這個閾值劃分目標(biāo)和背景區(qū)域的錯誤概率最小。設(shè)圖像種感興趣的目標(biāo)的像素點灰度為正態(tài)分布,密度為P1(c),均值和方差為 μ1和 σ21,設(shè)背景點的灰度也作正態(tài)分布,密度為P2(c),均值和方差為 μ2和σ22,換言之,整個密度函數(shù)可看作是兩個單峰密度函數(shù)的混合,如圖6所示。

設(shè)目標(biāo)的像素點數(shù)占圖像總點數(shù)的百分比為Q,背景點占(1-Q),當(dāng)選定門限為 T時,目標(biāo)點錯劃為背景點的概率

當(dāng)錯誤概率最小時,這時的T就是最佳閾值。

對于圖像平滑后的圖像進(jìn)行灰度閾值分割,由于此時的圖像為彩色圖像,所以要先將其轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

對其進(jìn)行灰度閾值分割,

其中 Tc為對差影后圖像進(jìn)行分割的閾值。

差影法后進(jìn)行閾值分割的結(jié)果如圖7所示。

圖6 目標(biāo)點和背景點的灰度分布

圖7 差影法分割后的結(jié)果

3 運(yùn)行目標(biāo)檢測

運(yùn)動目標(biāo)檢測的目的,主要是檢測圖像中是否存在人的運(yùn)動,而一個正常人在平面圖像中,總是具有一定的寬度和高度,這些都需要在分割后的圖像中,通過算法檢測前景目標(biāo)的參數(shù),而首先需要進(jìn)行投影法處理。

3.1 投影法

投影法有中心投影法和平行投影法。假設(shè)投影線有一點出發(fā),將空間形體表現(xiàn)在投影平面上的方法,稱為中心投影法。平行投影法也可以看作中心投影法的一種特殊情況,既當(dāng)投影中心位于無窮遠(yuǎn)時,則所有投影線為互相平行,此時所得的投影就是平行投影。平行投影法中包括正投影和斜投影兩部分。正投影：當(dāng)諸投影線相互平行,并與投影平面垂直相交。斜投影：當(dāng)諸投影線互相平行,并與投影平面呈傾斜相交。正投影,包括水平投影和垂直投影。

這里主要采用垂直投影,將分割后的圖像通過垂直投影得到一個一維向量L,該向量L的數(shù)據(jù)分布如圖8所示。

圖8 投影法圖像

3.2 檢測運(yùn)動目標(biāo)

為檢測運(yùn)動目標(biāo)的寬度和高度,可針對投影法得到一維向量 L進(jìn)行相應(yīng)處理,包括：最大值判別、連續(xù)區(qū)域判別、區(qū)域內(nèi)點數(shù)判別,從而實現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)的檢測。

(1)最大值判別

首先獲取一維向量L的最大值Lmax和對應(yīng)位置 xmax,如果該運(yùn)動目標(biāo)滿足一定的高度,則最大值 Lmax一定滿足公式(8)的要求,其中 TH表示運(yùn)動目標(biāo)高度的最低要求,如果滿足,則進(jìn)行后面的處理。

(2)連續(xù)區(qū)域判別

一個運(yùn)動目標(biāo)必然會在一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)有效,即在這個區(qū)域內(nèi),投影的數(shù)值大于一定的要求,為了保證這個區(qū)域的連續(xù)性,以最大值Lmax為中心,向兩側(cè)獲取連續(xù)區(qū)域的范圍(xl,xr),

為了保證運(yùn)動目標(biāo)的寬度,需要連續(xù)區(qū)域滿足,

其中,TW表示運(yùn)動目標(biāo)寬度的最低要求

(3)判決范圍內(nèi)的點數(shù)

按照公式(11)統(tǒng)計有效區(qū)域內(nèi)的點數(shù)n,如果n滿足公式(12)的要求,則表示當(dāng)前圖像中存在運(yùn)動目標(biāo),其中,TS表示運(yùn)動目標(biāo)面積方面的要求,該運(yùn)動目標(biāo)的中心為((xl+xr)/2,Lmax/2)

3.3 安全控制

當(dāng)檢測到運(yùn)動目標(biāo)后,可根據(jù)需要進(jìn)行必要的安全控制：

(1)將當(dāng)前的圖像進(jìn)行存儲,并且在記錄文件中進(jìn)行記錄,這樣方便后期的檢測,避免在整個視頻圖像中,進(jìn)行人工的查找

(2)通過一些輸出設(shè)備進(jìn)行輸出顯示,如：紅燈閃爍、響警鈴等。

4 實驗效果

系統(tǒng)在PC機(jī)上使用CCS 6000開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā),檢測系統(tǒng)以TMS320DM642為主處理芯片構(gòu)建開發(fā)板,使用攝像頭采集視頻,在TFT-LCD真彩液晶顯示器顯示視頻,將開發(fā)的檢測程序下載到DM642的開發(fā)系統(tǒng)上獨立運(yùn)行。在作者實驗室進(jìn)行實驗,實驗效果如圖9所示。其中圖(a)為采集的背景圖像;圖(b)為當(dāng)前檢測的前景圖像;圖(c)為前景與背景差影后的圖像;圖(d)為分割后的圖像,其中分割閾值 Tc選擇為30;圖(e)和圖(f)為進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測的結(jié)果圖,圖(e)為在分割后的圖像中標(biāo)出運(yùn)動目標(biāo)的圖像,圖(f)為在前景圖像中標(biāo)出運(yùn)動目標(biāo)的圖像,其中,運(yùn)動目標(biāo)的高度閾值 TH選擇為80,寬度閾值 TW選擇為40,面積閾值 TS選擇為3200。

圖9 安全控制系統(tǒng)效果圖

5 結(jié)束語

以TMS320DM642為核心構(gòu)建一個實驗室安全控制系統(tǒng),通過攝像機(jī)采集視頻圖像,將圖像傳輸給DM642進(jìn)行圖像處理,包括獲取背景圖像、差影處理、圖像分割、運(yùn)動目標(biāo)檢測、安全控制,并將檢測結(jié)果顯示在液晶屏上。經(jīng)過實驗驗證,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實驗室條件下的安全控制。

[1]Texas Instruments.TMS320DM642Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor[C].Texas Instruments Incorporated,2010.

[2]王玉峰.實驗室數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組建與應(yīng)用[J].科技信息,2010(11)：465.

[3]黃三偉,周熠.基于校園網(wǎng)的實驗室安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理,2007(9)：78-81.

[4]呂陽偉,王娜,陳鵬.數(shù)字視頻監(jiān)控實驗室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].低壓電器,2007(22)：26-28,67.

[5]李玉峰,莫玉龍.嵌入式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].上海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2004(5)：467-470.

[6]何斌,馬天予.Visual c++數(shù)字圖像處理[M].北京：人民郵電出版社,2001：459-477.