基于低成本CMOS攝像頭智能監控系統的設計

在考慮數字化監控系統的基本要求和cmos攝像頭的價值、性能、功耗、體積和發展趨勢的基礎上，在普通pc機上運用vc＋＋和vb編程實現了“基于低成本cmos攝像頭的數字圖像智能監控系統”。當監控場景發生變化時，系統自動拍照和錄像，并提供3個報警級別，同時實施相應的處理機制，并進行聲音報警，必要時還可以進入人工干預。

1 系統功能

本系統由微機、cmos攝像頭和軟件等組成，其基本功能如下：

（1）能夠克服廉價cmos攝像頭的不穩定性和低象素低分辨率的缺陷，對監控場景進行可靠、穩定的監控。

（2）能夠實現智能化、自動化。在發現異常情況時，可以根據異常情況的危險等級而實施不同的處理機制。

（3）具有拍照和錄像功能，當出現異常情況時將有關場景記錄在案，為日后分析提供影像證據，同時系統還提供時間信息。

（4）具有完善的后處理能力，在本系統內可以查看所拍攝的照片和錄像，方便用戶瀏覽查看，并且可以編輯、打印等。

（5）可靈活實現由自動監控到人工操作的切換。

2 硬件設計

系統硬件構成框圖如圖1所示。

系統主機由一臺普通pc機加載軟件而構成，系統設計在兼顧高性能和低價格的綜合分析下，采用大容量的磁盤空間以存儲龐大的數據，選用穩定性高的cpu以保證系統長時間運行。

cmos攝像頭為logitech express 2000。其象素值僅為10萬，當分辨率為320×240pixels時，fps為15幀，照度在100－100 000勒克司之間。

3 軟件設計

3.1 主程序框圖

監控軟件主程序框圖如圖2所示。

3.2 監控程序框圖

監控程序框圖如圖3所示。

系統將警報定為3個級別，分別是綠色警報、黃色警報和紅色警報。由低到高分別表示監控場景安全、系統進入警備狀態和系統進入報警狀態。

當系統處于綠色報警狀態時，位于屏幕中心的視頻回放窗口中實現地回放cmos攝像頭捕捉的視頻圖像，位于屏幕下方的狀態欄則顯示系統運行時間以及當前時間等信息。同時，內部監控程序進行運動檢測，一旦場景有變化就觸發高一級別的警報，并驅動附屬設備工作。

4 對低成本cmos攝像頭的研究

4.1 圖像的獲取

在攝像頭圖像的獲取上，系統采用了logitech quick－cam sdk。這是一個com接口驅動程序，通過對他的設定編程，就可以獲取攝像頭捕捉的圖像，圖4顯示了程序設計者和攝像頭低層驅動之間的工作原理。

通過調用wdm驅動程序，應用程序就可以和cmos攝像頭進行數據通信。

4.2 預處理方法

圖像在生成和傳輸過程中受噪聲干擾會使質量下降。為了抑制噪聲和改善圖像質量，必須對圖像進行平滑處理。

為了濾除圖像中的噪聲，系統設計時采用平滑技術，本系統中采用的平滑技術是對噪聲圖像使用局部算子，即僅對他的局部小領域內的一些象素加以運算。該方法也稱作非加權領域平均法，他均等地對待領域中的每個象素。設圖像中某象素的灰度值為f（x，y），他的領域s為n×n，點集總數為m，則平滑后該點的灰度值為整個區域的平均值。

領域運算（neighborhood operation）實質上就是進行模板操作，即某個象素點的值不僅和本象素灰度有關，而且和其領域點的值有關，平滑模板的思想是通過某一點和其周圍8個點的象素值平均來濾除噪聲。

系統中采用的圖像模板操作函數如下：

利用該通用模板，就可以輕松地實現局部平滑操作。

4.3 成像規律的研究

基于廉價的cmos攝像頭最嚴重的問題就是穩定性差。也就是說如果對同一靜態場景進行連續拍攝時，其圖像也存在很大差別。為此，首先進行對靜態圖像連續拍攝的穩定性的實驗，對圖像進行三原色分離，比較各象素點的差值，統計不同的象素點的個數。

假設某一特定點在相鄰t1，t2時刻所對應的三原色值分別為（r1，g1，b1）和（r2，g2，b2）。實驗發現，r1≠r2，g1≠g2，b1≠b2，但其存在關系r1－r2△g1－g2△b1－b2。

三原色分離是分離前背景圖像的基礎，為此，構建函數f（1），f（2）分別表示t1，t2時刻某一點所對應的三原色函數值。通過對三原色分離后的誤差域值的研究發現，當|f（1）－f（2）|＝a＝45時（a稱為域值），可準確實現t1，t2時刻前背景圖像的分離，且系統反映速度較快，屬于非常合適的“折衷點”。因此，當a≤45時，可以認為圖像中t1，t2時刻的三原色差值是由于攝像頭的誤差造成的，否則判斷有物體進入了監控區域。

實現前背景分離的核心程序如下：

圖5所示即為程序運行后的前背景分離結果。

5 結語

在系統的研究過程中，課題組投入了大量經歷致力于低成本cmos攝像頭的研究，成功地克服了攝像頭穩定性差、精度低等問題。探索出了一條低成本多媒體監控系統開發之路。

通過在不同場所的系統測試，本系統完全達到了高精度、高穩定性的實時監控功能。但隨著對監控系統的進一步要求，為適應新的形勢，該系統在以下方面有待優化。

（1）視頻信號的自動切換，每間隔一定時間自動切換攝像頭監控區域。

（2）增加網絡功能，報警時可將照片和錄像傳輸到遠端主機。

（3）增加電話報警功能，報警使可撥打報警電話。

（4）對系統穩定性進行深入研究。

（5）改進圖像和視頻壓縮算法，采用mpeg4壓縮技術。