基于面部識別與無線傳感網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/馮雨晴 趙柳清

1 引言

近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)以及信息技術(shù)的迅速發(fā)展,視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行業(yè)的應(yīng)用日漸廣泛,監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不是單單在通信、安全等行業(yè)應(yīng)用,銀行、電力、交通、安檢以及軍事設(shè)施等領(lǐng)域?qū)Π踩婪逗同F(xiàn)場記錄報(bào)警系統(tǒng)的需求與日俱增。雖然監(jiān)控系統(tǒng)己經(jīng)廣泛地存在于各種公共場所,但實(shí)際的監(jiān)控任務(wù)仍需要較多的人工完成,而且現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常只是錄制視頻圖像,提供的信息是沒有經(jīng)過解釋的視頻圖像,只能用作事后取證,沒有充分發(fā)揮監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和主動性。

現(xiàn)階段研究，物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對外界環(huán)境進(jìn)行檢測和管理的手段也不斷涌現(xiàn)，以用戶體驗(yàn)為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。nRF2401具有很強(qiáng)的通信能力，通過字節(jié)的形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，傳輸，在便捷性和低功耗上都具有優(yōu)勢。而通過高清攝像頭，面部識別技術(shù)的也日趨的進(jìn)步完善，使用通用的攝像機(jī)作為識別信息獲取裝置。以非接觸的方式獲取識別對象的面部圖像，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在獲取圖像后與數(shù)據(jù)庫圖像進(jìn)行比對后完成識別過程。現(xiàn)階段比較流行的是通過C#封裝的EmguCV庫對圖像信息進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對圖片中人臉信息的檢查和識別。

綜上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在檢測環(huán)境中部署傳感器節(jié)點(diǎn)，使外界環(huán)境因素可以與檢測信息內(nèi)容相互結(jié)合，再通過人臉識別技術(shù)，從而去更好的實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容的監(jiān)控報(bào)警工作。

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 相關(guān)技術(shù)分析

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)在遵循PC端開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，軟件平臺使用C#語言運(yùn)用Emgu CV圖像識別庫函數(shù)以及MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件端使用AVR單片機(jī)，nrf2401傳輸芯片以及人體紅外傳感器，門磁傳感器，震動傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

用到的主要知識和技術(shù)有：AVR單片機(jī)，nRF401傳輸芯片，人體紅外傳感器，溫濕度傳感器，震動傳感器，EmguCV圖像識別庫函數(shù)的使用，.net技術(shù)開發(fā)，My SQL數(shù)據(jù)庫。

2.2 功能分析

為達(dá)到采集環(huán)境信息需求，在環(huán)境中布置子節(jié)點(diǎn)，服務(wù)器端連接父節(jié)點(diǎn)，形成一對多的樹狀網(wǎng)絡(luò)。通過在服務(wù)器端連接攝像頭，對指定區(qū)域畫面開始監(jiān)控。當(dāng)傳感器被觸發(fā)時(shí)，攝像頭根據(jù)傳感器坐標(biāo)信息自動對區(qū)域畫面進(jìn)行拍攝，并開始對畫面內(nèi)容中的人臉信息進(jìn)步分析，并把所有信息存儲到數(shù)據(jù)庫中。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求分析，系統(tǒng)分為三個(gè)界面，分別為用戶登陸界面，視頻監(jiān)控界面，數(shù)據(jù)查詢界面。

在用戶登陸界面中，用戶可以注冊賬號信息，通過注冊后進(jìn)行登陸，用戶登陸之后，可以使用系統(tǒng)的全部功能權(quán)限，但是無法更改數(shù)據(jù)。在視頻監(jiān)控界面中，通過視頻監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控?cái)z像頭的調(diào)用，人臉特征模型訓(xùn)練庫的信息錄入，設(shè)置識別模式，打開監(jiān)控和關(guān)閉監(jiān)控。在數(shù)據(jù)查詢界面中，通過數(shù)據(jù)庫，查詢報(bào)警信息的時(shí)間，地點(diǎn)，傳感器信息，圖像信息，并根據(jù)時(shí)間段，對所觸發(fā)的信息繪制折線圖。如圖1所示。

4 系統(tǒng)模塊與功能

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

登陸界面供用戶注冊使用賬戶信息，沒有使用賬號的用戶可以通過界面來注冊使用賬號信息；已經(jīng)有使用賬號的可以通過填寫賬號來登陸軟件，使用全部功能。

圖1：系統(tǒng)總體架構(gòu)

圖2：登陸流程

視頻監(jiān)控界面可以調(diào)用連接在PC端的攝像頭設(shè)備，并把圖像信息呈現(xiàn)在顯示器中。用戶可以通過攝像頭，錄入需要存儲的人臉信息，當(dāng)監(jiān)控到視頻中的人臉信息是與人臉訓(xùn)練庫中的信息吻合度低于一定的閾值時(shí)，則會產(chǎn)生報(bào)警信息。環(huán)境周圍的傳感器觸發(fā)會使攝像頭轉(zhuǎn)向指定的區(qū)域進(jìn)行拍攝。通過監(jiān)控界面還可以設(shè)置人臉識別的類型。

通過數(shù)據(jù)庫的查詢界面，可以查看指定日期的事件信息。數(shù)據(jù)庫中共有兩種模型，一個(gè)是用戶模型，一個(gè)是事件模型。

用戶模型中，共賦予了兩個(gè)ID，其中username是用戶的名字，password是用戶的賬號密碼，則兩個(gè)屬性都依存與user表中。數(shù)據(jù)模型如表所示。

事件模型主要是對所拍攝的視頻信息，其中每個(gè)事件信息都有六個(gè)ID屬性，這些屬性依存于test創(chuàng)建后都存儲與test表中。六個(gè)ID屬性分別為Time（事件時(shí)間），Address（事件地點(diǎn)），Sensor（觸發(fā)的傳感器類型），What（觸發(fā)人信息），ID（傳感器ID），Picture（拍攝圖片）。數(shù)據(jù)模型如表所示。

通過點(diǎn)擊登陸，系統(tǒng)會自動的把輸入框中的信息與數(shù)據(jù)庫中的信息相匹配并驗(yàn)證，全部相符則通過登陸，進(jìn)入軟件的視頻監(jiān)控操作界面，登陸的操作流程圖如圖2所示。當(dāng)用戶沒有賬號信息時(shí)，點(diǎn)擊注冊，來注冊新的賬號信息，其流程圖如圖3所示。

在通過登陸系統(tǒng)之后，就可以進(jìn)入視頻監(jiān)控系統(tǒng)界面，對視頻監(jiān)控內(nèi)容進(jìn)行操作和處理了。監(jiān)控界面主要是顯示誰想投的監(jiān)控信息，錄入操作原所需要的人臉特征圖到人臉識別模式訓(xùn)練庫中，設(shè)置人臉識別類型，跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)查看頁面，打開攝像頭等功能。

圖3：注冊流程圖

圖4：系統(tǒng)運(yùn)行流程

4.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

核心板模塊需要體積較小，并且能夠較為快速的處理數(shù)據(jù)，為此，本設(shè)計(jì)選用AVR單片機(jī)的Arduino最小開發(fā)模塊，通過對每個(gè)模塊連接傳感器和射頻模塊，從而達(dá)到采集環(huán)境中需要的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對指定位置進(jìn)行監(jiān)控的目的。

根據(jù)檢測條件和模擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的需求，我們選擇溫濕度傳感器，人體紅外傳感器，震動傳感器這三個(gè)傳感器來采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過兩節(jié)五號電池供電，從而達(dá)到移動部署的效果。

為了可以在10米的范圍內(nèi)使得每個(gè)模塊都能夠快速有效的把所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回PC端，PC端進(jìn)行接收和處理，選擇nRF401芯片作為數(shù)據(jù)的傳輸模塊。其芯片的耗電量十分的低，當(dāng)以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作的電流只有10.5mA，其多種低功率的工作模式，作為通過5號電池為能源的傳感器節(jié)點(diǎn)來說十分的便捷。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)全部使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)用.net框架的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在所有的windows操作系統(tǒng)下的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示。

登陸界面功能，界面DLForm由兩個(gè)lable控件（lab_uname，lab_password），兩個(gè)textbox控件（tex_username，tex_password），四個(gè)button控件(btn_DL，btn_CT，btn_XG，btn_ZC)組成。登陸時(shí)，通過獲取兩個(gè)textbox中的數(shù)據(jù)信息，將其與數(shù)據(jù)庫中的信息相互匹配，當(dāng)信息匹配正確時(shí)，則會顯示登陸成功的提示信息，并將程序跳轉(zhuǎn)到視頻監(jiān)控的主界面。如果用戶沒有賬戶信息，可以通過功能，注冊新的用戶信息，系統(tǒng)會獲取用戶所填寫的信息，因?yàn)橛脩裘奈ㄒ恍?，若用戶名已?jīng)被注冊，則會告知用戶重新取用戶名，當(dāng)所取的用戶名和密碼信息符合要求時(shí)，系統(tǒng)會在數(shù)據(jù)庫中記錄信息的用戶信息。

視頻監(jiān)控界面是本系統(tǒng)的核心界面。由查找攝像頭設(shè)備的下拉窗口（comBox_CZ）兩個(gè)顯示視頻畫面的窗口（picShow1，picShow2），人臉特征訓(xùn)練窗口（sampleBox），輸入人臉特征模型姓名信（textBox_fullname），設(shè)置人臉識別模式的下拉菜單（comBox_recognizerType）等控件組成。監(jiān)控界面主要是顯示攝像頭的監(jiān)控信息，錄入操作原所需要的人臉特征圖到人臉識別模式訓(xùn)練庫中，設(shè)置人臉識別類型，跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)查看頁面，打開攝像頭等功能。通過打開了攝像頭設(shè)備，打開攝像頭之后，把視頻的信息顯示在設(shè)備端，下方是訓(xùn)練人臉識別器，首先是獲取到圖像信息，然后對圖像畫面進(jìn)行二值化處理，通過一定的均衡化灰度后的圖片，將人的面部特征信息以list集合的形式存儲，并在末尾出追加每個(gè)人臉信息的特征標(biāo)號來區(qū)別。通過以上的功能處理之后，當(dāng)視頻畫面中出現(xiàn)人的面部特征信息時(shí)，就會自動的去識別人的面部特征信息，并自動的跟人臉識別器中存儲的信息相互的匹配。當(dāng)閾值在3600以下時(shí)，會在人臉信息上顯示出于此人相似的人名稱，若閾值超過了3600，則會發(fā)送發(fā)出聲音報(bào)警，并用過云端向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息

通過數(shù)據(jù)查詢界面，可以根據(jù)指定的時(shí)間，來查看指定日期的數(shù)據(jù)信息，通過點(diǎn)擊對應(yīng)的圖片，可以在右邊查看大圖信息。并且根據(jù)每天的所觸發(fā)的傳感器信息，繪制一天的時(shí)間曲線圖。界面由一個(gè)顯示數(shù)據(jù)窗口（dataGridView_show），一個(gè)日期顯示窗口（monthCalendar），一個(gè)圖片查看窗口（pictureBox_SPicture）和一個(gè)返回鍵（btn_Back）組成。通過點(diǎn)擊對應(yīng)的日期信息，系統(tǒng)會自動的根據(jù)所選擇的日期，從數(shù)據(jù)庫中讀取信息，并顯示在左側(cè)的表格中。

6 總結(jié)

經(jīng)測試，本系統(tǒng)各個(gè)模塊功能均能正常實(shí)驗(yàn)，通過在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中部署使用，運(yùn)行良好，操作簡單，實(shí)現(xiàn)傳感器信息和視頻信息的有效結(jié)合，使得攝像頭可以自動識別圖像信息并對事件進(jìn)行捕捉的聯(lián)動報(bào)警機(jī)制，與傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比，有效的提高了視頻監(jiān)控的主動性，大大降低了監(jiān)控系統(tǒng)的漏報(bào)率和誤報(bào)率。