基于DSP6000的實驗室安全控制系統研究

鄭國剛, 丁海洋

(1.上海辰銳信息科技公司北京分公司,北京100012;2.北京印刷學院,北京102600)

1 引言

針對基于DSP6000的實驗室安全控制系統進行研究,即以TI的TMS320DM642為核心構建一個實驗室安全控制系統。TMS320DM642主頻600MHz,其最大處理能力可達到4800MIPS,采用兩級緩存結構L1P、L1D、L2,最大外擴存儲器1024MB,具有64個獨立通道的EDMA[1]。

近年來隨著經濟的發展,很多實驗室具有大量昂貴的設備,而實驗室出入的人員較多,所以實驗室的安全控制就顯得尤其重要。王玉峰[2]描述了實驗室頻監控系統的組建與應用的思想;黃三偉[3]和呂陽偉[4]介紹了實驗室監控系統的設計方案和實現思路;李玉峰[5]介紹了基于ARM的嵌入式視頻監控系統的實現方案。以上重點介紹了實現思路和方案,但是實驗驗證較少。

以TMS320DM642為核心構建一個實驗室安全控制系統,通過攝像機采集視頻圖像,將圖像傳輸給DM642進行圖像處理,包括獲取背景圖像、差影處理、圖像分割、運動目標檢測、安全控制,并將檢測結果顯示在液晶屏上。系統硬件組成框圖如圖1所示。

通過模擬攝像頭采集得到PAL制電視模擬信號,經過A/D轉換芯片SAA7115得到數字視頻信號,傳給DM642的視頻接口,DM642對圖像數據進行圖像處理,完成印刷質量檢測,輸出的圖像數據經過D/A轉換芯片SAA7105轉換成標準電視信號輸出TV顯示,而處理前后的數字圖像數據都存儲在SDRAM中。

系統的核心是在DM642上編程實現實驗室安全控制系統,系統實現框圖如圖2所示。

圖1 實驗室安全控制系統硬件組成框圖

圖像采集：通過鏡頭和CCD相機采集實驗室環境中的彩色視頻圖像。獲取背景：從視頻序列圖像中,獲取一幀圖像作為背景圖像。差影處理：將當前采集的前景圖像與背景圖像進行差影處理,對差影后的圖像進行圖像平滑和圖像分割,得到分割后的圖像。運動目標檢測：在分割后的圖像中,結合投影法進行運動目標檢測,檢測當前是否有運動目標,如果有,獲取該目標的位置。安全控制：在當前幀圖像中,標出運動目標位置,存儲該幀圖像,并可以根據需要進行其他安全控制,如：發出警報、閃爍紅燈、存儲文件等。

圖2 實驗室安全控制算法實現框圖

2 獲取背景及差影處理

在實驗室環境中,當攝像機的位置和角度固定后,當采集區域內沒有運動目標時,攝像機采集的圖像應該是基本沒有變化的,所以主要以差影法為核心,進行安全控制,即先采集一幅機房中常態下的圖像作為背景圖像。所謂常態下的圖像,即機房中無人的情況下,平時正常的圖像;所謂安全控制,主要是檢測采集區域內是否有人的出現,即將采集的圖像與背景圖像進行差影法處理,并進行運動目標檢測,根據檢測的結果,進行相應的安全控制。

在開始采集圖像后,固定攝像機的位置和角度,采集下一個合適條件下的圖像,作為背景圖像,保存起來,圖3為實驗室環境中的背景圖像。

2.1 差影法

差影法,即圖像的相減運算,是指把同一景物在不同時間拍攝的圖像相減[6],差值圖像提供了圖像間的差異信息,能用以指導動態檢測、運動目標檢測和跟蹤、圖像背景消除及目標識別等工作。文中采用不同時間拍攝的背景圖像和前景圖像進行差影法處理。實時采集得到檢測圖像,如圖4所示。將檢測圖像與背景圖像進行差影處理。

圖3 實驗室背景圖像

另外,要進行差影處理一定要保證攝取的背景圖像和手勢圖像時,攝像機的位置和角度不變,如果攝像機位置或角度發生變化,則要重新攝取背景圖像。

圖4 差影法圖像

2.2 圖像平滑

對差影處理后的圖像,為了減少噪聲點的干擾,需要先進行圖像平滑處理,再進行圖像分割,最常用的圖像平滑方法,即鄰域平均法。這種方法的主要思想是用幾個像素灰度的平均值來代替每個像素的灰度。假定有一幅N×N個像素的圖像f(x,y),平滑處理后得到一幅圖像g(x,y)。

式中 x,y=0,1,2,…,N-1,S是(x,y)點鄰域中點的坐標的集合,M是集合內坐標點的總數。上式說明平滑化的圖像g(x,y)中的每個像素的灰度值均由包含在集合S中的f(x,y)的幾個像素的灰度值的平均值來決定。集合S通常有四鄰域和八鄰域,四鄰域表示為：

八鄰域表示為：

論文采用八鄰域的圖像平滑算法,即采用一個3×3模板對圖像中每個像素(邊界點除外)進行平滑,將像素及其八鄰域的各像素像素值求和,再取平均值代替該像素原像素值。

圖5 3×3平滑模板

2.3 閾值分割

閾值分割的基本思想是找到一個閾值,使按照這個閾值劃分目標和背景區域的錯誤概率最小。設圖像種感興趣的目標的像素點灰度為正態分布,密度為P1(c),均值和方差為 μ1和 σ21,設背景點的灰度也作正態分布,密度為P2(c),均值和方差為 μ2和σ22,換言之,整個密度函數可看作是兩個單峰密度函數的混合,如圖6所示。

設目標的像素點數占圖像總點數的百分比為Q,背景點占(1-Q),當選定門限為 T時,目標點錯劃為背景點的概率

當錯誤概率最小時,這時的T就是最佳閾值。

對于圖像平滑后的圖像進行灰度閾值分割,由于此時的圖像為彩色圖像,所以要先將其轉換為灰度圖像。

對其進行灰度閾值分割,

其中 Tc為對差影后圖像進行分割的閾值。

差影法后進行閾值分割的結果如圖7所示。

圖6 目標點和背景點的灰度分布

圖7 差影法分割后的結果

3 運行目標檢測

運動目標檢測的目的,主要是檢測圖像中是否存在人的運動,而一個正常人在平面圖像中,總是具有一定的寬度和高度,這些都需要在分割后的圖像中,通過算法檢測前景目標的參數,而首先需要進行投影法處理。

3.1 投影法

投影法有中心投影法和平行投影法。假設投影線有一點出發,將空間形體表現在投影平面上的方法,稱為中心投影法。平行投影法也可以看作中心投影法的一種特殊情況,既當投影中心位于無窮遠時,則所有投影線為互相平行,此時所得的投影就是平行投影。平行投影法中包括正投影和斜投影兩部分。正投影：當諸投影線相互平行,并與投影平面垂直相交。斜投影：當諸投影線互相平行,并與投影平面呈傾斜相交。正投影,包括水平投影和垂直投影。

這里主要采用垂直投影,將分割后的圖像通過垂直投影得到一個一維向量L,該向量L的數據分布如圖8所示。

圖8 投影法圖像

3.2 檢測運動目標

為檢測運動目標的寬度和高度,可針對投影法得到一維向量 L進行相應處理,包括：最大值判別、連續區域判別、區域內點數判別,從而實現運動目標的檢測。

(1)最大值判別

首先獲取一維向量L的最大值Lmax和對應位置 xmax,如果該運動目標滿足一定的高度,則最大值 Lmax一定滿足公式(8)的要求,其中 TH表示運動目標高度的最低要求,如果滿足,則進行后面的處理。

(2)連續區域判別

一個運動目標必然會在一個連續的區域內有效,即在這個區域內,投影的數值大于一定的要求,為了保證這個區域的連續性,以最大值Lmax為中心,向兩側獲取連續區域的范圍(xl,xr),

為了保證運動目標的寬度,需要連續區域滿足,

其中,TW表示運動目標寬度的最低要求

(3)判決范圍內的點數

按照公式(11)統計有效區域內的點數n,如果n滿足公式(12)的要求,則表示當前圖像中存在運動目標,其中,TS表示運動目標面積方面的要求,該運動目標的中心為((xl+xr)/2,Lmax/2)

3.3 安全控制

當檢測到運動目標后,可根據需要進行必要的安全控制：

(1)將當前的圖像進行存儲,并且在記錄文件中進行記錄,這樣方便后期的檢測,避免在整個視頻圖像中,進行人工的查找

(2)通過一些輸出設備進行輸出顯示,如：紅燈閃爍、響警鈴等。

4 實驗效果

系統在PC機上使用CCS 6000開發環境進行開發,檢測系統以TMS320DM642為主處理芯片構建開發板,使用攝像頭采集視頻,在TFT-LCD真彩液晶顯示器顯示視頻,將開發的檢測程序下載到DM642的開發系統上獨立運行。在作者實驗室進行實驗,實驗效果如圖9所示。其中圖(a)為采集的背景圖像;圖(b)為當前檢測的前景圖像;圖(c)為前景與背景差影后的圖像;圖(d)為分割后的圖像,其中分割閾值 Tc選擇為30;圖(e)和圖(f)為進行運動目標檢測的結果圖,圖(e)為在分割后的圖像中標出運動目標的圖像,圖(f)為在前景圖像中標出運動目標的圖像,其中,運動目標的高度閾值 TH選擇為80,寬度閾值 TW選擇為40,面積閾值 TS選擇為3200。

圖9 安全控制系統效果圖

5 結束語

以TMS320DM642為核心構建一個實驗室安全控制系統,通過攝像機采集視頻圖像,將圖像傳輸給DM642進行圖像處理,包括獲取背景圖像、差影處理、圖像分割、運動目標檢測、安全控制,并將檢測結果顯示在液晶屏上。經過實驗驗證,系統能夠實現實驗室條件下的安全控制。

[1]Texas Instruments.TMS320DM642Video/Imaging Fixed-Point Digital Signal Processor[C].Texas Instruments Incorporated,2010.

[2]王玉峰.實驗室數字視頻監控系統的組建與應用[J].科技信息,2010(11)：465.

[3]黃三偉,周熠.基于校園網的實驗室安全監控系統[J].實驗技術與管理,2007(9)：78-81.

[4]呂陽偉,王娜,陳鵬.數字視頻監控實驗室監控系統設計[J].低壓電器,2007(22)：26-28,67.

[5]李玉峰,莫玉龍.嵌入式數字視頻監控系統的實現[J].上海大學學報：自然科學版,2004(5)：467-470.

[6]何斌,馬天予.Visual c++數字圖像處理[M].北京：人民郵電出版社,2001：459-477.