康 樂

(哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

責(zé)任編輯:魏雨博

隨著科技的發(fā)展，圖像檢測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，而傳統(tǒng)上多采用PC機(jī)作為圖像檢測的通用平臺，這不但對工作環(huán)境要求高，而且這樣的系統(tǒng)體積龐大、不利于維護(hù)、成本高，更難滿足某些領(lǐng)域?qū)崟r移動方面的要求［1］。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致以之為基礎(chǔ)的嵌入式技術(shù)得到了大力的發(fā)展。嵌入式處理芯片因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性能高和功耗低的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)中［2－4］。如能將先進(jìn)的嵌入式技術(shù)與圖像檢測技術(shù)完美結(jié)合在一起并得到應(yīng)用，將對圖像檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用具有積極的推動作用。

基于上述思想，本文利用市面上處理速度最快的ARM11處理器，結(jié)合無線傳輸技術(shù)和嵌入式開發(fā)技術(shù)，設(shè)計具有圖像檢測與監(jiān)控功能的智能系統(tǒng)。所設(shè)計的系統(tǒng)不僅在開發(fā)周期上節(jié)省了時間，而且也在很大程度上實現(xiàn)了檢測平臺的通用化，有著非常廣闊的應(yīng)用空間。

1 系統(tǒng)方案與主體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)［5－7］，在嵌入式設(shè)備中嵌入一個小型服務(wù)器BOA，可以在上網(wǎng)機(jī)中利用瀏覽器進(jìn)行相關(guān)操作，具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。從圖中可見該系統(tǒng)共分五大功能塊，每個功能塊都由相應(yīng)的軟件實現(xiàn)。第一部分是系統(tǒng)軟件的主程序，這里通過將開源軟件即圖像檢測軟件motion移植到嵌入式硬件平臺上，并編寫motion的配置文件，將其作為系統(tǒng)后臺運(yùn)行程序;第二部分為網(wǎng)頁監(jiān)控。通過在嵌入式設(shè)備中建立Boa Web服務(wù)器，并在服務(wù)器目錄下建立html監(jiān)控主頁，利用cgi接口和motion的http API的網(wǎng)頁控制功能，實現(xiàn)cambozola在主頁上顯示監(jiān)控視頻流;第三部分為移動圖像監(jiān)測報警。可根據(jù)實際需要設(shè)置移動圖像監(jiān)測閾值，當(dāng)攝像頭監(jiān)控區(qū)域圖像像素變化超過監(jiān)測閾值后產(chǎn)生相應(yīng)事件，利用madplay播放報警音作為事件的響應(yīng)，該功能可以通過網(wǎng)頁啟動或禁止移動圖像監(jiān)測;第四部分為郵件通知功能。當(dāng)檢測到移動物體進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域時發(fā)送郵件通知，郵件可將即時獲取的圖片和視頻文件作為附件，郵件通知準(zhǔn)確的捕獲時間，也可以通過網(wǎng)頁進(jìn)行啟動、禁止、設(shè)置郵件格式和郵件收發(fā)等操作;第五部分為監(jiān)控影像信息存儲功能。在本地采用SD卡作為存儲介質(zhì)，將重要的監(jiān)控信息以jpg圖片格式和avi視頻格式存儲在本地存儲介質(zhì)中，也可以通過網(wǎng)頁決定是否存儲影像信息。

1.2 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)實際的要求，使系統(tǒng)性能和效果達(dá)到最好，在嵌入式設(shè)備中移植了最新版本的軟件，它是本系統(tǒng)研究的最主要部分，具體的移植設(shè)計過程將在下面進(jìn)行研究，這里主要對系統(tǒng)的總體軟件體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在系統(tǒng)嵌入式終端的軟件設(shè)計中，使用UBoot_nand－ram256進(jìn)行整個硬件與外圍設(shè)備的初始化，并引導(dǎo)啟動Linux內(nèi)核;使用最新內(nèi)核版本Linux 2.6.38來管理整個系統(tǒng)資源和協(xié)調(diào)所有程序;通過編寫或者移植各硬件設(shè)備的驅(qū)動程序;使用性能優(yōu)越的Ubifs文件系統(tǒng)來管理目錄和文件信息。

圖2 系統(tǒng)總體軟件體系結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)硬件規(guī)劃

考慮到實際應(yīng)用以及功能可擴(kuò)展的要求，這里需要分辨率較高的USB攝像頭，以及能夠滿足無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)腟D－WiFi模塊、音頻輸入輸出模塊等。其具體的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢?，該系統(tǒng)在服務(wù)端硬件實現(xiàn)簡單，體積小巧輕便。可以很好地與現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，完成某些特殊環(huán)境下對移動圖像檢測與視頻監(jiān)控的需要。利用系統(tǒng)的終端設(shè)備將攝像頭所采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM11處理，再由SD－WiFi無網(wǎng)網(wǎng)卡連接到網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)。就可以利用遠(yuǎn)程上網(wǎng)機(jī)的瀏覽器進(jìn)行處理操作。本系統(tǒng)入網(wǎng)方式靈活，可以同時兼顧無線和有線兩種方式，這與傳統(tǒng)技術(shù)相比可以大大減少成本以及設(shè)備的復(fù)雜度。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于motion的系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)的主要功能是為了檢測攝像頭所攝區(qū)域內(nèi)移動的物體，并對檢測到的結(jié)果進(jìn)行實時處理操作。該功能的實現(xiàn)在軟件上主要是基于motion的監(jiān)控檢測程序，具體基于motion的軟件設(shè)計的實現(xiàn)過程如圖4所示。從圖中可見該軟件從功能上分為三大部分，即通過Web服務(wù)器的實時網(wǎng)頁控制部分、motion影像信息處理部分和基于http的控制模塊部分。只要在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有圖像移動超過了所設(shè)定的像素閾值38 400，就會觸發(fā)motion事件。檢測監(jiān)控系統(tǒng)主要通過圖中所示的3個腳本來完成motion事件的功能，即監(jiān)控報警、郵件通知和存儲文件數(shù)限制的控制功能。對于監(jiān)控報警功能的實現(xiàn)在軟件上是通過腳本motion_alarm來實現(xiàn)的，即通過判斷配置文件中enable_alarm參數(shù)是否設(shè)置為on，來決定是否在on_motion_detected時調(diào)用madplay播放報警聲。對于郵件通知功能的實現(xiàn)是通過腳本email_notice實現(xiàn)的，即通過分析配置文件中的參數(shù)設(shè)置，判斷是否在motion產(chǎn)生on_motion_start事件時進(jìn)行郵件發(fā)送。發(fā)送郵件的前提是用戶設(shè)置了完整的郵件信息，如果相關(guān)信息完整則發(fā)送一封將最新捕獲圖片或視頻作為附加的通知郵件。對于最大文件數(shù)限制功能的實現(xiàn)是通過files_limit腳本實現(xiàn)的，它是將在motion產(chǎn)生on_picture_save或on_movie_start事件時調(diào)用，通過分析配置文件中的參數(shù)設(shè)置，判斷是否進(jìn)行存儲文件數(shù)限制，如果設(shè)置了此限制，則會在指定存儲路徑中文件超過閾值的時候刪除掉最舊的部分文件。

圖4 基于motion程序的系統(tǒng)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

為了使系統(tǒng)功能更加優(yōu)越，移植了與之相匹配的最新版本軟件，這也是本系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)與難點(diǎn)。下文將對關(guān)鍵模塊的驅(qū)動與應(yīng)用軟件庫的移植過程做具體研究。

2.1 madplay播放器移植

為了保證音頻的質(zhì)量，采用madplay播放器程序，該程序主要依賴于提供數(shù)據(jù)壓縮用的函數(shù)庫zlib，MP3文件id3標(biāo)簽分析庫libid3tag和高精度MPEG音頻解碼庫libmad，該庫支持 MPEG－1(LayerⅠ，LayerⅡ和 LayerⅢ)，即MP3。將這些程序依次安裝到根文件系統(tǒng)中。

1)編譯和安裝zlib

(1)將對應(yīng)的庫解壓到相應(yīng)的目錄下，并使用命令:./configure-shared-prefix=_install，生成 Makefile。其中-shared指明可生成動態(tài)庫，-prefix=_install指明后面執(zhí)行make install后庫和頭文件的安裝路徑，如果指定的_install先前不存在，可以先創(chuàng)建該目錄。

(2)修改Makefile

(3)分別使用make和make install編譯和安裝該庫，隨后將生成的庫和頭文件安裝到指定的目錄下，最后將生成的動態(tài)庫分別拷貝到根文件系統(tǒng)中的lib和交叉編譯工具安裝目錄下的庫中，將生成的頭文件拷貝到交叉編譯工具安裝目錄下的頭文件目錄下。

2)編譯和安裝libid3tag

(1)進(jìn)入程序目錄并使用:./configure-host=armlinux-prefix=MYM{PWD}/_install，生成 Makefile。其中－h(huán)ost指明交叉編譯工具前綴，－prefix=MYM{PWD}/_install指明后面執(zhí)行安裝庫和頭文件的路徑，這里指定目錄可以不存在，當(dāng)被執(zhí)行安裝命令后會自動創(chuàng)建。

(2)分別使用編譯和安裝命令。將生成的庫和頭文件分別安裝到指定的目錄下。

(3)將生成的動態(tài)庫拷貝到根文件系統(tǒng)的lib目錄下。隨后在交叉編譯工具安裝目錄下的庫和頭文件中分別安裝生成的動態(tài)庫和頭文件。

3)編譯和安裝madplay

由于上面已經(jīng)將madplay所依賴的動態(tài)庫都安裝到了根文件系統(tǒng)庫中，這里只需要編譯動態(tài)連接的madplay程序即可。使用命令:./configure-host=arm－linux，生成Makefile。隨后通過編譯madplay即可在相應(yīng)目錄頂層找到生成的播放器主程序madplay。最后將madplay拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的sbin中。

2.2 Boa 服務(wù)器移植

在嵌入式設(shè)備的管理與交互中，基于Web方式的應(yīng)用成為目前的主流，這種程序結(jié)構(gòu)也就是大家非常熟悉的B/S結(jié)構(gòu)，即在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行一個支持腳本或CGI功能的Web服務(wù)器，能夠生成動態(tài)頁面，在用戶端只需要通過Web瀏覽器就可以對嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控，這樣非常方便且實用。Boa是一個非常小巧的Web服務(wù)器，在存貯空間和運(yùn)行時所占有的內(nèi)存空間上都會非常適合于嵌入式應(yīng)用場合，下面列出Boa的移植步驟:

1)解壓源碼后進(jìn)入相應(yīng)目錄，使用命令:./configure，生成Makefile，修改Makefile文件，找到CC=gcc，將其改成CC=arm－linux－gcc，再將 CPP=gcc-E，將其改成CPP=arm－linux－gcc-E，并保存退出。

2)這里關(guān)鍵修改生成的config.h文件，注釋掉如下兩行:

3)使用編譯命令編譯源碼，還可以通過命令:armlinux－strip boa，將調(diào)試信息剝?nèi)?，可得到的最后程序只?0 kbyte大小，將Boa拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/usr/sbin目錄下。

4)為了能夠支持CGI程序的執(zhí)行，關(guān)鍵是要編寫B(tài)oa的配置文件。也就是需要在/etc目錄下建立一個Boa目錄，里面存放Boa的主要配置文件boa.conf，這里編寫的配置文件boa.conf主要內(nèi)容如表1所示。

表1 配置文件boa.conf的關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置

2.3 FFmpeg的移植和安裝

FFmpeg是一個開源免費(fèi)跨平臺的視頻和音頻方案，它提供了錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的完事解決方案。移植FFmpeg的目的主要是為了使motion能支持將捕獲到的視頻流轉(zhuǎn)換成avi格式的視頻文件進(jìn)行存儲，因此，這里僅需要移植FFmpeg中的以下幾個庫。

Libavformat:用于各種音視頻封裝格式的生成和解析，包括獲取解碼所需信息以生成解碼上下文結(jié)構(gòu)和讀取音視頻幀等功能。

Libavcodec:用于各種類型聲音/圖像編解碼。

Libavutil:包含一些公共的工具函數(shù)。

下面具體介紹編譯和安裝FFmpeg過程。

1)進(jìn)入相應(yīng)目錄，使用命令:./configure－-prefix=./_install－-arch=arm-－cross－prefix=arm－linux-enableshared，將生成Makefile，其中-prefix指明生成的庫和執(zhí)行程序的安裝目錄。

2)編譯后再使用安裝命令將生成的庫和頭文件安裝到指定的目錄下?？截?/_install/include/libavcodec/和./_install/include/libavformat/下的頭文件以及./_install/lib/下共享庫分別到交叉編譯工具安裝路徑的對應(yīng)目錄和開發(fā)板根文件系統(tǒng)對應(yīng)目錄下。

2.4 motion的移植和安裝

motion是一個開源的用于移動圖像監(jiān)控程序。下面是motion的移植安裝和配置方法。

1)編譯和安裝motion

(1)在對應(yīng)目錄下使用命令:./configure－-prefix=MYM{PWD}/_install-－h(huán)ost=arm－linux，生成 Makefile。隨后使用編譯命令，并用安裝命令，將生成庫和頭文件安裝到指定的./_install目錄下。

(2)拷貝./_install/bin/下的可執(zhí)行程序motion到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/usr/sbin目錄下。另外，還需在開發(fā)板根文件系統(tǒng)目錄中創(chuàng)建/var/run/motion目錄，因為默認(rèn)/var/run/motion/motion.pid文件將用來存放運(yùn)行中的motion進(jìn)程。

2)配置motion

(1)將./_install/etc/下的官方參考配置文件motiondist.conf拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)/etc/motion/目錄下，命名為 motion.conf。

(2)參考提供的配置文件并將之修改內(nèi)容如表2所示。

表2 配置文件

2.5 Web 服務(wù)器搭架

根據(jù)boa的配置文件，這里需要將開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/web作為boa web服務(wù)器的主目錄。下面是搭建web的服務(wù)器步驟:

1)將所用web目錄下的html網(wǎng)頁和cgi腳本拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的根目錄下。

2)在開發(fā)板的根目錄下創(chuàng)建如下鏈接，假定開發(fā)板根目錄在/nfs/rootfs/下，則

3)編譯、安裝cgi編寫的動態(tài)網(wǎng)頁。在cgi目錄下存儲編寫好的 images.cgi，movie.cgi和 setting.cgi三個動態(tài)網(wǎng)頁的源碼。這里可以用make命令分別進(jìn)行編譯，再將它們拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/web/cam/目錄下。

4)編譯、安裝處理motion事件的腳本中需要引用的幾個工具程序。這里在tools目錄下提供了getip，getval和mailsender三個工具的源碼，可使用make命令分別編譯，再將它們拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/web/bin/目錄下。

5)安裝cambozola。將對應(yīng)目錄下的cambozola－latest.tar.gz解壓，找到 cambozola.jar，直接將它拷貝到開發(fā)板的/web/cam/目錄下。

3 系統(tǒng)測試與分析

這里由于采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)測試，所以需先將開發(fā)板文件系統(tǒng)rootfs制作為Ubifs鏡像，再將其鏡像燒寫到Nand Flash中。開機(jī)自動運(yùn)行服務(wù)啟動腳本，在PC機(jī)上通過網(wǎng)頁測試開發(fā)板上監(jiān)控系統(tǒng)的性能。經(jīng)過實際測試，當(dāng)在瀏覽器地址欄中輸入開發(fā)板的IP地址后，能成功地訪問系統(tǒng)網(wǎng)頁，對網(wǎng)頁中各個功能進(jìn)行測試性能均良好，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。如在網(wǎng)頁標(biāo)題欄中點(diǎn)擊“查看圖片”的鏈接馬上就會進(jìn)入圖片瀏覽頁面，該頁面如圖5所示，可以在該頁面中看到按捕獲時間排列的系統(tǒng)檢測到的最新的16張移動圖像。其中每張圖像都是由當(dāng)前幀和前一幀(背景幀)進(jìn)行比較，如果不同像素點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)超過了閾值38 400，會判斷圖像有變化，就會觸發(fā)motion事件產(chǎn)生相應(yīng)圖像?？梢愿鶕?jù)實際情況，合理設(shè)置相應(yīng)閾值。

4 小結(jié)

本文在Linux環(huán)境下充分利用開源代碼的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了軟件開發(fā)效率，并結(jié)合現(xiàn)代圖像檢測和通信傳輸技術(shù)，對能夠處理實時視頻圖像的軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計分析。經(jīng)過測試該系統(tǒng)軟件性能可靠、穩(wěn)定且監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控畫面清晰、流暢、實時性好，克服了軟件在工作過程中遇到常見問題。所以，此系統(tǒng)可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如為日常生活提供智能家居的服務(wù)，也可應(yīng)用于軍事、工業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域。

圖5 系統(tǒng)檢測結(jié)果(截圖)

［1］張壯暑，蔡曉東，張學(xué)敏.監(jiān)控視頻中運(yùn)動目標(biāo)識別分類系統(tǒng)研究［J］.電視技術(shù)，2012，36(23):165－167.

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