數字圖像處理在家庭安防系統中的應用

摘 要 在現代社會生活工作壓力下，人們的生活節奏越來越快，許多人由于事務繁忙而對住宅空間疏于照顧。近幾年，水管爆裂、入室盜竊等事故對居民的家庭安全造成了影響，國內居民尤其是城市居民安全防范意識大大提高。現在的城市居民對家庭安全防范工具的運用已經不局限于防盜門、可視門鈴、樓宇對講、防盜網等傳統設備，目前國內的家庭安防系統正向著智能化的方向邁進并開始大規模地運用到家庭安全領域。綜合運用電子技術和物理方法，對事先設置的監測區域內進行自動探測，一旦發現入侵行為就會自動發出警報，并顯示室內人員所發生警報的具體位置。家庭安防系統主要防范的具體事項包括水管破裂、煤氣泄漏以及入室盜竊等。

【關鍵詞】數字圖像處理 家庭安防系統 目標跟蹤

隨著計算機技術和集成電路的快速發展，智能家庭安全系統的技術門檻和生產成本越來越低，我們將計算機視覺技術、數字圖像處理技術與傳統安防技術相結合，設計出同時具有目標理解、目標分類、目標跟蹤、目標檢測等功能的高智能化家庭安防系統。

1 家庭安防系統的重要子系統

1.1 數字圖像獲取系統

智能家庭安防系統包含監控、報警與門禁三個部分。其數字圖像由室內所安裝的監控攝像頭提供，攝像頭的布置要求在監控無死角的基礎上盡量減少重復地帶，在房間、廁所、廚房以及各個入室口均需要安裝攝像頭，進而對水管破裂、煤氣泄漏、入室盜竊等事故進行有效防范。為保證監視器在夜間也可以完成監視工作，需要采用內置紅外模塊的攝像頭。所取得的數字圖像通過圖像傳感器傳送給主機。

1.2 警情處理控制系統

當家中出現非法入侵或煤氣泄漏等警情信息后，本地會發出聲光報警信息，同時系統主機會撥打電話、發送短信、彩信、抓拍現場圖片給多個指定的用戶手機；用戶收到警情信息可第一時間拿起手機或電腦查看家中監控任意的畫面，并可以通過手機或電腦對家中攝像機、報警器、智能家電進行控制。

1.3 報警子系統

入侵報警子系統由報警探測器、報警主機和接警中心構成。報警探測器可以是紅外微波雙鑒探測器、窗磁、門磁、玻璃破碎探測器、煙霧探測器、緊急按鈕和燃氣泄漏探測器等，而系統的關鍵是接警中心。

2 數字圖像的預處理

2.1 灰度降解

家庭安防系統要求監控工作必須具有很強的實時性，同時也需要更快的信息處理速度，在處理圖像信息之前需要對數字圖像進行灰度降解。

2.2 圖解增強

由攝像頭傳來的數字圖像會受到來自多方面的隨機干擾或條件限制，所以原始數字圖像往往不能直接使用。一定要對原始數字圖像進行噪聲過濾、灰度校正等預處理。而視覺系統的圖像處理并不需要考慮圖像降質，只需要將圖解中重要的特征進行有選擇的突出，對不需要的特征進行誤差處理，這種數字圖像處理方法被稱之為圖像增強法。

家庭安防系統中的攝像頭所采集的圖像往往存在灰度值分布不均勻的問題，其灰度值在某一區間的會比較集中，比如在夜晚采集到的圖像其灰度會比較低，而在光照比較強的情況下所采集圖象的灰度會比較高。我們可以采用直方圖均衡化的方法重新調整原始數字圖象的灰度值并使其均勻分布，進而現實增強圖象對比度的目的。由此可知，直方圖修正的方法可以有效提高數字圖象的對比度。

3 目標檢測

家庭安防系統的主要任務就是對家庭環境進行實時檢測，一旦出現問題立刻發出警報。在家庭安防系統的觀測范圍內出現的一切危險狀況都被視為運動目標，通常通過三種方法對運動目標進行檢測，分別是背景減法、幀間差法以及光流法。由于家庭安防系統通常設置在室內環境中，周圍環境比較穩定，通常采用背景減法的方式來完成目標檢測工作。

3.1 建立前景模型

在系統正式運行時，根據白天和晚上不同的時段以及不同的天氣對無運動對象進行提取，將提取出來的背景圖像存儲到背景模型庫中。由于室內的擺設、家具可能發生變化，在室內背景出現變化時需要對背景模型庫進行更新。家庭安防系統可以對背景模型庫進行自動更新，并根據不同家庭的具體情況自動設定更新頻率。

3.2 背景減法

在背景模型建立完成后，需要設置背景減法。家庭安防系統會根據不同的安全等級要求，對背景減法間隔時間進行設定，用戶對實時性安全要求越高，其間隔時間越小，系統的運算頻率也相應提高，對系統內的計算機性能要求也越高，整個家庭安防系統的造價也更高。

3.3 目標檢測

本文之前已經提到，家系安防系統包括監控、報警以及門禁三個部分。報警裝置可以通過氣壓、光或聲音等方式對室內人員進行提醒或警示。安防系統可以對光學報警系統進行精密處理以及重點控制。在室內無人的情況下，家庭安防系統所發出的警報無人理會，這時需要系統將報警信號以及現場圖像進行分析并將所分析出來的結果以微信或短信的方式發送給房屋的主人。

系統根據二值化的背景減圖進行目標檢測，通過攝像頭所取得的圖像，其中有一部分是我們并不感興趣的信息。比如所采集圖像的非室內景象等。為了有效提高家庭安防系統的實時性，我們可以專門對背景減圖中有用的部分進行目標檢測。

經過背景減法以及二值化獲取多個塊，根據事先設置的合并閾值來決定是否將各塊進行合并，以圖象中合并之后的連接區域用矩形線條進行標識。并將矩形的長寬比或面積與識別目標的長寬比或面積進行對比，并判斷其是否為檢測目標。由于每個攝像頭有著不同的監控區域，其所監控的危險目標也有所不同。所以需要我們對所有不同的攝像頭進行各自的目標檢測預設。

4 家庭安防系統中數字化數字化圖象系統的工作原理

目前國內市場上多數家庭安防產品主要的報警方式為電話報警，或是通過局域網向大樓管理員報警，然而這種報警方式存在著一定的缺陷。由于電話線路穩定性欠佳，當房屋主人正在進行通話時，無法將警報及時地傳遞給房屋主人致使延誤警情，而且電話能夠給人提供的信息也是十分有限的。所以圖1所示的家庭安防系統不僅包含了單片機控制模塊和圖像處理模塊，由數字家庭安防主機對系統內所連接的各個模塊進行自動化調配，收集并計算來自系統內各個攝像頭的圖像信息以及來自紅外探測器與火警探測器的報警信息。以圖像報警系統為基礎，結合接警中心、傳輸系統、救助按鈕、安防主機、攝像頭、各類傳感器等元件，使家庭安防系統更加智能。由芯片圖像采集系統將報警信息轉換為數字信息，由編解碼芯片完成編碼壓縮工作，通過CDMA Modem/GPRS Modem無線通信模塊將報警信息傳送給房屋主人。

當有陌生人進行房屋時，家庭安防系統的紅外探測器和房屋內的攝像頭會捕捉到可疑目標的位置和動作，一旦陌生人移動或拿走了室內的任何一樣物體，房間內的家具設置布局就會發生改變，與系統之前所建立的背景模型不一致。數字圖像處理模塊會立即對攝像頭所拍攝到的圖像依照安全等級要求進行背景減法處理，最后由家庭安防系統中的核心運算單位即嵌入式處理芯片對經過二值化背景減法處理的的圖像進行目標檢測，將檢測與的結果自動生成數字化信息并利用系統內部的程式軟件將運算結果轉化為文字，通過無線通訊模塊將可疑人員的位置和行為以及房屋的現狀以彩信的方式轉送給房屋主人并同時激活房屋內部的報警裝置，嚇走可疑人員。這一系列數字圖像的收集、處理、計算、警報的工作可以十分有效地保護房屋內部的財產安全并將重要信息傳達給房屋主人。

5 結束語

住宅智能化是現代家庭電子設備發展的重要趨勢，我國信息技術和高科技領域正在由智能大廈轉向智能小區，現在已經逐漸邁向智能家庭。未來的智能家庭會為人們帶來更加便利、舒適、安全的生活環境。家庭安防系統中的圖像處理系統可以有效收集被監控對象的可疑信息，這些重要信息可以作為追蹤犯罪責任的重要證據，極大地方便了有關部門日后的取證與調查，為相關的司法裁決工作提供了便利條件。作為住宅智能化領域的重要組成部分，智能家庭安防系統中的數字圖像處理技術最為重要，其中防衛對象的檢測方法、背景模型的更新方法還需要相關技術人員作進一步的研究與探索。

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作者簡介

陳靜（1982-），女，滿族，大學本科學歷，學士學位。現為江蘇省鄭州市中心醫院計算機 助理工程師。

作者單位

鄭州市中心醫院 河南省鄭州市 450000