俞 楊，陳 帥

(1.安徽大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，合肥230039;2.淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，安徽淮南232038)

近年來(lái)，伴隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，我國(guó)的安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，前景良好。與國(guó)外安防監(jiān)測(cè)相比，仍存在核心技術(shù)缺乏，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)混亂等問(wèn)題。自1998年新加坡國(guó)際展覽會(huì)之后，國(guó)外的安防產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。面對(duì)恐怖活動(dòng)、電腦黑客，安防監(jiān)測(cè)成了不可缺少的一部分?？傮w來(lái)說(shuō)，國(guó)外的安防產(chǎn)業(yè)起步更早，技術(shù)更好，應(yīng)用更廣［1］?，F(xiàn)在主流的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法有光流法、背景差分法、幀間差分法。光流法:實(shí)際上就是時(shí)間序列上的幀與幀圖像的像素級(jí)運(yùn)動(dòng)。若沒(méi)有目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)，那么整個(gè)區(qū)域的光流矢量變化是連續(xù)的，否則不連續(xù)，就可以判定是存在目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn):計(jì)算復(fù)雜，時(shí)間開(kāi)銷大，不適合進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。背景差分法:將當(dāng)前的幀圖像同已知背景進(jìn)行比較從而檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的方法。缺點(diǎn):與背景圖像的相關(guān)性較大，故對(duì)光照與外部條件的變化非常敏感。幀間差分法:一種通過(guò)對(duì)序列中相鄰兩幀或多幀圖像作差分運(yùn)算來(lái)識(shí)別是否有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方法。優(yōu)點(diǎn):易于實(shí)現(xiàn)，程序復(fù)雜度低，適應(yīng)性良好，穩(wěn)定性好［2］。

本文就是基于ARM圖像處理實(shí)現(xiàn)一種安防監(jiān)控，在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)上，利用CMOS攝像頭采集圖像，利用V4l2［3］的API接口函數(shù)，采集實(shí)時(shí)圖像，再利用幀間差分法這一目標(biāo)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法進(jìn)行監(jiān)控，檢測(cè)是否安全。當(dāng)監(jiān)控到異樣時(shí)，利用GSM模塊把信息傳送出去。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由S3C410處理器、CMOS攝像頭、GSM模塊TC35I、OK6410開(kāi)發(fā)板和LCD顯示屏構(gòu)成。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。系統(tǒng)功能示意圖如圖2所示。本設(shè)計(jì)采用了Sumsung公司的S3C6410處理器，另外配置了2 G的NAND Flash存儲(chǔ)器和256 MB的內(nèi)存。S3C6410是一個(gè)基于ARM11的16/32位的RISC微處理器，采用64/32位內(nèi)部總線框架，擁有ARM1176JZF-S的核。內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器，集成了一個(gè)MFC支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VCI的解碼。

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

圖2 系統(tǒng)功能示意圖

CMOS攝像頭采用的是130萬(wàn)像素的CMOS攝像頭OV9650，20引腳封裝。GSM模塊使用的是德國(guó)西門(mén)子工業(yè)GSM模塊TC35I。該模塊支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，利用AT指令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，接口方式支持串口、USB，工作在EGSM900和GSM1800雙頻段。TC35I支持GSM 07.05所定義的AT指令集的指令，數(shù)據(jù)接口通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)傳輸指令和數(shù)據(jù)，可以傳輸Text和PDU兩種格式的短信。Text格式下只能發(fā)送ASCII碼表中的前128個(gè)字符(也就是英文字母，英文標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，阿拉伯?dāng)?shù)字)，此次設(shè)計(jì)要發(fā)送中文字符，故選擇PDU格式。

該系統(tǒng)通過(guò)CMOS攝像頭監(jiān)控目標(biāo)，采集圖像，將圖像數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CD可顯示的格式。調(diào)用mmap()函數(shù)將數(shù)據(jù)映射到內(nèi)存，經(jīng)過(guò)幀間差分進(jìn)行安全監(jiān)控。檢測(cè)到異樣后，利用GSM模塊把信息傳送出去。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程

軟件流程圖如下，如圖3所示。首先啟動(dòng)該系統(tǒng)。打開(kāi)視頻設(shè)備，進(jìn)行初始化設(shè)置，包括攝像頭的基本信息，所采集圖像的各種屬性，進(jìn)行映射的幀信息等。然后開(kāi)始采集實(shí)時(shí)圖像，獲取幀數(shù)據(jù)。對(duì)相鄰的兩幀圖像進(jìn)行逐點(diǎn)相減，判斷是否異常。若異常，則通過(guò)GSM模塊把信息傳送出去;反之，則繼續(xù)采集圖像。最后監(jiān)控結(jié)束時(shí)，關(guān)閉視頻設(shè)備，關(guān)閉系統(tǒng)。

2.2 圖像采集

本次設(shè)計(jì)主要利用V4l2的API接口函數(shù)，采集實(shí)時(shí)圖像。V4l2是linux下用于獲取視頻和音頻數(shù)據(jù)的API接口，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集設(shè)備和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)圖像采集、廣播等功能。Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種特殊文件，即“設(shè)備文件”?？梢韵裨L問(wèn)普通文件一樣對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)［3］。

首先利用open()函數(shù)打開(kāi)視頻設(shè)備。接著利用ioctl相關(guān)函數(shù)獲取攝像頭信息，包含攝像頭名稱，攝像頭所支持的最大、最小分辨率等。該函數(shù)成功返回后，信息便從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間。再讀取攝像頭緩沖中video_picture信息，包含攝像頭采集圖像的各種屬性，如亮度、色調(diào)等。完成以上工作就可以對(duì)圖像進(jìn)行采集了。利用Video4 Linux2的API接口函數(shù)采集圖像有兩種典型方法。一種是read()直接讀取，另一種是mmap()內(nèi)存映射法。本次設(shè)計(jì)采用的是后者。函數(shù)原型是void mmap(void addr，size_t len，int prot，int flags，int fd，off_t offset)。mmap()內(nèi)存映射法使得幾個(gè)進(jìn)程之間通過(guò)映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn)［4］。該方法首先獲取攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后利用mmap()函數(shù)將攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)。接著調(diào)用ioctl()相關(guān)函數(shù)進(jìn)行采集截取。若成功，則開(kāi)始一幀圖像非阻塞的采集截取。接著再調(diào)用ioctl()相關(guān)函數(shù)判斷該幀圖像是否截取完畢，成功返回就表示截取完畢，再轉(zhuǎn)換格式，轉(zhuǎn)換成RGB格式，在LCD上顯示。

圖3 軟件流程圖

2.3 幀間差分法

本次設(shè)計(jì)采用的是幀間差分法。當(dāng)攝像頭所監(jiān)控的場(chǎng)景中出現(xiàn)異常物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，相鄰兩幀或多幀圖像的灰度值會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化。兩幀相減，得到兩幀圖像灰度值的的差值，再通過(guò)與閾值的比較來(lái)分析圖像中是否有異常物體運(yùn)動(dòng)。

幀間差分的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下，其中fk(x，y)與fk－1(x，y)為連續(xù)的兩幀圖像，Dk(x，y)為它們的差值:

由式(2)得出的R(x，y)實(shí)際上是由0或1組成的矩陣。當(dāng)矩陣中元素1的個(gè)數(shù)超過(guò)截取的幀圖像像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的一半時(shí)，處理器就判定發(fā)生了異常情況。本系統(tǒng)所截取的幀圖像大小為320×240。故當(dāng)矩陣R(x，y)中元素1的個(gè)數(shù)超過(guò)3 940時(shí)，處理器便判定監(jiān)控發(fā)生了異常，本次設(shè)計(jì)中閾值T的選取為10。

2.4 GSM通信程序

使用GSM模塊，首先在TC35I背面的SIM卡槽中插入SIM卡，上電復(fù)位后，對(duì)TC35I進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括波特率，校驗(yàn)位，停止位，短信發(fā)送格式，短消息中心號(hào)碼等。本次設(shè)計(jì)選擇PDU格式。當(dāng)處理器S3C6410檢測(cè)到異常情況時(shí)，將指令通過(guò)串口發(fā)送給TC35I，TC35I再發(fā)送信息出去。此次設(shè)計(jì)選擇發(fā)送的中文代碼是“有異樣”。通過(guò)Unicode碼轉(zhuǎn)換軟件得到其Unicode代碼。為“67095F026837”。下面為GSM模塊主要程序段。

void GSM_Sent_PDU_Message3(void)

{

unsigned char j;

char code str1［］="0891683108501505F011000D9168";∥str1為手機(jī)卡所在地短信中心號(hào)碼變換后的號(hào)碼

char code str11［］="000800"; ∥固定要加的部分

char code str21［］="67095F026837"; ∥“有異樣”的Unicode代碼

char code Phone_num［］="5158452580F5"; ∥為要接受信息的號(hào)碼

Delay_ms(Delay_Time); ∥延時(shí)

Send_ASCII("AT+CMGS=19"); ∥AT指令，設(shè)定為PDU模式

Send_Hex(0x0d); ∥發(fā)送回車(chē)符

Send_Hex(0x0a); ∥發(fā)送換行符

Delay_ms(1000); ∥延時(shí)

CLR_Buf1(); ∥清除緩存函數(shù)

Send_ASCII(str1);

for(j=0;j＜12;j++)

Send_Hex(Phone_num［j］);

Send_ASCII(str11); ∥str11為“00800”，

固定要加的部分Send_ASCII(str21);”

Send_Hex(0x1A);

Send_Hex(0x0d); ∥發(fā)送回車(chē)符

Send_Hex(0x0a); ∥發(fā)送換行符

Delay_ms(1000); ∥延時(shí)

while(!Hand("OK"));

CLR_Buf1(); ∥清除緩存函數(shù)

}

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在家居環(huán)境中進(jìn)行了模擬測(cè)試。啟動(dòng)該系統(tǒng)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，便開(kāi)始監(jiān)控。當(dāng)有陌生人接近大門(mén)，也就是監(jiān)控環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)捕捉到這一信息，會(huì)發(fā)短消息給預(yù)先設(shè)定好的號(hào)碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖。圖4為監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖5為手機(jī)接收到的有異常的消息。本設(shè)計(jì)利用R(x，y)矩陣很好的避開(kāi)了由于光線變化，小鳥(niǎo)干擾等造成的誤判問(wèn)題。但該算法仍存在缺點(diǎn)，不能提取監(jiān)控環(huán)境中新增加對(duì)象的完整區(qū)域，只能提取出該對(duì)象邊界。檢測(cè)出的目標(biāo)輪廓可能存在空洞現(xiàn)象［2］。

4 結(jié)論

本文主要設(shè)計(jì)了一種基于S3C6410處理器，以嵌入式linux為軟件平臺(tái)，利用幀間差分算法，結(jié)合GSM模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防環(huán)境的監(jiān)控。該設(shè)計(jì)硬件簡(jiǎn)單，體積小，效率高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可靠性良好，算法易于實(shí)現(xiàn)。不僅適用于家居環(huán)境，也可在私人辦公室等需要監(jiān)控的地方靈活運(yùn)用，市場(chǎng)前景良好。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖5 手機(jī)接收到的消息

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