一種帶有運(yùn)動檢測功能的無線圖像監(jiān)控終端

在需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">嵌入式系統(tǒng)上，無線傳輸方式已成為應(yīng)用趨勢，而GPRS（General Packet Radio Service)具有永遠(yuǎn)在線、快速登錄、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、無線抄表、無線監(jiān)控設(shè)備中。
　　傳統(tǒng)的無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)，需要不間斷地把監(jiān)控圖像傳送至監(jiān)控中心，而這些監(jiān)控圖像中的有用圖像卻只占少數(shù)，這就浪費(fèi)了大量的數(shù)據(jù)流量，也增加了成本。同時，監(jiān)控人員必須時刻注意監(jiān)控畫面，這不僅枯燥乏味，而且很容易忽略掉重要的監(jiān)控畫面。因此，開發(fā)一種能自動篩選出用戶感興趣的圖像并發(fā)送至監(jiān)控中心的監(jiān)控終端具有重要意義。
　　本無線監(jiān)控終端以三星公司的S3C2440A為主控芯片，移植了Linux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)對USB攝像頭采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動檢測，如果有物體在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)運(yùn)動，則將監(jiān)控圖像通過GPRS傳送至監(jiān)控中心。由于只發(fā)送用戶感興趣的監(jiān)控圖像，從而大大降低了無線數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)流量，避免了傳統(tǒng)無線監(jiān)控系統(tǒng)中因傳輸大量無用的監(jiān)控圖像而造成的數(shù)據(jù)流量浪費(fèi)，同時也減輕了監(jiān)控人員因長時間監(jiān)視監(jiān)控圖像帶來的工作強(qiáng)度。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
　　本系統(tǒng)由硬件、底層軟件和應(yīng)用軟件三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)硬件的微處理器采用三星公司的S3C2440A處理器，該處理器內(nèi)含一個ARM920T內(nèi)核，標(biāo)準(zhǔn)工作頻率為400 MHz，內(nèi)嵌豐富的外圍設(shè)備，片外擴(kuò)展64 MB的Nandflash(型號：K9F1208D0A)和2片32 MB的SDRAM(型號為HY57V561620)；攝像頭采用基于ZC301器件的奧尼S888，采用CMOS感光器件，48萬像素，最大分辨率為800×600，需要單獨(dú)安裝驅(qū)動程序。GPRS模塊采用華為公司的GTM900雙頻段GSM/GPRS無線模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，工作頻段為800 MHz/900 MHz/1 800 MHz/850 MHz/1 900 MHz。本系統(tǒng)采用RS232串口與S3C2440相連，SIM卡電壓為3 V。
?底層軟件由BootLoader(vivi)、嵌入式Linux內(nèi)核(版本為2.6.17)、設(shè)備驅(qū)動程序、文件系統(tǒng)組成。在內(nèi)核配置中，需要添加對視頻設(shè)備編程接口的支持，配置菜單路徑選擇Device Drivers->Multimedia device->Video for linux。
　　應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動檢測和圖像傳輸三部分。
2 應(yīng)用軟件設(shè)計
2.1 基本流程
　　應(yīng)用軟件的核心模塊包括圖像采集模塊、運(yùn)動檢測模塊和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。首先圖像采集模塊用USB攝像頭采集分辨率為320×240的圖像,然后運(yùn)動檢測模塊采用改進(jìn)的幀差法對采集到的圖像進(jìn)行運(yùn)動檢測。如果運(yùn)動檢測模塊檢測出監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有運(yùn)動物體，則將有物體運(yùn)動的圖像添加到圖像發(fā)送隊列，并喚醒GPRS數(shù)據(jù)傳輸線程，將隊列中的圖像發(fā)送至監(jiān)控中心。當(dāng)圖像發(fā)送隊列中的圖像全部被發(fā)送出去后，GPRS數(shù)據(jù)傳輸線程將置于休眠狀態(tài)。
2.2 Video4Linux的圖像采集
　　Video4Linux是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，它為針對視頻設(shè)備(常見的電視捕獲卡及USB口的攝像頭)的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，同時也提供無線電通信和文字電視廣播解碼和垂直消隱的數(shù)據(jù)接口[2]。本文主要針對USB攝像頭設(shè)備文件/dev/video0進(jìn)行圖像采集方面的程序設(shè)計。下面介紹主要步驟及部分代碼：
　　(1)打開視頻設(shè)備
　　int fd；??//為視頻設(shè)備的文件描述符
　　fd=(open(“dev/video0”，O_RDWR))；
　　if(fd<0){??//打開失敗
　　printf(“No Camera found!n”)；
　　exit(-1)；
　　}
　　(2)讀取設(shè)備信息
　　ioctl函數(shù)將攝像頭的信息存放到結(jié)構(gòu)videocap中，攝像頭信息主要包含名稱、類型、通道數(shù)、圖像寬度、圖像高度等。
　　struct video_capability videocap；
　　if(ioctl (fd，VIDIOCGCAP，&videocap) == -1){
　　printf(″Couldn′t get videodevice capability″)；
　　exit(-1)；
　　}
　　(3)更改設(shè)備當(dāng)前設(shè)置
　　設(shè)置圖像幀的屬性，將需要設(shè)置的屬性保存在結(jié)構(gòu)體videopict中，主要包含圖像亮度、色彩、對比度、調(diào)色板參數(shù)等。
　　if (ioctl (fd，VIDIOCSPICT，&videopict) < 0){
　　??? printf(″Couldnt set videopict params with VIDIOCSPICT″)；
?? ??? 　　　exit(-1)；
　　}
　　(4)圖像采集
　　圖像采集主要有2種方式：read()直接讀取和mmap()內(nèi)存映射。本系統(tǒng)采用mmap()內(nèi)存映射方式。
　　vmmap.height=240；
　　vmmap.width=320；
　　vmmap.format=vd-> VIDEO_PALETTE_JPEG；
　　ioctl (vd->fd，VIDIOCMCAPTURE，&(vd->vmmap)；
　　ioctl (vd->fd，VIDIOCSYNC，0)；
　　pFramebuffer=(unsigned char*) mmap(0，vd->videombuf.size，
　　PROT_READ | PROT_WRITE，MAP_SHARED，vd->fd，0)；
　　第一個ioctl()設(shè)置了采集的圖像大小為320×240，圖像格式為JPEG；第二個ioctl()設(shè)置為單幀采集，再用mmap()函數(shù)將圖像數(shù)據(jù)映射到pFramebuffer指針?biāo)傅膬?nèi)存中。
2.3 運(yùn)動檢測
　　采集到監(jiān)控圖像之后，就可進(jìn)行運(yùn)動檢測了。視頻圖像處理中，運(yùn)動目標(biāo)檢測方法主要有背景差分法、幀差法和光流法。本系統(tǒng)采用幀差法。其原理是：當(dāng)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有物體運(yùn)動時，在采集的圖像幀中，對應(yīng)區(qū)域的像素值會發(fā)生明顯變化，這時只需將兩幀差分，得到兩幀圖像亮度差的絕對值。如果絕對值比所設(shè)定的閾值大，則區(qū)域內(nèi)存在運(yùn)動物體；反之，則不存在運(yùn)動物體。用公式表達(dá)如下[3]：
?

實(shí)際應(yīng)用中，閾值T的選擇相當(dāng)關(guān)鍵。如果閾值過低，則不能有效地抑制圖像中的噪聲；反之將抑制圖像中有用的變化信息。通常閾值的選擇與監(jiān)控場景的光照和攝像頭位置等外界具體環(huán)境條件有關(guān)，不可能對不同監(jiān)控環(huán)境設(shè)置相同的閾值。本文采用對不同的監(jiān)控環(huán)境自動計算閾值，方法是在開始采集圖像前，先采集N幅背景圖像，將這些圖像亮度分量的平均值作為該監(jiān)控環(huán)境的閾值。公式如下：
　　

　　?本系統(tǒng)只需檢測出監(jiān)控區(qū)域內(nèi)有無物體運(yùn)動，無需提取出對象的完整區(qū)域，因此只需在圖像差分時，統(tǒng)計大于閾值T的像素點(diǎn)數(shù)。如果像素點(diǎn)數(shù)超過報警閾值，表明有物體運(yùn)動；反之則可能是光線變化或噪聲干擾。這樣不僅避免幀差法無法精確計算運(yùn)動區(qū)域的缺點(diǎn)，同時也減輕了處理器的運(yùn)算壓力。程序流程如圖2所示。

2.4 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸
　　?本系統(tǒng)的GPRS模塊主要用于將送入圖像發(fā)送隊列中的有運(yùn)動物體的監(jiān)控圖像傳輸至監(jiān)控中心。數(shù)據(jù)的發(fā)送流程圖如圖3所示。

　　GPRS模塊GTM900B的主要初始化流程為：配置APN->進(jìn)入TCPIP功能->打開一條TCP鏈接，由于該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，直接操作AT指令就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要初始化部分代碼如下：
　　SendData(″AT+CGDCONT=1，″IP″，″CMNET″″，13)；
　　…?//檢查是否配置成功
　　SendData(″AT%ETCPIP″，13)；
　　…?//檢查是否進(jìn)入tcpip
　　SendData(″AT%IPOPEN=″TCP″，″202.206.1.26″，23″，13)；
　　…
　　函數(shù)SendData()的功能是向串口設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。
　　初始化時需注意兩點(diǎn)：
　　(1)模塊上電20 s～30 s后再進(jìn)行TCPIP相關(guān)命令的使用，因?yàn)槟K需要時間搜索網(wǎng)絡(luò)，以及相關(guān)信息初始化等。
　　(2)使用AT%ETCPIP命令，當(dāng)命令還沒有返回時，串口有任何輸入都會導(dǎo)致該命令強(qiáng)制結(jié)束，有%IPCLOSE：5的返回，表明模塊退出TCPIP功能，這時必須重新使用AT%ETCPIP進(jìn)行TCPIP功能的打開操作。
　　當(dāng)GPRS模塊初始化成功后，模塊就已經(jīng)接入Internet，此時就可進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸了，主要操作AT指令：AT%IPSEND。需要注意的是，在設(shè)置AT％IOMODE=1的數(shù)據(jù)傳輸模式下，數(shù)據(jù)包大小不能超過1 024 K，因此一幅圖像須分割成多個數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，而且數(shù)據(jù)收發(fā)時需要進(jìn)行ASCII和HEX的格式轉(zhuǎn)換。
3 測試結(jié)果
　　實(shí)際測試時，監(jiān)控環(huán)境的閾值計算值為11，報警閾值取1 000，灰度值轉(zhuǎn)換公式為gray=r×0.3+g×0.6+b×0.1，計算出的大于閾值的像素點(diǎn)有13 562個，大于報警閾值，GPRS模塊開始傳送圖像。試驗(yàn)圖像如圖4所示。

　　S3C2440A的核心工作頻率為406.425 MHz，當(dāng)GPRS模塊空閑時，從采集兩幅320×240分辨率的圖像開始到運(yùn)動檢測結(jié)束，時間約為55 ms，當(dāng)GPRS忙時，時間約為115 ms，基本可以實(shí)現(xiàn)對有運(yùn)動物體的監(jiān)控圖像的捕捉。GPRS模塊發(fā)送一幅采集的JPEG圖像，在網(wǎng)絡(luò)正常情況下，系統(tǒng)延時通常不超過5 s。
　　本文簡要介紹了無線監(jiān)控終端的系統(tǒng)構(gòu)成，詳細(xì)闡述了應(yīng)用軟件的3個核心模塊的實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將有運(yùn)動物體的監(jiān)控畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心的要求，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)可大大降低無線數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)流量，同時也省去了監(jiān)控人員長時間監(jiān)視監(jiān)控圖像的工作。此外，本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計時充分考慮了不同用戶的需求，只需對軟硬件稍加擴(kuò)展，就可實(shí)現(xiàn)將監(jiān)控畫面或報警短信傳送至用戶的彩信手機(jī)，具有很好的使用和推廣價值。