基于Matlab的USB接口視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)

劉瑞男　劉建國(guó)　付天舒

摘 要：在開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件前，需要驗(yàn)證圖像處理算法的正確行和可行性，但直接調(diào)用微機(jī)和攝像設(shè)備的底層硬件比較復(fù)雜。這里介紹一種通過(guò)Matlab軟件設(shè)計(jì)USB接口的視頻監(jiān)控方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這種方法簡(jiǎn)單易行，非常適合做監(jiān)控與圖像處理算法的前期驗(yàn)證工作。

關(guān)鍵詞：Matlab；USB接口；視頻監(jiān)控；圖形用戶(hù)界面

1 視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控是保障社會(huì)生活與生產(chǎn)安全的重要方法，通常視頻監(jiān)控由監(jiān)視設(shè)備、傳輸設(shè)備、存儲(chǔ)單元、控制單元和顯示設(shè)備設(shè)備組成。按技術(shù)發(fā)展分類(lèi)，可分為：第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)、第二代數(shù)字化硬盤(pán)監(jiān)控系統(tǒng)和第三代網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。模擬監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，特別是在需要遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，架設(shè)成本高。第二代數(shù)字化硬盤(pán)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)現(xiàn)有的電信通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，解決了遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題，但實(shí)時(shí)性差、延時(shí)長(zhǎng)、多路實(shí)時(shí)監(jiān)控困難。第三代網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)、嵌入式技術(shù)和寬帶網(wǎng)絡(luò)把監(jiān)控中心和監(jiān)控終端目標(biāo)融合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控的遠(yuǎn)程化、實(shí)時(shí)化和集成化。

由于第三代網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的興起，視頻監(jiān)控的開(kāi)發(fā)方案也變得多樣化、平臺(tái)化。以前開(kāi)發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度較高，其是純硬件開(kāi)發(fā)或利用調(diào)用硬件能力強(qiáng)的少量上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件開(kāi)發(fā)，如VC++等，硬件接口包括復(fù)合視頻接口、二分量視頻接口、色差分量視頻接口、VGA接口和DVI接口?，F(xiàn)在可以在PC平臺(tái)上利用通用的USB接口進(jìn)行視頻通信，開(kāi)發(fā)軟件也有更多的選擇，這樣就降低了開(kāi)發(fā)和調(diào)試工作的難度，更有利于家用和小型監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。這里就介紹一種基于Matlab軟件的USB接口視頻監(jiān)控設(shè)計(jì)方案。

2 USB接口的驅(qū)動(dòng)

USB接口的全稱(chēng)是通用串行總線，是一種計(jì)算機(jī)通信的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，具有的熱拔插、體積小、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、可串接的優(yōu)點(diǎn)。Matlab軟件可以對(duì)USB接口進(jìn)行調(diào)用，是一款基于矩陣計(jì)算的數(shù)學(xué)軟件，但其具有強(qiáng)大的、多樣的開(kāi)發(fā)工具箱，利用工具箱可以方便的進(jìn)行科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)。其也可以設(shè)計(jì)GUI界面的應(yīng)用程序，并可以編譯成可執(zhí)行文件，在通用的PC平臺(tái)上使用。Matlab工具箱中提供了調(diào)用USB攝像頭的命令，如表1所示：

在驅(qū)動(dòng)USB攝像頭之前必須了解它的相關(guān)參數(shù)，可以通過(guò)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)查閱，也可以利用Matlab提供的imaqhwinfo（）函數(shù)查詢(xún)攝像頭參數(shù)，包括圖片的默認(rèn)格式、設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備號(hào)碼、圖像目標(biāo)的構(gòu)建方式、所有可支持的圖像格式和圖像分辨率等等。一般情況下，后面就是視頻圖像的預(yù)覽、采集和保存這三個(gè)過(guò)程。Videoinput（a1，a2，a3）用于建立一個(gè)新的視頻對(duì)象，參數(shù)a1是適配器的名稱(chēng)，a2是設(shè)備號(hào)碼，a3是需要采集的視頻格式。利用preview（b1，b2）可以在PC機(jī)打開(kāi)圖像的預(yù)覽窗口，參數(shù)b1是前面建立的視頻對(duì)象，參數(shù)b2是預(yù)覽窗口中對(duì)象的句柄。利用imwrite（c1，c2，c3）命令可以保存矩陣格式的視頻圖像在PC機(jī)中，參數(shù)c1是待保存的圖像矩陣，參數(shù)c2是保存的文件名，c3是圖像文件格式。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)調(diào)試

首先要組建硬件平臺(tái)，然后在這個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)而完善程序。基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)很容易組建，只需要一個(gè)免驅(qū)的USB攝像頭和一臺(tái)PC機(jī)。圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。首先要驅(qū)動(dòng)USB攝像頭，把采集的視頻信息通過(guò)USB接口發(fā)送到PC機(jī)，PC機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)的預(yù)處理，再通過(guò)圖像處理算法判斷是否達(dá)到報(bào)警要求，達(dá)到報(bào)警要求時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

程序設(shè)計(jì)要考慮到環(huán)境的背景變化因素。當(dāng)環(huán)境背景有微弱的明暗變化時(shí)，畫(huà)面的所有像素亮度值之和就會(huì)改變很大，所以要有算法來(lái)去除背景環(huán)境的變化因素，去除背景環(huán)境的變化因素的方法是當(dāng)前計(jì)算的RGB像素的變化值之和小于某一值時(shí)，忽略這個(gè)像素的RGB亮度變化值。在系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始時(shí)取一幀圖像作為標(biāo)準(zhǔn)幀圖像，這一幀標(biāo)準(zhǔn)幀圖像用于進(jìn)行亮度閾值比較。在程序設(shè)計(jì)時(shí)遇到兩個(gè)難點(diǎn)，分別是攝像頭分辨率的選取程序和音頻報(bào)警程序，這里分別給出關(guān)鍵的程序代碼并解釋。在攝像頭分辨率選取程序中用的控件是下拉列表框控件，控件名是popupmenu3，首先用get命令得到popupmenu3控件的所有列表，再用get命令得到popupmenu3控件當(dāng)前備選的字符的索引號(hào)val1，通過(guò)索引號(hào)val1把當(dāng)前選的的字符賦給字符串變量m。在使用videoinput命令驅(qū)動(dòng)輸入的視頻設(shè)備時(shí)使用字符串變量m做為視頻設(shè)備的分辨率參數(shù)。在播放報(bào)警音頻時(shí)，首先用wavread命令導(dǎo)入報(bào)警聲音文件，然后用audioplayer命令生成生成音頻數(shù)據(jù)，再用play命令按照剛才生成的音頻數(shù)據(jù)的固有格式播放報(bào)警音頻。

創(chuàng)建Matlab的GUI程序，加入所需控件，寫(xiě)入程序代碼后，生成視頻監(jiān)控程序。軟件界面如圖2所示，其中分辨率下拉列表框可以選擇攝像頭支持的分辨率，整體閾值參數(shù)可以調(diào)整報(bào)警的靈敏度，整體閾值參數(shù)越小，靈敏度越高，單像素像素參數(shù)可以調(diào)整背景光的影響程度，單像素像素參數(shù)越大，越不容易受到背景光的影響。

在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)由于成像設(shè)備有一個(gè)亮度偏低的初始狀態(tài)，不能把這一時(shí)期的某一幀圖像作為標(biāo)準(zhǔn)幀。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在40幀以后的圖像比較穩(wěn)定，所以可以選擇40幀以后的一幀圖像作為標(biāo)準(zhǔn)幀進(jìn)行閾值比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單像素參數(shù)大于20時(shí)，對(duì)背景光的抗干擾性比較好，但這一數(shù)值也不宜大于50，過(guò)大后會(huì)影響整體閾值參數(shù)的比較結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出Matlab的軟件工具箱可以非常方便地驅(qū)動(dòng)usb接口攝像頭，也可以驅(qū)動(dòng)聲卡發(fā)出設(shè)定的報(bào)警聲音。利用其圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)功能進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單易行。這種設(shè)計(jì)方案可以繞過(guò)攝像頭和微機(jī)的底層硬件驅(qū)動(dòng)工作，在真正開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)之前，非常適合做監(jiān)控與圖像處理算法的前期驗(yàn)證工作。

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