基于機(jī)器視覺的智能安全頭盔的研究與實(shí)現(xiàn)

李向民 劉帥康 高程赟

摘? 要：該文基于機(jī)器視覺的智能安全頭盔，使用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫，采用混合高斯模型的方法，即在初始化每個(gè)像素點(diǎn)時(shí)采用鄰域特性與中值濾波相結(jié)合的方法，用來獲取更接近實(shí)際的初始背景。對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像識別，實(shí)現(xiàn)對圖像的實(shí)時(shí)處理。

關(guān)鍵詞：智能安全頭盔;機(jī)器視覺;高斯模型

中圖分類號： TP23? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

近年來，基于視頻的交通流量檢測系統(tǒng)已成為智能交通系統(tǒng)的重要工具，因此移動(dòng)目標(biāo)檢測已成為當(dāng)今最重要的問題。在該文中，基于機(jī)器視覺的智能安全頭盔中使用的相機(jī)處于對車輛靜止的狀態(tài)。攝像機(jī)檢測車輛后方的移動(dòng)目標(biāo)，因此屬于靜態(tài)視頻檢測。由研究發(fā)現(xiàn)，視頻圖像的每個(gè)像素的顏色分布是隨機(jī)且獨(dú)立的。根據(jù)一般統(tǒng)計(jì)理論，高斯分布函數(shù)可以表示時(shí)間軸上每個(gè)像素的顏色分布。由于測試圖像序列中的多峰背景擾動(dòng)問題，該文決定通過建立混合高斯模型來檢測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該文所設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺的智能安全頭盔由控制器、供電模塊、陀螺儀模塊、超聲波測距模塊、喇叭、攝像頭、舵機(jī)控制器、無線傳輸模塊和耳麥等模塊組成。

2 混合高斯模型

2.1 高斯濾波

高斯濾波主要用于平滑信號，是一種基于信號的濾波器。通常，圖像中的噪聲處于低能量部分，圖像數(shù)據(jù)中的能量被變換，低能量部分被去除，因此圖像中的噪聲也被刪除。

2.2 混合高斯濾波

混合高斯模型是對高斯模型進(jìn)行簡單擴(kuò)展，通過求解2個(gè)高斯模型，并通過一定的權(quán)重將2個(gè)高斯模型融合成一個(gè)模型，即最終的混合高斯模型。該混合高斯模型能夠產(chǎn)生這樣的樣本。

假設(shè)該混合高斯模型是由k個(gè)高斯模型組成（即數(shù)據(jù)包括k個(gè)類），則該混合高斯濾波的概率密度函數(shù)如下：

是第k個(gè)高斯模型的概率密度函數(shù)，x代表高斯混合模型參數(shù)，N代表高斯混合概率，uk表前k個(gè)類模型的均值，可以看成選定第k個(gè)模型后，該模型產(chǎn)生的概率; p（k）=πk是第k個(gè)高斯模型的權(quán)重，稱作選擇第k個(gè)模型的先驗(yàn)概率，且滿足下面公式。

3 研究及實(shí)現(xiàn)

3.1 對圖像背景建立高斯模型

從當(dāng)前視頻幀中提取該幀的前景，其主要的目的是使背景更加接近于當(dāng)前視頻幀中的背景。也就是說，使用當(dāng)前幀和視頻序列中的當(dāng)前背景幀的加權(quán)平均來更新背景。混合高斯模型使用k（k一般取值為3～5）個(gè)高斯模型來表征研究的圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的特征，在新的一幀圖像得到之后更新為混合高斯模型， 用當(dāng)前圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)依次與混合高斯模型進(jìn)行匹配，如果成功，那這一點(diǎn)被確定為背景點(diǎn)，否則它就是前景點(diǎn) 。由于該文的研究是對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的背景提取從而進(jìn)行建立模型，因此有必要實(shí)時(shí)更新高斯模型中的方差和平均參數(shù)。為了提高該模型的學(xué)習(xí)能力，改進(jìn)的方法使用不同的學(xué)習(xí)率來更新均值和方差。為了提高繁忙場景中大型緩慢移動(dòng)目標(biāo)的檢測效果，引入加權(quán)平均的概念來建立背景圖像并且實(shí)時(shí)更新。

3.2 項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 實(shí)現(xiàn)思路

實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)檢測和跟蹤技術(shù)是一種多學(xué)科技術(shù)，集成了嵌入式系統(tǒng)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺和網(wǎng)絡(luò)傳輸。該文中的運(yùn)動(dòng)檢測是檢測實(shí)時(shí)采集的圖像信息，提取有效信息，采用混合高斯模型，識別目標(biāo)參數(shù)特征，將噪聲進(jìn)行過濾并鎖定目標(biāo)，跟蹤目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及使用PID算法進(jìn)行目標(biāo)的位置修正等一系列的操作。該文是基于靈活并且計(jì)算功能多樣的Raspberry Pi，在OpenCv框架下移植適當(dāng)?shù)乃惴ā?/p>

3.2.2 核心算法

3.2.2.1 混合高斯模型算法

3.3 路況信息監(jiān)測結(jié)果

圖1為采用混合高斯模型的實(shí)驗(yàn)效果圖，可以看出圖1中車輛道路的監(jiān)控顯示結(jié)果很好。

4 結(jié)語

該文對機(jī)器視覺系統(tǒng)在智能安全頭盔的研究與實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用進(jìn)行了分析 ，采用混合高斯模型的方法，實(shí)現(xiàn)對圖像的實(shí)時(shí)處理。該系統(tǒng)具備良好的自適應(yīng)能力，能實(shí)現(xiàn)道路預(yù)警、行車記錄、自動(dòng)求助、智能語音識別等功能。說明機(jī)器視覺在智能出行上得到了有效應(yīng)用。

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