基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)設計

馮梅+何強

摘 要： 傳統(tǒng)視頻捕獲系統(tǒng)無法解決動態(tài)環(huán)境下視頻區(qū)的圖像大幅度波動問題，捕獲的視頻興趣區(qū)誤差較高。因此，設計基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的視頻讀取模塊從Web攝像頭獲取基帶視頻并進行解密工作，解密后的基帶視頻被存儲為VGA格式的動態(tài)環(huán)境視頻，隨后將其傳輸到自動捕獲模塊。自動捕獲模塊對動態(tài)環(huán)境視頻進行編程控制和實時存儲操作，并為用戶計算機提供設備接口，以實現用戶對動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲。系統(tǒng)后臺Web服務端對自動捕獲模塊獲取的視頻信息進行自主交互，完成視頻信息的存儲、處理和系統(tǒng)資源的管理。軟件給出了動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲目標函數，以及動態(tài)環(huán)境視頻的讀取語言。實驗結果表明，所設計的系統(tǒng)擁有捕獲誤差低的優(yōu)點。

關鍵詞： Web； 動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)； 自動捕獲； VGA格式

中圖分類號： TN948.4?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0090?04

Design of Web?based automatic capture system in video interest area

in dynamic environment

FENG Mei1， HE Qiang2

（1. Engineering Training Center， Chengdu Aeronautic Polytechnic， Chengdu 610100， China；

2. College of Information Science & Technology， Chengdu University of Technology， Chengdu 610059， China）

Abstract： The traditional video capture system cannot solve the problem of large image fluctuation in the video area in dynamic environment， and its video capture interest area error is high. Therefore， a Web?based automatic capture system in video interest area in the dynamic environment was designed. The video read module in the system obtains baseband video from Web camera and executes the decryption work. The decrypted baseband video is stored as VGA format video of the dynamic environment， which is then transmitted to automatic capture module. The automatic video capture module performs programming control and real?time storage operation of dynamic environment video， and provides the device interface for user's computer to realize the user′s automatic capture in video interest areas in dynamic environment. The autonomous interaction of video information acquired by the automatic capture module is conducted in the system backstage Web service end to independently complete the video information storage， processing and management of system resources. The automatic capture objective function in video interest areas in dynamic environment and the video read language the dynamic condition are given. The experimental result shows that the designed system has the advantage of low capture error.

Keywords： Web； video interest area in dynamic environment； automatic capture； VGA format

0 引 言

隨著電子科技與Web通信的逐漸融合，動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)在軍事、工業(yè)、科研等領域已得到廣泛應用，并開始向著網絡化和自動化的方向發(fā)展[1?4]。動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的圖像變動性較大，使得傳統(tǒng)動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)無法對其進行有效捕獲，捕獲誤差較高。因此，構建出一個捕獲誤差低的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，在各領域中均有重要的應用價值[5]。

以往研究的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)均存在一定的問題，如文獻[6]提出基于視頻采集卡的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)將視頻采集卡所獲取到的動態(tài)環(huán)境視頻直接傳輸到計算機中進行處理和捕獲，其捕獲效率雖高，但整個系統(tǒng)的故障發(fā)生率也很高，后期維護成本較大。文獻[7]提出基于復雜可編程邏輯器件的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在完全脫離計算機的控制的狀態(tài)下，進行動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的捕獲，其擁有攜帶方便和后期維護成本小的優(yōu)點。但在該系統(tǒng)中，用戶無法進行個性化捕獲定制，導致系統(tǒng)的捕獲自動化程度不高。文獻[8]提出基于模擬圖像的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用戶所需的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)轉換成編碼，經由對編碼格式進行轉換操作，進而生成視頻畫面的模擬圖像。該系統(tǒng)的工作效率較低，捕獲誤差偏高。文獻[9]提出基于嵌入式裝置的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用32 位微處理器的嵌入式裝置控制動態(tài)環(huán)境視頻興趣區(qū)的捕獲工作，其捕獲效率和自動化水平均較高，但網絡化水平偏低，導致整個系統(tǒng)的捕獲誤差較大。

為了解決以上問題，構建基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)。實驗結果表明，所設計的系統(tǒng)擁有捕獲誤差低的優(yōu)點。

1 自動捕獲系統(tǒng)設計

基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)由視頻讀取模塊、自動捕獲模塊和后臺Web服務端組成。該系統(tǒng)基于Web技術進行動態(tài)環(huán)境下視頻的讀取工作，并對所讀取的動態(tài)環(huán)境視頻進行編程控制和實時存儲，最終實現動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲。

1.1 視頻讀取模塊設計

為了使視頻讀取模塊所讀取的動態(tài)環(huán)境視頻畫面更為真切，基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)與清晰度較高的Web攝像頭相連。視頻讀取模塊由視頻解密芯片、視頻掃射器和CPU組成，見圖1。

由圖1可知，視頻讀取模塊中的視頻解密芯片可以從Web攝像頭獲取到基帶視頻，視頻解密芯片將基帶視頻進行解密操作，解密后的基帶視頻會被存儲為動態(tài)環(huán)境視頻的標準格式，并傳輸到視頻掃射器。

視頻掃射器可以實現動態(tài)環(huán)境視頻的格式變更，即將動態(tài)環(huán)境視頻的標準格式變更為更易被處理的VGA格式。VGA格式擁有顯示效果好和傳輸速率高等優(yōu)點，其不提供音頻格式的傳輸接口，增強了基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)的實用性和處理效率。CPU為視頻解密芯片和視頻掃射器提供技術支持，并控制視頻讀取模塊的工作流程，能夠及時調整模塊工作的錯誤流程。在視頻讀取模塊結束一周期的讀取工作之后，CPU會將模塊讀取到的最終動態(tài)環(huán)境視頻傳輸到自動捕獲模塊

1.2 自動捕獲模塊設計

自動捕獲模塊是基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)的核心，其可實現動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲。自動捕獲模塊為用戶提供了較多的設備接口，且擁有興趣圖片實時保存功能，并為用戶提供多種存儲格式。自動捕獲模塊由控制器、存儲器和設備接口組成。圖2為自動捕獲模塊的工作原理圖。

由圖2可知，自動捕獲模塊的工作原理為：視頻讀取模塊將其讀取到的最終動態(tài)環(huán)境視頻直接傳輸到自動捕獲模塊的控制器中，控制器采用可編程控制器?？删幊炭刂破鞯倪壿嫿Y構較比其他控制器來說功能更為完善，且工作效率和組件的靈活性均較高。選取某公司生產的AP100可編程控制器。AP100可編程控制器擁有可靠性高、可應用性強、能耗小和安裝方便等優(yōu)點，其自動化水平較高，適合進行Web控制，且能夠兼容較多的外接設備。AP100可編程控制器對動態(tài)環(huán)境視頻的格式、大小等參數進行分析，進而完成對動態(tài)環(huán)境視頻每幀的編碼，并將其傳輸到存儲器。

存儲器選擇靜態(tài)隨機存取存儲器。靜態(tài)隨機存取存儲器是一種能夠直接與用戶計算機進行數據交換的存儲器，可實現用戶對動態(tài)環(huán)境視頻的實時調用，并擁有視頻修改功能。靜態(tài)隨機存取存儲器先為動態(tài)環(huán)境視頻編制地址，并將其保存到相應的管腳中。靜態(tài)隨機存取存儲器經由管腳將攜帶地址的動態(tài)環(huán)境視頻傳給總線，以完成靜態(tài)隨機存取存儲器對動態(tài)環(huán)境視頻的讀取。靜態(tài)隨機存取存儲器對動態(tài)環(huán)境視頻修改工作的流程為：先選取要進行修改的動態(tài)環(huán)境視頻編碼的地址，利用總線傳輸將修改指令傳送到該地址，隨后修正視頻編碼并存儲。用戶需要通過設備接口同計算機連接，獲取靜態(tài)隨機存取存儲器中的動態(tài)環(huán)境視頻。圖3為設備接口與用戶計算機的連接示意圖。

由圖3可知，基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)為用戶提供了4種不同的計算機接口，可滿足不同操作系統(tǒng)計算機的同時接入。設備接口中的抗干擾裝置能夠有效避免Web中的電磁波干擾，而復位連接功能則保障了用戶計算機的安全性。用戶經由設備接口連接用戶計算機，實現了用戶對存儲器中動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動獲取。

1.3 系統(tǒng)后臺Web服務端設計

系統(tǒng)后臺Web服務端對自動捕獲模塊獲取的視頻信息進行自主交互，完成視頻信息的存儲、處理和系統(tǒng)資源的管理，其結構如圖4所示。

圖4描述的后臺Web服務端由視頻分割模塊、視頻跟蹤模塊、數據庫和資源庫構成。后臺Web服務端是用戶接口設備的 “管理者”，其主要進行基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)的視頻資源控制工作。后臺Web服務端的工作內容均受用戶個性化支配。視頻分割模塊對動態(tài)環(huán)境下的視頻資源進行利用與分割，視頻跟蹤模塊則進行動態(tài)環(huán)境視頻的循環(huán)跟蹤（包括快進、快退等操作）。數據庫存儲自動捕獲模塊獲取的視頻信息，并為用戶提供了初始動態(tài)環(huán)境視頻、動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)圖片以及用戶自主交互的存儲空間。資源庫則提供了用戶上傳文件的存儲和調用功能，并對總體視頻興趣區(qū)捕獲系統(tǒng)的資源進行統(tǒng)一管理，防止網絡病毒的入侵。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲的目標函數建立

基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)對視頻興趣區(qū)的自動捕獲方法主要有兩種，分別是幀間差分法和背景差分法。

幀間差分法的算法簡單，在動態(tài)環(huán)境下的分辨率較好。但該方法對在動態(tài)環(huán)境下的自動捕獲局限性較大，常常捕捉不到物體。為此，基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)利用背景差分法彌補幀間差分法的不足，同時也提供了算法編輯接口，用戶可根據自身需求添加視頻興趣區(qū)自動捕獲的目標函數。

幀間差分法經由動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)中相接幀的灰度差，建立自身的目標函數，如下：

（1）

（2）

式中：代表視頻興趣區(qū)中后幀灰度；代表視頻興趣區(qū)中前幀灰度；代表視頻興趣區(qū)中相接幀的灰度差；為閾值。

背景差分法能夠將動態(tài)環(huán)境下的視頻興趣區(qū)完美捕捉，其目標函數如下：

（3）

（4）

式中：代表幀；代表視頻興趣區(qū)的背景；是自然數，代表次序。若視頻興趣區(qū)的背景的值為0，則代表視頻興趣區(qū)正處于靜態(tài)環(huán)境下。

基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)的誤差為：

（5）

式中：為系統(tǒng)誤差；為實驗次數；為實驗測量樣本數；為測量值；為測量平均值。

2.2 動態(tài)環(huán)境視頻讀取代碼設計

基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)在進行視頻興趣區(qū)的自動捕獲操作前，應先進行動態(tài)環(huán)境下的視頻讀取工作，其讀取流程依次為：初始化Web攝像機、視頻打開與讀取、關閉系統(tǒng)。軟件給出的動態(tài)環(huán)境視頻讀取過程的代碼為：

unfold （Web_Camera， unfold _READ?ONLY）；

%開啟Web攝像機，選取只讀模式

call（ALU_t?>forward_V.F，DISPLAY_r_ENTRY&r_passageway）；

%選定輸入端通信通道

call（ALU_t?>forward_V.F，DISPLAY_g_ENTRY， &g_API）；

%選定動態(tài)環(huán)境下視頻讀取模式

call（ALU_t?>forward_V.F，DISPLAY_b_MODULATION， &ALU_b?>modulation）；

%選定動態(tài)環(huán)境下視頻讀取類型

call（forward， DISPLAY_b_PARAMETER）；

%進行動態(tài)環(huán)境下視頻讀取

for（n=0；nrequest.tally；n++）

{

Framework x123_cache*video_identification cache=&ALU_g?>link[n].video_identification_buffer；

video_identification_ buffer ?>cpi =n；

video_identification_buffer?>entry= x123_buffer_ENTRY_

CATCH；

mistake=call（ALU_r?>forward_V.F， DISPLAY_POLLING_buffer，video_identification_buffer）；

if （mistake<0）

{

pmistake （"POLLING buffer in catch_begin"）；

restore 0；

}

ALU_r?>link[i].long=0；

ALU_r?>link[i].record=position

（0，video_identification_buffer?>long， PROTECT_fetch|PROTECT_W，POSITION_PERSONAL/*POSITION_CURRENCY*/，

ALU_r?>forward_V.F，video_ identification_buffer ?>offset）；

if （（int） ALU_r?>link[i].record ==-1）

{

pmistakeor （"mposition（） in catch_begin"）；

restore 0；

}

ALU_r?>link[i].long=video_identification_buffer?>long；

mistake=call（ALU_r?>forward_V.F，DISPLAY_QBUF， video_identification_buffer）；

if （mistake）

{

pmistakeor （"buffer in catch_begin"）；

restore 0；

%動態(tài)環(huán)境下視頻讀取完成并保存

}

}

close （ALU_d?>forward_V.F）； %系統(tǒng)關閉

3 實 驗

為驗證本文所設計的基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)擁有捕獲誤差小的優(yōu)點，進行實驗。實驗利用相同的Web攝像機，依次進行本文系統(tǒng)對低速動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲，以及本文系統(tǒng)對高速動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲測試。實驗捕獲到的畫面如圖5和圖6所示。

圖5中，實驗選定正在行走的某人作為低速動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲對象。圖5（a）畫面為動態(tài)環(huán)境視頻的目標畫面，圖5（b）畫面為本文系統(tǒng)對該目標畫面進行編碼后的修正畫面，圖5（c）為最終的捕獲畫面?？芍?，系統(tǒng)能夠成功捕獲低速實驗對象，且畫面中低速實驗對象的面部輪廓和身形較為清晰。

由圖6可知，實驗捕捉對象為高速行駛中的汽車。圖6（a）畫面為動態(tài)環(huán)境視頻的初始畫面，在圖6（c）畫面中，系統(tǒng)成功捕獲了高速實驗對象，畫面中的高速實驗對象未出現扭曲和缺失現象。

將圖5和圖6中捕獲到的實驗畫面與實物進行對比。首先測量實物尺寸，再將實驗畫面中的捕獲對象進行等比例放大，利用式（5）計算出本文系統(tǒng)的誤差（規(guī)定動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)的標準誤差應不高于4.50%），結果如表1所示。

由表1可知，本文系統(tǒng)的誤差遠低于標準誤差，驗證了本文系統(tǒng)擁有捕獲誤差低的優(yōu)點。

4 結 論

本文塑造基于Web的動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的視頻讀取模塊從Web攝像頭獲取基帶視頻并進行解密工作，解密后的基帶視頻被存儲為VGA格式的動態(tài)環(huán)境視頻，隨后將其傳輸到自動捕獲模塊。自動捕獲模塊對動態(tài)環(huán)境視頻進行編程控制和實時存儲操作，并為用戶計算機提供設備接口，以實現用戶對動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲。系統(tǒng)后臺Web服務端對自動捕獲模塊獲取的視頻信息進行自主交互，完成視頻信息的存儲、處理和系統(tǒng)資源的管理。軟件給出了動態(tài)環(huán)境下視頻興趣區(qū)的自動捕獲目標函數，以及動態(tài)環(huán)境視頻的讀取語言。實驗結果表明，所設計的系統(tǒng)擁有捕獲誤差低的優(yōu)點。

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