選用ARM11(S3C6410)處理器作為硬件平臺，嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺，綜合運動圖像檢測的背景差分法和幀間差分法為算法，并與GSM模塊相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了一種應(yīng)用于家居環(huán)境或私人辦公室無人值守的運動目標檢測系統(tǒng)。提出了系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，并詳細介紹了系統(tǒng)軟硬件平臺的設(shè)計流程，最后對系統(tǒng)進行了測試。

隨著社會的發(fā)展和科技的進步，人們的安防意識越來越強，而計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信技術(shù)，和數(shù)字視頻編碼技術(shù)的日益成熟，使基于計算機的多媒體視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。但是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)因十分復雜，功耗和成本較高且需要值守，而無法應(yīng)用于諸如家居或私人辦公室等場所，為此，本文設(shè)計了一種以ARM11為核心處理器，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上加入了目標檢測的算法，并與GSM模塊相結(jié)合，已達到無人值守的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

運動目標檢測系統(tǒng)采用S／B(服務(wù)器／瀏覽器)工作模式，總體上分為服務(wù)器監(jiān)控模塊，短信通知模塊(GSM)和客戶查看模塊。服務(wù)器監(jiān)控模塊采用三星公司的ARM11(S3C6410)微處理器，開源的Linux操作系統(tǒng)，GSM模塊采用Q2403A芯片，當監(jiān)控的畫面發(fā)生變化，即檢測到運動目標時，服務(wù)器會將發(fā)生變化的圖像以圖片的格式存儲起來發(fā)送給客戶端，與此同時2403A會以短信的方式通知客戶，客戶可以通過IE瀏覽器來查看圖像的變化結(jié)果。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)
本文采用廣州友善之臂公司的Tiny6410開發(fā)板，Tiny6410是一款以ARM11(三星S3C6410)作為主處理器的嵌入式板，該CPU基于ARM11-76JZF-S核設(shè)計，內(nèi)部集成了強大的多媒體處單元。硬件架構(gòu)如圖2所示。短信通知模塊的Q2403A為WAVECOM公司推出的一款GSMGPRS模塊，其體積較小，重量較輕，主要由射頻天線，內(nèi)部FLASH，SRAM和GSM基帶處理器，匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協(xié)處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。

3 軟件平臺
系統(tǒng)軟件平臺以Linux操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，首先在宿主機上建立交叉編譯環(huán)境，并安裝交叉編譯器arm-Linux-gCC。其次完成U-Boot以及Linux 2．6．33內(nèi)核的移植和編譯，構(gòu)建基于busy-box1．13．3的根文件系統(tǒng)，由于嵌入式服務(wù)器資源的局限性，包括內(nèi)存大小，CPU的
處理能力等。因此，在設(shè)計過程中需要對內(nèi)核進行裁剪，在提高系統(tǒng)性能的同時減少了系統(tǒng)資源的占用，在剪裁過的Linux操作系統(tǒng)上編寫運動檢測的應(yīng)用程序和短信報警程序。
3．1 嵌入式Linux下的運動目標檢測算法
目前，對運動物體的檢測和運動參數(shù)測量的研究方向主要有2種，即：運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運用圖像處理的方法，大多數(shù)專家學者都把研究重點放在運用圖像處理的方法進行運動目標檢測和跟蹤，現(xiàn)在的比較有效的圖像運動目標檢測的方法主要是光流法和差分圖像法。一般來說光流發(fā)的時間開銷很大，其實時性和實用性。相反，圖像差分法比較簡單，易于實現(xiàn)，圖像差分法可分為2類：背景圖像差分法和幀間差分法。背景圖像差分法是傳統(tǒng)運動目標檢測方法中最直接最簡序列圖像當前幀與背景圖像做減法運算。由于運動物體和背景在灰度或色彩上存在差別，相減后所得的結(jié)果中每一像素的值和一個預先設(shè)定的閾值相比較，如果這個像素的值大于設(shè)定的閾值，則判定被監(jiān)控的場景中存在運動物體，總而得到運動的目標。背景圖像差分法原理設(shè)計簡單，但同時也存在受光線，天氣等外界條件變化的影響較大。幀間差分法是一種通過對視頻圖像序列中相鄰兩幀做差分運算來獲得運動目標輪廓的方法，它可以很好地適用于存在多個運動目標和攝像機移動的情況，當監(jiān)控場景中出現(xiàn)異常物體運動時，幀與幀之間會出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，得到兩幀圖像亮度的絕對值，判斷它是否大于閾值來分析視頻或圖像序列的運動特性，確定圖像序列中有無物體運動，圖像序列逐幀的差分，相當于對圖像序列進行時域上的高通濾波。幀間差分法對光線等場景變化不太敏感，能適應(yīng)各種動態(tài)環(huán)境，穩(wěn)定性較好，其缺點是：不能提取出對象的完整區(qū)域，只能提取出邊界，當物體在前后兩幀中幾乎完全重疊時，則檢測不到運動的物體。鑒于背景差分法和幀間差分法的優(yōu)缺點，將兩種方法結(jié)合起來，使它們優(yōu)勢互補。在視頻圖像序列中，利用已有的背景差分法和幀間差分法作為啟示，將動態(tài)圖像中連續(xù)兩幀差圖像和背景差圖像直接進行與操作，再將結(jié)果進行二值化處理得到運動結(jié)果。

3．2 算法描述
算法描述如下所示：
(1)對序列圖像進行3x3中值濾波預處理，去掉圖像隨即噪聲。減少以后運算的復雜度，克服噪聲對圖像處理結(jié)果的干擾；
(2)從視頻圖像序列中選取背景圖像Bk(x,y)，使其只包含固定的背景圖像；
(3)在視頻圖像序列中選取連續(xù)的兩幀圖像，其中前一幀圖像Pk-1(x，y)；
(4)計算當前幀與背景幀差得FD(x，y)，從圖像中提取出完整的目標；
(5)計算當前幀與前一幀的差得FD(x，y)，得到目標的變化量；
(6)求幀差FD(x，y)與FG(x，y)的交集得到運動目標粗糙的運動區(qū)域圖像；
(7)數(shù)學形態(tài)學運算使得運動區(qū)域封閉，連續(xù)完整，并去掉背景中的噪聲。
其中:

式中T為閾值。對于給定視頻序列的圖像，假設(shè)像素點k處沒有運動，其幀差也服從均值為0，方差為σ2的Gauss分布N(O，σ2)：

式中：H0表示無運動假設(shè)；σ2是幀差得統(tǒng)計方差，通常認為他等于攝像頭噪聲方差的2倍。根據(jù)概率統(tǒng)計學假設(shè)檢驗“3σ”法則，并根據(jù)“正確的閾值T應(yīng)該能消除大部分噪聲”的原則。由實驗測試的閾值T在本系統(tǒng)的應(yīng)用背景下可以選在5～15之間?；谝陨纤惴ǎ到y(tǒng)的具體實現(xiàn)如圖3所示。

3．3 GSM模塊的短信通知
對于GSM模塊來說所有的操作都是通過AT命令(AT命令就是與MODEM相連的終端或計算機發(fā)出的以“AT”開始(除兩個立即執(zhí)行命令外)，以回車結(jié)束執(zhí)行的一套命令)來實現(xiàn)的。編程時先把AT命令作為數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)串口發(fā)送給GSM模塊，GSM模塊把接收到的數(shù)據(jù)作為AL命令來解釋，隨后根據(jù)命令執(zhí)行響應(yīng)的操作。具體操作為：包含串口操作需要的頭文件，打開串口，在linux下串口相關(guān)文件是位于／dev下，打開串口是通過使用標準的文件打開函數(shù)操作：fd=open(“／dev／ttySO”，O_RDWR)；設(shè)置串口最基本的設(shè)置串口包括波特率，校驗位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值；設(shè)置短信發(fā)送格式(O_PDU，1_文本)；發(fā)送短消息。例如短消息的內(nèi)容為hel lo，則AT指令應(yīng)為AT+CMGS=“139# # # # #2312”>hello＾z(^z表示CTRl+z)；關(guān)閉串口close(fd)。
3．4 圖像的傳輸
實現(xiàn)流媒體網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆椒ㄓ泻芏?，超文本傳輸協(xié)議(HyperText Transfer Protocol，HTTP)是用于從WWW服務(wù)器傳輸超文本到本地瀏覽器的傳輸協(xié)議，屬于客戶端瀏覽器與Web服務(wù)器之間的應(yīng)用通信層協(xié)議，它可以使瀏覽器更加高效，使網(wǎng)絡(luò)傳輸減少。HTTP協(xié)議采用了請求／響應(yīng)模式，具體實現(xiàn)過程為：在嵌入式開發(fā)板S3C6410中植入嵌過人式Web服務(wù)器，在完成配置之后，用戶先在地址欄里輸入URL地址，此時客戶端瀏覽器打開一個Socket文件，標志著成功的建立了連接，通過Socket客戶端瀏覽器IE向Web服務(wù)器提交請求，Web服務(wù)器接收到請求后處理請求，并將結(jié)果通過HTTP送回給客戶端瀏覽器IE。當瀏覽器IE與服務(wù)器建立了連接后，通過system(“tar”)和system(“cp”)將存儲在開發(fā)板上的圖片打包并拷貝到Web服務(wù)器的主目錄下，并編寫主目錄下的超文本標記語言(Hypertext MarkedLanguage，HTML)，是一種用來制作超文本文檔的簡單標記語言，超文本傳輸協(xié)議規(guī)定了測覽器在運行HTML文檔時所遵循的規(guī)則和進行的操作。HTML文件中最端的瀏覽器可以訪問服務(wù)器主目錄下保存的圖像。具體的格式為：超鏈接名稱<／A>，標簽表示一個鏈接的開始，<／A>表示鏈接的結(jié)束。

4 實驗結(jié)果
整套系統(tǒng)在模擬的環(huán)境下進行了測試，啟動系統(tǒng)，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，移動攝像頭視野中的某樣物體，使監(jiān)控的畫面發(fā)生變化，此時系統(tǒng)會發(fā)短信給用戶，當用戶收到短信時，打開瀏覽器，在地址欄輸入URL，下載存儲在Web服務(wù)器主目錄下的圖片，便可以查看實驗結(jié)果。顯示的圖片結(jié)果如圖4所示，系統(tǒng)會將攝像頭視野范圍內(nèi)的運動物體框起來，并記錄下發(fā)現(xiàn)運動物體的時間。

5 結(jié)語
本文設(shè)計了一種以ARM11為核心芯片，嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，采用背景差分法和幀間差分法相結(jié)合作為核心算法的運動檢測系統(tǒng)。并與GSM模塊相結(jié)合，已達到監(jiān)控無人值守的目的，實驗結(jié)果達到了預期的目的，該系統(tǒng)體積小，功耗低，成本低，使用方便靈活，功能可擴展等特點，可用于家居環(huán)境或是私人辦公室等場所。具有較好的市場前景。