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                    視頻圖像采集與處理系統開發

                    添加時間:2019/07/24 來源:湖南大學 作者:程磊
                    個人計算機受限于在視頻監測中的穩定性不好以及功耗和費用較高等缺陷,基于 PC 的網絡視頻監測受到了很大的制約,在很多領域上已經沒有任何的優勢可言,嵌入式系統由于實時性好,成本低,體積小,高可靠性和穩定性等特點。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著科學技術的快速發展,設備智能化已經涉及到社會的每個角落,如何用相對低廉的成本完成既定的目標是一個非常重要的課題。各類監控系統在各種領域里的應用迅速發展起來,如何使監控系統智能化、時代化和經濟化也是目前研究中的一個重要課題。同時,數字圖像處理技術近年來得到了長足的發展,在監控、管理、地震,醫療等領域也扮演著重要角色,但是面向應用的圖像處理系統卻不盡如人意。嵌入式系統具有的功耗低、體積小和成本低等優點,本課題在嵌入式技術基礎上結合數字圖像處理技術,探索設計出一種基于嵌入式平臺的圖像處理系統,得以增強系統工作的實時性,實用性和穩定性。

                      本文分析并總結了嵌入式視頻圖像技術的過去和發展,搭建起自己的嵌入式平臺,實現了嵌入式視頻圖像的采集、顯示和保存,并采用普通 PC 瀏覽器界面控制系統完成各項任務。同時,基于 Visual C++軟件平臺,完成視頻圖像的預處理,實現人臉識別并標記。

                      系統選用三星公司的 32 位 ARM 處理器 S3C2440A,嵌入式軟件平臺采用穩定性很高的 Linux 系統。通過基于 V4L 接口的采集程序完成視頻圖像采集,采用基于傳輸控制協議(TCP/IP)的網絡套接字 Socket 實現數據傳輸和顯示,并完成圖像捕捉與保存、現場運動物體監測。同時,為了便于系統與外界交互,采用基于B/S 模式的 PC 機瀏覽器完成與系統的交互控制:搭建嵌入式 Web 服務器 Boa,編寫運行在服務器上的 CGI 接口程序,Web 服務器通過 HTTP 協議與監控端瀏覽器進行信息交互,并提供其他應用程序模塊的接口和視頻輸出窗口。VC 下基于DIB(設備無關圖)完成對采集的圖像數據的加載、處理和標記,實現圖像的灰度化處理、圖像增強處理、二值化處理,完成直方圖均衡輸出,最后確定并標記出來人臉區域。介紹了其中的圖像預處理和標記算法,給出了系統運行實驗的數據和結果。

                      本文通過嵌入式技術和圖像處理技術的相結合,探索了一種基于 ARM 與普通 PC 機完成的圖像采集和處理的系統,經過測試運行穩定,達到系統設計的目標,具有一定的實用性。

                      關鍵字:嵌入式,ARM,Linux,Visual C++,圖像預處理

                    Abstract

                      With the rapid development of science and technology, equipment intelligence has involved into every corners of the world. How to achieve the established goal by relatively low cost becomes an important issue. The application of all kinds of monitoring system in various field is developing rapidly, It is also an important subject to make the monitoring system intelligent ,economization and abreast of the times in the current study. Meanwhile, the digital image processing technology,which plays a more and more important role in management, earthquake, medical care and other fields, has been considerably expanded in recent years. However, the application of image processing system is not satisfactory, and the embedded system becomes a commendable solution to this problem.The embedded system has many advantages, such as low power consumption, small volume, low cost, and so on. With the digital image processing technology, we can design an embedded platform based image processing system which has high real time capability, practicability and stability.

                      This article first analyzed and summarized the past and future development of embedded video&image processing technology.Then an embedded platform was built to realize image collection, display and save.All the tasks above ware controlled by an ordinary PC browser interface system. The video preprocessing and human face recognition&marking was realized via Visual C++ software environment at the same time.

                      The system uses Samsung 32-bit S3C2440A as the ARM processor, and selects Linux as the embedded software platform since its high stability. The video signals collected via a V4L interface based procedures are transmitted and displayed by TCP(transmission control protocol) based network-socket.The image capture and preservation as well as the dynamic monitoring are realized at the same time. For the convenience of interactions between system and the external, a B/S mode based PC browser is adapted for dynamic control. After setting up the embedded Web server Boa, where runs the CGI interface program, the web server can interact with the browser software via HTTP protocol, and provides interfaces for other application modules and a video observation window. The VC, based on DIB, completes the loading, processing and marking of collected image data, realizes the image greying processing, image enhancement treatment and binary processing, completes equilibrium output, and finally identifies and marks the human face region. The image preprocessing and marking algorithm are presented, as well as the data and running results of the system.

                      By combining embedded technology with image processing technology, this article explored and developed an image acquisition and processing system based on ARM and ordinary PC. Its relative test results are positive, which proves the system's stability and fulfills the system designed purpose. What is more, it has certain practicality.

                      Key words:Embedded, ARM, Linux, Visual C++, Image preprocessing

                      隨著科學技術的高速發展,社會即將從工業化社會轉向信息化社會,信息的自動處理成為了人類生活和生產中不可缺少的一部分,人們的生活生產和工作環境也是趨向于立體化[1]。此時,人們對信息的獲取和處理要求就顯現出來了,而在日常生活中,人們從周圍環境中獲取的信息中,絕大部分都是視頻圖像信息,因為這類的信息可以直觀的反應出一個時刻所呈現的狀況,可見視頻圖像在我們的日常生活中占據著重要的作用。如何簡便快捷的獲取這些圖像信息是科技研究中的一個重要課題。

                      人們的物質生活水平有了很大提高的同時,社會治安也越來越引人注意,社會和個人的社會安全也迫切需要提升到一個新高度。近年來,公安部大力推動在全國范圍內“平安城市”的建設,視頻圖像監測作為安全防范系統的一個重要組成部分。在國家大型活動,如 2008 北京奧運會、2010 上海世博會、2011 廣州亞運會中,視頻圖像監測都賦予了相當重要的地位。除了公共場所外,住宅區、私人辦公室和家庭房間等地方的安全問題也日益凸顯,非法入侵、入室盜竊等違法行為對人們的財產和生命安全都造成了一定的威脅,視頻圖像監控技術在預防犯罪和調查取證等方面都起到了難以取代的作用[2~4]。

                      伴隨著計算機技術的迅速發展,數字圖像處理技術近年來也獲得了飛速提高。經過了一段時間的發展,圖像處理系統也逐漸完善成型,它可以在一定的場合下部分代替人的腦力勞動。人的生理器官的識別能力是有限制的,在限制之外我們可借助圖像處理系統來代替人類自動完成對大量物理信息的處理。此外,人類的活動范圍也是有條件限制的,比如在惡劣的環境之中就需要借助外力來完成某些特定的工作[5,6]。這就使圖像處理系統在通信工程、軍事工業、工業檢測和醫學影像等領域有著很大的應用前景。

                      人們生活和生產多元化的同時,人們對圖像進行處理的要求也在不斷提高,比如精度要求、處理速度和穩定性等方面都要求有所提高。而傳統的系統在結構、成本和體積功耗上都存在著一些明顯的缺點,圖像處理系統的實時性和小型化是它發展的必然趨勢。這些年嵌入式技術由于其穩定性好、可擴展性強、系統體積小和經濟上的優勢,得到了快速的發展和應用,這樣將嵌入式技術與視頻圖像數據結合在一起也就會是必然的趨勢。因而,探索一種基于嵌入式系統的圖像采集和處理的一體化系統有著很大的意義。

                      嵌入式技術是將計算機作為一個信息處理部件,嵌入到應用系統中的一種技術它將軟件固化集成到硬件系統中,將硬件系統與軟件系統一體化,具有軟件代碼短而精、事件響應速度快和系統控制高度自動化等特點。嵌入式系統是本質上以應用為目的,運用計算機技術為基礎,系統的軟硬件可以進行裁剪,當系統對應用的體積、功能、成本、功耗和可靠性有嚴格要求時,特別適用的專用計算機系統[7,8]。

                      最初的嵌入式系統以單片機為核心,而被應用于各種電器、生產機器、通信設備中,使其變的更加穩定、更快、更易操作。這時的單片機只能完成簡單的代碼,功能簡單,還不能完整的稱為系統[9]。進入 20 世紀 90 年代后,嵌入式技術全面展開,目前已成為通信和消費類產品的共同發展方向,更多的公司投入到嵌入式操作系統的研發之中,先后出現了 VxWorks、WinCE、Linux 等嵌入式操作系統。在通信領域里,數字技術正在逐步取代模擬技術;在消費電子內,MP3、MP5,手機等領域都依附于嵌入式技術的發展;在個人領域內,嵌入式具有便捷的人機交互界面,GUI 為核心的多媒體界面,給人以很大的親和力,而手寫觸屏文字輸入、語音撥號上網、收發電子郵件等都以前成熟起來。如今,嵌入式技術在通訊、網絡、工控、醫療、電子等領域發揮著越來越重要的作用,它無疑成為當前最熱門最有發展前途的 IT 應用領域之一[10]。

                      嵌入式視頻技術隨著處理器性能的提高、操作系統的不斷完善和多媒體通信技術的快速發展,已經廣泛應用到視頻會議,家居安防和工業監控之中[11]。

                      在數字視頻處理技術出現之前,視頻信號從采集、存儲、傳輸都以模擬信號為主,隨著個人計算機具有高速通用擴展總線,通過擴展視頻采集卡可以實現視頻模擬信號到數字信號轉變。而嵌入式系統的出現對于視頻的處理提出了新的需求,數字信號處理技術的應用研究也開始在嵌入式系統上展開。嵌入式圖像及視頻處理成為信號處理研究中一個重要的分支,大量在計算機上實現的數字信號處理算法通過與嵌入式系統的結合產生了大量優秀的應用平臺和案例。而從技術角度上來看,視頻圖像監測技術大致經歷了三個階段[12]:

                      第一代是模擬視頻監控系統。這類監控系統需要有事先預定好的模擬監視器,并且獲得的圖像質量不高、系統可擴展性也非常有限,而且錄像機中使用的錄像帶還需要經常更換。

                      第二代是基于 PC 的數字化視頻監控系統。這個階段的監控系統實際上是第一代系統的發展,它以 PC 機為控制中心,結合較先進的數字設備完成監控。但是視頻數據仍然是以模擬的傳輸方式傳輸,對第一代系統進行了很大改進。與第一代的閉路電視系統相比,這代系統是一種半數字半模擬系統,只是數字視頻錄像機的布線仍然很復雜,可擴展性不強,而且通常選用的 Windows 操作系統性能穩定性欠佳。

                      第三代是基于嵌入式技術的網絡視頻監控系統。這種監控系統具有嵌入式微處理器和嵌入式操作系統,配合相關的嵌入式外設完成現場實時監控。它涉及到了多媒體技術、嵌入式技術、數字化視頻圖像處理等技術,將現場采集到的監控數據先進行一定的壓縮,然后通過網絡協議進行數據傳輸。連接在整個網絡上的計算機設備采用 C/S(客戶端/服務器)或者 B/S(瀏覽器/服務器)模式來獲得監控現場的相關數據,并可根據現場狀況進行實時的人機交互。它的發展依賴于互聯網技術的發展和普及,這類基于網絡的視頻監控一般采用專用的嵌入式操作系統(如 Linux 操作系統)和專門設計的硬件設備,滿足特定的應用。與第一第二代監控系統相比,這類的系統把所有的功能集合到一個專門的設備內完成,不僅在專用性上有很大的提高,而且在系統的穩定性和數據實時性上都顯示了其獨特的優勢,此外在功耗和成本上的優勢也使其具有很高的商業用途。

                      圖像處理技術的內容很廣,狹義上來講,是基于個人計算機,運用現代數學技術,完成對采集的圖像進行特定要求處理的系統。圖像處理技術就是人類視覺認知的擴展,是智能研究的一個重要領域。

                    視頻圖像采集與處理系統開發:

                    原始圖片
                    原始圖片

                    灰度化后的圖片
                    灰度化后的圖片

                    視頻采集程序的運行腳本
                    視頻采集程序的運行腳本

                    系統控制界面
                    系統控制界面

                    運動物體監測記錄圖
                    運動物體監測記錄圖

                    motion 運行效果圖
                    motion 運行效果圖

                    圖像處理的開始界面
                    圖像處理的開始界面

                    相似度處理效果圖
                    相似度處理效果圖

                    直方圖和二值化處理后的效果圖
                    直方圖和二值化處理后的效果圖

                    人臉區域確定與特征標記
                    人臉區域確定與特征標記

                    目 錄

                      學位論文原創性聲明和學位論文版權使用授權書
                      摘 要
                      Abstract
                      第 1 章 緒 論
                        1.1 課題背景及意義
                        1.2 嵌入式視頻監控和圖像處理的研究現狀
                          1.2.1 嵌入式技術的定義和研究現狀
                          1.2.2 視頻圖像監控技術的研究現狀
                          1.2.3 圖像處理的研究現狀
                        1.3 發展趨勢
                        1.4 論文主要工作及內容安排
                          1.4.1 論文的主要研究內容
                          1.4.2 論文主要內容安排
                      第 2 章 系統總體設計與嵌入式系統概述
                        2.1 系統的總體設計
                        2.2 嵌入式系統概述
                          2.2.1 嵌入式系統簡介
                          2.2.2 嵌入式系統的特點
                          2.2.3 嵌入式系統的組成
                        2.3 本章小結
                      第 3 章 嵌入式開發平臺的搭建
                        3.1 系統硬件平臺的搭建
                          3.1.1 硬件概述
                          3.1.2 嵌入式處理器
                          3.1.3 NAND FLASH
                          3.1.4 電源管理模塊
                          3.1.5 網絡接口
                          3.1.6 USB 接口設計
                          3.1.7 USB 攝像頭
                        3.2 系統軟件系統的建立
                          3.2.1 Bootloader 簡介
                          3.2.2 交叉編譯工具鏈的建立
                          3.2.3 嵌入式 Linux 操作系統簡介
                          3.2.4 嵌入式 Linux 內核的配置和移植
                          3.2.5 Linux 根文件系統及其制作
                        3.3 本章小結
                      第 4 章 視頻圖像采集與人機交互
                        4.1 嵌入式視頻圖像采集
                          4.1.1 Video4Linux 簡介分析
                          4.1.2 視頻數據采集分析
                        4.2 圖像數據的網絡傳輸
                          4.2.1 計算機網絡協議簡介
                          4.2.2 TCP/IP 協議簡介
                          4.2.3 Socket 網絡套接字簡介
                          4.2.4 基于 TCP 的圖像數據傳輸
                          4.2.5 視頻圖像數據的顯示
                        4.3 圖像捕捉和運動物體動態檢測
                          4.3.1 圖像捕捉的實現
                          4.3.2 運動物體動態檢測的實現
                        4.4 人機交互模塊的設計
                          4.4.1 嵌入式服務器的移植
                          4.4.2 CGI 的設計與編寫
                          4.4.3 HTML 客戶端的設計
                        4.5 本章小結
                      第 5 章 基于 VC++的圖像處理與人臉標記
                        5.1 圖像處理與圖像識別技術
                        5.2 圖像預處理技術
                          5.2.1 圖像灰度化處理
                          5.2.2 圖像增強處理
                          5.2.3 圖像的二值化
                          5.2.4 圖像直方圖
                        5.3 Visual C++下實現圖像處理與人臉標記
                          5.3.1 Visual C++與其編程簡介
                          5.3.2 設備無關位圖 DIB
                          5.3.3 圖像中人臉區域標記
                        5.4 本章小結
                      第 6 章 系統測試與結果
                        6.1 B/S 模式下的數據采集與運動監測
                        6.2 基于 Visual C++的圖像處理與人臉檢測測試
                        6.3 本章小結
                      結論與展望
                      參考文獻
                      致 謝
                      附 錄 A 攻讀學位期間發表的學術論文

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