移动图像监控系统设计.docx

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移动图像监控系统设计

绥化学院

本科毕业设计

移动图像监控系统

学生姓名：

赵江龙

学号：

1

专业：

电子信息工程

年级：

2009级一班

指导教师：

苏宝林讲师

SuihuaUniversityGraduationPaper

MobleVideoMonitoringSystem

Studentname

ZhaoJianglong

Studentnumber

1

Major

ElectronicandInformationEngineering

Supervisingteacher

SuBaolin

SuihuaUniversity

摘要

运动目标检测与跟踪技术已普遍应用于智能监控中，在商业街监控、小区平安保障、法律取证、军事保密等方面有着极大的需求。

目前在机场、超市、道路、银行等公开场合监控摄像机的利用已经超级普遍，但实际的监控任务仍需要人来完成。

这无疑失去了智能监控系统本身具有的主动性和实时性的优势。

移动图像监控系统的研究目的确实是为了实现无人值守的实时监控，自动分析摄像机捕捉到的图像数据，当发觉异样时主动记录实时信息并及时报警。

它主若是通过给嵌入式设备移植uboot，移植linux内核，制作nfs根文件系统等，并搭建一个能够正常运行的嵌入式系统，然后移植linux平台下摄像头软件motion来实现移动图像监控的最终目标。

移动图像监控的实现运用了背景减除法，该算法是实现移动式监控技术的最经常使用的算法，也是最普遍的算法。

用当前帧的灰度值跟背景帧的灰度值进行相减，灰度值差大于32位的区域将被标记为运动区域，当有500位以上像素时将被判定为捕捉到运动的物体。

通过设计论述了嵌入式系统工作的相关原理和运动图像检测的实现算法，得出了一套完整的移动图像监控系统。

关键词：

移动图像监控；嵌入式系统；uboot；linux

Abstract

Movingtargetdetectionandtrackingtechnologyhasbeenwidelyusedinintelligentmonitoring,monitoringinthemall,residentialsecurity,legalevidence,militarysecrecyhasagreatdemand.Althoughtheuseofsurveillancecamerasinpublicplacessuchasairports,supermarkets,roads,bankshavebeenverycommon,buttheactualmonitoringtasksstillneedtocomplete.Thisisundoubtedlylostintelligentmonitoringsystemshouldbeinthisinitiative,andreal-timeadvantage.MobileVideoMonitoringSystemresearchgoalistoachievereal-timemonitoringofunattended,automaticanalysisofthevideocameratocapturetheimagedatawhentheabnormalityisactiverecordingreal-timeinformationandtimelywarning.AnormaloperationofembeddedsystemsmainlytoembeddeddevicestransplantationuboottransplantLinuxkernel,makingnfsrootfilesystemstructures,andthentransplantthemotionofthecamerasoftwarelinuxplatformtoachievetheultimategoalofmovingimagemonitoring.

Monitoringimplementationofthemovingimageistheuseofabackgroundsubtractionmethod,thealgorithmisthemostcommonlyusedalgorithmformobilemonitoringtechnology,isalsothemostcommoninthefutureapplicationofthealgorithm.

Thegrayvaluesofthecurrentframewiththegrayvalueofthebackgroundframeissubtracted,thegradationvalueofthedifferential32bitregionwillbemarkedasamotionarea,whenthereisabitmorethan500pixelswillbejudgedastocapturethemovementobjects.Describestheoperatingprincipleoftheembeddedsystembydesignofthealgorithmimplementedinthemovingimagedetectionobtainedasetofnormalworkingofthemovingimagemonitoringsystem.

Keywords:

motion;detectionembeddedimage;uboot;linux

第1章绪论

第1节课题背景

随着半导体科学的进展，信息技术，数字化产品的普及，嵌入式系统被普遍应用于各个领域。

目前，嵌入式系统被应用到运算机网络、手持通信设备、军事安防和自动操纵等各个领域。

嵌入式系统的概念是：

以应用为中心，以运算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应系统对功能、靠得住性、本钱、体积、功耗严格需求的专用运算机系统[1]。

这次毕业设计是移动图像监控系统，所选的嵌入式系统要紧应用于对靠得住性，实时性要求较高的系统中。

这种系统要紧应用于商场、银行等公开场合。

视频监控系统是集通信技术、现代运算机技术、自动操纵技术、传感器技术等，对受控对象进行远程监控，图像处置和操纵治理的集成系统。

第2节视频监控系统简介

随着编解码、网络传输技术、运算机的进展，现现在视频监控技术的进展趋势是：

数字化、智能化、IP化、网络化。

（1）视频监控数字化

视频监控进展经历了模拟视频监控、半数字监控、数字监控三个时期。

关于视频监控，数字化存储是视频监控技术进展的里程碑，数字化监控是此刻和以后最要紧的监控方式。

（2）视频监控智能化

智能化是视频监控技术进展到一按时期产生的。

由于视频监控的数据存储量超级大，而用户所需求的信息只是一小部份，如何把有价值的信息从海量的信息中提掏出来或说如何把人对图像的分析直接用机械来表达是视频监控技术进展的一个新方向。

随着新技术的进展，全智能的监控系统将要求事发前能够识别并作出正确的判定，为人们提供最为有效、及时的快速反映方法。

（3）视频监控IP化

随着Internet技术的进展，基于IP的视频监控更能为人们所同意，网络摄像机把紧缩的视频信息通过TCP/IP协议，采纳流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权的用户能够随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权操纵等功能。

鉴于IPv6在效劳质量、网络性能、平安性的改善、和对下一代Internet网络的阻碍，基于IP的视频监控将会成为主流。

（4）视频监控无线化

无线化包括两方面内容：

一是监控中心的移动，通常情形下，被监控对象或是摄像机往往是固定的。

而作为监控系统的监控中心那么能够是动态的，当出差在外，需了解公司生产情形时，可利用笔记本随时随地访问摄像机的IP获取信息。

二是视频监控网络的无线化，当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固按时，利用传统有线网络的视频监控对象往往本钱高且难以实现，而基于多种无线传输手腕的移动视频监控系统具有不可替代的优势。

第3节嵌入式系统特点

本文设计的监控系统是基于ARM的嵌入式移动图像监控系统，因此在论述本系统之前，先介绍下嵌入式系统的几个重要的特点[2]：

（1）系统内核小。

嵌入式系统一样是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所之内核较之传统的操作系统要小的多。

（2）系统精简。

嵌入式系统一样没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现过于复杂，如此一方面利于操纵系统本钱，同时也利于实现系统平安。

（3）专用性强。

嵌入式系统的个性化强，其中软件系统和硬件的结合超级紧密，一样要针对硬件进行系统的移植，即便同一品牌、同一系列的产品也需要依照系统硬件的转变而不断进行修改。

（4）高实时性。

高实时性的操作系统软件是嵌入式系统的大体要求。

软件要求固化存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高靠得住性。

第2章基于S3C2440的硬件开发平台

第1节ARM体系结构介绍

ARM（AdvancedRISCMachines）是微处置器行业的一家知名企业，技术具有性能高、本钱低和能耗低的特点。

目前处置器可分为两大类：

一类是CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集运算机），如x86系列，另外一类为RISC（ReducedInstructionSetComputer，精简指令集运算机），如ARM、MIPS等[3]。

传统的CISC结构有其固有的缺点，随着运算机技术的进展而不断引入新的的指令集，为支持这些新增的指令，运算机的体系结构愈来愈复杂，体系结构的复杂化也致使整个系统性能的降低。

在CISC指令集的各类指令中，其利用频率却相当差异，大约有20％的指令会被反复利用，占整个程序代码的80％。

而余下的80％的指令却不常常利用，在程序设计中只占20％，显然，这种结构是不太合理的。

基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC的概念，RISC并非只是简单地去减少指令，而是把重点放在如何使运算机的结构加倍简单合理地提高运算速度上。

RISC结构优先选取利用频率最高的简单指令，幸免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以操纵逻辑为主，不用或少用微码操纵等方法来达到上述目的。

到目前为止，RISC体系没有严格的概念，一样以为RISC体系应具有如下特点：

（1）采纳固定长度的指令格式，指令归整、简单，大体寻址方式有20种；

（2）利用单周期指令，便于流水线操作执行；

（3）大量利用寄放器，数据处置指令只对寄放器进行操作，只有加载/存储指令能够访问存储器，以提高指令的执行率。

除此之外，ARM体系结构还采纳了一些专门的技术，在保证高性能的前提下尽可能缩小芯片的面积，降低功耗：

（1）所有的指令都可依照前面的执行结果决定是不是被执行，从而提高指令的执行效率；

（2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；

（3）可在一条数据处置指令中同时完成逻辑处置和移位处置；

（4）在循环处置中利用地址的自动增减来提高运行效率。

第2节嵌入式系统的选型

嵌入式开发硬件平台的选择主若是嵌入式处置器的选择。

在一个系统中嵌入式处置器内核要紧取决于应用的领域、用户的需求、本钱、开发的难易程度等因素。

嵌入式操作系统的选型：

在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各类系统功能的关键。

不同的应用对嵌入式软件系统有不同的要求，随着运算机技术的进展，这些要求在不断转变。

嵌入式操作系统的选择要紧从以下几个方面考虑[4]：

表2-1嵌入式处置器的特性

处理器类型

处理器价格

主要性能及应用

ARM

低

功耗低，适合于个人便携式设备

DragonBali

低

速度低，主要应用于PDA

PowerPC

高

通信，网络等设备，应用于高端嵌入式中

1．处置器的支持

所选用的操作系统是不是支持开发者将采纳的微处置器，这是一个决定性的因素。

因为关于一个嵌入式设备，能够取得一种已经成熟的或只要通过很少的改动就能够够运行处置器上的操作系统将成为首选。

2．所需资源

资源需求量是另一个被关注的问题。

任何操作系统都要消耗必然的资源，那个地址的资源主若是指内存和FLASH。

操作系统本身消耗很多的资源，在嵌入式设备领域，由于系统资源的灵敏性，这种类型的操作系统不适合作为嵌入式操作系统。

3．软件资源丰硕程度

嵌入式操作系统的选择并非因为它具有优良的性能，而在于它具有多少可用的软件资源。

这些软件包括协议栈、设备驱动和一些应用程序。

开发者希望在利用这些软件时，不需要做移植，只需很少的改动就能够够适用于新的平台。

4．操作系统的功能

一个嵌入式操作系统本身具有的功能支持是需要考虑的另一个方面。

在选择操作系统时开发者希望他们所要求的功能在操作系统有了支持，如此他们在用户层只需要做很少的工作，通常这种情形下开发者关于程序的稳固性将会更有信心。

5．操作系统执行性能和靠得住性

另外操作系统的执行性能和靠得住性也是需要考虑的因素。

因为操作系统的靠得住性通常无法在用户程序或函数库层次取得增强。

操作系统的稳固性在操作系统实现之初，就已经由系统的实际构思和编码质量决定了。

开发者不能保证一个稳固靠得住的程序在一个不稳固的操作系统上稳固地运行。

第3章基于Linux的软件开发平台

第1节Linux操作系统

一、Linux简介

嵌入式Linux是依照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统。

由一个内核及一些依照需要进行定制的系统模块组成。

其kernel很小，一样只有几百kB左右。

即便加上其它必需的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。

它有多任务、多进程的系统特点，有些还具有实时性。

一个小型的嵌入式Linux系统只需要引导程序、Linux内核治理和事务处置、初始化进程3个大体元素[5]。

若是要让它有更多的功能且继续维持小型化，能够加上：

文件系统、TCP/IP网络支持、存储更多数据用的磁盘、提供设计精简的应用程序。

嵌入式Linux的要紧特点是精简标准的Linux内核，适应于多种CPU和多种硬件平台，性能稳固，裁剪性专门好，开发和利用都很容易。

LINUX的内核：

内核是系统的核心，是运行程序和治理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。

LINUXSHELL：

Shell是系统的用户界面，它是一个命令说明器，它说明用户输入的命令，而且把它们送到内核。

它提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。

LINUX文件系统：

Linux文件系统是文件寄存在磁盘等存储设备上的组织方式。

Linux能支持多种文件系统，如EXT二、EXT3、FAT、VFAT、ISO9660、NFS、SMB等。

LINUX应用系统：

标准的Linux系统都有一整套称为应用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语言、Window、办公套件、Internet工具、数据库等。

第2节运动检测系统构架图

第3节Bootloader的移植

一、Bootloader的概念

嵌入式系统上电后需要一段程序来进行初始化：

关闭看门狗、改变系统时钟、初始化存储操纵器、将更多的代码复制到内存中去，归纳来讲bootloader是一段小程序，它在系统上电之初开始执行，初始化硬件设备，预备好软件环境，最后挪用系统内核。

第一需要了解嵌入式linux从软件角度能够分为以下3个层次：

引导加载程序，firmware（可选）和bootloader。

二、Bootloader的启动

大多数bootloader启动可分为两个时期：

第一时期：

第二时期：

第4章移动图像检测的实现

第1节Mini2440的开发平台

图4-1mini2440开发板

LTV350QV-F02，F04，寸三星数字屏参数

尺寸：

分辨率：

320×240（4：

3）

显示区域：

×

亮度：

250cd/m2

对比度：

300：

1

可视角度：

60/60/50/55

响应时间：

30ms以下

外形尺寸：

××

接口方式：

24bitRGB

图4-2mini2440开发系统

第2节摄像头简介

摄像头参数

USB摄像头micro友善Mini2440tiny6410Tiny210

图4-3USB摄像头

镜头：

800万专用镜头

捕捉幅面：

640×480320×240

输出格式：

RGB24

输出接口：

帧率：

VGA30帧/秒

视角：

360度水平

摄像头操纵：

色彩饱和度，对照度，边缘增强，伽马表可调。

最小照明度：

10Lux

闪烁操纵：

50Hz或60Hz

视野深度：

50毫米到无穷远

兼容性：

。

第3节运动图像检测算法的选择

运动图像检测目的是从序列图像中将转变区域从背景图像中提掏出来。

这对运动区域的分割、后期的目标分类，目标跟踪和行为明白得超级重要，因为处置过程要紧考虑图像中关于运动区域的像素。

但是背景图像的动态转变，如天气、光照、阴影等因素的阻碍，使得运动目标检测成为一项相当困难的工作，以下是现在流行的算法[6]。

一、帧间差分法

帧间差分法是在持续图像序列中取两个或三个相邻帧间采纳基于像素的时域差分，并将结果跟阈值比较从而提取运动区域的一种方式。

这是一种简单的直接的运动检测算法，在实际应用中，差分图像并非能表示出完整的运动目标信息。

如当一个运动目标的内部纹理较为均匀且物体散布缓慢时，帧间差分法极为容易在检测的运动目标中产生空洞现象，关于那个问题的结局可采纳积存差分图像的方式或采纳后期处置的方式，如形态滤波，区域联通或参数模型等方式提掏出完整的运动目标信息。

二、背景减除法

背景减除法是目前运动目标检测中最为常见的算法之一，它利用当前图像与背景图像的差分来检测运动区域。

该方式一样能够提供完整的体征数据，但关于动态场景的转变，如光照和外来无关时刻的干扰特别灵敏。

视频监控系统要紧利用固定摄像机对场景进行监控，场景大体固定，因此背景差分法在智能化监控系统中是一种重要的运动目标检测方式。

通常背景差分法要紧包括背景模型成立，背景模型更新背景差分，和后期处置等步骤。

三、光流法

光流法是基于对光流场的估算进行检测分割的算法，如Meyer等通过计算位移矢量光流场来初始化基于轮廓的跟踪算法，从而有效提取和跟踪运动目标。

光流是空间运动物体被观测面上的像素点运动产生的瞬时速度场，包括了物体3D表面结构和动态行为的重要信息，光流场的不持续性能够用来将图像分割成对应于不同运动物体的区域。

但是大多数的光流计算方式相当复杂，且抗噪性能差，若是没有特定硬件的支持便不能专门好的被应用于全帧视频流的实时处置。

四、统计学法

统计学法是基于像素的统计学体征而从背景中提取运动信息。

它第一计算背景像素的统计信息，利用个体像素或一组像素的特点来成立一个较为高级的背景模型，而且背景的统计值能够动态的改变。

通过对照当前背景模型的统计值，图像中每一个像素被分成背景或前景。

第4节背景减除法检测运动目标算法的研究

本设计是基于ARM平台下的运动目标检测系统，通过检测图像序列中的运动目标，确信目标的位置。

用于实现该功能的算法是背景减除法，系统的整体工作流程如下：

本次设计的目的并非研究最新的算法，亦并非为了提取图像序列中的运动物体，而是实现当运动图像检测程序检测到图像中有运动目标时触发报警，并保留图片。

通过研究开源软件motion，裁剪适当的内容从而实现适应环境条件和毕业设计的最优化结果。

下面是背景减除法的工作流程：

结论

做完那个设计使我愈来愈明白运动图像检测的重要性，运动图像检测、识别、跟踪在以后将进展为一个极为重要的数字图像处置技术分支，而它的研究意义也已经覆盖人们日常生活的方方面面。

本人在该设计中所作的工作如下：

1．移植u-boot

嵌入式系统并无一个统一的引导程序，这就需要对每一个嵌入式设备移植引导程序，但方式并非因为不同的嵌入式设备而不同，相反，方式是相同或相近的。

通过本次设计使我大体熟悉了移植u-boot，也大致明白了u-boot源码中的代码结构，为以后移植其他嵌入式设备u-boot打下了基础。

2．移植linux内核

本人在移植linux花了一些时刻，可是要完全读懂嵌入式内核的代码需要很多时刻，毕竟毕业设计时刻有限，故只是大致了解了一下linux内核启动的相关流程。

随着时刻的改变，linux内核的代码可能会改变，代码的结构可能会改变，但嵌入式的移植的爱好可不能改变。

3．根文件系统的制作

本次设计中采纳了nfs根文件系统，文件系统相对简单，可是功能齐全，以后我还会渐渐学到nfs其它文件系统。

4．Motion的移植

通过对motion的解读发觉motion软件十分壮大，但我对motion的了解还不够深切，希望在以后的学习工作中能够多接触和应用motion。

参考文献

[1]邹思轶，嵌入式Linux设计与应用[M]，北京：

清华大学出版社，（2001）：

65-72

[2]KurtWall著，张辉泽，GNU／Linux编程指南[M]，北京：

清华大学出版社，（2002）：

216-221

[3]韦东山，嵌入式linux应用开发完全手册[M]，北京：

人民邮电出版社，（2020）：

102-125

[4]王雪龙，嵌入式Linux系统设计与运用[M]，北京：

清华大学出版社，（2006）：

122-126

[5]赵炯，Linux内核完全剖析[M]，北京：

机械工业出版社，（2006）：

131-151

[6]范莹，郭成安，一种运动图像的检测与识别技术[J]，沈阳：

大连理工大学学报，2004，17

（2）：

10-15

附录1

部份源程序

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1.检测到图像转变，报警

2.检测到外部中断，报警

3.3分钟能持续检测图像转变20次，那么暂停2小时，2小时后在开启

/*defineglobevariable*/

/*play_pid:

当前播放的MP3子进程ID*/

unsignedintplay_pid=0;

/*gradchild:

当前播放的MP3孙子进程ID*/

unsigned