蔣東國(guó)，冷 斌，賀 慶，官 冠，王文韜，丁 磊，胡 歡

（1.廣州中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所，廣東 廣州510000；2.廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州510000）

0 引 言

目前，廣域周界視頻監(jiān)控系統(tǒng)［1，2］以視頻監(jiān)控技術(shù)為核心，主要采用普通網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的方法，具有實(shí)時(shí)、直觀監(jiān)控的特點(diǎn)。然而當(dāng)其應(yīng)用于覆蓋面積廣的區(qū)域時(shí)會(huì)使越來(lái)越多的攝像頭視頻同步集中在一個(gè)屏幕上顯示，不僅增加了安保人員的工作壓力，降低了監(jiān)控效率，而且無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的實(shí)時(shí)識(shí)別跟蹤［3－5］。另外，現(xiàn)有的部分產(chǎn)品雖然在一定程度上能夠進(jìn)行大范圍的視頻監(jiān)控，但其絕大部分都過(guò)度依賴于電子地圖，從而使得系統(tǒng)的耦合性過(guò)高，降低了系統(tǒng)的靈活性。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)并基于 “仿生眼”［6］特性，設(shè)計(jì)一種采用雙目攝像頭定位、多組仿生眼協(xié)同監(jiān)控，對(duì)目標(biāo)對(duì)象實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別跟蹤的廣域周界視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)分析、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤等任務(wù)分配到不同的主機(jī)和仿生眼，由多個(gè)仿生眼系統(tǒng)獲取現(xiàn)場(chǎng)三維信息和目標(biāo)對(duì)象細(xì)節(jié)以完成完整的廣域周界監(jiān)控任務(wù)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能仿生眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)基于嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，具有雙目采集、水平旋轉(zhuǎn)角度360°、垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于80°及23 倍同步變焦等功能。系統(tǒng)工作原理是通過(guò)串口控制云臺(tái)系統(tǒng)上、下、左、右以及變焦等動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)仿生眼系統(tǒng)的預(yù)制位設(shè)置以及接收仿生眼系統(tǒng)的狀態(tài)信息，通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)邊界，加載運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模塊。當(dāng)目標(biāo)侵入后，根據(jù)目標(biāo)的當(dāng)前位置計(jì)算出云臺(tái)旋轉(zhuǎn)、變焦分量，并將其發(fā)送到仿生眼云臺(tái)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的隨動(dòng)跟蹤，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)外觀

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制電路主要由DSPIC33FJ128MC706A 主控芯片模塊、電源供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、串口通信模塊等組成。如圖2所示，通過(guò)串口可以控制云臺(tái)系統(tǒng)上、下、左、右以及變焦等動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)仿生眼系統(tǒng)的預(yù)制位設(shè)置以及接收仿生眼系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2.1 DSPIC33FJ128MC706A

DSPIC33FJ128MC706A 是美國(guó)Microchip Technology公司推出的一款不僅擁有一般PIC 單片機(jī)控制處理能力，還具有較強(qiáng)的DSP運(yùn)算和數(shù)據(jù)吞吐能力的電機(jī)系列數(shù)字信號(hào)控制器。該款芯片主要采用流水線指令、精簡(jiǎn)指令集（RISC）、哈佛 （Harvard）總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力［7］。

系統(tǒng)選用該款芯片為主控芯片，其擁有的低功耗、高速度、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)和在電機(jī)控制和數(shù)字信號(hào)處理方面相對(duì)于其它同類芯片突出的表現(xiàn)，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

LM2940CS－5.0、LM1117MP－3.3芯片均為輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器，具有內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過(guò)熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路的特點(diǎn)［8］。

由于系統(tǒng)不同的芯片模塊需要不同的電壓供電，為此系統(tǒng)的電源部分同時(shí)選用了這兩種芯片為系統(tǒng)進(jìn)行供電。如圖3所示，選用LM2940CS－5.0 芯片為DSPIC33FJ128MC706A芯片、MAX232 等模塊提供3.3 V 的需求電壓，選用LM1117MP－3.3芯片為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560AFG 提供5.0V 需求電壓。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間供電測(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠有效穩(wěn)定地為系統(tǒng)提供3.3 V 和5.0V 工作電壓。

2.3 串口控制電路設(shè)計(jì)

RS－232和RS－485是PC與智能設(shè)備通信常見(jiàn)的兩種通信協(xié)議。RS－232使用3根線 （RX、TX、GND）同時(shí)收發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有短距離數(shù)據(jù)傳輸效率高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，但是3根線不方便擴(kuò)展組網(wǎng)且遠(yuǎn)距離抗干擾性能差，只適合于短距離兩個(gè)設(shè)備單點(diǎn)快速通訊。RS485 使用2 根線（D＋、D－）同一時(shí)間收發(fā)交替進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸效率高、抗噪聲干擾性能好、2 根線方便多個(gè)設(shè)備串接組成網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，適用于多設(shè)備中遠(yuǎn)距離通訊［9］。

系統(tǒng)主要是通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)控制云臺(tái)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方向、相機(jī)變焦、接收系統(tǒng)的狀態(tài)信息、系統(tǒng)預(yù)定位置設(shè)置等功能的控制，并完成不同仿生眼系統(tǒng)間的協(xié)同監(jiān)控。為了穩(wěn)定有效地遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)和快速獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)多組仿生眼系統(tǒng)穩(wěn)定通信。系統(tǒng)同時(shí)采用RS－485 和RS－232通信協(xié)議，通過(guò)選用MAX485CSA 和MAX3232ESE芯片，分別完成對(duì)仿生眼系統(tǒng)的控制和與角度傳感器通信以快速獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息等功能。經(jīng)過(guò)多次戶外測(cè)試可知，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了將上位機(jī)控制指令穩(wěn)定有效地傳輸?shù)较到y(tǒng)，并可以隨時(shí)獲取系統(tǒng)的狀態(tài)，完成了多組仿生眼系統(tǒng)協(xié)同監(jiān)控的目標(biāo)。

2.4 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

TB6560AFG 是東芝公司推出的一款高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有高集成、低功耗、兩相混合式步進(jìn)的特點(diǎn)。該款芯片主要采用內(nèi)部集成雙全橋MOSFET 驅(qū)動(dòng)和內(nèi)置溫度保護(hù)芯片，當(dāng)芯片溫度高于150°時(shí)將自動(dòng)斷開(kāi)所有輸出，且最高耐壓達(dá)40 V。除此之外，TB6560AFG 還具有整步、1／2步、1／8步、1／16步的細(xì)分方式和過(guò)流保護(hù)等特性［10］。

圖3 電源電路

如圖4 所示，系統(tǒng)采用兩塊TB6560AFG 芯片分別驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的云臺(tái)電機(jī)和側(cè)面電機(jī)，將兩路電機(jī)接至對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)芯片的OUT＿A Outputs和OUT＿B Outputs引腳。系統(tǒng)正常工作時(shí)，要實(shí)現(xiàn)恒定的電流驅(qū)動(dòng)，單相基準(zhǔn)電流需通過(guò)一個(gè)外部電阻器進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)NFA（NFB）（電機(jī)A（B）通道電流檢測(cè)電阻器連接端）的電壓達(dá)到0.5V （假設(shè)轉(zhuǎn)矩設(shè)置為100%）時(shí)充電停止，使電流不超過(guò)預(yù)定義的水平。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

Outputs電流 （單相）計(jì)算公式如下

為了使系統(tǒng)能達(dá)到所需性能，將電機(jī)單相輸出電流IOUT設(shè)為2.5A，外部電阻器R33 （R34）阻值為0.2Ω。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制程序功能主要包括串口模塊初始化，仿生眼裝置初始化、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，仿生眼控制等功能。程序運(yùn)用C語(yǔ)言編寫，所有程序均在Microchip Technology公司提供的MPLAB IDE 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)MPLAB C30對(duì)程序進(jìn)行編譯，最后通過(guò)Microchip公司專為DSPIC33F系列DSC開(kāi)發(fā)的仿真器picket 3 對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行在線調(diào)試并下載到DSPIC33FJ128MC706A 中運(yùn)行。

系統(tǒng)主程序流程如圖5所示，首先通過(guò)上位機(jī)軟件發(fā)送控制指令給系統(tǒng)，系統(tǒng)確認(rèn)收到來(lái)自上位機(jī)的控制指令后，完成對(duì)仿生眼裝置的初始化、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制、相機(jī)變焦、獲取系統(tǒng)狀態(tài)等操作。如果系統(tǒng)沒(méi)有收到上位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的控制指令，系統(tǒng)將處于待命狀態(tài)，直到UART 模塊接收到相應(yīng)的控制指令。

圖5 主程序流程

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控界面使用MFC開(kāi)發(fā)，如圖6所示，主要包括電機(jī)控制模塊、算法加載及復(fù)位模塊、目標(biāo)距離顯示模塊、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示模塊、監(jiān)控視頻加載顯示等部分組成。

圖6 上位機(jī)控制界面

4 系統(tǒng)性能分析與驗(yàn)證

4.1 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤

系統(tǒng)在 “基于點(diǎn)群運(yùn)動(dòng)和灰度特征的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)”算法和 “基于隨機(jī)特征學(xué)習(xí)的任意目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤”算法研究基礎(chǔ)上，并采用單幀圖像描述場(chǎng)景和邊界保護(hù)的更新策略結(jié)合的方法，首先對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)將全局觀測(cè)和細(xì)節(jié)抓拍分配到不同的仿生眼，不同仿生眼負(fù)責(zé)對(duì)同一運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的形狀、大小、位置、速度、移動(dòng)方向等細(xì)節(jié)進(jìn)行拍攝。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)多組仿生眼協(xié)同監(jiān)控獲得的信息進(jìn)行分析，一旦確定當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為目標(biāo)對(duì)象，系統(tǒng)將自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行隨動(dòng)跟蹤。

如圖7所示，當(dāng)監(jiān)控區(qū)域出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)能夠有效的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別與追蹤。圖7 （a）、（b）表示的是目標(biāo)對(duì)象由圖7 （a）中位置運(yùn)動(dòng)到圖7 （b）中位置的識(shí)別跟蹤結(jié)果，可以看出圖像的識(shí)別效果良好，其中每幅圖像中矩形部分標(biāo)識(shí)的對(duì)象為識(shí)別的目標(biāo)對(duì)象。

圖7 目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤效果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤性能，在保證算法有效性的前提下，計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)時(shí)的處理速度，可得平均為20 幀／s，如表1 所示。另外，算法具有學(xué)習(xí)功能，當(dāng)目標(biāo)丟失后系統(tǒng)能夠自動(dòng)找回。

表1 系統(tǒng)目標(biāo)測(cè)距與處理速度計(jì)算

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)時(shí)、穩(wěn)定跟蹤的功能。

4.2 特征匹配與目標(biāo)測(cè)距

為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的距離，系統(tǒng)采用了FAST特征點(diǎn)［11］和極線定理尋找共軛點(diǎn)對(duì)相結(jié)合的方法。通過(guò)對(duì)不同仿生眼采集的視頻圖像進(jìn)行FAST 特征點(diǎn)標(biāo)定，再利用極線定理對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配得到目標(biāo)圖像的n組共軛點(diǎn)對(duì)，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)距與匹配性能，分別進(jìn)行了7次不同距離下的測(cè)距實(shí)驗(yàn)，測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中的一次效果如圖8所示，表示的是對(duì)目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別與測(cè)距效果，其中左邊圖像中所標(biāo)識(shí)的矩形區(qū)域?yàn)橹付繕?biāo)對(duì)象區(qū)域，右邊圖像中所標(biāo)識(shí)矩形區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)識(shí)別對(duì)象區(qū)域，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試可知，系統(tǒng)的匹配率可以達(dá)到91.5%。然后，再分別提取矩形區(qū)域里的特征點(diǎn)，根據(jù)距離計(jì)算公式

式中：f——焦距，T——兩攝像頭間的橫向距離，d——目標(biāo)像素點(diǎn)在左右兩攝像頭平面x方向的坐標(biāo)差值，即可得目標(biāo)對(duì)象到攝像頭的距離。

圖8 特征匹配與目標(biāo)測(cè)距效果

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，目標(biāo)測(cè)量精度為目標(biāo)距離攝像頭在5m 范圍內(nèi)，誤差控制在3%左右。

從表1數(shù)據(jù)可知，在多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試狀態(tài)下，系統(tǒng)測(cè)距的標(biāo)準(zhǔn)差為19mm，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的視頻測(cè)距系統(tǒng)，表明系統(tǒng)測(cè)距性能良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于 “仿生眼”特性的多目視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)采用雙目主動(dòng)視覺(jué)定位、邊界設(shè)定等方法，克服了單目攝像頭無(wú)法獲取場(chǎng)景的深度信息的缺陷，使系統(tǒng)獲得的豐富現(xiàn)場(chǎng)三維信息。同時(shí)，在基于現(xiàn)場(chǎng)三維信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用特定的圖像處理算法，多組仿生眼協(xié)同監(jiān)控，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理速度達(dá)到20 幀／秒并能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象和對(duì)其進(jìn)行防丟失隨動(dòng)跟蹤。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的各項(xiàng)功能，具有實(shí)用性好、智能化高、穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低、功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)，適用于船塢、機(jī)場(chǎng)、監(jiān)獄等監(jiān)控范圍廣闊的領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)前景和開(kāi)發(fā)潛力，也為推動(dòng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的廣域周界監(jiān)控系統(tǒng)提供了解決方案。

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