王金岑，郭曉丹*，路家琪，徐 彰

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學人工智能學院，江蘇 南京 210044)

隨著計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)已逐步向智能化、無人化、集成化轉(zhuǎn)變[1-4]。智能安防系統(tǒng)從20 世紀末開始發(fā)展，到如今已經(jīng)得到大規(guī)模普及，其蓬勃發(fā)展的勢頭受到業(yè)界廣泛關(guān)注[5-8]。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)只包含簡單的畫面采集和傳輸，在檔案室、倉庫等無人環(huán)境中需要由專門人員在固定的時間查看監(jiān)控區(qū)域，當不法分子或可疑人員闖入時，需要人為進行判斷，無法快速并及時地對安全事故做出反應，難以滿足日益增長的智能安防需求[9-11]。此外這類無人場合對環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度都有較高要求，也需要對火災的發(fā)生及時作出反應，已有的方法是另外設置一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)來解決上述問題，但這樣增加了成本且集成度不高。并且大部分單獨的環(huán)境檢測系統(tǒng)無法遠程報警，只能現(xiàn)場發(fā)出警報[12-13]，當現(xiàn)場無人值守時，無法對檢測系統(tǒng)發(fā)出的警報及時做出反應，容易發(fā)生安全事故，造成生命財產(chǎn)損失。

針對上述問題，本文研究并設計了一種在Robei EDA 環(huán)境下開發(fā)[14]的基于FPGA[15-17]的智能安防系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、遠程報警的集成化。系統(tǒng)使用多種數(shù)字圖像處理技術(shù)，可以智能檢測入侵的可疑目標；環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)智能監(jiān)測溫度、濕度、煙霧、火焰等環(huán)境因素；當發(fā)生安全隱患時系統(tǒng)自動報警，在現(xiàn)場報警的同時通過無線傳輸技術(shù)將報警信息發(fā)送到指定人員的手機上，第一時間阻止安全事故的發(fā)生。此外系統(tǒng)還可通過云端網(wǎng)絡技術(shù)搭建智能監(jiān)控組網(wǎng)，可以同時監(jiān)控多個遠距離場景。

1 Robei EDA 工具

Robei EDA 軟件是一種由青島若貝公司開發(fā)、全新的面向?qū)ο蟮目梢暬酒O計軟件，可以支持基于Verilog 語言的集成電路前端設計與驗證。Robei EDA 工具具備可視化架構(gòu)設計、核心算法編程、自動代碼生成、語法檢查、編譯仿真與波形查看等功能。設計完成后可以自動生成Verilog 代碼，可以應用于FPGA 和ASIC 設計流程。

2 架構(gòu)設計

系統(tǒng)的整體架構(gòu)可以分為五個部分，即門禁檢測系統(tǒng)、多傳感器融合的入侵監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)、無線報警系統(tǒng)、多節(jié)點監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)。

系統(tǒng)的工作流程如下:門禁檢測系統(tǒng)作為安防系統(tǒng)的第一道防線，若來人通過指紋驗證即判斷為合法人員進入，非法入侵報警取消。入侵監(jiān)測系統(tǒng)中的超聲波模塊、無線雷達探測模塊和攝像頭模塊將作為第二道防線，若來人在指紋驗證未通過的情況下繼續(xù)闖入，系統(tǒng)在探測到人體的存在后判斷為非法入侵并發(fā)出警報，同時攝像頭自動捕捉并跟蹤畫面中入侵的可疑人員。此外，系統(tǒng)對于室內(nèi)火焰、煙霧和濕度等信息進行監(jiān)控，如果室內(nèi)出現(xiàn)明火、煙霧或過于潮濕時發(fā)出警報。使用WiFi 通信技術(shù)連接上位機，接收人員入侵、環(huán)境參數(shù)異常等報警信息，并自動生成報警日志。在WiFi 短距離通信的基礎上，通過SIM 卡發(fā)短信的方式，實現(xiàn)超遠距離實時報警。多節(jié)點監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)可以定位系統(tǒng)的位置，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?gòu)建多節(jié)點智能監(jiān)控網(wǎng)。圖1、圖2 分別是系統(tǒng)的總體框圖和實物圖。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)實物圖

2.1 門禁檢測系統(tǒng)

門禁檢測系統(tǒng)由ATK-301 指紋識別模塊組成，可以通過串口進行驅(qū)動，誤檢率底。

門禁檢測系統(tǒng)作為安防系統(tǒng)的第一道防線，對未知身份者進行第一次篩查，若指紋認證通過，則系統(tǒng)判定為有權(quán)限進入，后續(xù)入侵警報解除。若指紋認證未通過，則后續(xù)入侵監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)工作，實時監(jiān)控非法闖入者。

2.2 多傳感器融合入侵監(jiān)測系統(tǒng)

多傳感器融合的入侵監(jiān)測系統(tǒng)由超聲波探測器、無線雷達探測器、紅外溫度傳感器、OV5640 攝像頭、LCD 顯示屏、WiFi 攝像頭、舵機云臺組成，構(gòu)成第二道防線，對非法闖入者進行實時監(jiān)測。

超聲波模塊實時探測系統(tǒng)前方的距離，若有人非法闖入，探測距離發(fā)生變化，將會觸發(fā)警報。添加人體檢測模塊和紅外溫度傳感器，減少誤檢率。

OV5640 攝像頭作為主攝像頭，通過幀間差分法[18]，對闖入目標進行實時監(jiān)測并框選，將其顯示在LCD 屏幕上，并將非法闖入的警報信息通過無線報警系統(tǒng)傳輸至上位機和手機接收端。采用了直方圖拉伸算法，加強了在黑夜、濃霧天氣等環(huán)境下的監(jiān)測效果。

WiFi 攝像頭作為輔助攝像頭，與舵機云臺相結(jié)合，檢測到非法入侵時，將監(jiān)控畫面中心實時跟蹤入侵人員，并將拍攝到入侵者的圖像通過無線網(wǎng)絡傳輸手機APP 上，對一些主攝像頭的監(jiān)控死角進行拍攝，從而達到無死角的監(jiān)控效果。

2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)

環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)由火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、CO 傳感器、GY-39 環(huán)境監(jiān)測模塊組成。旨在對室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測并判斷是否發(fā)生火災及其他事故。報警信息與環(huán)境信息組合成信息數(shù)據(jù)幀，由無線報警系統(tǒng)實時發(fā)送至上位機和手機接收端，及時提醒管理人員室內(nèi)發(fā)生的事故類型。

2.4 無線報警系統(tǒng)

無線報警系統(tǒng)由 WiFi 模塊、藍牙模塊、SIM900A 模塊、電腦上位機、手機APP、手機短信接收端組成。旨在提高系統(tǒng)的實際價值，實現(xiàn)不同距離的無線報警，且通過更加友好的人機交互界面提高使用者的用戶體驗。系統(tǒng)通過WiFi 模塊向電腦上位機傳輸報警信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)較短距離的無線傳輸功能；通過SIM900A 模塊驅(qū)動SIM 卡向手機發(fā)送報警短信，實現(xiàn)超距離報警。

2.5 多節(jié)點智能監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)

多節(jié)點智能監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)由ATK-S1216 北斗定位模塊和云網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

將系統(tǒng)投放至多個區(qū)域，通過高精度定位系統(tǒng)確定各子系統(tǒng)位置，子系統(tǒng)將監(jiān)測信息和位置信息上傳至云網(wǎng)絡，通過云端上位機統(tǒng)一處理各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能監(jiān)控組網(wǎng)。圖3 是智能監(jiān)控組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 智能監(jiān)控組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)算法

本節(jié)將對系統(tǒng)采用的各個算法進行介紹。

3.1 移動目標檢測算法

采用幀間差分法檢測非法闖入者的位置，在顯示畫面上使用外接矩形框?qū)崟r標注目標，實現(xiàn)對區(qū)域場景的入侵檢測與追蹤識別。圖4 介紹了移動目標檢測算法流程。

圖4 移動目標檢測算法流程圖

3.1.1 幀間差分法

將攝像頭采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB 格式，之后將數(shù)據(jù)分成兩路，一路直接送入SDRAM 的寫通道1，由LCD 驅(qū)動模塊使能讀通道1，讀出后做為輸出數(shù)據(jù)1；另一路進行格式轉(zhuǎn)換，將RGB 轉(zhuǎn)換為灰度格式，寫入SDRAM 寫通道2，并將通道1 的寫使能延時一幀后作為通道2 的讀使能，得到兩個相差一幀的視頻數(shù)據(jù)流。差分模塊對兩個數(shù)據(jù)流做差，如果某一個像素點上前后兩幀的數(shù)據(jù)差值大于某一閾值，就認為該像素點上出現(xiàn)了移動物體。遍歷全部像素，即可確定移動目標的位置。差分公式如式(1)所示:

式中:x1為上一幀的圖像數(shù)據(jù)，x2為當前幀的圖像數(shù)據(jù)。

差分模塊處在攝像頭數(shù)據(jù)的時鐘域下，時鐘為24 MHz，二值化模塊處在LCD 時鐘域下，為25 MHz。雙端口RAM 模塊將差分結(jié)果存儲起來后讀出，解決跨時鐘域帶來的數(shù)據(jù)錯誤問題；使用兩個RAM 進行乒乓操作，避免讀寫同時進行造成顯示畫面撕裂。

對二值化的圖像使用中值濾波、高斯濾波和開運算進一步處理，增強圖像質(zhì)量。遍歷所有像素點確定移動目標外接矩形框的頂點座標，與SDRAM讀通道1 輸出的RGB 圖像同時送入屏幕顯示，完成對畫面內(nèi)移動目標的實時框選。

3.1.2 灰度轉(zhuǎn)換

使用公式將視頻由RGB 格式轉(zhuǎn)換為YCbCr格式:

3.1.3 中值濾波

中值濾波對于某些類型的隨機噪聲具有理想的降噪能力，對于消除椒鹽噪聲效果理想。在FPGA中，傳統(tǒng)的中值排序法較為耗費資源，采用快速中值法排序節(jié)省開銷。圖5 是中值濾波原理圖。

圖5 中值濾波原理圖

3.1.4 高斯濾波

在進行數(shù)學仿真或者誤差評估時，往往認為傳感器所引入的噪聲服從正態(tài)分布，這個時候高斯濾波器可以很好地消除高斯噪聲。高斯卷積模板為二維正態(tài)分布密度函數(shù)，如式(3)所示:

高斯濾波后圖像被平滑的程度取決于標準差。因此，高斯濾波比均值濾波的平滑效果更柔和，克服了邊界效應，可以較好地保留圖像的細節(jié)。

3.1.5 開運算

腐蝕是一種消除邊界點，使邊界向內(nèi)部收縮的過程?？梢杂脕硐∏覠o意義的物體。圖6 為以3×3 矩陣實現(xiàn)腐蝕。

圖6 腐蝕原理圖

腐蝕之后的圖像再進行膨脹，就是開運算。膨脹是將與物體接觸的所有背景點合并到該物體中，使邊界向外部擴張的過程。開運算可以填補物體中的空洞，使細小的溝道斷開，將狹窄的白線斷開，消除白點。圖7 為以3×3 矩陣實現(xiàn)膨脹。

圖7 膨脹原理圖

3.2 人與動物的識別

系統(tǒng)可以對于監(jiān)控畫面中出現(xiàn)的移動目標進行進一步的識別，區(qū)分出人與動物。

通過觀察人體在行走時和貓、狗等常見動物移動時的姿態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)人在行走時移動區(qū)域呈現(xiàn)一個非常明顯的豎立的矩形，而動物多為四肢爬行，在移動呈現(xiàn)出較為明顯的橫置矩形，基于此初步設計了人與動物的識別流程。

首先對監(jiān)控區(qū)域進行移動目標檢測，當出現(xiàn)移動目標時，判斷移動目標的外接矩形是否滿足一定的長寬比，當滿足一個明顯的豎立矩形的長寬比例時，初步判斷為行人；若滿足明顯的橫置矩形的長寬比例，初步判斷為動物，否則為其他。

同時對畫面進行膚色檢測，將膚色區(qū)域的像素進行標注。膚色檢測的流程如圖8 所示。

圖8 膚色檢測算法流程圖

之后再分析在第一步中判斷出的行人區(qū)域中是否包含膚色像素，若該區(qū)域膚色像素點的比例多于設定的閾值，判斷為行人。

3.3 黑夜圖像增強算法

上述情況大部分建立在白天情況下，在黑夜、濃霧天氣等光線較弱的情況下效果不太理想，基于上述考慮，采用了直方圖拉伸的方法，增強特殊環(huán)境下的監(jiān)測效果。

權(quán)衡FPGA 資源的消耗與處理的延時，采用偽拉伸的方法。偽拉伸方法在前一幀統(tǒng)計圖像中灰度的最大和最小值，用來對本幀圖像進行拉伸處理。設f(x，y)為輸入圖像中所有像素的灰度值，它的最小灰度級A和最大灰度級B的定義如式(4)所示:

在第二幀進行拉伸，輸出拉伸后的圖像，如式(5)所示:

3.4 除法優(yōu)化算法

在對傳感器的數(shù)據(jù)進行處理時，會經(jīng)常用到除法運算。編譯器自動生成的除法器，資源消耗較大，設計了一種模擬手算除法的除法器，成功減少消耗2 000 余個邏輯門資源，其流程圖如圖9 所示。

圖9 除法優(yōu)化算法流程圖

3.5 上位機

使用C＃設計系統(tǒng)的上位機，具有非常友好的人機交互界面，其界面功能大致分為以下幾個部分:

3.5.1 警報數(shù)據(jù)警報數(shù)據(jù)可分為:指紋驗證、非法入侵警報、移動目標檢測、火焰警報、煙霧警報、一氧化碳警報。

3.5.2 環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)閾值環(huán)境數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、氣壓、海拔。系統(tǒng)閾值包括超聲波測距閾值和移動目標差分閾值。

3.5.3 模式切換

上位機可以切換系統(tǒng)至黑夜模式和正常模式。

3.5.4 電機控制

上位機控制WiFi 攝像頭旋轉(zhuǎn)，可切換為自動掃描、手動掃描模式。手動掃描模式可以自由控制攝像頭旋轉(zhuǎn)角度。

3.5.5 閾值修改

上位機可以手動修改閾值信息。針對不同的環(huán)境選擇合適的距離探測閾值和移動目標差分閾值，使系統(tǒng)對于不同的環(huán)境具有適應性，上位機功能如圖10 所示。

圖10 上位機功能簡介圖

3.6 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，各個子系統(tǒng)完成初始化后并行工作，同時將各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸至上位機，完成信息交互。

當部署多臺設備時，通過云端將每一臺設備的信息進行匯總處理，在組網(wǎng)終端實時監(jiān)控設備列表中任意一臺設備的信息。

系統(tǒng)的具體實現(xiàn)流程如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)發(fā)出警報之后自動生成報警日志，對警報的事件和時間進行記錄，方便日后查看。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與調(diào)試

4.1 門禁監(jiān)測系統(tǒng)

門禁檢測系統(tǒng)作為安防系統(tǒng)的第一道防線，對未知身份者進行第一次篩查，若指紋認證通過，則系統(tǒng)判定為有權(quán)限進入，后續(xù)警報解除。若指紋認證未通過，則后續(xù)入侵監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)工作，實時監(jiān)控非法闖入者。門禁檢測效果如圖12 所示。

圖12 門禁系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

4.2 多傳感器融合的入侵監(jiān)測系統(tǒng)

多傳感器融合的入侵監(jiān)測系統(tǒng)組成第二道防線，對非法闖入者進行實時監(jiān)測。在監(jiān)控畫面上實時顯示并跟蹤入侵者，并發(fā)送報警信息。入侵檢測實現(xiàn)效果如圖13 所示。

圖13 入侵檢測系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

4.3 環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)

火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器、CO 傳感器分別在感應到明火和煙霧濃度、CO 濃度超標后產(chǎn)生報警信息，報警信息由無線報警系統(tǒng)分別發(fā)送至上位機和手機接收端，提醒管理人員室內(nèi)發(fā)生的安全事故。

環(huán)境監(jiān)測模塊實時監(jiān)測室內(nèi)的溫度、濕度、氣壓等信息，并將信息幀實時發(fā)送至上位機，管理人員可通過上位機實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境。環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)效果如圖14 所示。

圖14 環(huán)境數(shù)據(jù)及火災監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

4.4 無線報警系統(tǒng)

系統(tǒng)通過WiFi 模塊向電腦上位機傳輸報警信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，驅(qū)動SIM900A 模塊驅(qū)動SIM 卡向手機發(fā)送報警短信，實現(xiàn)超遠距離的報警。系統(tǒng)自動生成報警日志，對警報的事件和時間進行記錄，方便監(jiān)控人員日后的查看。無線報警系統(tǒng)實現(xiàn)效果如圖15 所示。

圖15 無線報警系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

4.5 監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)

多節(jié)點智能監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)定位每個子系統(tǒng)的位置，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，?gòu)建多節(jié)點智能監(jiān)控組網(wǎng)。監(jiān)控組網(wǎng)實現(xiàn)效果如圖16 所示。

圖16 監(jiān)控組網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

5 結(jié)束語

文中研究并設計了一種智能安防系統(tǒng)，詳細研究了系統(tǒng)的軟硬件設計并進行總體實驗測試。

文中設計的智能安防系統(tǒng)基于FPGA 以及Robei EDA 軟件，具有極強的可重構(gòu)性和并行處理的速度優(yōu)勢，系統(tǒng)集成化、小型化，降低了成本。系統(tǒng)使用多種圖像處理算法實時監(jiān)測并跟蹤入侵目標，集成了環(huán)境監(jiān)測和遠程報警系統(tǒng)，精度高、運行穩(wěn)定、實時性強，適用于各種復雜的場合內(nèi)長時間使用，達到了設計的初衷，具有一定的使用價值。