基于低成本CMOS攝像頭智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計

在考慮數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求和cmos攝像頭的價值、性能、功耗、體積和發(fā)展趨勢的基礎上，在普通pc機上運用vc＋＋和vb編程實現(xiàn)了“基于低成本cmos攝像頭的數(shù)字圖像智能監(jiān)控系統(tǒng)”。當監(jiān)控場景發(fā)生變化時，系統(tǒng)自動拍照和錄像，并提供3個報警級別，同時實施相應的處理機制，并進行聲音報警，必要時還可以進入人工干預。

1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)由微機、cmos攝像頭和軟件等組成，其基本功能如下：

（1）能夠克服廉價cmos攝像頭的不穩(wěn)定性和低象素低分辨率的缺陷，對監(jiān)控場景進行可靠、穩(wěn)定的監(jiān)控。

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、自動化。在發(fā)現(xiàn)異常情況時，可以根據(jù)異常情況的危險等級而實施不同的處理機制。

（3）具有拍照和錄像功能，當出現(xiàn)異常情況時將有關場景記錄在案，為日后分析提供影像證據(jù)，同時系統(tǒng)還提供時間信息。

（4）具有完善的后處理能力，在本系統(tǒng)內(nèi)可以查看所拍攝的照片和錄像，方便用戶瀏覽查看，并且可以編輯、打印等。

（5）可靈活實現(xiàn)由自動監(jiān)控到人工操作的切換。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件構成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主機由一臺普通pc機加載軟件而構成，系統(tǒng)設計在兼顧高性能和低價格的綜合分析下，采用大容量的磁盤空間以存儲龐大的數(shù)據(jù)，選用穩(wěn)定性高的cpu以保證系統(tǒng)長時間運行。

cmos攝像頭為logitech express 2000。其象素值僅為10萬，當分辨率為320×240pixels時，fps為15幀，照度在100－100 000勒克司之間。

3 軟件設計

3.1 主程序框圖

監(jiān)控軟件主程序框圖如圖2所示。

3.2 監(jiān)控程序框圖

監(jiān)控程序框圖如圖3所示。

系統(tǒng)將警報定為3個級別，分別是綠色警報、黃色警報和紅色警報。由低到高分別表示監(jiān)控場景安全、系統(tǒng)進入警備狀態(tài)和系統(tǒng)進入報警狀態(tài)。

當系統(tǒng)處于綠色報警狀態(tài)時，位于屏幕中心的視頻回放窗口中實現(xiàn)地回放cmos攝像頭捕捉的視頻圖像，位于屏幕下方的狀態(tài)欄則顯示系統(tǒng)運行時間以及當前時間等信息。同時，內(nèi)部監(jiān)控程序進行運動檢測，一旦場景有變化就觸發(fā)高一級別的警報，并驅(qū)動附屬設備工作。

4 對低成本cmos攝像頭的研究

4.1 圖像的獲取

在攝像頭圖像的獲取上，系統(tǒng)采用了logitech quick－cam sdk。這是一個com接口驅(qū)動程序，通過對他的設定編程，就可以獲取攝像頭捕捉的圖像，圖4顯示了程序設計者和攝像頭低層驅(qū)動之間的工作原理。

通過調(diào)用wdm驅(qū)動程序，應用程序就可以和cmos攝像頭進行數(shù)據(jù)通信。

4.2 預處理方法

圖像在生成和傳輸過程中受噪聲干擾會使質(zhì)量下降。為了抑制噪聲和改善圖像質(zhì)量，必須對圖像進行平滑處理。

為了濾除圖像中的噪聲，系統(tǒng)設計時采用平滑技術，本系統(tǒng)中采用的平滑技術是對噪聲圖像使用局部算子，即僅對他的局部小領域內(nèi)的一些象素加以運算。該方法也稱作非加權領域平均法，他均等地對待領域中的每個象素。設圖像中某象素的灰度值為f（x，y），他的領域s為n×n，點集總數(shù)為m，則平滑后該點的灰度值為整個區(qū)域的平均值。

領域運算（neighborhood operation）實質(zhì)上就是進行模板操作，即某個象素點的值不僅和本象素灰度有關，而且和其領域點的值有關，平滑模板的思想是通過某一點和其周圍8個點的象素值平均來濾除噪聲。

系統(tǒng)中采用的圖像模板操作函數(shù)如下：

利用該通用模板，就可以輕松地實現(xiàn)局部平滑操作。

4.3 成像規(guī)律的研究

基于廉價的cmos攝像頭最嚴重的問題就是穩(wěn)定性差。也就是說如果對同一靜態(tài)場景進行連續(xù)拍攝時，其圖像也存在很大差別。為此，首先進行對靜態(tài)圖像連續(xù)拍攝的穩(wěn)定性的實驗，對圖像進行三原色分離，比較各象素點的差值，統(tǒng)計不同的象素點的個數(shù)。

假設某一特定點在相鄰t1，t2時刻所對應的三原色值分別為（r1，g1，b1）和（r2，g2，b2）。實驗發(fā)現(xiàn)，r1≠r2，g1≠g2，b1≠b2，但其存在關系r1－r2△g1－g2△b1－b2。

三原色分離是分離前背景圖像的基礎，為此，構建函數(shù)f（1），f（2）分別表示t1，t2時刻某一點所對應的三原色函數(shù)值。通過對三原色分離后的誤差域值的研究發(fā)現(xiàn)，當|f（1）－f（2）|＝a＝45時（a稱為域值），可準確實現(xiàn)t1，t2時刻前背景圖像的分離，且系統(tǒng)反映速度較快，屬于非常合適的“折衷點”。因此，當a≤45時，可以認為圖像中t1，t2時刻的三原色差值是由于攝像頭的誤差造成的，否則判斷有物體進入了監(jiān)控區(qū)域。

實現(xiàn)前背景分離的核心程序如下：

圖5所示即為程序運行后的前背景分離結果。

5 結語

在系統(tǒng)的研究過程中，課題組投入了大量經(jīng)歷致力于低成本cmos攝像頭的研究，成功地克服了攝像頭穩(wěn)定性差、精度低等問題。探索出了一條低成本多媒體監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)之路。

通過在不同場所的系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)完全達到了高精度、高穩(wěn)定性的實時監(jiān)控功能。但隨著對監(jiān)控系統(tǒng)的進一步要求，為適應新的形勢，該系統(tǒng)在以下方面有待優(yōu)化。

（1）視頻信號的自動切換，每間隔一定時間自動切換攝像頭監(jiān)控區(qū)域。

（2）增加網(wǎng)絡功能，報警時可將照片和錄像傳輸?shù)竭h端主機。

（3）增加電話報警功能，報警使可撥打報警電話。

（4）對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行深入研究。

（5）改進圖像和視頻壓縮算法，采用mpeg4壓縮技術。