基于嵌入式系統(tǒng)的智能動(dòng)態(tài)攝像頭

袁明昱　那真　張立

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在滿足自身物質(zhì)文化需求的同時(shí)，對安全的要求也逐步提高。針對傳統(tǒng)攝像頭的不足，研發(fā)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的智能動(dòng)態(tài)攝像頭。該系統(tǒng)以嵌入式樹莓派為核心，利用motion軟件實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合OpenCV及其python接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)探測，達(dá)到跟蹤闖入者并抓拍上傳的功能。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)體積小，價(jià)格低，私密性好等。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；樹莓派；實(shí)時(shí)監(jiān)控；跟蹤抓拍

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0061-03

1 項(xiàng)目研究背景及意義

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們在滿足自身物質(zhì)文化需求的同時(shí)，對安全的要求也逐步提高。然而，傳統(tǒng)意義上的模擬本地化監(jiān)控不僅耗費(fèi)大量存儲空間和監(jiān)控設(shè)備，而且所監(jiān)控的內(nèi)容大多數(shù)為無用的靜態(tài)畫面。

為有效解決傳統(tǒng)攝像頭的弊端，設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式系統(tǒng)（本文采用樹莓派）的智能動(dòng)態(tài)攝像頭，既能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀看被監(jiān)控區(qū)域的視頻直播，還可以抓拍闖入者，實(shí)現(xiàn)闖入者跟蹤并將采集到的照片實(shí)時(shí)傳輸?shù)桨俣仍票P，最終只有這些照片被保存下來，大大節(jié)省了存儲空間。除此之外，基于嵌入式系統(tǒng)的智能動(dòng)態(tài)攝像頭還具有低成本，算法簡單等優(yōu)點(diǎn)。

2 嵌入式系統(tǒng)的搭建

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用來控制或者監(jiān)視機(jī)器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備[1]。 與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù)。由于嵌入式系統(tǒng)只針對一項(xiàng)特殊的任務(wù)，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化，減小尺寸降低成本。嵌入式系統(tǒng)通常進(jìn)行大量生產(chǎn)，所以單個(gè)的成本節(jié)約，能夠隨著產(chǎn)量進(jìn)行成百上千的放大。

樹莓派就是一種嵌入式開發(fā)板，本文主要以樹莓派為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 樹莓派簡介

樹莓派即Raspberry Pi（RasPi/RPi），如圖1所示，只有信用卡大小的卡片式電腦，卻具有電腦的所有基本功能。其系統(tǒng)基于Linux。它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍有1/2/4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100以太網(wǎng)接口（A型沒有網(wǎng)口），可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能[2-5]。

2.3 樹莓派配置

本文均為在Windows上進(jìn)行的操作。

2.3.1 首次安裝操作系統(tǒng)

因?yàn)闃漭蓻]有板載存儲器，因此使用SD卡存儲數(shù)據(jù)和操作系統(tǒng)。使用SD卡之前先將SD卡格式化。用SD卡伴侶工具格式化清空SD卡上的原有數(shù)據(jù)，以便讓SD卡具有最佳性能。然后將操作系統(tǒng)的鏡像工具寫入SD卡，用流行的免費(fèi)工具，Win32 Disk Imager從原始磁盤鏡像中將下載好的Raspbian操作系統(tǒng)寫入SD卡中。之后即可將SD卡插入樹莓派上的插槽[6-7]。

2.3.2 樹莓派連入互聯(lián)網(wǎng)

在完成了樹莓派的配置后，就到了將其接入互聯(lián)網(wǎng)之時(shí)。有兩種方法，一種利用無限網(wǎng)卡建立Wi-Fi；第二種通過PC從以太網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)。本文采用第二種方法。將樹莓派通過路由器連接有線網(wǎng)，使PC連接同一無線網(wǎng)。利用局域網(wǎng)IP掃描器查看樹莓派靜態(tài)IP，以后就用該IP地址從PC上訪問樹莓派。至此，樹莓派已經(jīng)全部配置完成。

3 視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入視頻采集、制作領(lǐng)域。本系統(tǒng)以樹莓派3和Pi Camera為基礎(chǔ)搭建硬件開發(fā)平臺，基于OpenCV框架下，使用Python語言將運(yùn)動(dòng)檢測的一系列算法移植于嵌入式樹莓派3中，實(shí)現(xiàn)了抗干擾能力較強(qiáng)的目標(biāo)檢測的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 攝像頭的連接

樹莓派有一個(gè)用于連接攝像頭模塊的專用CSI接口，是一種先進(jìn)的外圍設(shè)備控制器。可連接到樹莓派的攝像頭有兩種，分別是USB攝像頭和樹莓派專用攝像頭，后者的性能更為出色，因此本系統(tǒng)使用樹莓派專用攝像頭。專用攝像頭帶有兩英尺長的彈性線纜，以用于連接到樹莓派的CSI接口。

連接好攝像頭，需在配置窗口打開攝像頭，如圖2所示。按回車鍵選擇并打開。

3.2 用攝像頭傳輸實(shí)時(shí)視頻流

在局域網(wǎng)上將樹莓派作為網(wǎng)絡(luò)攝像頭以傳輸實(shí)時(shí)視頻流，用開源軟件motion在本地瀏覽器中啟用實(shí)時(shí)視頻流，motion內(nèi)置了一個(gè)HTTP服務(wù)器，以用于在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中打開攝像頭圖像，用motion可以錄制MPEG格式的視頻以及捕捉JPEG格式的圖像[8]，可以在任何地方存儲這些視頻和圖像。

為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要先在樹莓派上安裝motion，配置相關(guān)文件，目的是將樹莓派的IP地址和端口地址都告訴motion，然后啟動(dòng)motion將視頻流實(shí)時(shí)傳輸至該IP地址和端口地址。圖3是用樹莓派拍到的一段視頻的截圖，紅色框內(nèi)為IP地址。

4 動(dòng)態(tài)跟蹤與捕捉

上一節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用樹莓派進(jìn)行視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控，這只是完成了第一步，接下來實(shí)現(xiàn)闖入者的跟蹤與抓拍，并將抓拍到的圖片上傳至百度云Python客戶端。

4.1 運(yùn)動(dòng)探測

檢測到運(yùn)動(dòng)后，則要完成對運(yùn)動(dòng)者的跟蹤。

本論文采用OpenCV及其Python接口完成算法移植和軟件系統(tǒng)搭建[9-10]。OpenCV是Open Source Computer Vision（開源計(jì)算機(jī)視覺）的縮寫，是功能最強(qiáng)大、運(yùn)用最廣泛的跨平臺圖像處理庫之一，它可以在任意硬件和軟件平臺上運(yùn)行，它也可以被安裝在樹莓派上，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)跟蹤。它輕量級而且高效，由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python語言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法[11-12]。

本論文采用圖像相減法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測和跟蹤[13]，適用于背景己知且固定的場景，具有快速簡單和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，可以滿足計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好的要求。具體步驟如圖4流程圖所示[4]。

所謂圖像相減法就是先捕獲靜態(tài)的一幀，之后每隔一段時(shí)間捕捉一幅參考圖像并與第一幀相減，這兩幅圖像的差值將會(huì)傳遞給一個(gè)閾值函數(shù)以觀測兩幅圖像之間的變化，若變化數(shù)值小于規(guī)定值，則不做處理。然后利用代碼將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，減小系統(tǒng)冗余。

高斯模糊是一種“數(shù)據(jù)平滑技術(shù)”，可有效過濾掉可能被誤認(rèn)為運(yùn)動(dòng)檢測目標(biāo)的高斯噪聲，避免一幀圖像中出現(xiàn)“假陽性”目標(biāo)。

二值化圖像由灰度圖像轉(zhuǎn)化得到[15]，是指圖像上的每一個(gè)像素只有兩種可能的灰度等級狀態(tài)，即黑和白，用這種方法來分割目標(biāo)與背景。

由于對圖像進(jìn)行了閾值運(yùn)算，所以圖像像素中可能存在噪聲，這會(huì)在求圖像平均值時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果，因此需要用腐蝕函數(shù)刪除白色物質(zhì)的邊緣，即檢測目標(biāo)外的小白點(diǎn)。

膨脹函數(shù)是腐蝕函數(shù)的逆過程，用腐蝕函數(shù)去除噪聲后，膨脹函數(shù)增強(qiáng)了圖像邊緣的白色像素。

目的就是讓運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、背景的對比更加明顯，更加有利于尋找運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輪廓。

尋找輪廓就是尋找運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輪廓，找到后利用函數(shù)確定目標(biāo)位置，采用繪直邊界矩形的方式繪制目標(biāo)位置。

4.2 運(yùn)動(dòng)跟蹤

在上一節(jié)已經(jīng)確定了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。可以在屏幕中固定一個(gè)點(diǎn)，確定二者的差值、，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)逐漸縮小二者差值，以達(dá)到闖入者的跟蹤效果，該效果可以直接由樹莓派實(shí)現(xiàn)也可以通過Arduino控制舵機(jī)間接實(shí)現(xiàn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以嵌入式樹莓派為設(shè)計(jì)平臺，結(jié)合樹莓派專用攝像頭、Arduino并運(yùn)用Python語言編程實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控與跟蹤。為了驗(yàn)證此系統(tǒng)的可行性，在日常實(shí)驗(yàn)室測試多次，驗(yàn)證該系統(tǒng)為現(xiàn)代人的生活提供了一種簡潔可靠的監(jiān)控方式。主要完成了以下工作：

（1）本文在分析了一般嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對基于視頻監(jiān)控的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，并選定了嵌入式樹莓派為核心的設(shè)計(jì)。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，從實(shí)時(shí)性、安全性、實(shí)用性方面綜合考慮，使用motion軟件及嵌入式系統(tǒng)的以太網(wǎng)接口模塊對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控與傳輸。

（3）對視頻采集處理模塊進(jìn)行了詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)。結(jié)合OpenCV及Python語言，使用軟件獲取闖入者信息，控制硬件對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)配置。

（4）最后，對視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控與傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口模塊和視頻處理跟蹤模塊分別進(jìn)行了測試和分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性。

5.2 總結(jié)

基于嵌入式系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)且更加強(qiáng)調(diào)體積、功耗、成本、便攜化應(yīng)用等綜合因素的精簡設(shè)計(jì)，具有體積小、成本低、性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定、易于安裝和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)監(jiān)控是國內(nèi)外研究的重要課題，國內(nèi)外都展開了積極的研究，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測和跟蹤的算法發(fā)展較快，由于算法之間的可借鑒性和嵌入式平臺的可移植性，系統(tǒng)未來優(yōu)化和提升的空間巨大。

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