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1、嵌入式技术?电?子?测?量?技?术?ELECTRONICMEASUREMENTTECHNOLOGY第 33 卷 第5 期2010 年 5 月?基于 ARM9 的视频监控与目标检测方法的研究吴永亮?李巴津(内蒙古工业大学信息工程学院?呼和浩特?010051)摘?要:数字视频监控系统取代模拟监控系统,是监控行业未来大发展方向与趋势。所设计的监控系统是以S3C2440微处理器作为控制核心,其上运行剪裁过的 Linux 系统,精简了资源。在目标检测方面,选择了更加适合本系统所应用环境的算法?背景相减法,实现静态背景下对动态目标的检测,获得目标特征。关键词:嵌入式;S3C2440;内核移植;运动目标检测
2、中国分类号:T P391.4?文献标识码:AStudy of video monitoring and moving object detectingbased on ARM9Wu Yongliang?Li Bajin(Information College,Inner M ongolia University of T echnology,Huhhot 010051)Abstract:Digital monitoring system to replace the analog control system is the development and the trend of themon
3、itor.In this article,the designed monitoring system is controlled by S3C2440 microprocessor,.T he reduced Linuxwas running on the S3C2440 and to achieve the purpose of reducing the resources.In the object detection area,we chosethe background?difference method which was better suit for the environme
4、nt of the system and achieved the movingobject detection on the static background and acquired the features of the target.Keywords:embedded;S3C2440;Kernel transplantion;moving object detecting0?引?言传统的监控系统一般采用 PC 作为控制中心,这是因为图像采集涉及大量的数据运算。然而,PC 机集成了太多与监控无关的功能,这势必会大大增加整个监控系统的成本。而嵌入式系统是针对某一特殊用途的,可以根据系统要
5、求添加修改相应的软硬件,随着 ARM9、ARM10、ARM11 核的出现,其 CPU 主频已达到 200 800 MHz,再配合多级流水线和更为优化的CPU 调度策略,完全可以满足绝大多数视频监控系统的要求。本系统使用 S3C2440ARM 微处理器作为控制核心,实现监控系统的各项功能,因而达到了使系统最小化、节约资源与降低成本的目的。通过视频算法对运动目标进行检测,利用前景图像与背景估计图像之间的差进行目标的分割与提取。但是由于背景图像的变化,如噪声、光照、阴影等影响,在实际系统中进行稳定可靠的目标检测是一项难度很大的工作。1?系统的组成与功能1?1?系统框图整个系统的框架图如图 1 所示。
6、图 1?系统框架图其中,S3C2440 是整个系统的控制核心,它是一款由三星公司推出的 16/32 位 RISC 处理器,采用 ARM920T 内核,具有低功耗和高速处理计算的能力。它负责指令处理、数据计算、图像的处理与分析等等。AHB(AdvancedH igh performance Bus)系统总线是处理器与高速外设间的通讯接口。在系统总线上引出 LCD 显示屏、FLASH、SDRAM、网络接口以及 USB_HOST。LCD 用于显示图像信息,FLASH 和 SDRAM 都是存储部分。其中 FLASH在系统不通电的情况下依旧可以保存,相当于硬盘。而?77?第 33 卷电?子?测?量?技?
7、术SDRAM 只能在系统加电时使用,相当于内存。USB_HOST 是 USB 外设和处理器沟通的桥梁,USB 摄像头通过 USB_HOST 与处理器相连。网络接口用于将图像和命令通过局域网传输到远程主控室。1?2?系统功能在 S3C2440 上运行剪裁过的 Linux 系统,在系统中编写好应用程序与驱动程序。在 LCD 上能够实现正常的视频播放。系统不断的采集 USB 摄像头传来的数据,通过视频算法判断是否有运动目标的才出现,提取出目标特征,完成对前景目标的检测。2?嵌入式 Linux 系统的搭建2?1?嵌入式 Linux 系统开发步骤及环境当我们进行嵌入式系统开发 1的时候,首先要考虑系统资
8、源的调配、片选以及中断等,然后建立宿主机环境,设计、编译和移植 Bootloader,用来引导 Linux 内核。当生成了基本的 Linux 内核后,用 Bootloader 下载到目标板的 RAM 中,使 Linux 基本内核能在目标板的 RAM中运行。最后将完全可用的 Linux 内核用 Bootloader 下载并烧写到目标板的 Flash 固态存储设备上并使 Linux启动起来。由于目标机上系统没有足够的资源运行开发工具和调试工具。所以嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译2的方法。我们在宿主机上建立交叉编译环境,为目标板生成可执行的二进制代码,然后把生成的代码下载到目标板并运行。因此,
9、进行嵌入式开发首先要有装有指定操作系统的PC 机作宿主机,并以如图 2 所示的开发模式进行开发。图 2?宿主机/目标板模式交叉开发示意图在编译嵌入式 Linux 内核前,需要安装 GNU 交叉编译工具链 3。而工具链的获得方法有两种途径:一是直接下载已编译好的 GNU 工具链;二是从互联网上下载某些必要的源文件,然后自己手动编译工具链。前者编译器稳定,极少出错,而后者则相当繁琐、耗时,加之所用的开发板已附带编译工具,所以采用第一种方法,只需在 PCLinux 系统的/usr/local/目录下建一个 arm 的目录,然后将编译工具 cross?3.4.1.tar.bz2 拷贝到某个目录下,然后
10、进入该目录,执行接包命令 tar xjvf cross?3.4.1.tar.bz2 即可,之后可编辑/etc/bashrc 文件,在最后增加路径 exportPATH=/usr/local/arm/3.4.1/bin:$PATH,以后编译内核或其他应用程序均可用 arm?linux?来指定交叉编译器。2?2?BootLoader功能简介在嵌入式系统中,由于通常并没有像 BIOS 那种的固件程序,因 此 整个 系统 的 加载 启 动 任务 就 完 全由BootLoader 3来完成。在 ARM9 的嵌入式系统中,系统在上电或复位时通常都从地址 0 x00000000 处开始执行,而在这个地址处安
11、排的通常就是系统的 BootLoader 程序。通过这段程序,我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。由于BootLoader 是严重地依赖于硬件而实现的,因此建立一个通用的 BootLoader 是不可能的。在本系统中,对BootLoader 的移植是在官方 U?Boot?1?2?0 源代码基础上修改而成。2?3?Linux2?6 内核移植嵌入式Linux 作为系统的核心,负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件系统和网络系统等的支持与实现,是模块化的机制,决定着系统的各种性能。嵌入式内核编译的主
12、要步骤4:1)安装内核源代码先将开发板附带的光盘目录的 OK2440 Linux!的Linux 内核拷贝到/src/arm 目录下,进入这个目录,然后解压这个 Linux 源码包,命令:tar?jxvf OK2440_kernel2?6.12?tar.bz2解压缩完毕后,嵌入式 Linux 源代码目录为/src/arm/OK2440_kernel2?6.12,然后设置 Makefile 文件。进入解压的目录后,运行命令:vi Makefile 找到 CROSS_COM?PILE=!这行,将它改为 CROSS_COMPILE=/usr/local/arm/3.4.1/bin/arm?linux?
13、。设置好保存退出。这一行是指明交叉编译器的版本和位置。修改 ARCH:=!为 ARCH:=arm!,这行是指定目标板是 arm。2)内核配置由于嵌入式内核采用模块化的组织结构,因此可以根据自己的实际硬件情况来增减内核的功能模块。大部分我们可以使用缺省的配置文件,除此之外我们可以自己进行配置来选择合适的值。选择的原则是5:与内核关系紧密且经常使用的代码直接编译进内核中;与内核关系疏远且不常使用的代码可加载模块,这样有利于减少内核长度,减少内核消耗的内存;不是用的代码不选择即可。输入命令:make menuconfig 进入配置界面,该命令执行后生成文件.config。它保存这个配置信息。3)内核
14、编译和启动使用 make zImage 命令编译内核,编译成功后会得到4 个文件,其中生成的 zImage 文件是与平台相关的,其在Makefile中设置。而对于内核的启动,我们可以直接使用编译内核后生成的 zImage 镜像文件,首先下载到 RAM?78?吴永亮 等:基于 ARM9的视频监控与目标检测方法的研究第 5 期中的0 x30008000 地 址 处,再 通 过 U?Boot 提 供的 go0 x30008000 命令执行,从而引导内核启动。3?运动目标检测运动目标检测即确定场景中存在的运动目标。当场景中有新目标进入时,通过检测算法得知有目标出现,把进入场景的目标从背景图像中分割出来
15、。目前,针对目标的检测与提取有很多种方法,针对本文所应用对象的背景图像变化不大的情况,故采用的是背景相减法6。3.1?背景相减法基本原理背景相减法的主要工作过程如图 3 所示:首先利用式(1)计算当前图像 fk与背景图像 Bk的差,然后对差分图像Dk进行二值化,并对二值化后的图像 Rk进行形态学处理,然后对形态学处理的结果进行连通域处理,当某一连通区域的面积(像素数)大于一定的阈值,则认为检测到目标出现,并认为这个连通的区域就是提取出的目标图像。Dk(x,y)=|fk(x,y)-Bk(x,y)|(1)Rk(x,y)=0?背景?if?Dk(x,y)阈值1?前景?if?Dk(x,y)阈值(2)图
16、3?背景相减法基本原理其中二值化是指使用图像分割算法将图像中的前景目标点从背景像素点中分离出来。而由于噪声、阴影和其他因素的影响,在此二值化图像 Rk中存在许多小的连通区域,他们并不是我们需要的目标,用形态学处理可以消除这些干扰。当形态学处理完图像后,一些小的干扰区域被去除,小的孔洞被填充上,但仍然会有较大的孔洞存在于目标的内部,因此采用连通性检测的方法进行处理,去除目标内部的孔洞。然后计算图中某个连通域的面积,对于面积小于一定值的区域将被抛弃,最后留下的即是前景目标。3.2?背景图像的估计方法由图3 可以看出,背景相减法需要得到当前环境的背景估计图像 7,然后利用背景图像与当前图像的 差!进
17、行目标检测与提取。但在实际应用中,想得到一幅 纯净!的背景图像时不容易的,一种简单的做法是当场景中无任何目标时采集一幅图像作为背景图像,很显然,随着时间的推移,光线的变化必然会引起背景图像的变化。因而这时要采用固定一幅背景图像的方法,对于场景环境不是很复杂的情况,采用一种简单易行的方法:统计平均法 8。统计平均法就是对背景图像进行多幅平均,这种方法适用于场景内目标滞留的时间较短,目标出现不频繁的情况,这种背景图像修正方法可采用如式(3)8:Bk=1N(fk+fk-1+#+fk-N+1)=Bk-1+1N(fk-fk-N)(3)3.3?实验结果及分析图 4(a)为背景图像;图 4(b)为第 K 帧
18、图像;图 4(c)为第 K 帧图像图 4(b)与背景图像图4(a)直接进行变化检测得到的图像;图 4(d)是对图 4(c)进行二值化后得到的结果;对二值化图 4(d)进行形态学处理与连通域分析,得到图 4(e);图 4(f)红框内的图像为最终检测目标。从上述图中可以得出:背景相减法能较精确地提取目标,在检测的区域内除了目标以外没有其他背景图像。对比二值化结果、形态学处理结果,在检测到的区域内几乎没有小的连通区域和空洞,所检测出的目标基本没有太大的差别,这也说明了背景相减法提取目标的精确性。针对短时间内变化不大的监视环境,是一种简便实用的精确提取目标的方法。(下转第 83 页)?79?周?征 等
19、:基于单片机的温度存储测试技术研究第 5 期整个系统上电后,打开串口,将存储器中的数据按一定的帧格式发送给上位机。爆炸温度场存储测试系统上位机软件界面如图 5 所示。图 5?实验曲线5?结?论本文根据实际需要,设计了一种基于热电偶的爆炸温度场测试存储式测试系统,以 C8051F020 单片机为核心控制单元,完成了存储测试系统的硬件电路和软件设计。结果表明设计的系统基本能够满足指标的要求,具有一定的可行性。参 考 文 献1?惠君明.炸药爆炸理论 M.南京:江苏科学技术出版社.1984.91?1372?孙晓明,黄正平,白春华,等.新型数字存储式爆炸压力测试系统 J.爆破,1998,15(4):54
20、?57.3?郑孟菊,俞统昌,张银亮.炸药性能及测试技术 M.北京:兵器工业出版社,1990.4?惠君明,陈天云.炸药爆炸理论 M.南京:江苏科学技术出版社,1995.5?李杰,余永刚,等.机枪内膛壁面瞬态温度的测试 J.测试技术学报,2005:413?4156?黄风良,夏春梅,周彦煌,等.温度测试的外推方法J.计量学报.2003,24(2):116?118.7?IMBER M.A temperature extrapolation method for hollowcylinder J.AIAA Journal,1973,11(1):117?1188?CHEN C J,THOMSENT D M
21、.On transient cylindricalsurface heat flux predicted from interior temperatureresponse J.AIAA Journal,1975,13(5):697?699.9?刘凤琴.接触法测温误差分析 J.山东冶金,2001,23(5):31?32.10?姬建荣,苏健军,等.Wre5/26 热电偶对爆炸产物的热响应分析J.火炸药学报,2008.作 者 简 介周征,女,1984 年出生,工学硕士,主要研究方向为测试计量技术与仪器。E?mail:zhouzh_(上接第 79 页)4?结?论本文介绍了基于ARM 的监控系统的构建
22、以及对目标检测方法的研究。完成了 BootLoader 移植和内核移植,编写了驱动程序与应用程序。针对本系统中背景图像不动的情况,确定了使用背景相减法对目标进行检测。通过实验结果可得出结论:背景相减法可以完整检测出轮廓,可用来提取目标形状,获得目标特征。参 考 文 献1?杨恒.ARM 嵌入式系统设计与实例开发 M.北京:清华大学出版社,2005.2?陈铁军.嵌入式 Linux2?6 在 S3C2410 上的移植技术探析J.微计算机信息,2007(11):74?76.3?王亚军,刘金刚.Linux 运用于嵌入式系统的技术研究J.计算机应用研究,2005(5):102?104.4?Jon Mast
23、ers.Linux kernel porting overview.bostonlinux users group M.2006.5?沈盛庆.嵌入式操作系统的内核研究J.微计算机信息,2006(5):80?82.6?任臣,张贾平.基于 Kalman 滤波理论的运动目标检测新方法 J.光电工程,2007(4):11?15.7?肖敬若.复杂背景下的实时目标跟踪技术研究 D.西安:西北工业大学硕士学位论文,2006:7?17.8?万琴,王耀南.基于科尔曼滤波器的运动目标检测与跟踪 J.湖 南 大 学学 报:自然 科 学 版,2007,34(3):36?40.作 者 简 介吴永亮,男,汉族,1982 生,内蒙古呼伦贝尔市人,硕士研究生,主要研究方向为运动目标的检测与跟踪。E?mail:?83?