智能博物館人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

畢佳偉 張 帥 高 凱 楊立昆 何 苗

(1、寶雞文理學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 寶雞 721016 2、西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 預(yù)備知識

1.1 對圖像增強(qiáng)定義

目前依據(jù)增強(qiáng)處理過程的空間性質(zhì)，可把圖像增強(qiáng)分為空域和頻域等比較實(shí)用的方法。為了增強(qiáng)對比對同時(shí)為了使得圖像變的平滑，可以采用空域方式；而頻域方法是利用圖像在某種變換域內(nèi)對圖像的變換系數(shù)進(jìn)行修正，然后通過再反變換，還原到原始的空域，從而得到增強(qiáng)的函數(shù)圖像[1]。這樣做的目的是為了：(1)針對給定圖像的應(yīng)用場合，通過感興趣的區(qū)域(ROI)進(jìn)行背景更新，突出圖像中不同物體特征之間的差別，從而檢測出不同展覽室不同區(qū)域的人流量信息；(2)改善圖像的視覺效果，以便對采集來的圖像更好的分析。

1.2 灰度變換的基本定義

灰度變換是根據(jù)某目標(biāo)條件按一定變換關(guān)系逐點(diǎn)改變源圖像中每一個(gè)像素灰度值的方法。并且分為線性灰度變換、分段線性灰度變換、非線性灰度變換三類[2]。其主要目的是了提高畫質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰。

1.3 Mean-Shift 算法基本原理

由Fukunaga 和Hostetler 提出的Mean Shift 是基于核密度的非參數(shù)聚類算法，其算法思想是假設(shè)不同簇類的數(shù)據(jù)集符合不同的概率密度分布，找到任一樣本點(diǎn)密度增大的最快方向，樣本密度高的區(qū)域?qū)?yīng)于該分布的最大值，這些樣本點(diǎn)最終會在局部密度最大值收斂[3-5]。Mean-shift 向量計(jì)算公式為：

2 博物館人流量統(tǒng)計(jì)的相關(guān)技術(shù)

2.1 人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的處理流程

本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來傳輸和控制圖像信號，用服務(wù)器作為圖像處理的中心，將攝像頭所采集到的視頻圖像傳上傳至服務(wù)器，其后對所上傳的信息進(jìn)行加工處理，將所獲得的最新信息數(shù)據(jù)全部錄入到數(shù)據(jù)庫，然后更新web 客戶頁面[6-7]。

2.2 檢測可運(yùn)動的目標(biāo)

運(yùn)動的目標(biāo)檢測主要是指將變化區(qū)域從序列圖像中檢測，進(jìn)一步提取出運(yùn)動目標(biāo)。通常意義下，目標(biāo)的分類、跟蹤以及行為理解等，這些后處理過程只需要將像素區(qū)域中的運(yùn)動目標(biāo)考慮進(jìn)圖像中即可，因此對于檢測與分割對于運(yùn)動的目標(biāo)而言，會嚴(yán)重影響到后期處理。根據(jù)攝像頭是否保持靜止，運(yùn)動檢測分為靜態(tài)背景和運(yùn)動背景兩類。

3 背景檢查模塊

背景差分法基本原理：

將靜止的場景運(yùn)動分割，這種方法通常被稱為背景差分法，它可以將當(dāng)時(shí)所獲取到的圖像幀與背景圖景做差分運(yùn)算，得到灰度圖，并對灰度圖進(jìn)行閾值化，從而進(jìn)一步提取出運(yùn)動區(qū)域，同時(shí)為避免環(huán)境中光照變化對準(zhǔn)確度的影響，背景圖像往往根據(jù)當(dāng)前所獲取到的圖像幀進(jìn)行持續(xù)的更新。

4 智能安全監(jiān)控模塊

智能安全監(jiān)控模塊完成如下功能，首先根據(jù)接收到的圖像進(jìn)行判斷，判斷是開館時(shí)間還是閉館時(shí)間，如圖1 所示。如果為開館時(shí)間則進(jìn)行異常事件檢測，并根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行報(bào)警；如果為閉館時(shí)間則進(jìn)行圖像預(yù)處理，其中包括濾波、圖像增強(qiáng)等操作，接下來會進(jìn)行異常事件檢測，包括入侵檢測，溫度檢測等，其中溫度檢測過程如圖2 所示。。

圖1 安全監(jiān)控檢測

圖2 溫度檢測

5 系統(tǒng)平臺選取與搭建

5.1 搭建硬件系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用如圖3 所示的硬件框架圖。從圖中可以看到整個(gè)系統(tǒng)以服務(wù)器為媒介，聯(lián)通監(jiān)控終端和控制終端。

圖3 硬件框架圖

具體模塊的實(shí)現(xiàn)，以控制終端我們所采用煙霧報(bào)警系統(tǒng)為例簡單做一些說明，當(dāng)傳感器檢測打環(huán)境中煙霧或溫度濃度值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的值后，報(bào)警電路報(bào)警，預(yù)警系統(tǒng)輸出電平特性給S8050 三極管，S8050 三極管使用高電平導(dǎo)通，需要報(bào)警是預(yù)警系統(tǒng)傳輸高電平至S8050，三極管導(dǎo)通并放大電流，將幾十毫安的RO 口放大兩百倍左右為0.5A 的電流，可用來驅(qū)動蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，采用1K 電阻用于限流，避免有時(shí)候低電平也會被導(dǎo)通，另一個(gè)LED 燈附近的1K 同樣用于限流，LED 工作所需電流較小，加入1K 用于保護(hù)LDE 燈。當(dāng)管腳為低時(shí)，與非門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，觸發(fā)蜂鳴器，從而報(bào)警。當(dāng)管腳為高時(shí)，與非門輸出低電平，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音。

5.2 系統(tǒng)調(diào)試

采用Open CV 機(jī)器視覺庫來實(shí)現(xiàn)圖像處理算法?？刂平K端使用Qt 圖形界面庫。Qt 庫采用方便易理解的信號和槽機(jī)制，使得程序框架清晰明了。同時(shí)Qt 還具有非常好的跨平臺特性，可以在多種平臺上實(shí)現(xiàn)程序的編寫和移植。軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊化編程的思想，可以有效增加程序的可讀性，使程序更加簡潔，每一個(gè)部分完整且獨(dú)立，在調(diào)試的過程中可以單獨(dú)測試各個(gè)模塊的功能。對于修改單獨(dú)模塊上的錯誤不會影響其他程序。此外模塊化設(shè)計(jì)能夠讓整個(gè)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理性能更強(qiáng)，整個(gè)程序的設(shè)計(jì)需要理解項(xiàng)目的核心，程序的設(shè)計(jì)可以圍繞核心開始拓展。

5.3 總體功能實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種基本功能：(1)可設(shè)置監(jiān)控區(qū)域、監(jiān)控目標(biāo)大小及方向; 對所監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集；(2)對視頻流進(jìn)行人頭的動態(tài)識別、跟蹤、匹配和統(tǒng)計(jì)；(3)系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)同步輸出多路視頻;提供視頻流切換功能；(4)人數(shù)統(tǒng)計(jì)錄像可以存儲，檢索和回放；(5)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各區(qū)域人數(shù)情況，提供對圖書館人數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總；(6)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)分析功能，根據(jù)設(shè)置條件生成多種數(shù)據(jù)分析報(bào)表；(7)系統(tǒng)提供多種通訊協(xié)議接口，方便其它系統(tǒng)對人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了博物館的人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能，同時(shí)它還可應(yīng)用到不同的應(yīng)用場合，發(fā)揮不一樣的作用。以圖書館為例：該系統(tǒng)可為圖書館內(nèi)部不同的書庫以及不同類的書籍，按照不同時(shí)間段分布的人員數(shù)量統(tǒng)計(jì)、人群具體的流動方向、人員狀態(tài)等重要的信息; 圖書館大門口的人員流動數(shù)量統(tǒng)計(jì)所得的信息，有利于圖書館開放時(shí)間的合理性。