基于非重疊多攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

龍強(qiáng)

關(guān)鍵詞：非重疊；多攝像頭；實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括圖像處理單元和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（CIS）兩部分，視頻信號(hào)通過攝像頭和智能攝像頭進(jìn)行傳輸和處理，圖像以像素形式呈現(xiàn)在液晶顯示屏上并顯示在中央控制臺(tái)上。與傳統(tǒng)攝像頭相比，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)或者環(huán)境中的人（如人）以及物體（如車輛）進(jìn)行實(shí)時(shí)畫面顯示，以便于及時(shí)對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行快速處理與處置。本文介紹了一種基于模型的多攝像頭協(xié)作算法。采用多攝像頭的空間信息和運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間信息，在不考慮物體的視覺特性和攝像頭方位的情況下，構(gòu)造多攝像頭的非重疊協(xié)作方案。而后，通過對(duì)攝像頭的鄰域關(guān)系、移動(dòng)目標(biāo)與攝像頭的距離、移動(dòng)目標(biāo)與鄰近攝像頭的轉(zhuǎn)換時(shí)間等因素，選擇最佳的攝像頭實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)追蹤。

1概述

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用情況，將其劃分為單一攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)、重疊多攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)和非重疊多攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)。在進(jìn)行視頻監(jiān)視時(shí)，僅依靠一個(gè)攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)往往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)全部區(qū)域的有效監(jiān)視。因此，采用基于非重疊多攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，將能夠解決單一攝像頭視角有限、多攝像頭重疊造成的資源浪費(fèi)問題，實(shí)現(xiàn)大面積、全方位、長時(shí)間的連續(xù)追蹤。

本文介紹了一種基于C/S結(jié)構(gòu)的非重疊多攝像頭協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由攝像頭、DVR/板卡、光線路終端等構(gòu)成，并通過公用或私有網(wǎng)與服務(wù)器主機(jī)相連。將局部監(jiān)測設(shè)備配置在重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，盡可能覆蓋全部監(jiān)測范圍。其次，設(shè)定該裝置的網(wǎng)絡(luò)傳送參數(shù)，決定各攝影機(jī)的IP地址、端口號(hào)、使用者名稱、密碼等，為攝影機(jī)存取系統(tǒng)所需的信息數(shù)據(jù)資源。目前，國內(nèi)的視頻監(jiān)控技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范，各廠商、型號(hào)的設(shè)備在接口和編碼方面存在一定的差異。因此，需要利用中間件技術(shù)，在訪問層實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的異構(gòu)化，形成統(tǒng)一的監(jiān)控和監(jiān)控接口。

該系統(tǒng)采用多個(gè)攝像頭進(jìn)行監(jiān)測，并將多個(gè)攝像頭的追蹤結(jié)果和有關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)緊密聯(lián)系，由此能夠更好地降低系統(tǒng)的通信開銷成本。該方法具有較高的可靠性，不會(huì)成為通信與運(yùn)算的瓶頸。同時(shí)，采用分布式的架構(gòu)，能達(dá)到廣域、無交疊的多攝像頭網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計(jì)效果。

2單攝像頭監(jiān)控

2.1運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測與跟蹤

本系統(tǒng)所使用的運(yùn)動(dòng)物體提取技術(shù)主要是利用圖像的亮度特性進(jìn)行背景提取。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種基于像素點(diǎn)的亮度成分，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬，并用時(shí)域?yàn)V波來維持其序列的均方差，再根據(jù)不同的光照條件對(duì)光斑的影響分布進(jìn)行檢測，并對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)更新。

2.2目標(biāo)分類

人體在運(yùn)動(dòng)過程中，形態(tài)常常會(huì)發(fā)生反復(fù)的改變，但是如汽車等剛性物體，在移動(dòng)過程中，其外形基本沒有改變。因此，該系統(tǒng)使用特殊的RMI，即所謂的“重復(fù)動(dòng)作圖象”，求出物體的反復(fù)移動(dòng)結(jié)果，利用該方法可以區(qū)分個(gè)人、人群和交通工具。

3多攝像頭協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)描述

本文提出的基于非重疊多攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)模型可以將視頻信號(hào)進(jìn)行編碼、處理、傳輸，然后在同一個(gè)局域網(wǎng)中開展實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)，同時(shí)對(duì)多個(gè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)快速切換。該實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)包括多攝像頭及數(shù)據(jù)處理中心，其主要目的是將分散和重疊的實(shí)時(shí)視頻信號(hào)融合為一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)。其中，攝像頭可以對(duì)不同角度進(jìn)行觀察和識(shí)別，并且在同時(shí)進(jìn)行視頻信息處理時(shí)不會(huì)消耗視頻監(jiān)控的大部分資源，如存儲(chǔ)設(shè)備和硬盤，并在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)多場景下的監(jiān)視和信息檢索應(yīng)用。此外，其還可以在多個(gè)平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便查看所需要的信息。

3.1.1攝像頭的視場角

由于攝像頭分辨率不同，視場角也不同。例如，在對(duì)焦速度為60幀／s．拍攝1幀時(shí)，從目標(biāo)到攝像頭平均距離為100m。將攝像頭聚焦后的視角等于光圈（F）與視場角之比為1/100。圖像在不同區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同視場角，視場角反映多攝像頭拍攝到的對(duì)象角度范圍內(nèi)像素值的大小情況。對(duì)數(shù)分布表示為P=f（p－1）/f（x 0+1）．r≈0.05。其中，p為拍攝角度，r為攝像頭像素（I）／為視場角（R）。

3.1.2視頻信息

視頻信息是由攝像頭所拍攝到的視頻中的信息，包括圖像質(zhì)量、圖像尺寸、運(yùn)動(dòng)速度以及幀格式等。此外，圖像中還包括環(huán)境光源，聲音等其他細(xì)節(jié)信息。其中，攝像頭可以實(shí)現(xiàn)包括水平、垂直、傾斜、變焦等多種觀察和識(shí)別模式。由于不同的視角所帶來的視場角、速度和運(yùn)動(dòng)速度等方面的變化是完全不同的，因此本文對(duì)于圖像的數(shù)據(jù)處理可以采用TTS濾波模式來避免視頻幀的抖動(dòng)，同時(shí)能有效提升對(duì)部分圖像的識(shí)別效果。而在對(duì)視頻進(jìn)行分類處理時(shí)，需要對(duì)所獲得的多攝像頭視場信號(hào)進(jìn)行解碼，以便識(shí)別目標(biāo)。對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向兩種特征，若有足夠的運(yùn)動(dòng)速度，則可以得到相應(yīng)的幀率信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3.1.3視頻信號(hào)的編碼和傳輸

視頻信號(hào)是在數(shù)字視頻流中進(jìn)行信息處理的方式。當(dāng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，需要將圖像信號(hào)進(jìn)行編碼和處理。為了獲得最大效率，本文提出一種基于視頻信號(hào)的編碼方法，即在碼流上采用HD格式（數(shù)字視頻）。通過該編碼，視頻數(shù)據(jù)和圖像之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。期間，為了將一幀幀轉(zhuǎn)換為一幀內(nèi)容，需要將編碼信號(hào)處理后寫人數(shù)據(jù)處理模塊，然后傳送到各攝像頭單元。

3.1.4監(jiān)控中心的設(shè)置

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心設(shè)置在數(shù)據(jù)處理中心，其核心功能是將各攝像頭數(shù)據(jù)集中到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。由攝像頭記錄的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖像信息在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)交換，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的監(jiān)控功能。監(jiān)控中心保存所有記錄下的視頻數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)處理中心采用多個(gè)任務(wù)實(shí)現(xiàn)并行處理策略，以便在多個(gè)任務(wù)之間實(shí)現(xiàn)快速切換。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)層面：一是在視頻中進(jìn)行圖像提取與輸出；二是在數(shù)據(jù)處理過程中處理攝像頭信息，并與監(jiān)控中心的其他應(yīng)用進(jìn)行交互。一個(gè)具有實(shí)時(shí)、大量存儲(chǔ)信息、豐富監(jiān)視內(nèi)容和信息檢索功能的數(shù)據(jù)處理中心包含多個(gè)模塊，其中涵蓋視頻編碼系統(tǒng)（CCD）、音頻傳輸系統(tǒng)（MPEG-2）和編解碼器系統(tǒng)（SI）[1]。

3.2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文非重疊攝像頭模塊使用的是AF7806系列DSP的SF780MC730．它可以實(shí)現(xiàn)非重疊方式監(jiān)控圖像和視頻的識(shí)別、圖像提取功能和控制功能。其視頻處理模塊基于VISION System開發(fā)板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊基于AT89C52單片DSP芯片S7256設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，該芯片可用于構(gòu)建非重疊多攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)1Gbps高吞吐量和低延遲特性。視頻圖像實(shí)時(shí)處理模塊由1個(gè)主攝像頭、4個(gè)副攝像頭和視頻編解碼器組成，同時(shí)還有1個(gè)解碼器以解碼和輸出信號(hào)模式實(shí)現(xiàn)10倍圖像傳輸速率和100 ms視頻響應(yīng)。

3.2.1攝像頭的功能

本文實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基于非重疊多攝像頭，其中一個(gè)攝像頭用于將采集到的圖像和視頻實(shí)時(shí)地傳輸?shù)街醒胩幚砥?，其通過一個(gè)串口連接到一個(gè)用于采集視頻信號(hào)與DSP信號(hào)的數(shù)據(jù)接口。這個(gè)輸入口控制RGB圖像信號(hào)，并且其承載兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)，分別是一個(gè)控制幀的采集信號(hào)和一個(gè)控制視頻輸出信號(hào)，其主要功能是將數(shù)字信號(hào)輸出至控制處理器（CPUI），由此使其能夠根據(jù)系統(tǒng)采集到的信號(hào)做出控制的動(dòng)作。該控制信號(hào)發(fā)送至視頻編解碼器時(shí)，解碼器根據(jù)編碼解碼后提取輸出數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī)的接口，然后轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)經(jīng)主機(jī)的串口傳輸?shù)絇C上，并對(duì)顯示信號(hào)進(jìn)行處理后輸出給服務(wù)器。其中，輸入部分是硬件上實(shí)現(xiàn)的信號(hào)部分，而輸出部分是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，以供用戶使用。控制信號(hào)由CPU、攝像頭、攝像頭、音頻模塊等4個(gè)部分組成。

3.2.2圖像識(shí)別

在識(shí)別功能模塊中，由主攝像頭采集的圖像信息經(jīng)圖像識(shí)別模塊進(jìn)行處理，而后對(duì)圖像進(jìn)行分類，并提取最優(yōu)視頻，由此進(jìn)一步確保其能夠在不同區(qū)域看到相同數(shù)據(jù)。當(dāng)需要自動(dòng)識(shí)別時(shí)，還需要將原始圖像和視頻分開，通過對(duì)比檢測出圖像特征點(diǎn)后，由編碼解碼結(jié)果完成計(jì)算。在識(shí)別過程中，首先需要對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，而后分別計(jì)算不同攝像頭采集畫面特征值下采集到的圖片以及每張圖像所對(duì)應(yīng)的閾值數(shù)據(jù)，兩個(gè)提取函數(shù)分別表示圖像特征點(diǎn)集合和一個(gè)檢測閾值。其中，每個(gè)檢測到的閾值即為該監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)像素，期間需要判斷其是否具有所需條件狀態(tài)中每個(gè)攝像頭采集到的特征點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3.2.3視頻解碼

視頻編解碼器在進(jìn)行解碼過程中，首先將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，再通過MPEG-4解碼，輸出到網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)模塊。視頻編解碼器所用芯片AT89C52采用NVIDIA DSP平臺(tái)開發(fā)完成，支持H.264格式和FPGA多種編碼方式，最高可達(dá)5 kHz采樣率，采用DVD標(biāo)準(zhǔn)和HDR（HD+HDR）視頻格式，因此可以非常方便地進(jìn)行高清的數(shù)字圖像輸出，并且具有足夠的比特率空間實(shí)現(xiàn)高速的視頻傳輸功能[2]。

4仿真結(jié)果與分析

本文采用2個(gè)相同焦距的攝像頭，并以3Hz/秒的頻率進(jìn)行采樣，記錄下各攝像頭工作和數(shù)據(jù)傳輸幀。實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)象表明，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)攝像頭檢測到有物體接近時(shí)，將會(huì)立即切換到另一個(gè)攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，直到出現(xiàn)檢測結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，利用多攝像頭的時(shí)間和空間信息，構(gòu)建一個(gè)非重疊的多攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)跟蹤。多攝像頭協(xié)作追蹤算法，能夠削弱光照、陰影等因素的干擾；所采用的相關(guān)信息更穩(wěn)定、更容易獲得。同時(shí)，其還可以結(jié)合目標(biāo)的視覺特性追蹤技術(shù)，進(jìn)一步改善多攝像頭的協(xié)同跟蹤效果，由此可見，其具有良好的實(shí)用價(jià)值。

5結(jié)束語

基于多攝像頭的時(shí)間、空間信息，設(shè)計(jì)多攝像頭協(xié)作方案，而后選取最佳的攝像頭跟蹤運(yùn)動(dòng)物體，將能夠更好地建立相鄰關(guān)系，克服多攝像頭的空間離散性，找到切換時(shí)間的分配規(guī)則，進(jìn)一步解決在多攝像頭監(jiān)視區(qū)域中運(yùn)動(dòng)對(duì)象的隨機(jī)性。通過對(duì)基于非重疊多攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明，該方法具有較高的可行性和有效性。