智能博物館人數統計系統設計

畢佳偉 張 帥 高 凱 楊立昆 何 苗

(1、寶雞文理學院計算機學院，陜西 寶雞 721016 2、西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西 西安 710055)

1 預備知識

1.1 對圖像增強定義

目前依據增強處理過程的空間性質，可把圖像增強分為空域和頻域等比較實用的方法。為了增強對比對同時為了使得圖像變的平滑，可以采用空域方式；而頻域方法是利用圖像在某種變換域內對圖像的變換系數進行修正，然后通過再反變換，還原到原始的空域，從而得到增強的函數圖像[1]。這樣做的目的是為了：(1)針對給定圖像的應用場合，通過感興趣的區域(ROI)進行背景更新，突出圖像中不同物體特征之間的差別，從而檢測出不同展覽室不同區域的人流量信息；(2)改善圖像的視覺效果，以便對采集來的圖像更好的分析。

1.2 灰度變換的基本定義

灰度變換是根據某目標條件按一定變換關系逐點改變源圖像中每一個像素灰度值的方法。并且分為線性灰度變換、分段線性灰度變換、非線性灰度變換三類[2]。其主要目的是了提高畫質，使圖像的顯示效果更加清晰。

1.3 Mean-Shift 算法基本原理

由Fukunaga 和Hostetler 提出的Mean Shift 是基于核密度的非參數聚類算法，其算法思想是假設不同簇類的數據集符合不同的概率密度分布，找到任一樣本點密度增大的最快方向，樣本密度高的區域對應于該分布的最大值，這些樣本點最終會在局部密度最大值收斂[3-5]。Mean-shift 向量計算公式為：

2 博物館人流量統計的相關技術

2.1 人數統計系統的處理流程

本設計采用網絡協議來傳輸和控制圖像信號，用服務器作為圖像處理的中心，將攝像頭所采集到的視頻圖像傳上傳至服務器，其后對所上傳的信息進行加工處理，將所獲得的最新信息數據全部錄入到數據庫，然后更新web 客戶頁面[6-7]。

2.2 檢測可運動的目標

運動的目標檢測主要是指將變化區域從序列圖像中檢測，進一步提取出運動目標。通常意義下，目標的分類、跟蹤以及行為理解等，這些后處理過程只需要將像素區域中的運動目標考慮進圖像中即可，因此對于檢測與分割對于運動的目標而言，會嚴重影響到后期處理。根據攝像頭是否保持靜止，運動檢測分為靜態背景和運動背景兩類。

3 背景檢查模塊

背景差分法基本原理：

將靜止的場景運動分割，這種方法通常被稱為背景差分法，它可以將當時所獲取到的圖像幀與背景圖景做差分運算，得到灰度圖，并對灰度圖進行閾值化，從而進一步提取出運動區域，同時為避免環境中光照變化對準確度的影響，背景圖像往往根據當前所獲取到的圖像幀進行持續的更新。

4 智能安全監控模塊

智能安全監控模塊完成如下功能，首先根據接收到的圖像進行判斷，判斷是開館時間還是閉館時間，如圖1 所示。如果為開館時間則進行異常事件檢測，并根據預設值進行報警；如果為閉館時間則進行圖像預處理，其中包括濾波、圖像增強等操作，接下來會進行異常事件檢測，包括入侵檢測，溫度檢測等，其中溫度檢測過程如圖2 所示。。

圖1 安全監控檢測

圖2 溫度檢測

5 系統平臺選取與搭建

5.1 搭建硬件系統

本設計采用如圖3 所示的硬件框架圖。從圖中可以看到整個系統以服務器為媒介，聯通監控終端和控制終端。

圖3 硬件框架圖

具體模塊的實現，以控制終端我們所采用煙霧報警系統為例簡單做一些說明，當傳感器檢測打環境中煙霧或溫度濃度值超過系統預設的值后，報警電路報警，預警系統輸出電平特性給S8050 三極管，S8050 三極管使用高電平導通，需要報警是預警系統傳輸高電平至S8050，三極管導通并放大電流，將幾十毫安的RO 口放大兩百倍左右為0.5A 的電流，可用來驅動蜂鳴器進行報警，采用1K 電阻用于限流，避免有時候低電平也會被導通，另一個LED 燈附近的1K 同樣用于限流，LED 工作所需電流較小，加入1K 用于保護LDE 燈。當管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導通，觸發蜂鳴器，從而報警。當管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截止，蜂鳴器不發出聲音。

5.2 系統調試

采用Open CV 機器視覺庫來實現圖像處理算法。控制終端使用Qt 圖形界面庫。Qt 庫采用方便易理解的信號和槽機制，使得程序框架清晰明了。同時Qt 還具有非常好的跨平臺特性，可以在多種平臺上實現程序的編寫和移植。軟件部分的設計采用模塊化編程的思想，可以有效增加程序的可讀性，使程序更加簡潔，每一個部分完整且獨立，在調試的過程中可以單獨測試各個模塊的功能。對于修改單獨模塊上的錯誤不會影響其他程序。此外模塊化設計能夠讓整個系統對數據的處理性能更強，整個程序的設計需要理解項目的核心，程序的設計可以圍繞核心開始拓展。

5.3 總體功能實現

設計完成的系統可以實現以下幾種基本功能：(1)可設置監控區域、監控目標大小及方向; 對所監視區域進行實時視頻采集；(2)對視頻流進行人頭的動態識別、跟蹤、匹配和統計；(3)系統使用網絡攝像機，可通過數據傳輸網絡同步輸出多路視頻;提供視頻流切換功能；(4)人數統計錄像可以存儲，檢索和回放；(5)實時顯示當前各區域人數情況，提供對圖書館人數實時數據匯總；(6)系統具有數據分析功能，根據設置條件生成多種數據分析報表；(7)系統提供多種通訊協議接口，方便其它系統對人數統計數據進行調用。

6 結論

本文所設計的人數統計系統很好的實現了博物館的人數統計功能，同時它還可應用到不同的應用場合，發揮不一樣的作用。以圖書館為例：該系統可為圖書館內部不同的書庫以及不同類的書籍，按照不同時間段分布的人員數量統計、人群具體的流動方向、人員狀態等重要的信息; 圖書館大門口的人員流動數量統計所得的信息，有利于圖書館開放時間的合理性。