數(shù)字圖像處理在家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要 在現(xiàn)代社會生活工作壓力下，人們的生活節(jié)奏越來越快，許多人由于事務(wù)繁忙而對住宅空間疏于照顧。近幾年，水管爆裂、入室盜竊等事故對居民的家庭安全造成了影響，國內(nèi)居民尤其是城市居民安全防范意識大大提高?，F(xiàn)在的城市居民對家庭安全防范工具的運(yùn)用已經(jīng)不局限于防盜門、可視門鈴、樓宇對講、防盜網(wǎng)等傳統(tǒng)設(shè)備，目前國內(nèi)的家庭安防系統(tǒng)正向著智能化的方向邁進(jìn)并開始大規(guī)模地運(yùn)用到家庭安全領(lǐng)域。綜合運(yùn)用電子技術(shù)和物理方法，對事先設(shè)置的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)進(jìn)行自動探測，一旦發(fā)現(xiàn)入侵行為就會自動發(fā)出警報(bào)，并顯示室內(nèi)人員所發(fā)生警報(bào)的具體位置。家庭安防系統(tǒng)主要防范的具體事項(xiàng)包括水管破裂、煤氣泄漏以及入室盜竊等。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字圖像處理 家庭安防系統(tǒng) 目標(biāo)跟蹤

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成電路的快速發(fā)展，智能家庭安全系統(tǒng)的技術(shù)門檻和生產(chǎn)成本越來越低，我們將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)安防技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出同時具有目標(biāo)理解、目標(biāo)分類、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)檢測等功能的高智能化家庭安防系統(tǒng)。

1 家庭安防系統(tǒng)的重要子系統(tǒng)

1.1 數(shù)字圖像獲取系統(tǒng)

智能家庭安防系統(tǒng)包含監(jiān)控、報(bào)警與門禁三個部分。其數(shù)字圖像由室內(nèi)所安裝的監(jiān)控?cái)z像頭提供，攝像頭的布置要求在監(jiān)控?zé)o死角的基礎(chǔ)上盡量減少重復(fù)地帶，在房間、廁所、廚房以及各個入室口均需要安裝攝像頭，進(jìn)而對水管破裂、煤氣泄漏、入室盜竊等事故進(jìn)行有效防范。為保證監(jiān)視器在夜間也可以完成監(jiān)視工作，需要采用內(nèi)置紅外模塊的攝像頭。所取得的數(shù)字圖像通過圖像傳感器傳送給主機(jī)。

1.2 警情處理控制系統(tǒng)

當(dāng)家中出現(xiàn)非法入侵或煤氣泄漏等警情信息后，本地會發(fā)出聲光報(bào)警信息，同時系統(tǒng)主機(jī)會撥打電話、發(fā)送短信、彩信、抓拍現(xiàn)場圖片給多個指定的用戶手機(jī)；用戶收到警情信息可第一時間拿起手機(jī)或電腦查看家中監(jiān)控任意的畫面，并可以通過手機(jī)或電腦對家中攝像機(jī)、報(bào)警器、智能家電進(jìn)行控制。

1.3 報(bào)警子系統(tǒng)

入侵報(bào)警子系統(tǒng)由報(bào)警探測器、報(bào)警主機(jī)和接警中心構(gòu)成。報(bào)警探測器可以是紅外微波雙鑒探測器、窗磁、門磁、玻璃破碎探測器、煙霧探測器、緊急按鈕和燃?xì)庑孤┨綔y器等，而系統(tǒng)的關(guān)鍵是接警中心。

2 數(shù)字圖像的預(yù)處理

2.1 灰度降解

家庭安防系統(tǒng)要求監(jiān)控工作必須具有很強(qiáng)的實(shí)時性，同時也需要更快的信息處理速度，在處理圖像信息之前需要對數(shù)字圖像進(jìn)行灰度降解。

2.2 圖解增強(qiáng)

由攝像頭傳來的數(shù)字圖像會受到來自多方面的隨機(jī)干擾或條件限制，所以原始數(shù)字圖像往往不能直接使用。一定要對原始數(shù)字圖像進(jìn)行噪聲過濾、灰度校正等預(yù)處理。而視覺系統(tǒng)的圖像處理并不需要考慮圖像降質(zhì)，只需要將圖解中重要的特征進(jìn)行有選擇的突出，對不需要的特征進(jìn)行誤差處理，這種數(shù)字圖像處理方法被稱之為圖像增強(qiáng)法。

家庭安防系統(tǒng)中的攝像頭所采集的圖像往往存在灰度值分布不均勻的問題，其灰度值在某一區(qū)間的會比較集中，比如在夜晚采集到的圖像其灰度會比較低，而在光照比較強(qiáng)的情況下所采集圖象的灰度會比較高。我們可以采用直方圖均衡化的方法重新調(diào)整原始數(shù)字圖象的灰度值并使其均勻分布，進(jìn)而現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)圖象對比度的目的。由此可知，直方圖修正的方法可以有效提高數(shù)字圖象的對比度。

3 目標(biāo)檢測

家庭安防系統(tǒng)的主要任務(wù)就是對家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時檢測，一旦出現(xiàn)問題立刻發(fā)出警報(bào)。在家庭安防系統(tǒng)的觀測范圍內(nèi)出現(xiàn)的一切危險(xiǎn)狀況都被視為運(yùn)動目標(biāo)，通常通過三種方法對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測，分別是背景減法、幀間差法以及光流法。由于家庭安防系統(tǒng)通常設(shè)置在室內(nèi)環(huán)境中，周圍環(huán)境比較穩(wěn)定，通常采用背景減法的方式來完成目標(biāo)檢測工作。

3.1 建立前景模型

在系統(tǒng)正式運(yùn)行時，根據(jù)白天和晚上不同的時段以及不同的天氣對無運(yùn)動對象進(jìn)行提取，將提取出來的背景圖像存儲到背景模型庫中。由于室內(nèi)的擺設(shè)、家具可能發(fā)生變化，在室內(nèi)背景出現(xiàn)變化時需要對背景模型庫進(jìn)行更新。家庭安防系統(tǒng)可以對背景模型庫進(jìn)行自動更新，并根據(jù)不同家庭的具體情況自動設(shè)定更新頻率。

3.2 背景減法

在背景模型建立完成后，需要設(shè)置背景減法。家庭安防系統(tǒng)會根據(jù)不同的安全等級要求，對背景減法間隔時間進(jìn)行設(shè)定，用戶對實(shí)時性安全要求越高，其間隔時間越小，系統(tǒng)的運(yùn)算頻率也相應(yīng)提高，對系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)性能要求也越高，整個家庭安防系統(tǒng)的造價(jià)也更高。

3.3 目標(biāo)檢測

本文之前已經(jīng)提到，家系安防系統(tǒng)包括監(jiān)控、報(bào)警以及門禁三個部分。報(bào)警裝置可以通過氣壓、光或聲音等方式對室內(nèi)人員進(jìn)行提醒或警示。安防系統(tǒng)可以對光學(xué)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行精密處理以及重點(diǎn)控制。在室內(nèi)無人的情況下，家庭安防系統(tǒng)所發(fā)出的警報(bào)無人理會，這時需要系統(tǒng)將報(bào)警信號以及現(xiàn)場圖像進(jìn)行分析并將所分析出來的結(jié)果以微信或短信的方式發(fā)送給房屋的主人。

系統(tǒng)根據(jù)二值化的背景減圖進(jìn)行目標(biāo)檢測，通過攝像頭所取得的圖像，其中有一部分是我們并不感興趣的信息。比如所采集圖像的非室內(nèi)景象等。為了有效提高家庭安防系統(tǒng)的實(shí)時性，我們可以專門對背景減圖中有用的部分進(jìn)行目標(biāo)檢測。

經(jīng)過背景減法以及二值化獲取多個塊，根據(jù)事先設(shè)置的合并閾值來決定是否將各塊進(jìn)行合并，以圖象中合并之后的連接區(qū)域用矩形線條進(jìn)行標(biāo)識。并將矩形的長寬比或面積與識別目標(biāo)的長寬比或面積進(jìn)行對比，并判斷其是否為檢測目標(biāo)。由于每個攝像頭有著不同的監(jiān)控區(qū)域，其所監(jiān)控的危險(xiǎn)目標(biāo)也有所不同。所以需要我們對所有不同的攝像頭進(jìn)行各自的目標(biāo)檢測預(yù)設(shè)。

4 家庭安防系統(tǒng)中數(shù)字化數(shù)字化圖象系統(tǒng)的工作原理

目前國內(nèi)市場上多數(shù)家庭安防產(chǎn)品主要的報(bào)警方式為電話報(bào)警，或是通過局域網(wǎng)向大樓管理員報(bào)警，然而這種報(bào)警方式存在著一定的缺陷。由于電話線路穩(wěn)定性欠佳，當(dāng)房屋主人正在進(jìn)行通話時，無法將警報(bào)及時地傳遞給房屋主人致使延誤警情，而且電話能夠給人提供的信息也是十分有限的。所以圖1所示的家庭安防系統(tǒng)不僅包含了單片機(jī)控制模塊和圖像處理模塊，由數(shù)字家庭安防主機(jī)對系統(tǒng)內(nèi)所連接的各個模塊進(jìn)行自動化調(diào)配，收集并計(jì)算來自系統(tǒng)內(nèi)各個攝像頭的圖像信息以及來自紅外探測器與火警探測器的報(bào)警信息。以圖像報(bào)警系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合接警中心、傳輸系統(tǒng)、救助按鈕、安防主機(jī)、攝像頭、各類傳感器等元件，使家庭安防系統(tǒng)更加智能。由芯片圖像采集系統(tǒng)將報(bào)警信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，由編解碼芯片完成編碼壓縮工作，通過CDMA Modem/GPRS Modem無線通信模塊將報(bào)警信息傳送給房屋主人。

當(dāng)有陌生人進(jìn)行房屋時，家庭安防系統(tǒng)的紅外探測器和房屋內(nèi)的攝像頭會捕捉到可疑目標(biāo)的位置和動作，一旦陌生人移動或拿走了室內(nèi)的任何一樣物體，房間內(nèi)的家具設(shè)置布局就會發(fā)生改變，與系統(tǒng)之前所建立的背景模型不一致。數(shù)字圖像處理模塊會立即對攝像頭所拍攝到的圖像依照安全等級要求進(jìn)行背景減法處理，最后由家庭安防系統(tǒng)中的核心運(yùn)算單位即嵌入式處理芯片對經(jīng)過二值化背景減法處理的的圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測，將檢測與的結(jié)果自動生成數(shù)字化信息并利用系統(tǒng)內(nèi)部的程式軟件將運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為文字，通過無線通訊模塊將可疑人員的位置和行為以及房屋的現(xiàn)狀以彩信的方式轉(zhuǎn)送給房屋主人并同時激活房屋內(nèi)部的報(bào)警裝置，嚇走可疑人員。這一系列數(shù)字圖像的收集、處理、計(jì)算、警報(bào)的工作可以十分有效地保護(hù)房屋內(nèi)部的財(cái)產(chǎn)安全并將重要信息傳達(dá)給房屋主人。

5 結(jié)束語

住宅智能化是現(xiàn)代家庭電子設(shè)備發(fā)展的重要趨勢，我國信息技術(shù)和高科技領(lǐng)域正在由智能大廈轉(zhuǎn)向智能小區(qū)，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸邁向智能家庭。未來的智能家庭會為人們帶來更加便利、舒適、安全的生活環(huán)境。家庭安防系統(tǒng)中的圖像處理系統(tǒng)可以有效收集被監(jiān)控對象的可疑信息，這些重要信息可以作為追蹤犯罪責(zé)任的重要證據(jù)，極大地方便了有關(guān)部門日后的取證與調(diào)查，為相關(guān)的司法裁決工作提供了便利條件。作為住宅智能化領(lǐng)域的重要組成部分，智能家庭安防系統(tǒng)中的數(shù)字圖像處理技術(shù)最為重要，其中防衛(wèi)對象的檢測方法、背景模型的更新方法還需要相關(guān)技術(shù)人員作進(jìn)一步的研究與探索。

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作者簡介

陳靜（1982-），女，滿族，大學(xué)本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為江蘇省鄭州市中心醫(yī)院計(jì)算機(jī) 助理工程師。

作者單位

鄭州市中心醫(yī)院 河南省鄭州市 450000