基于樹(shù)莓派的應(yīng)用型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

劉瓊　吳細(xì)寶　陳雯柏

摘 要：樹(shù)莓派在創(chuàng)新產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。文章提出以樹(shù)莓派為開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合模式識(shí)別學(xué)科背景，闡述基于樹(shù)莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)的應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，包括軟件系統(tǒng)設(shè)置、基于Python的視頻采集和處理以及接收模塊的程序設(shè)計(jì)、整體系統(tǒng)的集成。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派；開(kāi)放實(shí)驗(yàn)；模式識(shí)別；視頻監(jiān)控

1 背 景

樹(shù)莓派是一款攜帶方便、價(jià)格低廉的卡片式電腦，也稱為樹(shù)莓派電腦板，外觀如圖1所示。它由注冊(cè)于英國(guó)的慈善組織 “Raspberry Pi 基金會(huì)”開(kāi)發(fā)，是以提升學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的教育，讓計(jì)算機(jī)變得有趣為宗旨，為學(xué)生計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)[1]。樹(shù)莓派自從2012年3月上市以來(lái)，得到眾多發(fā)燒友和創(chuàng)客的熱愛(ài)，更是出現(xiàn)專門的網(wǎng)頁(yè)論壇[2-3]和網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)室[4]。

樹(shù)莓派板載資源豐富，處理能力強(qiáng)，適合開(kāi)發(fā)各種輕量級(jí)的應(yīng)用[5-7]，對(duì)提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和Linux環(huán)境下的編程能力有重要意義，同時(shí)也能提高學(xué)生對(duì)底層硬件的運(yùn)用能力。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生采用樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控拍攝系統(tǒng)，通過(guò)在樹(shù)莓派上接入攝像頭并添加相關(guān)的視頻異常目標(biāo)捕捉算法，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 開(kāi)放實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備主要有樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板、攝像頭、電腦和無(wú)線通信設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室提供樹(shù)莓派model B+主板、聯(lián)想臺(tái)式電腦和羅技C270免驅(qū)攝像頭。樹(shù)莓派model B+主板基于博通ARM11 BCM2835的mini PC，可運(yùn)行Linux系統(tǒng)，也可以運(yùn)行微軟的Win10等操作系統(tǒng)。大學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主導(dǎo)，服務(wù)于創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造，提供學(xué)生實(shí)際操作硬件設(shè)備的機(jī)會(huì)，激發(fā)其創(chuàng)新的靈感與思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，以學(xué)生獨(dú)立思考實(shí)踐為主，教師輔導(dǎo)為輔。學(xué)生在累積270學(xué)時(shí)的時(shí)長(zhǎng)里，可自由選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所；同時(shí)，在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，還可提出申請(qǐng)，申報(bào)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，繼續(xù)深入研究。

3 基于樹(shù)莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

基于樹(shù)莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)需要在對(duì)樹(shù)莓派進(jìn)行軟件配置的基礎(chǔ)上，完成后續(xù)處理。方式1：客戶端直接接收攝像頭采集的視頻（如圖2虛線所示流程）。這種方式是我們常見(jiàn)的，并已得到廣泛應(yīng)用，此時(shí)攝像頭只需要把看到的信息存儲(chǔ)在自帶的設(shè)備里或者發(fā)送給服務(wù)器端即可，所看即所得。方式2：對(duì)采集到的視頻進(jìn)行可疑目標(biāo)檢測(cè)后，發(fā)給服務(wù)器端存儲(chǔ)，客戶端通過(guò)與服務(wù)器端通信，接收視頻（如圖2實(shí)線所示流程）。

本次實(shí)驗(yàn)中，我們要求學(xué)生采用方式2完成，把模式識(shí)別課程中學(xué)到的目標(biāo)檢測(cè)算法應(yīng)用到實(shí)際例子中，對(duì)攝像頭拍攝到的視頻在攝像頭端完成可疑目標(biāo)檢測(cè)，圈出可疑目標(biāo)后，發(fā)出警報(bào)或者發(fā)送到服務(wù)器端存儲(chǔ)，供客戶端實(shí)時(shí)查看視頻或者在需要時(shí)回看視頻錄像。考慮到Python語(yǔ)言的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且更容易習(xí)得，實(shí)驗(yàn)中，我們提倡并指導(dǎo)學(xué)生在樹(shù)莓派上編寫Python程序[8]。

3.1 系統(tǒng)軟件配置

對(duì)樹(shù)莓派進(jìn)行系統(tǒng)軟件配置如同給計(jì)算機(jī)安裝操作系統(tǒng)，是后續(xù)一切程序執(zhí)行的基礎(chǔ)。樹(shù)莓派支持以下操作系統(tǒng)：Debian Gnu/linux、Respbian OS、Fedora、Arch linux ARM、RIS OS、Free BSD、Android和XBMC。最近，微軟將Win10向嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了免費(fèi)開(kāi)放，以部署其移動(dòng)端[9]，不過(guò)Raspbian OS是官方的系統(tǒng)，樹(shù)莓派相對(duì)更適用，這也是我們本次實(shí)驗(yàn)主要用到的系統(tǒng)。通過(guò)將Raspbian OS操作系統(tǒng)下載到SD卡里，并將SD卡裝載到樹(shù)莓派，即可啟動(dòng)，然后對(duì)鼠標(biāo)、鍵盤、開(kāi)機(jī)密碼、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，只需等待其他程序或軟件的寫入與安裝。

3.2 視頻采集

視頻采集利用Opencv和PIL提供的API完成從攝像頭獲取數(shù)據(jù)和打包數(shù)據(jù)，因此要在系統(tǒng)中安裝一些相應(yīng)的Python依賴庫(kù)：libopencv-dev、 python-opencv和 python-imaging。

實(shí)現(xiàn)視頻采集的主要步驟如下：①打開(kāi)攝像頭，并設(shè)置圖像大??；②創(chuàng)建套接字，并準(zhǔn)備服務(wù)器地址；③發(fā)送請(qǐng)求，接收響應(yīng)，建立連接；④獲取視頻幀，將圖片在內(nèi)存中保存為JPEG格式，完成圖片壓縮；⑤進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；⑥完成數(shù)據(jù)傳輸后斷開(kāi)，關(guān)閉套接字，釋放資源。

3.3 可疑目標(biāo)檢測(cè)

監(jiān)控環(huán)境通常都是攝像頭靜止，背景固定，因此，在可疑目標(biāo)檢測(cè)里，我們主要考查學(xué)生對(duì)背景固定的前景目標(biāo)檢測(cè)算法的掌握程度。通常來(lái)說(shuō)，有背景幀差法[10]和相鄰幀差法[11]兩種實(shí)現(xiàn)算法，算法詳細(xì)流程不再贅述，主要步驟如下：①獲取視頻幀，建立背景模型；②圖像灰度化，進(jìn)行差分運(yùn)算，將差分結(jié)果二值化；③對(duì)二值化圖像進(jìn)行膨脹運(yùn)算，查找圖像輪廓，排除無(wú)效輪廓；④繪制物體輪廓。

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

視頻端采集到數(shù)據(jù)后，由于板載資源有限，將其發(fā)送給服務(wù)器端存儲(chǔ)，因此，服務(wù)器模塊連接視頻采集端和遠(yuǎn)程客戶端，同時(shí)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而使視頻采集端與服務(wù)器建立連接后，客戶端可以隨時(shí)隨地連接服務(wù)器查看監(jiān)控區(qū)域。

主要步驟：①創(chuàng)建套接字；②準(zhǔn)備地址和端口信息；③綁定套接字、接收請(qǐng)求、發(fā)送響應(yīng)、建立與客戶端的連接；④完成數(shù)據(jù)包由攝像頭端到遠(yuǎn)程端的轉(zhuǎn)包服務(wù)；⑤服務(wù)結(jié)束，關(guān)閉套接字，回收資源。

3.5 視頻接收

視頻接收端主要完成接收視頻數(shù)據(jù)的解壓縮并且予以顯示的功能，因此，客戶端系統(tǒng)環(huán)境配置開(kāi)發(fā)中用到的Python資源庫(kù)與采集端類似：libopencv-dev、 python-opencv和 python-imaging。主要步驟如下：①創(chuàng)建套接字，并準(zhǔn)備服務(wù)器地址；②發(fā)送請(qǐng)求，接收響應(yīng)，建立連接；③建立窗口；④讀取數(shù)據(jù)包，將圖片在內(nèi)存中轉(zhuǎn)換為圖片數(shù)據(jù)；⑤顯示圖像；⑥完成數(shù)據(jù)傳輸后斷開(kāi)，關(guān)閉套接字，釋放資源。endprint

4 實(shí)驗(yàn)效果與收獲

4.1 科研能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)的培養(yǎng)

基于樹(shù)莓派的應(yīng)用型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有別于傳統(tǒng)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)答案可尋，著重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)任務(wù)所呈現(xiàn)的問(wèn)題需通過(guò)廣泛的資料調(diào)研才能得到有效的解決，對(duì)于培養(yǎng)本科生的科研能力有極大的促進(jìn)作用；與此同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使其自由大膽地發(fā)揮想象力，不斷改善系統(tǒng)性能。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生設(shè)想并實(shí)踐了很多種實(shí)現(xiàn)方案，如給樹(shù)莓派接上超大容量的移動(dòng)硬盤，省掉中間的服務(wù)器設(shè)備，客服端直接和樹(shù)莓派通信獲取監(jiān)控視頻。然而，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硬盤的帶動(dòng)對(duì)樹(shù)莓派的負(fù)載能力有較高的要求，同時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)的要求也陡然提高，導(dǎo)致樹(shù)莓派很容易就被燒掉。學(xué)生在不斷嘗試的基礎(chǔ)上，對(duì)失敗的實(shí)驗(yàn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，經(jīng)過(guò)多次努力最后獲得成功，由此也養(yǎng)成了膽大心細(xì)的科研作風(fēng)和謹(jǐn)慎的科研態(tài)度。

與此同時(shí)，系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到不斷嘗試到最后方案的敲定，從程序編寫到最后聯(lián)機(jī)調(diào)試，都需要所有學(xué)生反復(fù)討論商議并親自動(dòng)手實(shí)踐，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)有極大的促進(jìn)。

4.2 全新教與學(xué)模式的探索

基于樹(shù)莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)將模式識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)、人工智能等理論課程的內(nèi)容有機(jī)地融入實(shí)際應(yīng)用中，可以使學(xué)生對(duì)理論課上抽象的概念有直觀的了解，并對(duì)某些過(guò)程進(jìn)行實(shí)踐，獲得更多的認(rèn)知體驗(yàn)。開(kāi)放式的教學(xué)環(huán)境能夠給學(xué)生提供更多與教師進(jìn)行輕松互動(dòng)的機(jī)會(huì)，同時(shí)也能夠給教師提供更多了解學(xué)生的途徑，啟發(fā)教師嘗試更豐富的教學(xué)方式，甚至更新的科研方向。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于樹(shù)莓派的應(yīng)用型開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)是一種全新教與學(xué)模式的探索。對(duì)學(xué)生而言，經(jīng)過(guò)270學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，他們也掌握了豐富的樹(shù)莓派產(chǎn)品開(kāi)發(fā)知識(shí)以及基于Python語(yǔ)言的程序開(kāi)發(fā)；更加重要的是，經(jīng)過(guò)不斷的討論，不斷的嘗試與否定、再肯定，培養(yǎng)了動(dòng)手實(shí)踐能力、科研能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，雖然考慮到樹(shù)莓派有限的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，拋開(kāi)了復(fù)雜檢測(cè)算法的開(kāi)發(fā)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品也有一定的改善與創(chuàng)新[12]，通過(guò)將算法集成到樹(shù)莓派中，使其成為一款小巧的能看能想的監(jiān)控?cái)z像頭，替換現(xiàn)在隨處可見(jiàn)的只看不想的常規(guī)攝像頭。

對(duì)于后續(xù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，我們考慮將實(shí)驗(yàn)難度再拔高一個(gè)檔次，以更好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的科研實(shí)戰(zhàn)能力，如應(yīng)用到更復(fù)雜的場(chǎng)景中或者應(yīng)用到開(kāi)放式環(huán)境中，結(jié)合表情識(shí)別，開(kāi)發(fā)面向多目標(biāo)的視頻可疑目標(biāo)檢測(cè)算法。

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（編輯：宋文婷）endprint