基于Matlab的USB接口視頻監(jiān)控設計

劉瑞男　劉建國　付天舒

摘 要：在開發(fā)監(jiān)控軟件前，需要驗證圖像處理算法的正確行和可行性，但直接調(diào)用微機和攝像設備的底層硬件比較復雜。這里介紹一種通過Matlab軟件設計USB接口的視頻監(jiān)控方案。經(jīng)實驗驗證，這種方法簡單易行，非常適合做監(jiān)控與圖像處理算法的前期驗證工作。

關鍵詞：Matlab；USB接口；視頻監(jiān)控；圖形用戶界面

1 視頻監(jiān)控技術

視頻監(jiān)控是保障社會生活與生產(chǎn)安全的重要方法，通常視頻監(jiān)控由監(jiān)視設備、傳輸設備、存儲單元、控制單元和顯示設備設備組成。按技術發(fā)展分類，可分為：第一代模擬監(jiān)控系統(tǒng)、第二代數(shù)字化硬盤監(jiān)控系統(tǒng)和第三代網(wǎng)絡遠程監(jiān)控系統(tǒng)。模擬監(jiān)控系統(tǒng)結構復雜、設備繁多，特別是在需要遠距離傳輸時，架設成本高。第二代數(shù)字化硬盤監(jiān)控系統(tǒng)可以通過現(xiàn)有的電信通信網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，解決了遠距離傳輸問題，但實時性差、延時長、多路實時監(jiān)控困難。第三代網(wǎng)絡遠程監(jiān)控系統(tǒng)利用圖像處理技術、嵌入式技術和寬帶網(wǎng)絡把監(jiān)控中心和監(jiān)控終端目標融合為一個整體，實現(xiàn)了監(jiān)控的遠程化、實時化和集成化。

由于第三代網(wǎng)絡遠程監(jiān)控系統(tǒng)的興起，視頻監(jiān)控的開發(fā)方案也變得多樣化、平臺化。以前開發(fā)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)難度較高，其是純硬件開發(fā)或利用調(diào)用硬件能力強的少量上位機開發(fā)軟件開發(fā)，如VC++等，硬件接口包括復合視頻接口、二分量視頻接口、色差分量視頻接口、VGA接口和DVI接口。現(xiàn)在可以在PC平臺上利用通用的USB接口進行視頻通信，開發(fā)軟件也有更多的選擇，這樣就降低了開發(fā)和調(diào)試工作的難度，更有利于家用和小型監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)。這里就介紹一種基于Matlab軟件的USB接口視頻監(jiān)控設計方案。

2 USB接口的驅動

USB接口的全稱是通用串行總線，是一種計算機通信的串口總線標準，具有的熱拔插、體積小、標準統(tǒng)一、可串接的優(yōu)點。Matlab軟件可以對USB接口進行調(diào)用，是一款基于矩陣計算的數(shù)學軟件，但其具有強大的、多樣的開發(fā)工具箱，利用工具箱可以方便的進行科學研究和工程設計。其也可以設計GUI界面的應用程序，并可以編譯成可執(zhí)行文件，在通用的PC平臺上使用。Matlab工具箱中提供了調(diào)用USB攝像頭的命令，如表1所示：

在驅動USB攝像頭之前必須了解它的相關參數(shù)，可以通過產(chǎn)品說明書查閱，也可以利用Matlab提供的imaqhwinfo（）函數(shù)查詢攝像頭參數(shù)，包括圖片的默認格式、設備名稱、設備號碼、圖像目標的構建方式、所有可支持的圖像格式和圖像分辨率等等。一般情況下，后面就是視頻圖像的預覽、采集和保存這三個過程。Videoinput（a1，a2，a3）用于建立一個新的視頻對象，參數(shù)a1是適配器的名稱，a2是設備號碼，a3是需要采集的視頻格式。利用preview（b1，b2）可以在PC機打開圖像的預覽窗口，參數(shù)b1是前面建立的視頻對象，參數(shù)b2是預覽窗口中對象的句柄。利用imwrite（c1，c2，c3）命令可以保存矩陣格式的視頻圖像在PC機中，參數(shù)c1是待保存的圖像矩陣，參數(shù)c2是保存的文件名，c3是圖像文件格式。

3 系統(tǒng)設計與實驗調(diào)試

首先要組建硬件平臺，然后在這個平臺的基礎上開發(fā)監(jiān)控軟件，在進行實驗測試，進而完善程序。基礎的硬件平臺很容易組建，只需要一個免驅的USB攝像頭和一臺PC機。圖1是系統(tǒng)結構圖。首先要驅動USB攝像頭，把采集的視頻信息通過USB接口發(fā)送到PC機，PC機進行視頻信號的預處理，再通過圖像處理算法判斷是否達到報警要求，達到報警要求時進行報警。

程序設計要考慮到環(huán)境的背景變化因素。當環(huán)境背景有微弱的明暗變化時，畫面的所有像素亮度值之和就會改變很大，所以要有算法來去除背景環(huán)境的變化因素，去除背景環(huán)境的變化因素的方法是當前計算的RGB像素的變化值之和小于某一值時，忽略這個像素的RGB亮度變化值。在系統(tǒng)運行開始時取一幀圖像作為標準幀圖像，這一幀標準幀圖像用于進行亮度閾值比較。在程序設計時遇到兩個難點，分別是攝像頭分辨率的選取程序和音頻報警程序，這里分別給出關鍵的程序代碼并解釋。在攝像頭分辨率選取程序中用的控件是下拉列表框控件，控件名是popupmenu3，首先用get命令得到popupmenu3控件的所有列表，再用get命令得到popupmenu3控件當前備選的字符的索引號val1，通過索引號val1把當前選的的字符賦給字符串變量m。在使用videoinput命令驅動輸入的視頻設備時使用字符串變量m做為視頻設備的分辨率參數(shù)。在播放報警音頻時，首先用wavread命令導入報警聲音文件，然后用audioplayer命令生成生成音頻數(shù)據(jù)，再用play命令按照剛才生成的音頻數(shù)據(jù)的固有格式播放報警音頻。

創(chuàng)建Matlab的GUI程序，加入所需控件，寫入程序代碼后，生成視頻監(jiān)控程序。軟件界面如圖2所示，其中分辨率下拉列表框可以選擇攝像頭支持的分辨率，整體閾值參數(shù)可以調(diào)整報警的靈敏度，整體閾值參數(shù)越小，靈敏度越高，單像素像素參數(shù)可以調(diào)整背景光的影響程度，單像素像素參數(shù)越大，越不容易受到背景光的影響。

在實驗時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)剛啟動時由于成像設備有一個亮度偏低的初始狀態(tài)，不能把這一時期的某一幀圖像作為標準幀。通過實驗發(fā)現(xiàn)在40幀以后的圖像比較穩(wěn)定，所以可以選擇40幀以后的一幀圖像作為標準幀進行閾值比較。通過實驗發(fā)現(xiàn)單像素參數(shù)大于20時，對背景光的抗干擾性比較好，但這一數(shù)值也不宜大于50，過大后會影響整體閾值參數(shù)的比較結果。

4 結束語

通過實驗可以看出Matlab的軟件工具箱可以非常方便地驅動usb接口攝像頭，也可以驅動聲卡發(fā)出設定的報警聲音。利用其圖形用戶界面設計功能進行監(jiān)控軟件的開發(fā)簡單易行。這種設計方案可以繞過攝像頭和微機的底層硬件驅動工作，在真正開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)之前，非常適合做監(jiān)控與圖像處理算法的前期驗證工作。

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