基于網(wǎng)絡攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術的智能測量系統(tǒng)設計

胡克用，朱佳偉，謝 奧，曹世華，安 群

（1.杭州師范大學 錢江學院，浙江 杭州 310018；2.杭州師范大學 工學院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著網(wǎng)絡攝像技術、機器視覺技術的高速發(fā)展和處理器性能的提升，測量系統(tǒng)的智能化程度越來越高[1]。越來越多的智能測量系統(tǒng)逐漸涌現(xiàn)，它們多采用機器視覺技術通過攝像機將靜態(tài)的觀察目標轉換為數(shù)字圖像信號，再由圖像處理系統(tǒng)處理圖像數(shù)據(jù)并提取其中的信息[2]。這種方式局限性較大，對于運動中觀察目標的測量結果偏差較大甚至無法測量。針對此類問題，提出一種基于網(wǎng)絡攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術的智能測量系統(tǒng)。針對單擺運動中的被測物，使用機器視覺的處理方法通過網(wǎng)絡攝像機拍攝其單擺運動狀態(tài)，借助樹莓派、以太網(wǎng)交換機、實時流協(xié)議（Real Time Streaming Protocol，RTSP）來獲取網(wǎng)絡攝像機視頻流。

1 系統(tǒng)總體設計

基于網(wǎng)絡攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術的智能測量系統(tǒng)結構如圖1所示。

系統(tǒng)使用2個正交拍攝被測物的網(wǎng)絡攝像機模塊、1個以太網(wǎng)交換機模塊、3個樹莓派模塊（節(jié)點樹莓派A、節(jié)點樹莓派B、終端樹莓派C）、2個液晶顯示器（Lipuid Crystal Display，LCD）（分別連接節(jié)點樹莓派A和節(jié)點樹莓派B）以及1個終端顯示器（使用數(shù)據(jù)線與終端樹莓派C連接）。采用外部供電方法，供電給網(wǎng)絡攝像機，樹莓派、以太網(wǎng)交換機以及終端顯示器。2臺網(wǎng)絡攝像機將拍攝到的視頻傳輸至以太網(wǎng)交換機，樹莓派通過以太網(wǎng)交換機來獲取網(wǎng)絡攝像機視頻流。節(jié)點樹莓派驅動LCD顯示屏，可以實時顯示當前樹莓派拍攝的視頻，終端樹莓派C運行OpenCV程序，對擺動的物體進行實時追蹤，記錄運動軌跡，用方框實時框住被測物體輪廓，并在顯示器中呈現(xiàn)出所測量的長度與角度等參量。

2 系統(tǒng)主要硬件設計

2.1 處理器

本設計使用的核心處理器為樹莓派，采用Linux作為操作系統(tǒng)。樹莓派可以通過USB端口連接顯示器、鍵盤、鼠標，通過RJ45以太網(wǎng)端口連接交換機，這樣就具備了普通電腦的基本功能，能執(zhí)行傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、播放網(wǎng)絡攝像機拍攝的高清視頻等功能。

2.2 網(wǎng)絡攝像機

由于網(wǎng)絡攝像機（IP Camera，IPC）具有比普通攝像機畫質清晰、壓縮比高、可直接連交換機且性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，因此本設計中使用海康威視的網(wǎng)絡攝像機。

2.3 以太網(wǎng)交換機

以太網(wǎng)交換機是用來構建局域網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的重要硬件設備，本設計使用5口百兆以太網(wǎng)交換機，網(wǎng)絡攝像機利用網(wǎng)線連接至以太網(wǎng)交換機的RJ45端口。樹莓派也是利用網(wǎng)線連接至以太網(wǎng)交換機的RJ45端口，這樣以太網(wǎng)交換機上電啟動后，局域網(wǎng)也就構建完成。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 節(jié)點樹莓派程序設計

節(jié)點樹莓派A、B分別對網(wǎng)絡攝像機A、B拍攝得到的視頻流進行HSV轉化，即從RGB空間轉化至HSV空間[3]。HSV空間中：H代表色相角，范圍是0°～360°；S代表飽和度，范圍是0～1；V代表亮度，范圍是0～1。RGB空間中：R代表紅坐標值，范圍為0～255的實數(shù)；G代表綠坐標值，范圍為0～255的實數(shù)；B代表藍坐標值，范圍為0～255的實數(shù)。(R,G,B)構成RGB坐標，在RGB空間中表示所有顏色。RGB空間轉化至HSV空間時，轉化公式為

色相角H計算公式為

飽和度S計算公式為

亮度V計算公式為

式中：(R',G',B')分別是(R,G,B)二值化后的數(shù)值；Cmax表示(R',G',B')中的最大值；Cmin表示(R',G',B')中的最小值；Δ表示Cmax與Cmin之間的差值。

通過HSV轉化后進行HSV二值化，然后需要進行圖像濾波。濾波方法采用卡爾曼濾波，使用遞歸的思想來解決線性的濾波問題，只要獲得系統(tǒng)當前的測量值與前一個采樣周期的估計值，就可以開展狀態(tài)估計工作[4]。濾波結束后，測量系統(tǒng)開始尋找被測物，分別對2個網(wǎng)絡攝像機所拍攝的視頻流采用色域檢測法來尋找被測物的位置。程序中設定被測物的色域范圍，將被測物用矩形框框選出來，確定被測物的中心坐標，逐幀處理并記錄坐標的移動軌跡，進而繪制擺幅的范圍[5]。

3.2 終端樹莓派程序設計

在同一個網(wǎng)絡攝像機拍攝的視頻中，逐幀對比前后中心坐標的高度，直到發(fā)現(xiàn)被測物擺動到右側的最高位置，記錄坐標及當前時間t1，使用同樣的方法尋找被測物擺動到左側的最高位置，記錄坐標位置及當前時間t2。同理，對另一個網(wǎng)絡攝像機拍攝的視頻進行相同操作，記錄右側最高點坐標及時間t3，記錄左側最高點坐標及時間t4，結束后開始向終端樹莓派傳輸預處理后的數(shù)據(jù)信息。終端樹莓派C需要完成接收節(jié)點樹莓派發(fā)送的信息，并計算位于單擺運動中的繩長L與擺動角度θ等。

根據(jù)上一流程獲得物體在單擺運動中的擺動周期T=2(t2-t1)或T=2(t4-t3)，根據(jù)單擺周期公式求出細繩長度。

根據(jù)節(jié)點樹莓派發(fā)送的數(shù)據(jù)，整理出網(wǎng)絡攝像機在A方向拍攝的左側最高點坐標(Ax,Ay)，通過θ=[arctan(Ax/Bx)×180]/π得到A方向上的角度。

4 硬件環(huán)境搭建

本設計的硬件實驗環(huán)境如圖2所示。以太網(wǎng)交換機、網(wǎng)絡攝像機與樹莓派之間組成一個局域網(wǎng)，網(wǎng)絡攝像機上的信息可通過以太網(wǎng)交換機傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)中，樹莓派可通過RTSP等協(xié)議接收網(wǎng)絡攝像機所拍攝到的視頻，便捷地在各類可以聯(lián)網(wǎng)的設備上獲取信息并進行分析。

5 系統(tǒng)測試

5.1 終端顯示

系統(tǒng)終端實際運行結果如圖3所示，可以實時顯示被測物運動狀態(tài)，并用方框框選出被測物。

圖3中的數(shù)字“1 036.0，574.5”表示當前方框的中心坐標位置，數(shù)字“45”表示擺動角度，數(shù)字“85”表示懸掛被測物的細繩長度。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，符合設計要求。

5.2 長度測量

通過對繩長的測量，本系統(tǒng)測量的準確度較高。當角度分別控制在30°和90°時，長度測試誤差均在0.5～2.9 cm。實驗結果如表1、表2所示。

表1 被測物擺動角度為30°時的細繩長度測量結果 單位：cm

表2 被測物擺動角度為90°時的細繩長度測量結果 單位：cm

5.3 角度測量

當細繩長度控制在90 cm時，實驗結果如表3所示，被測物擺動角度測試誤差在0.6°～3.2°。

表3 被測物擺動角度測量結果 單位：（°）

通過對擺動角度的測量，本系統(tǒng)測量的準確度較高。

6 結 論

基于網(wǎng)絡攝像與互聯(lián)網(wǎng)技術的智能測量系統(tǒng)利用機器視覺的方法對處于單擺運動中的被測物實時追蹤，顯示并計算繩長與擺動角度，處理器采用樹莓派，性能穩(wěn)定且成本低。經(jīng)過實驗分析，這種對動態(tài)目標檢測的系統(tǒng)能夠滿足未來智能測量的需求，具有廣闊的發(fā)展前景。