基于树莓派的智能监控系统设计与实现.pdf
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1、计算机测量与控制 ()C o m p u t e r M e a s u r e m e n t&C o n t r o l 控制技术 收稿日期:;修回日期:.基金项目:纺织工业联合会科技指导项目().作者简介:张玥(),女,河南三门峡人,工学硕士,工程师,主要从事深度学习的图像检测、智能装备开发与应用等方向的研究.通讯作者:张琦(),男,河南三门峡人,工学硕士,工程师,主要从事智能装备开发与应用等方向的研究.引用格式:张玥,张琦,陈梦丹,等基于树莓派的智能监控系统设计与实现J计算机测量与控制,():,文章编号:()D O I:/j c n k i /t p 中图分类号:T P 文献标识码:A
2、基于树莓派的智能监控系统设计与实现张玥,张琦,陈梦丹,王轩,张宏伟(西安工程大学 电子信息学院,西安 ;西安慧金科技有限公司,西安 )摘要:随着人们的安全意识越来越强烈,监控系统在生活中得到广泛的关注和应用;针对市场上绝大多数监控系统智能化程度低,视频保存占用内存大,实时性差,对闯入目标不能及时报警等缺陷,设计与开发基于树莓派的智能监控系统;选用树莓派 B搭建硬件平台,搭载L i n u x系统,基于P y t h o n开发环境,结合图像采集模块,采用关联帧差分运动目标检测算法作为核心算法,实现运动目标检测;当系统检测到有目标闯入视野范围内时,开始录制目标闯入后的 帧视频,并将所录制的视频发
3、送到指定邮箱,实现报警功能;在正常光线和昏暗光线下对系统功能进行测试,实验结果表明在不同光线强度、不同目标闯入情况下,系统能够准确识别目标闯入,实现监控、报警功能,实时性强、稳定性高,满足设计需求.关键词:监控系统;树莓派B;P y t h o n开发环境;图像采集;关联帧差分运动;目标检测;报警功能D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no f I n t e l l i g e n tM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nR a s p b e r r yP IZ HANGY u e,Z HANGQ
4、 i,CHE N M e n g d a n,WANGX u a n,Z HANG H o n g w e i(S c h o o l o fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o n,X i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,X i a n ,C h i n a;X i a nH u i j i nT e c h n o l o g yC o r p o r a t i o n,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h e i n c r
5、 e a s i n ga w a r e n e s so f s e c u r i t y,m o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e l yc o n c e r n e da n da p p l i e d i n l i f e A i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g so fm o s tm o n i t o r i n gs y s t e m si nt h em a r k e t,s u c ha sl o wi n t e l l i g e n c ed e g r
6、e e,l a r g em e m o r yc o n s u m p t i o nf o rv i d e op r e s e r v a t i o n,p o o r r e a l t i m ep e r f o r m a n c e,a n df a i l u r e t ot i m e l ya l a r mt h e i n t r u s i o nt a r g e t,a n i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nR a s p b e r r yP I i sd e
7、s i g n e da n dd e v e l o p e d R a s p b e r r yP I Bi ss e l e c t e dt ob u i l dt h eh a r d w a r ep l a t f o r m,w h i c hi se q u i p p e dw i t hL i n u xs y s t e m,b a s e do nP y t h o nd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t,a n dc o m b i n e dw i t h t h e i m a g e a c q u i s
8、i t i o nm o d u l e,t h e a s s o c i a t i v e f r a m ed i f f e r e n t i a lm o t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h mi su s e da s t h e c o r ea l g o r i t h mt oa c h i e v e t h em o v i n g t a r g e t d e t e c t i o n Wh e nt h e s y s t e md e t e c t s t h e t a r g e tb r e a k s
9、i n t o t h e f i e l do f t h ev i e w,i t n o t o n l ys t a r t s t o r e c o r d f r a m e so f v i d e oa f t e r t h e t a r g e t i n t r u d i n g,b u t a l s os e n d s t h e r e c o r d e dv i d e ot o t h e s p e c i f i e dm a i l b o x t o r e a l i z e t h e a l a r mf u n c t i o n T
10、h e s y s t e mp e r f o r m a n c e i s t e s t e du n d e r n o r m a l l i g h t a n dd i ml i g h t T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e s y s t e mc a n a c c u r a t e l y i d e n t i f y t h e t a r g e t i n t r u s i o n i n t h e c a s e o f d i f f e r e n t l
11、i g h t i n t e n s i t y a n d t a r g e t i n t r u s i o n,i t c a nr e a l i z e t h em o n i t o r i n ga n da l a r mf u n c t i o n s,w h i c hh a s s t r o n gr e a l t i m ea n dh i g hs t a b i l i t y,i t s a t i s f i e s t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s K e y w o r d s:m o n i t
12、o r i n gs y s t e m;R a s p b e r r yP I B;P y t h o nd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t;i m a g ea c q u i s i t i o n;a s s o c i a t ef r a m ed i f f e r e n t i a lm o t i o n;t a r g e td e t e c t i o n;a l a r mf u n c t i o n引言随着生活环境和生活质量的提高,人们的隐私安全保障意识越来越强,因此监控系统在日常生活中使用的领域越来越广,例如
13、道路交通监控、刑事侦查、智能家居等领域.但是,目前市场上绝大多数监控系统仅仅只是简单地将摄像头所拍摄到的内容录制并存储下来.它的优点是能够将所有的视频全部保存,并且可以随时查阅,然而其弊端也非常明显,例如:保存的视频过多会占据大量的存储空间;智能化程度不高,对于有失窃、外来人员闯入等危险行为不能进行及时报警.因此,自带报警功能的智能监控系统受到越来越多人的青睐.最初的第一代监控系统是基于闭路电视实现的模拟图像监控设备,此方案是借助电缆把图像采集设备和监控显示端相连,从而实现模拟视频数据的发送.世纪 年代,数字视频压缩编码技术正式被应用于监控领域,出现了第二代数字视频监控系统.它可以将模拟数据转
14、化为数字数据,在突破传送电缆线长度限制的情况下,视频采集清晰度和系统的抗干扰性能得到有效提高.但由于第二代监控设备采用计算机作为图像数据运算和视频显示端,传输距离仍然受限,整套监控系统体积大、成本高,维护困难.随着图像采集设备、视频编码器、中央处理器等设备的不断改进与发展,视频监控领域也进入到第三代智能投稿网址:w w wj s j c l y k z c o m第期张玥,等:基于树莓派的智能监控系统设计与实现 视频监控时代.智能监控系统以图像处理、模式识别和计算机视觉技术为基础,在监控系统中增加智能视频分析模块,借助计算机强大的数据处理能力过滤掉视频画面无用或干扰信息、自动识别不同物体,分析
15、抽取视频源中关键有效信息,快速准确的定位事故现场,判断监控画面中的异常情况,并以最快和最佳的方式发出警报或触发其它动作,从而有效进行事前预警,事中处理,事后及时取证的全自动、全天候、实时监控的智能系统.智能监控系统市场前景广阔,国外对其研究的相对较早.卡内基梅隆大学V S AM团队在 年研发了一种端到端的多摄像头监控系统,该系统能够自动收集和传播实时信息.年,美国T y c o公司为道达尔炼油厂开发的“区域监控器”软件模块,可以实时显示炼油厂内各站点数据,且能 详 细 统 计 现 场 工 作 人 员 出 勤 情 况.年,A X I S针对斯洛伐克M o c h o v c e核电站研发的智能监
16、控系统,将摄像头和报警系统互连.该系统一方面能够在发现河中有漂浮物的时候自动报警;另一方面能够监控现场生产设备的状态,当 发 生 故 障 或 缺 陷 时,及 时 报 警.目 前,除CMU、麻省理工外,奥地利G r a z理工大学的嵌入式智能摄像机研究小组、I BM S(s m a r ts u r v e i l l a n c es y s t e m)、I n t e lI R I S N E T项目等,都是各行业中的佼佼者.相对于国外,我国的监控系统研究起步较晚,早期的一些产品大多用于交通监控、商场监控、保密室监控等.截止到 年,我国超过 亿个监控摄像头用于城市监控与报警系统.近年来,随
17、着海康威视、大华股份、汉邦高科等公司的陆续上市,国产的智能监控产品越来越多.例如海康威视,针对发电、电网、石油化工产业、煤矿产业等研发了安全生产管理平台,这些监控平台以视频采集为基础,结合人工智能、物联网技术实现智能监控功能,在提高工厂效率的同时有效预防生产事故.这些大企业研发的智能监控系统大多用于大型工厂,几乎没有针对家庭安防、保密室等小型场所、体积小、价格低廉、实时性高、稳定性强、带自动报警功能的智能监控系统.针对此,本文研究设计一款小型智能监控系统,该系统选用树莓派B搭建硬件平台,搭载L i n u x操作系统,基于P y t h o n开发环境,结合图像采集模块,采用关联帧差分运动目标
18、检测算法作为核心算法,实现运动目标检测.当系统检测到有目标闯入视野范围内时,开始录制目标闯入后的视频,并将目标闯入后 帧视频发送到指定邮箱,实现报警功能.系统结构及原理智能监控系统主要由主控模块、显示模块、图像采集模块、电源模块、邮箱系统共五部分组成,系统总体结构如图所示.主控模块是整个控制系统的核心部分,负责系统控制、数据接收、数据分析和计算、数据传输等工作.图像采集模块作为系统的数据输入,通过摄像头的拍摄,把图像的数据传输到主控模块,完成图像采集功能.显示模块用来图智能监控系统结构设计框图显示图像采集模块拍摄到的实时画面.电源模块为系统提供电能,使系统能够正常工作.邮箱系统用来接收有目标闯
19、入后系统录制的 帧视频,实现系统报警功能.系统硬件选型)主控模块.系统主控模块可采用AT C 单片机、F P GA或S TM 系列嵌入式微控制器,其优势在于体积小、运算速度快、价格低廉,但系统集成度不高,需要设计多个外部电路和连接多种外部设备,系统复杂度高,在日常使用中容易出现故障.而基于L i n u x的树莓派B控制系统具有G B的R AM和高性能 位四核处理器,能够通过运行相应的操作系统,实现远程遥控和云端管理,通过一对m i c r o HDM I端口支持分辨率高达K的双显示屏,支持HE V C视频K p 硬解码,高达双频 /GH z无线局域网,具有蓝牙 、千兆以太网、U S B 和P
20、 o E功能,并能够与C a m e r aV 摄像头模块完全相互兼容.同时,其价格便宜,集成度高,运算速度快,扩展性丰富,使用方便.因此,将其作为智能监控系统的主控模块,能够在降低系统复杂程度的基础上,降低系统成本.)图像采集模块.树莓派具有良好的扩展功能,能够与C a m e r aV 摄像头模块完全相互兼容,因此图像采集模块可采用体积较小的C a m e r a V 照相机模块.其核心元件是个 W像素的CMO S传感器,最大分辨率为 ,支持每秒高达 帧的 p视频拍摄,可以用一条 芯的排线与树莓派 B控制系统专用的C S I接口直连,能够有效提高系统集成度.)显示模块.系统显示可以使用VN
21、 C远程连接的方式把树莓派的系统界面远程连接在P C端,也可以使用I P S高清显示屏,通过HDM I连接线与核心控制模块进行连接.本研究选用MP 显示屏作为智能监控系统显示模块.该显示模块采用 英寸电阻触摸T F T屏,分辨率为 ,并且包含S P I HDM I接口,可与树莓派B控制系统直连,具有结构简单、体积小、重量轻、便于隐蔽和安装等优势,能够满足系统设计需求.)电源模块.电源模块选用具有T y p eC接口且能够把 V、/H z、A的交流电转换为V、A的电源适配器.T y p eC接口可与树莓派B控制系统直连,结构简单,使用方便.投稿网址:w w wj s j c l y k z c
22、o m计算机测量与控制第 卷 算法分析 图像预处理算法分析图像预处理的主要目的是消除图像中无关的信息,恢复有用的真实信息,增强有关信息的可检测性和最大限度地简化数据,从而提高特征提取、图像分割、匹配和识别的可靠性.系统对图像预处理包括图像灰度化处理和滤波处理.灰度化处理是将彩色图像转换为灰度图像的过程,是图像处理的根基.相对于彩色图像,灰度图像占内存更小,运算速度更快,且图像经过灰度化处理后可以在视觉上增加对比,突出目标区域.因此,系统将图像灰度化处理作为图像预处理初始步骤.常见的图像灰度化处理方法有分量法、平均值法和加权平均法.分量法是根据应用需要直接选择彩色图像R、G、B三分量中某一个分量
23、,将其作为灰度值进行处理,通常选择个分量中数值最大的分量.平均值法是计算彩色图像R、G、B三分量全部数值的平均值,将其作为灰度值,进而获得灰度图像.加权平均法是根据人眼对绿色敏感最高,对蓝色敏感最低,将彩色图像的R、G、B三分量以不同的权重进行加权平均,如公式()所示:f(x,y)R(x,y)G(x,y)B(x,y)()式中,R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)分别表示像素点(x,y)的R、G、B值,f(x,y)表示图像像素点(x,y)处理后的灰度值.通常分量法转换的灰度图像亮度较高,平均值法产生的灰度图像比较柔和,加权平均法得到的灰度图像效果最好.因此,选择加权平均法作为图像灰度化处理方
24、法.经过灰度化处理的图像,一般存在噪声、阴影等问题,为了提升图像质量,更好地把目标与背景进行分割,减少图像噪声、阴影对运动目标检测效果的影响,需要对图像进行滤波处理.常用的滤波方法有均值滤波、高斯滤波和中值滤波.均值滤波是图像处理中常用的手段,从频率域观点来看均值滤波是一种低通滤波器,高频信号将会去掉.理想的均值滤波是用每个像素和它周围像素计算出来的平均值替换图像中每个像素,从而帮助消除图像尖锐噪声,实现图像平滑,模糊等功能.中值滤波是将像素点灰度值设置为相邻窗口范围内各点中值,属于非线性平滑滤波的一种,一定程度上中值更能反映规定范围内的真实值,使得邻域范围内像素值近似于真实值从而消除孤立的噪
25、声点.高斯滤波是对图像进行加权平均的过程,图像中每一个像素点的值由其自身和邻域内其它像素值经过加权平均后得到,类似于卷积.高斯滤波属于线性平滑滤波的一种,滤波后的图像平滑程度取决于标准差,它输出的是领域像素的加权平均值,同时离中心越近的像素权重越高.综合考虑,高斯滤波保留细节的能力相对其余两种方法会更好一点,并且高斯滤波可以通过加权值的改变,调节其性能.因此,系统选择高斯滤波算法对图像进行滤波处理.运动目标检测算法分析智能监控系统实现的基础是运动目标检测,而运动目标检测的核心在于通过分析视频图像序列,把运动目标从实时变化的背景图像中快速准确地分离出来 .在不考虑光照变化、噪声干扰的情况下,能引
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- 基于 树莓派 智能 监控 系统 设计 实现
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