智能视频监控系统设计与实现

智能视频监控系统设计与实现

摘要现代科技的进步，已经使视频监控的应用慢慢渗透入人们的日常工作和生活中，视频技术在科学研究和工程应用上也有着十分广阔的前景。智能视频监控系统是利用计算机视觉技术对摄像机采集的视频信息进行处理、分析和理解，将无关的信息滤除，只将提取出的有用信息报告给监控人员进行处理，从而具有预警，防范和主动监测的功能，它具有类似人一样的智能，能代替人完成一些监视任务。

关键词智能监控系统；运动目标检测；视频技术

引言

近年来，各行各业对视频监控需求不断升温。虽然监控摄像机已经广泛地存在于银行、商场、停车场和交通路口等，一些人群比较密集或比较容易受攻击的公共场所都纷纷安装视频监控系统以保障人民生命和财产安全。在建造智能大厦和选购住房时，安全防范系统也越来越受到人们的重视。随着我国经济的快速发展、人民物质生活水平的提高和消费观念的改变，安全防范已经成为视频监控市场的重要应用领域，从过去的人防发展为以技防为主、人防为辅，并成为现代管理的重要手段。

1 视频监控的意义

信息的传输与存储有多种形式，其中视频是一种重要的媒体。随着计算机硬件的快速发展，尤其是图形处理器一的不断更新换代，普通的计算性能有了阶梯式的提升，其图形图像处理能力得到了前所未有的提高。以前，安防的数字化，网络化，智能化仅仅被一些对前沿技术敏感的企业作为一种很不清晰的概念提出来，市场并没有相应的产品作为支撑。而近两年，比较成熟的数字，网络摄像机，网络视频服务器等产品出现了，在数字化的基础上，视频监控网络化的实现已经没有技术和产品上的悬念[1]。

2 系统总体需求与设计

传统的监控系统大多数是一种被动监控系统。一般都是持续的对监控场景进行监控，通常由连接到一套监视器上的一个或者多个摄像头组成。主要应用于国民经济的重要部门，如银行、保险库等。这种系统现在已经比较成熟，它可以用于对重要场所的监视、报警。用于对于生产场所、市场等的监视。用于对交通运输的监视。

这些系统能够满足人们一定的监控需求，但是存在很多弊端要求监控人员不停地监视屏幕，获取信息，通过人的判断，得到相应的结论。这就需要监控人员长期盯着监视器。在一些监控点较多的情况下，监控人员几乎无法做到完整全面的监控。

2.1 系统需求分析

本文设计的智能视频监控系统主要完成以下几个功能通过摄像头与视频采集卡，能够实时采集、显示摄像头采集到的图像。能够存储采集到的图像。把摄像头采集到的图像存储为图像格式和文件格式。能够控制云台摄像头的转动，包括角度和俯仰。通过运动检测模块获得运动目标的位置信息，以此为参数，驱动云台摄像头，获得细节信息。通过采集到的图像，检测运动目标区域。能够根据运动检测算法到运动目标，并将云台摄像头的驱动参数返回。

根据以上分析视频监控系统主要由以下四个模块组成图像采集与显示模块、图像存储模块、云台摄像头控制模块、运动检测模块。

2.2 系统设计

整个系统分為系统构成和软件设计两个部分。

系统构成：本文的智能视频监控系统由计算机，视频采集卡、一个单目固定摄像头、一个云台摄像头组成。其中，两个摄像头连接到视频采集卡。云台摄像头通过串口连接到计算机。

系统硬件的功能有两个：CCD摄像头采集图像；控制云台摄像头的转动。

软件设计：软件部分的主要模块有四个，采集并显示图像模块；存储模块。将图像保存为指定格式（BMP或A VI）；运动区域检测算法；云台摄像头控制模块。

系统的工作流程如下摄像机的模拟信号通过视频电缆线传送至视频采集卡，图像采集卡将模拟视频信号转换为数字视频信号，该转换输出的数字图像可以显示在计算机显示器，或者传送至内存，两者不可同时进行。系统可以对内存中的图像数据进行目标检测，计算机根据运动目标检测算法的运算结果来控制摄像机的云台，运动检测算法的启动由菜单控制[2]。

3 云台控制模块与图像采集显示模块的设计与实现

3.1 界面的设计

根据功能需求分析，要实现的功能主要有采集并显示图像，显示图像的格式有剪裁和缩放方式，分别对應场扫描方式和帧扫描方式。存储图像，包括存储为或者工两种格式。

3.2 系统参数的设置

系统参数的设置分为三步，给参数变量赋值。参数变量主要包括采集卡视频

信号制式、扫描方式、亮度、对比度、色调、饱和度、晶振及最大宽高等；设置系统信息，包括调色板、头文件信息及申请文件内存；用采集卡提供的接口函数，把设置好的变量赋值给一个采集卡数组，完成对采集卡的初始化。

3.3 采集显示模块的实现

采集图像到内存控制的初始化成功后，可以启动采集功能，图像卡循环采集帧图像到内存。在图像采集过程中，通过回调函数实现采集到的图像的显示。在显示图像之前一定要先计算出图像的大小，锁定这块内存。然后调用函数将源缓冲区的图像数据传递到目标缓冲区中，同时进行数据格式转换。在解锁之后，才可以使用目标缓冲区中的图像数据来实现显示功能[3]。

4 静态背景下的运动目标检测

运动目标检测的目的是将变化的区域从背景图像中精确提取出来，这是任何监控系统设计的首要问题。根据所监视的场景，可以把智能视频监控系统分为单模态和多模态两种。其中，单模态处于的环境，条件变化较小，通常是针对室内环境的。

4.1 常用的运动目标检测算法

目前，检测运动目标的传统方法主要有三类时域差分法、背景模型法和光流场法。虽然存在着各种各样的算法，但每种算法多是针对某一特定的场合提出的，并且许多算法仍有许多值得改进的地方，下面分别对这三类方法进行介绍：

（1）时域差分法：是指对一个极小的时间间隔远远小于秒前后的两幅图像采用基于像素的时间差分，再阂值化来提取图像中的运动目标区域，根据得到的区域来区别背景和运动目标。

（2）背景差法：是利用当前图像与背景图像做差分，再取闭值来分割运动目标的一种技术。

（3）光流场法：光流是指图像亮度模式的表观运动。光流场是指图像灰度模式的表面运动。而运动场则是三维物体的实际运动在图像上的投影。光流与运动场不一定是一一对应的，但一般情况下，可以认为光流与运动场没有太大区别，因此就可以根据图像运动来估计相对运动。

以上主要针对静态背景下，采用背景差方法进行运动目标检测，得到全部场景内感兴趣区域中的运动目标位置。通过固定摄像头和云台摄像头对该区域图像的采集，达到同时获得全部场景信息和感兴趣区域内目标细节信息的目的。本章首先对预处理和运动目标检测的常用算法进行了介绍。然后针对本文研究的环境，采用背景差法检测运动目标区域，处理过程包括背景差、二值化、投影、计算重心等步骤。