基于D S P目標(biāo)入侵檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

代 超 高 怡 范光星 蔡 凱 董海崗 王明剛

(西安文理學(xué)院 物理與機(jī)械電子工程學(xué)院，陜西西安710065)

0 前言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的生產(chǎn)和生活場(chǎng)所需要對(duì)一些禁止區(qū)域（例如倉(cāng)庫(kù)、變電站、銀行等）進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控及布防，以計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的目標(biāo)入侵檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。目標(biāo)入侵檢測(cè)技術(shù)不僅可以快速、準(zhǔn)確的判別出禁止區(qū)域內(nèi)非法入侵者，還可以有效地保護(hù)了人員和財(cái)產(chǎn)的安全、高效地處理了危機(jī)。目標(biāo)入侵檢測(cè)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)時(shí)涉及大量的數(shù)字信號(hào)處理算法，而一款DSP處理器TMS320DM642既可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這些算法，還提供了音視頻接口，使用方便，因此成為目標(biāo)入侵檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)常用的一種處理器。

1 目標(biāo)入侵檢測(cè)的原理

對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行入侵檢測(cè)，首先要建立監(jiān)控畫面的背景模型并標(biāo)識(shí)出禁止區(qū)域（即有利害關(guān)系的區(qū)域），其次要對(duì)監(jiān)控畫面中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確定位及標(biāo)識(shí)，最后由系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與禁止區(qū)域的位置關(guān)系進(jìn)行有效地系統(tǒng)預(yù)警。

1.1 高斯分布背景模型的建立

對(duì)監(jiān)控畫面中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)常用的檢測(cè)方法有：相鄰幀差法、背景幀差法、光流法[1-2]。其中，相鄰幀差法是將連續(xù)兩幀進(jìn)行相減，從中提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息。雖然該算法計(jì)算量小，但是對(duì)光線變化不太敏感，甚至運(yùn)動(dòng)目標(biāo)狀態(tài)改變過慢將無(wú)法正確識(shí)別[3]。光流法是利用計(jì)算位移向量光流場(chǎng)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，該方法運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性差。背景幀差法是將當(dāng)前幀與背景模型進(jìn)行比較，判斷像素點(diǎn)是屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域還是背景區(qū)域。背景幀差法對(duì)光照變化、氣候等環(huán)境因素較為敏感，適應(yīng)性較弱[4]。但是較之前兩種方法而言，背景幀差法由于算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且能較為準(zhǔn)確的提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息，因此是應(yīng)用最廣泛的目標(biāo)檢測(cè)方法。

為了提高背景幀差法在背景模型建立時(shí)的準(zhǔn)確性，可以先采集多幅背景圖像，再建立參數(shù)背景模型。經(jīng)典的背景建模算法有W4算法、中值濾波法、線性預(yù)測(cè)法和混合高斯法等。其中，混合高斯模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算效率高，對(duì)動(dòng)態(tài)背景處理時(shí)魯棒性也很好。因此，系統(tǒng)在背景幀差法中使用混合高斯模型提取背景模型，可以克服監(jiān)測(cè)環(huán)境中重復(fù)的干擾、光照和水波等的緩慢變化，具有良好的魯棒性。

在單高斯模型中，用N(μ,δ)描述某個(gè)像素點(diǎn)的灰度統(tǒng)計(jì)特性，高斯分布定義為：

而混合高斯模型使用K個(gè)（3～5）高斯函數(shù)來(lái)擬合某像素點(diǎn)的灰度分布。對(duì)于像素點(diǎn)x，混合高斯模型可定義為：

在監(jiān)控系統(tǒng)初始化時(shí)，采集N幅背景圖像，建立K個(gè)分量的混合高斯模型。實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，對(duì)新的圖像幀中像素點(diǎn)依次作檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)前景點(diǎn)的個(gè)數(shù)或比例，當(dāng)個(gè)數(shù)或比例大于M（M為閾值，針對(duì)環(huán)境等條件改變）時(shí)，認(rèn)為存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，否則作為干擾。同時(shí)對(duì)背景模型參數(shù)不斷更新，以適應(yīng)背景的變化。

1.2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位及標(biāo)識(shí)

對(duì)目標(biāo)的定位主要采用的是背景幀差法和連通分析。背景幀差法即用當(dāng)前幀對(duì)背景作差，幀差后背景區(qū)域?yàn)楹谏?，只剩目?biāo)和擾動(dòng)像素。由于混合高斯模型沒有明確的背景幀，因此取K個(gè)分量中最匹配的那個(gè)分量的均值作為背景幀的灰度值。同時(shí)由于灰度圖像的幀差效果往往沒有二值圖像明顯，因此若不是特別要求，一般都可先將當(dāng)前幀和背景幀根據(jù)某閾值二值化處理。

其中，f（x，y，t）表示 t時(shí)刻（x，y）點(diǎn)的灰度值，即；k 表示最匹配的分量：

這樣處理后，所得圖像中目標(biāo)主體基本都比較明顯。

然而，實(shí)際應(yīng)用中往往還是免不了有小區(qū)域或大區(qū)域的擾動(dòng)。對(duì)于比較細(xì)小的干擾，可以采用濾波和形態(tài)學(xué)收縮等進(jìn)行處理；而對(duì)于比較大的區(qū)域，則只能用連通閾分析把目標(biāo)區(qū)域找出來(lái)（例如，在已知目標(biāo)面積比干擾面積大很多的情況下）。連通分析主要通過深度遞歸遍歷和分類實(shí)現(xiàn)：

（1）假設(shè)有N個(gè)連通區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中有M個(gè)點(diǎn)，構(gòu)建二級(jí)鏈表結(jié)構(gòu)體并初始化（N和M初始為0，查找過程動(dòng)態(tài)增加）；

（2）對(duì)經(jīng)上述處理后的圖像依次作種子區(qū)域生長(zhǎng)掃描，對(duì)每個(gè)點(diǎn)檢測(cè)是否已被分類，如果不屬于已有區(qū)域，則新增一個(gè)區(qū)域，并將該點(diǎn)加入新區(qū)域，如果屬于已有區(qū)域，加入已有區(qū)域，如果區(qū)域生長(zhǎng)結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)種子點(diǎn)；

（3）設(shè)閾值為S，則可把M大于S的區(qū)域n納為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)區(qū)域，同時(shí)合并滿足條件的區(qū)域。

1.3 入侵分析及預(yù)警提示

入侵分析是系統(tǒng)針對(duì)禁止區(qū)域，預(yù)先在監(jiān)控畫面上劃分一塊像素區(qū)域，并記錄坐標(biāo)，之后判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)是否落入這個(gè)像素區(qū)域。當(dāng)落入目標(biāo)區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)量占總前景點(diǎn)數(shù)的比例大于某個(gè)閾值時(shí)，即判斷為入侵，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警提示。否則，系統(tǒng)只對(duì)監(jiān)視畫面中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，而不做任何其他操作。

2 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以DSP處理器為核心，外接視頻采集/顯示模塊、數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及CPLD模塊等。

DSP處理器選用TI公司推出的高端專用數(shù)據(jù)媒體處理器TMS320DM642作為主處理器，它具有高達(dá)4800MIPS的運(yùn)算速度，64個(gè)獨(dú)立通道的EDMA(擴(kuò)展的自接存儲(chǔ)器訪問)控制器，3個(gè)可配置的視頻日等特性。視頻采集/輸出模塊為一路攝像機(jī)將采集到的模擬視頻信號(hào)傳輸給視頻解碼芯片，后者將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過視頻口傳送給DSP處理器，處理器對(duì)所接收到的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)算法的處理，然后將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)通過另外一個(gè)視頻口發(fā)送給視頻編碼芯片，后者將數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬視頻信號(hào)傳輸給顯示器。視頻解碼芯片采用飛利浦公司具有代表性的SAA7113H芯片，采用ITU-BT.6568bit 4:2:2內(nèi)含同步碼的數(shù)據(jù)接口。輸出采用SAA7121芯片，提供模擬視頻輸出。數(shù)據(jù)/程序存儲(chǔ)模塊包括一個(gè)4MB的FLASH以及兩個(gè)32MB的SDRAM，用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)。通信模塊包括RS232等接口。CPLD模塊由于可配置其內(nèi)部邏輯，具有很強(qiáng)的靈活性，可用來(lái)輔助DSP處理器對(duì)視頻圖像處理平臺(tái)進(jìn)行時(shí)序與邏輯控制。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)初始化完成后，實(shí)時(shí)采集視頻圖像，通過中值去噪完成圖像增強(qiáng)，建立高斯分布背景模型，將當(dāng)前幀和背景幀做差，通過灰度值判斷是否有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在。再按設(shè)定的閾值剔除干擾，超過閾值即判定為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并標(biāo)識(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。然后判斷目標(biāo)的像素個(gè)數(shù)占據(jù)預(yù)警區(qū)域的比例，超過設(shè)定值，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警提示。為了增加抗干擾能力，當(dāng)判定為沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的存在時(shí)，更新背景，以消除風(fēng)、樹葉和光照變化等環(huán)境影響。圖2為系統(tǒng)幀處理的流程圖。

圖2 實(shí)時(shí)幀處理流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

硬件平臺(tái)建立后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，輸入視頻分辨率720*576，輸入幀頻25幀，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，黃色區(qū)域?yàn)殛P(guān)鍵區(qū)域，一旦有人靠近并進(jìn)入該區(qū)域，系統(tǒng)將預(yù)警提示。其中，圖A代表監(jiān)控背景；圖B為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)靠近關(guān)鍵區(qū)域時(shí)的識(shí)別狀態(tài)，系統(tǒng)將會(huì)顯示為警戒狀態(tài)；圖C為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)，系統(tǒng)檢測(cè)為入侵狀態(tài)，系統(tǒng)此時(shí)為報(bào)警狀態(tài)；圖D為入侵目標(biāo)離開，此時(shí)系統(tǒng)將退出報(bào)警狀態(tài)，但仍會(huì)繼續(xù)監(jiān)視運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的移動(dòng)軌跡。通過實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

圖3 目標(biāo)入侵檢測(cè)的監(jiān)控畫面

4 總結(jié)

系統(tǒng)以TMS320DM642為硬件平臺(tái)，采用混合高斯模型和背景幀差法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)入侵檢測(cè)。通過實(shí)際測(cè)試，該方法擁有較好的魯棒性，并且具有識(shí)別準(zhǔn)確度高、實(shí)時(shí)性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種視頻監(jiān)控領(lǐng)域。

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