數(shù)字圖像處理在家庭安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

□ 文/蔡勇智

引言

隨著人們生活節(jié)奏的提高，各種繁忙的事務(wù)導(dǎo)致照顧家庭的時(shí)間變的越來(lái)越少，而近年來(lái)入室盜竊、水管爆裂等影響家庭安全的事故卻越發(fā)頻繁，使得人們的安全防范觀念日益提高。人們不再滿足于傳統(tǒng)的家庭安防措施，如防盜門、防盜網(wǎng)、樓宇對(duì)講、可視門鈴等，智能化的家庭安防系統(tǒng)逐步進(jìn)入人們的生活。家庭安防系統(tǒng)是基于家庭安全的一種防范措施，利用物理方法或電子技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)發(fā)生在布防監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的侵入行為，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并提示家庭主人發(fā)生報(bào)警的區(qū)域部位，顯示可能采取對(duì)策的系統(tǒng)。家庭安防系統(tǒng)的安全防范主要包括家庭入室盜竊報(bào)警、煙火報(bào)警、煤氣泄漏報(bào)警以及水管破裂報(bào)警等方面。

隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家庭安防系統(tǒng)的市場(chǎng)需求日益加大，如何利用數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合，設(shè)計(jì)出同時(shí)具有目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)分類和目標(biāo)理解等功能的高智能化家庭安防系統(tǒng)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。

數(shù)字圖像的獲取

一個(gè)完整的智能家庭安防系統(tǒng)主要包括門禁、報(bào)警和監(jiān)控三大部分。系統(tǒng)的數(shù)字圖像來(lái)源于在家庭各個(gè)部位布控的監(jiān)控?cái)z像頭。根據(jù)前文提到的安全防范主要包括的方面，我們?cè)诟魅胧铱凇N房、廁所均安置攝像頭，以防入室盜竊、煤氣泄漏、水管破裂等。另外，為做到全屋無(wú)死角，經(jīng)濟(jì)條件允許的話，可以在各房間也安置攝像頭。為保證夜間監(jiān)控的質(zhì)量，可以采取具有夜視功能的紅外攝像頭。數(shù)字圖像的獲取途徑則是通過(guò)圖像傳感器將固定攝像頭中的視頻圖像傳送給處理主機(jī)。

視頻圖像的數(shù)字化表達(dá)式一般為S(x，y，t)。x，y為空間變量，t為時(shí)間變量。如果用RGB體系來(lái)描述的話，完整的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式（1）

數(shù)字圖像的預(yù)處理

灰度降解

家庭安防系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，為提高處理速度，首先對(duì)獲取的彩色數(shù)字圖像進(jìn)行灰度降解。在MATLAB中進(jìn)行灰度降解的函數(shù)如式（2）

圖像增強(qiáng)

通過(guò)攝像頭獲取的原始數(shù)字圖像，由于受到多種條件限制和隨機(jī)干擾（如天氣變化，照明情況）往往不能直接使用，必須在圖像處理早期階段對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過(guò)濾等圖像預(yù)處理。對(duì)視覺系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，圖像的預(yù)處理并不考慮圖像降質(zhì)原因，只將圖像中感興趣的特征有選擇的突出，衰減其并不需要的特征，這類圖像預(yù)處理方法稱為圖像增強(qiáng)。

在家庭安防系統(tǒng)中，通過(guò)攝像頭采集的很多圖像的灰度值不是均勻分布的，其灰度值集中在一個(gè)較小的區(qū)間內(nèi)，如晚上采集的圖像灰度整體偏低，而在光照較強(qiáng)的時(shí)候在入口采集的圖像灰度則較高。直方圖均衡化是通過(guò)將原始圖像的灰度值重新均勻的分布在圖像的整個(gè)灰度區(qū)間來(lái)達(dá)到增強(qiáng)圖像對(duì)比度的方法。因此，家庭安防系統(tǒng)可以采用直方圖修正的方法實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。在MATLAB中實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化的函數(shù)如式（3）

目標(biāo)檢測(cè)

如何檢測(cè)家庭環(huán)境中是否出現(xiàn)各種危險(xiǎn)狀況是家庭安防系統(tǒng)的關(guān)鍵。家庭環(huán)境中各類危險(xiǎn)狀況的出現(xiàn)都屬于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的出現(xiàn)，目前關(guān)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)有三種方法：光流法、幀間差法以及背景減法。家庭環(huán)境中的背景處于一個(gè)相對(duì)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，所以智能家庭安防系統(tǒng)可以采取背景減法來(lái)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

背景模型的建立

在系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，根據(jù)不同時(shí)段如白天和晚上、不同天氣提取無(wú)運(yùn)動(dòng)對(duì)象出現(xiàn)時(shí)的背景，將所提取背景預(yù)存到背景模型庫(kù)中[3]。由于家里的家具、擺設(shè)可能發(fā)生變化，所以要及時(shí)進(jìn)行背景模型庫(kù)的更新。背景模型的更新采取系統(tǒng)的自動(dòng)更新，系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)家庭的自身情況設(shè)定更新頻率。進(jìn)行自動(dòng)更新時(shí)我們?cè)O(shè)置一個(gè)更新因子α，α的取值范圍為[0 1]，一般選取更靠近1的數(shù)值。更新背景的公式如下

Bi(x,y)為當(dāng)前背景，Bi-1(x,y)為最近上次背景，B(x,y)為更新后的背景。

背景減法

背景模型建立后，就可以實(shí)施背景減法了。系統(tǒng)可以根據(jù)不同安全等級(jí)要求，設(shè)定進(jìn)行背景減法的間隔時(shí)間。若用戶對(duì)家庭安防的實(shí)時(shí)性要求較高，則設(shè)定間隔時(shí)間較小，當(dāng)然系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)將加重，對(duì)處理主機(jī)的硬件要求也更高，整個(gè)智能安防系統(tǒng)的價(jià)位自然提高。背景減法公式如下

F(x,y)為檢測(cè)的當(dāng)前圖像，B(x,y)為背景模型，D(x,y)為減法后的灰度圖。為方便后續(xù)目標(biāo)檢測(cè)將D(x,y)二值化，分割目標(biāo)區(qū)域。

T0為進(jìn)行二值化的閾值。

目標(biāo)檢測(cè)

前文已提到，一個(gè)完整的家庭安防系統(tǒng)包括門禁、報(bào)警和監(jiān)控三部分。報(bào)警裝置是一種以聲音、光或氣壓等形式來(lái)提醒或警示人們采取相應(yīng)行動(dòng)的電子產(chǎn)品。安防系統(tǒng)可以對(duì)以光的的形式進(jìn)行報(bào)警的報(bào)警裝置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控以及處理，做到雙重保險(xiǎn)。如家里沒有人時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)出的報(bào)警信號(hào)可能無(wú)人理會(huì)，若系統(tǒng)將其報(bào)警信號(hào)以圖像的方式讀入并檢測(cè)出，則可以以其他形式如手機(jī)短信、微信等聯(lián)系家庭主人。

系統(tǒng)根據(jù)二值化的背景減圖進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，事實(shí)上，攝像頭獲取的矩形圖像區(qū)域中，有些部分是我們并不會(huì)感興趣的。例如，對(duì)準(zhǔn)入室口的攝像頭采集的圖像可能包括非入室區(qū)域。為更好的保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，我們可以只對(duì)背景減圖中我們感興趣的部分進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

經(jīng)過(guò)背景減法并二值化后將得到多個(gè)塊，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的合并閾值決定是否將各塊進(jìn)行合并，進(jìn)行合并后的連通區(qū)域用矩形進(jìn)行標(biāo)識(shí)。在進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)，將該矩形塊的面積或長(zhǎng)寬比與特定識(shí)別目標(biāo)的面積或長(zhǎng)寬比進(jìn)行比較，以此判斷是否為應(yīng)檢測(cè)目標(biāo)。不同攝像頭監(jiān)控家庭的不同區(qū)域，可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)目標(biāo)也不盡相同。所以，針對(duì)不同的攝像頭，可以預(yù)設(shè)不同的檢測(cè)目標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)

住宅智能化是人類住宅的又一場(chǎng)新的革命，近年在我國(guó)，高科技和信息技術(shù)正在由智能大廈走向智能住宅小區(qū)，進(jìn)而走進(jìn)家庭。現(xiàn)代社會(huì)的家庭正在以家庭智能化帶來(lái)的多元信息和安全、舒適、便利的生活環(huán)境，作為一個(gè)理想目標(biāo)來(lái)追求。智能家庭安防系統(tǒng)則是住宅實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)重要組成部分，數(shù)字圖像處理技術(shù)在智能家庭安防系統(tǒng)中有著核心的地位。數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展決定著家庭安防系統(tǒng)的智能化程度，背景模型的更新方法、防衛(wèi)對(duì)象的檢測(cè)方法等都是該系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理需要研究的重點(diǎn)。