基于面部識別與無線傳感網的視頻監控系統設計與實現

文/馮雨晴 趙柳清

1 引言

近年來,隨著國民經濟以及信息技術的迅速發展,視頻監控系統在各行業的應用日漸廣泛,監控系統已經不是單單在通信、安全等行業應用,銀行、電力、交通、安檢以及軍事設施等領域對安全防范和現場記錄報警系統的需求與日俱增。雖然監控系統己經廣泛地存在于各種公共場所,但實際的監控任務仍需要較多的人工完成,而且現有的視頻監控系統通常只是錄制視頻圖像,提供的信息是沒有經過解釋的視頻圖像,只能用作事后取證,沒有充分發揮監控的實時性和主動性。

現階段研究，物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。通過物聯網技術對外界環境進行檢測和管理的手段也不斷涌現，以用戶體驗為核心的創新2.0是物聯網發展的靈魂。nRF2401具有很強的通信能力，通過字節的形式對數據進行封裝，傳輸，在便捷性和低功耗上都具有優勢。而通過高清攝像頭，面部識別技術的也日趨的進步完善，使用通用的攝像機作為識別信息獲取裝置。以非接觸的方式獲取識別對象的面部圖像，計算機系統在獲取圖像后與數據庫圖像進行比對后完成識別過程。現階段比較流行的是通過C#封裝的EmguCV庫對圖像信息進行處理，從而實現對圖片中人臉信息的檢查和識別。

綜上，利用物聯網技術，在檢測環境中部署傳感器節點，使外界環境因素可以與檢測信息內容相互結合，再通過人臉識別技術，從而去更好的實現視頻內容的監控報警工作。

2 系統需求分析

2.1 相關技術分析

本文設計的應用系統在遵循PC端開發標準的前提下，軟件平臺使用C#語言運用Emgu CV圖像識別庫函數以及MySQL數據庫進行設計，硬件端使用AVR單片機，nrf2401傳輸芯片以及人體紅外傳感器，門磁傳感器，震動傳感器進行設計。

用到的主要知識和技術有：AVR單片機，nRF401傳輸芯片，人體紅外傳感器，溫濕度傳感器，震動傳感器，EmguCV圖像識別庫函數的使用，.net技術開發，My SQL數據庫。

2.2 功能分析

為達到采集環境信息需求，在環境中布置子節點，服務器端連接父節點，形成一對多的樹狀網絡。通過在服務器端連接攝像頭，對指定區域畫面開始監控。當傳感器被觸發時，攝像頭根據傳感器坐標信息自動對區域畫面進行拍攝，并開始對畫面內容中的人臉信息進步分析，并把所有信息存儲到數據庫中。

3 系統設計

根據需求分析，系統分為三個界面，分別為用戶登陸界面，視頻監控界面，數據查詢界面。

在用戶登陸界面中，用戶可以注冊賬號信息，通過注冊后進行登陸，用戶登陸之后，可以使用系統的全部功能權限，但是無法更改數據。在視頻監控界面中，通過視頻監控界面，實現對監控攝像頭的調用，人臉特征模型訓練庫的信息錄入，設置識別模式，打開監控和關閉監控。在數據查詢界面中，通過數據庫，查詢報警信息的時間，地點，傳感器信息，圖像信息，并根據時間段，對所觸發的信息繪制折線圖。如圖1所示。

4 系統模塊與功能

4.1 系統軟件設計

登陸界面供用戶注冊使用賬戶信息，沒有使用賬號的用戶可以通過界面來注冊使用賬號信息；已經有使用賬號的可以通過填寫賬號來登陸軟件，使用全部功能。

圖1：系統總體架構

圖2：登陸流程

視頻監控界面可以調用連接在PC端的攝像頭設備，并把圖像信息呈現在顯示器中。用戶可以通過攝像頭，錄入需要存儲的人臉信息，當監控到視頻中的人臉信息是與人臉訓練庫中的信息吻合度低于一定的閾值時，則會產生報警信息。環境周圍的傳感器觸發會使攝像頭轉向指定的區域進行拍攝。通過監控界面還可以設置人臉識別的類型。

通過數據庫的查詢界面，可以查看指定日期的事件信息。數據庫中共有兩種模型，一個是用戶模型，一個是事件模型。

用戶模型中，共賦予了兩個ID，其中username是用戶的名字，password是用戶的賬號密碼，則兩個屬性都依存與user表中。數據模型如表所示。

事件模型主要是對所拍攝的視頻信息，其中每個事件信息都有六個ID屬性，這些屬性依存于test創建后都存儲與test表中。六個ID屬性分別為Time（事件時間），Address（事件地點），Sensor（觸發的傳感器類型），What（觸發人信息），ID（傳感器ID），Picture（拍攝圖片）。數據模型如表所示。

通過點擊登陸，系統會自動的把輸入框中的信息與數據庫中的信息相匹配并驗證，全部相符則通過登陸，進入軟件的視頻監控操作界面，登陸的操作流程圖如圖2所示。當用戶沒有賬號信息時，點擊注冊，來注冊新的賬號信息，其流程圖如圖3所示。

在通過登陸系統之后，就可以進入視頻監控系統界面，對視頻監控內容進行操作和處理了。監控界面主要是顯示誰想投的監控信息，錄入操作原所需要的人臉特征圖到人臉識別模式訓練庫中，設置人臉識別類型，跳轉到數據查看頁面，打開攝像頭等功能。

圖3：注冊流程圖

圖4：系統運行流程

4.2 系統硬件設計

核心板模塊需要體積較小，并且能夠較為快速的處理數據，為此，本設計選用AVR單片機的Arduino最小開發模塊，通過對每個模塊連接傳感器和射頻模塊，從而達到采集環境中需要的數據，從而達到對指定位置進行監控的目的。

根據檢測條件和模擬實驗室環境的需求，我們選擇溫濕度傳感器，人體紅外傳感器，震動傳感器這三個傳感器來采集相關的數據，通過兩節五號電池供電，從而達到移動部署的效果。

為了可以在10米的范圍內使得每個模塊都能夠快速有效的把所采集到的數據發送回PC端，PC端進行接收和處理，選擇nRF401芯片作為數據的傳輸模塊。其芯片的耗電量十分的低，當以-5dBm的功率發射時，工作的電流只有10.5mA，其多種低功率的工作模式，作為通過5號電池為能源的傳感器節點來說十分的便捷。

5 系統實現

系統的軟件設計全部使用C#語言進行開發，運用.net框架的設計，可以實現在所有的windows操作系統下的運行，系統運行流程如圖4所示。

登陸界面功能，界面DLForm由兩個lable控件（lab_uname，lab_password），兩個textbox控件（tex_username，tex_password），四個button控件(btn_DL，btn_CT，btn_XG，btn_ZC)組成。登陸時，通過獲取兩個textbox中的數據信息，將其與數據庫中的信息相互匹配，當信息匹配正確時，則會顯示登陸成功的提示信息，并將程序跳轉到視頻監控的主界面。如果用戶沒有賬戶信息，可以通過功能，注冊新的用戶信息，系統會獲取用戶所填寫的信息，因為用戶名的唯一性，若用戶名已經被注冊，則會告知用戶重新取用戶名，當所取的用戶名和密碼信息符合要求時，系統會在數據庫中記錄信息的用戶信息。

視頻監控界面是本系統的核心界面。由查找攝像頭設備的下拉窗口（comBox_CZ）兩個顯示視頻畫面的窗口（picShow1，picShow2），人臉特征訓練窗口（sampleBox），輸入人臉特征模型姓名信（textBox_fullname），設置人臉識別模式的下拉菜單（comBox_recognizerType）等控件組成。監控界面主要是顯示攝像頭的監控信息，錄入操作原所需要的人臉特征圖到人臉識別模式訓練庫中，設置人臉識別類型，跳轉到數據查看頁面，打開攝像頭等功能。通過打開了攝像頭設備，打開攝像頭之后，把視頻的信息顯示在設備端，下方是訓練人臉識別器，首先是獲取到圖像信息，然后對圖像畫面進行二值化處理，通過一定的均衡化灰度后的圖片，將人的面部特征信息以list集合的形式存儲，并在末尾出追加每個人臉信息的特征標號來區別。通過以上的功能處理之后，當視頻畫面中出現人的面部特征信息時，就會自動的去識別人的面部特征信息，并自動的跟人臉識別器中存儲的信息相互的匹配。當閾值在3600以下時，會在人臉信息上顯示出于此人相似的人名稱，若閾值超過了3600，則會發送發出聲音報警，并用過云端向手機發送報警信息

通過數據查詢界面，可以根據指定的時間，來查看指定日期的數據信息，通過點擊對應的圖片，可以在右邊查看大圖信息。并且根據每天的所觸發的傳感器信息，繪制一天的時間曲線圖。界面由一個顯示數據窗口（dataGridView_show），一個日期顯示窗口（monthCalendar），一個圖片查看窗口（pictureBox_SPicture）和一個返回鍵（btn_Back）組成。通過點擊對應的日期信息，系統會自動的根據所選擇的日期，從數據庫中讀取信息，并顯示在左側的表格中。

6 總結

經測試，本系統各個模塊功能均能正常實驗，通過在實驗環境中部署使用，運行良好，操作簡單，實現傳感器信息和視頻信息的有效結合，使得攝像頭可以自動識別圖像信息并對事件進行捕捉的聯動報警機制，與傳統的視頻監控系統相比，有效的提高了視頻監控的主動性，大大降低了監控系統的漏報率和誤報率。