一種基于物聯網的視覺系統設計

劉繼光

摘 要：視覺系統主要是對運動物體或目標的檢測和識別，如校園、交通、家庭等。該文主要是針對一種基于物聯網的視覺系統采用模塊化方法進行設計研究，并根據各個模塊之間的邏輯工作順序確定研究順序。整體設計中，主要分為兩大部分，一類是針對視覺系統的算法研究，另一類是系統硬件平臺的設計研究。

關鍵詞：視覺系統 物聯網 模塊化 硬件平臺

中圖分類號：G424.31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（c）-0010-01

隨著經濟的發展，各種場合的智能安全防范是我國未來社會向智能化發展的重點方向，而視覺系統又是當前智能安全防范領域的技術熱點，因此，開發一套功能和結構合理、包含多種技術和功能的高性價比的新型報警系統具有重要的現實意義。作為一種可以應用于多場合的模型，填補國內相關技術和產品的市場空白，具有廣闊的市場應用前景。

1 系統整體設計

基于物聯網的視覺系統的設計涉及上位機軟件設計和硬件設計。軟件設計主要包括上位機程序和算法設計，硬件設計以DSP和ARM嵌入式設計為主，主要為算法和硬件系統固件提供可靠的硬件基礎。在設計過程中本著低成本、低功耗、高性能的宗旨進行設計。盡量降低硬件成本，使產品更具有較高的性價比[1]。

視覺系統平臺模型設計分為三個單元：圖像特征分析單元設計、視頻圖像壓縮傳輸單元設計、上位機應用程序單元設計。

2 單元模塊設計

2.1 圖像特征分析單元設計

圖像特征分析單元設計中的重點問題是圖像特征提取算法的設計。目標特征提取是從圖像中獲取目標的數據信息并進行相關分析的前提條件和關鍵環節，采用基于生物視覺特征的圖像分類方法是圖像特征提取技術，通過這種圖像分類方法可以消除不同物體之間的陰影干擾，解決不同照明度下物體的跟蹤識別問題。在該項目中，采用該項技術，系統可以明確地區分出多種不同的物體，過濾掉周圍環境中類似于光照變化、陰影、場景變化等自然因素的影響。系統一旦發現監測畫面中“可疑行為”，能夠以最快速度對其進行分析，并以最佳的方式提供反饋或告警[2]。

2.1.1 圖像特征分析單元軟件設計

圖像特征提取算法實現需要考慮多種情況類型。

（1）區域內物體突然出現。

在預設檢測區域突然出現原本不存在的物體或生物目標，立即觸發報警并標記出該物體。

（2）區域內物體速度變化。

在預定監測區域內物體或生物目標移動速度發生變化，超過警戒值，立即觸發報警。

（3）特定時間的運動變化。

在預定監測區域內對區域內物體或生物目標的運動方向或在特定時間段內對物體的運動狀態進行監測。

圖像特征分析單元中，為了減少軟件設計復雜度，提高硬件系統的運行速度和工作效率，在該單元的具體實現中，將算法參數選擇固化在硬件設計中。

在軟件系統中，用戶可以通過屏幕觀察到回放視頻、設置的監測區域以及算法功能檢測的結果。視頻處理器內部，依照所選擇功能進行運算。每個功能都分為三個模塊，學習模塊、檢測模塊和自適應模塊。學習模塊負責算法開始時的初始化工作，包括讀取用戶界面設置參數，應用環境的模型訓練，參數初始化等。檢測模塊是算法單元的核心，負責檢測出滿足監測要求的目標，將結果反饋給控制端。自適應模塊是保證系統能夠正常運行的模塊，由于使用環境各異，會帶來各種各樣的干擾，此模塊的設計的難點是如何解決光照變化、陰影、復雜環境、場景變化等因素帶來的干擾，使之逐漸適應應用場景的變化。

系統設計中各個模塊的具體功能設置。

（1）學習模塊。

學習模塊完成系統的初始化工作，對于整個系統以背景相減法為基礎，每個算法功能都會包含背景學習模塊，背景學習以統計學為依據，統計該點在訓練時間內出現頻度最高的點的像素值，并將其作為該點的背景模型。

（2）檢測模塊。

檢測模塊完成目標的檢測工作，依據背景相減法，將那些接觸到監測區域邊界進入或離開監測區域內部的前景物體、設定范圍內數量發生增減或者停留時間超過設定范圍的前景物體當作檢測目標。

（3）自適應模塊。

自適應模塊的目的是提高系統的健壯性，由于各種干擾的存在，自適應模塊的作用非常重要。對于惡意遮擋、采集系統遭到破壞等情況，系統將發出警報，并在這種惡意破壞結束后自動重新開始工作。當系統內部邏輯崩潰時，系統能夠實現系統復位。

2.1.2 圖像特征分析單元硬件設計

圖像特征分析單元的硬件系統擬采用DSP為處理器核心，獨立負責視頻的智能識別和預警處理等任務，通過硬件連接，該單元與采集設備，顯示設備發生交互，設備通過串口與圖像壓縮傳輸單元連接，通過圖像壓縮傳輸單元將警報傳送至交通管理中心交由管理軟件處理。

2.2 視頻圖像壓縮傳輸單元設計

視頻圖像壓縮傳輸單元設計中需要解決的技術難點有兩個方面。

（1）嵌入式物聯網網關設計，通過網關設計解決系統與互聯網的連接，實現對系統中的無線設備和參數進行設置、監測和控制的功能。

嵌入式物聯網網關是建立在傳輸層上的協議轉換器，連接ZigBee網絡和互聯網兩個相互獨立的網絡。網關在整個無線網絡中具有唯一性，所有無線節點數據均發送給網關，并由其進行地址、協議轉換，提取出有效信息數據重新封轉成TCP/IP數據包后發送給以太網；反之，以太網數據也需由網關進行地址、協議轉換后，才發送給ZigBee網絡。

（2）對RTSP通用協議的擴展與優化，實現在保證圖像傳輸性能的條件下，減少視頻數據細節的丟失，提高算法在各種交通環境下的準確率與魯棒性。

實時流協議RTSP是用來控制實時多媒體傳輸的通信協議。它是應用層的協議，能夠對多媒體流提供VCR網絡的遠端控制功能。它定義了播放媒體流一般所需要的控制動作。通過RTSP通用協議的擴展與優化，使之成為云監控實時網絡傳輸協議，實現MPEG-4視頻壓縮、流明體播放、傳感器聯動、遠程云臺控制等多種數據的傳輸。

2.3 上位機應用程序單元設計

該單元程序模塊主要包括控制室數據庫程序、控制室多路視頻解碼程序、用戶權限管理程序、報警信息及傳感器信息管理程序、用戶界面、網絡協議程序等。

3 結語

該文闡述了一種基于物聯網的視覺系統設計方法，先介紹了整個系統的整體設計方法，之后詳細描述了各個單元要實現的具體功能、設計原則及實現方法。以這種設計思路為指導完全能夠實現一種性能高、價格低的視覺系統。

參考文獻

[1] 高宏偉，吳成東，李斌，等.基于立體視覺的虛擬機械臂平面定位研究[J].系統仿真學報，2007，19（14）：3245-3247.

[2] 賀祥，袁健，許華虎，等.不穩定光照條件下多機器人的視覺系統設計[J].上海大學學報（自然科學版），2010，16（3）：306-311.