1、綏化學院 本科畢業設計移動圖像監控系統學生姓名：學 號：專 業：年 級：指導教師： 趙江龍 200951591 電子信息工程 2009級一班 蘇寶林 講師Suihua University Graduation PaperMoble Video Monitoring SystemStudent nameStudent number Major Supervising teacher Zhao Jianglong 200951591 Electronic and Information Engineering Su BaolinSuihua University摘 要運動目標檢測與跟蹤技術已廣泛

2、應用于智能監控中，在商業街監控、小區安全保障、法律取證、軍事保密等方面有著極大的需求。目前在機場、超市、道路、銀行等公共場所監控攝像機的使用已經非常普遍，但實際的監控任務仍需要人來完成。這無疑失去了智能監控系統本身具有的主動性和實時性的優勢。移動圖像監控系統的研究目的就是為了實現無人值守的實時監控，自動分析攝像機捕捉到的圖像數據，當發現異常時主動記錄實時信息并及時報警。它主要是通過給嵌入式設備移植 uboot，移植 linux內核，制作nfs 根文件系統等，并搭建一個能夠正常運行的嵌入式系統，然后移植 linux 平臺下攝像頭軟件 motion 來實現移動圖像監控的最終目標。移動圖像監控的實現

3、運用了背景減除法，該算法是實現移動式監控技術的最常用的算法，也是最普遍的算法。用當前幀的灰度值跟背景幀的灰度值進行相減，灰度值差大于32位的區域將被標記為運動區域，當有500位以上像素時將被判定為捕捉到運動的物體。通過設計闡述了嵌入式系統工作的相關原理和運動圖像檢測的實現算法，得出了一套完整的移動圖像監控系統。關鍵詞：移動圖像監控；嵌入式系統；uboot；linuxIAbstractMoving target detection and tracking technology has been widely used in intelligent monitoring, monitoring

4、in the mall, residential security, legal evidence, military secrecy has a great demand. Although the use of surveillance cameras in public places such as airports, supermarkets, roads, banks have been very common, but the actual monitoring tasks still need to complete. This is undoubtedly lost intel

5、ligent monitoring system should be in this initiative, and real-time advantage. Mobile Video Monitoring System research goal is to achieve real-time monitoring of unattended, automatic analysis of the video camera to capture the image data when the abnormality is active recording real-time informati

6、on and timely warning. A normal operation of embedded systems mainly to embedded devices transplantation uboot transplant Linux kernel, making nfs root file system structures, and then transplant the motion of the camera software linux platform to achieve the ultimate goal of moving image monitoring

7、.Monitoring implementation of the moving image is the use of a background subtraction method, the algorithm is the most commonly used algorithm for mobile monitoring technology, is also the most common in the future application of the algorithm. The gray values of the current frame with the gray val

8、ue of the background frame is subtracted, the gradation value of the differential 32 bit region will be marked as a motion area, when there is a bit more than 500 pixels will be judged as to capture the movement objects. Describes the operating principle of the embedded system by design of the algor

9、ithm implemented in the moving image detection obtained a set of normal working of the moving image monitoring system.Key words: motion; detectionembedded image; uboot; linuxII目 錄摘 要 . I Abstract . II第1章 緒論 . 1第1節 課題背景 . 1第2節 視頻監控系統簡介 . 1第3節 嵌入式系統特點 . 2第2章 基于S3C2440的硬件開發平臺 . 3第1節 ARM體系結構介紹 . 3第2節 嵌入

10、式系統的選型 . 4第3章 基于Linux的軟件開發平臺 . 6第1節 Linux操作系統 . 6第2節 運動檢測系統構架圖 . 7第3節 Bootloader的移植. 7第4章 移動圖像檢測的實現 . 9第1節 Mini2440的開發平臺 . 9第2節 攝像頭 . 10第3節 運動圖像檢測算法的選擇 . 11第4節 背景減除法檢測運動目標算法的研究 . 12結 論 . 14參考文獻 . 15附錄1 . 16致 謝 . 20綏化學院2013屆本科生畢業設計第1章 緒論第1節 課題背景隨著半導體科學的發展，信息技術，數字化產品的普及，嵌入式系統被廣泛應用于各個領域。目前，嵌入式系統被應用到計算機

11、網絡、手持通信設備、軍事安防以及自動控制等各個領域。嵌入式系統的定義是：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格需求的專用計算機系統1。此次畢業設計是移動圖像監控系統，所選的嵌入式系統主要應用于對可靠性，實時性要求較高的系統中。這種系統主要應用于商場、銀行等公共場所。視頻監控系統是集通信技術、現代計算機技術、自動控制技術、傳感器技術等，對受控對象進行遠程監控，圖像處理和控制管理的集成系統。第2節 視頻監控系統簡介隨著編解碼、網絡傳輸技術、計算機的發展，現如今視頻監控技術的發展趨勢是：數字化、智能化、IP化、網絡化。（1）視頻監控數字化視頻監控

12、發展經歷了模擬視頻監控、半數字監控、數字監控三個階段。對于視頻監控，數字化存儲是視頻監控技術發展的里程碑，數字化監控是現在以及將來最主要的監控方式。（2）視頻監控智能化智能化是視頻監控技術發展到一定階段產生的。由于視頻監控的數據存儲量非常大，而用戶所需求的信息只是一小部分，如何把有價值的信息從海量的信息中提取出來或者說如何把人對圖像的分析直接用機器來表達是視頻監控技術發展的一個新方向。隨著新技術的發展，全智能的監控系統將要求事發前能夠識別并作出正確的判斷，為人們提供最為有效、及時的快速反應措施。（3）視頻監控IP化隨著Internet技術的發展，基于IP的視頻監控更能為人們所接受，網絡攝像機把

13、壓縮的視頻信息通過TCP/IP協議，采用流媒體技術實現視頻在網上的多路復用傳輸，1綏化學院2013屆本科生畢業設計擁有授權的用戶可以隨時訪問互聯網，實現對整個監控系統的指揮、調度、存儲、授權控制等功能。鑒于IPv6在服務質量、網絡性能、安全性的改善、以及對下一代Internet網絡的影響，基于IP的視頻監控將會成為主流。（4）視頻監控無線化無線化包括兩方面內容：一是監控中心的移動，通常情況下，被監控對象或是攝像機往往是固定的。而作為監控系統的監控中心則可以是動態的，當出差在外，需了解公司生產情況時，可使用筆記本隨時隨地訪問攝像機的IP獲取信息。二是視頻監控網絡的無線化，當監控點分散且與監控中心

14、距離較遠，或被監控對象不固定時，利用傳統有線網絡的視頻監控對象往往成本高且難以實現，而基于多種無線傳輸手段的移動視頻監控系統具有不可替代的優勢。第3節 嵌入式系統特點本文設計的監控系統是基于ARM的嵌入式移動圖像監控系統，所以在闡述本系統之前，先介紹下嵌入式系統的幾個重要的特征2：（1）系統內核小。嵌入式系統一般是應用于小型電子裝置，系統資源相對有限，所以內核較之傳統的操作系統要小的多。（2）系統精簡。嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分，不要求其功能設計及實現過于復雜，這樣一方面利于控制系統成本，同時也利于實現系統安全。（3）專用性強。嵌入式系統的個性化強，其中軟件系統和硬件的結合

15、非常緊密， 一般要針對硬件進行系統的移植，即使同一品牌、同一系列的產品也需要根據系統硬件的變化而不斷進行修改。（4）高實時性。高實時性的操作系統軟件是嵌入式系統的基本要求。軟件要求固化存儲，以提高速度，軟件代碼要求高質量和高可靠性。2綏化學院2013屆本科生畢業設計第2章 基于S3C2440的硬件開發平臺第1節 ARM體系結構介紹ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業的一家知名企業，技術具有性能高、成本低和能耗低的特點。目前處理器可分為兩大類：一類是CISC(Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機)，如x86系列，另外一

16、類為RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機)，如ARM、MIPS等3。傳統的CISC結構有其固有的缺點，隨著計算機技術的發展而不斷引入新的的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結構越來越復雜，體系結構的復雜化也導致整個系統性能的降低。在CISC指令集的各種指令中，其使用頻率卻相當懸殊，大約有20的指令會被反復使用，占整個程序代碼的80。而余下的80的指令卻不經常使用，在程序設計中只占20，顯然，這種結構是不太合理的。基于以上的不合理性，1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC的概念，RISC并非只是簡單地去減少指令，而是把重點放

17、在如何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度上。RISC結構優先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。到目前為止，RISC體系沒有嚴格的定義，一般認為RISC體系應具有如下特點：（1）采用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單，基本尋址方式有20種；（2）使用單周期指令，便于流水線操作執行；（3）大量使用寄存器，數據處理指令只對寄存器進行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執行率。除此以外，ARM體系結構還采用了一些特別的技術，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積，降低功耗：

18、（1）所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，從而提高指令的執行效率；（2）可用加載/存儲指令批量傳輸數據，以提高數據的傳輸效率；（3）可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理；（4）在循環處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。3綏化學院2013屆本科生畢業設計第2節 嵌入式系統的選型嵌入式開發硬件平臺的選擇主要是嵌入式處理器的選擇。在一個系統中嵌入式處理器內核主要取決于應用的領域、用戶的需求、成本、開發的難易程度等因素。嵌入式操作系統的選型：在嵌入式系統開發中，嵌入式軟件是實現各種系統功能的關鍵。不同的應用對嵌入式軟件系統有不同的要求，隨著計算機技術的發展，這些要求在不斷變

19、化。嵌入式操作系統的選擇主要從以下幾個方面考慮4：表2-1 嵌入式處理器的特性處理器類型ARMDragon BaliPowerPC1處理器的支持 處理器價格 低 低 高 主要性能及應用 功耗低，適合于個人便攜式設備 速度低，主要應用于PDA 通信，網絡等設備，應用于高端嵌入式中所選用的操作系統是否支持開發者將采用的微處理器，這是一個決定性的因素。因為對于一個嵌入式設備，能夠得到一種已經成熟的或只要經過很少的改動就可以運行處理器上的操作系統將成為首選。2所需資源資源需求量是另一個被關注的問題。任何操作系統都要消耗一定的資源，這里的資源主要是指內存和FLASH。操作系統本身消耗很多的資源，在嵌入式

20、設備領域，由于系統資源的敏感性，這種類型的操作系統不適合作為嵌入式操作系統。3軟件資源豐富程度嵌入式操作系統的選擇并不因為它具有優良的性能，而在于它具有多少可用的軟件資源。這些軟件包括協議棧、設備驅動以及一些應用程序。開發者希望在使用這些軟件時，不需要做移植，只需很少的改動就可以適用于新的平臺。4操作系統的功能一個嵌入式操作系統本身具有的功能支持是需要考慮的另一個方面。在選擇操作4綏化學院2013屆本科生畢業設計系統時開發者希望他們所要求的功能在操作系統有了支持，這樣他們在用戶層只需要做很少的工作，通常這種情況下開發者對于程序的穩定性將會更有信心。5操作系統執行性能和可靠性此外操作系統的執行性

21、能和可靠性也是需要考慮的因素。因為操作系統的可靠性 通常無法在用戶程序或者函數庫層次得到增強。操作系統的穩定性在操作系統實現之初，就已經由系統的實際構想和編碼質量決定了。開發者不能保證一個穩定可靠的程序在一個不穩定的操作系統上穩定地運行。5綏化學院2013屆本科生畢業設計第3章 基于Linux的軟件開發平臺第1節 Linux操作系統一、Linux簡介嵌入式Linux是按照嵌入式操作系統的要求而設計的一種小型操作系統。由一個內核及一些根據需要進行定制的系統模塊組成。其kernel很小，一般只有幾百kB左右。即使加上其它必須的模塊和應用程序，所需的存儲空間也很小。它有多任務、多進程的系統特征，有些

22、還具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統只需要引導程序、Linux內核管理和事務處理、初始化進程3個基本元素5。如果要讓它有更多的功能且繼續保持小型化，可以加上： 文件系統、TCP/IP網絡支持、存儲更多數據用的磁盤、提供設計精簡的應用程序。嵌入式Linux的主要特點是精簡標準的Linux內核，適應于多種CPU和多種硬件平臺，性能穩定，裁剪性很好，開發和使用都很容易。LINUX的內核：內核是系統的核心，是運行程序和管理像磁盤和打印機等硬件設備的核心程序。LINUX SHELL：Shell是系統的用戶界面，它是一個命令解釋器，它解釋用戶輸入的命令，并且把它們送到內核。它提供了用戶與內核進行交

23、互操作的一種接口。LINUX文件系統：Linux文件系統是文件存放在磁盤等存儲設備上的組織方法。Linux能支持多種文件系統，如EXT2、EXT3、FAT、VFAT、ISO9660、NFS、SMB等。LINUX應用系統：標準的Linux系統都有一整套稱為應用程序的程序集，包括文本編輯器、編程語言、Window、辦公套件、Internet工具、數據庫等。6綏化學院2013屆本科生畢業設計第2節 運動檢測系統構架圖第3節 Bootloader的移植一、Bootloader的概念嵌入式系統上電后需要一段程序來進行初始化：關閉看門狗、改變系統時鐘、初始化存儲控制器、將更多的代碼復制到內存中去，概括來講

24、 bootloader 是一段小程序，它在系統上電之初開始執行，初始化硬件設備，準備好軟件環境，最后調用系統內核。首先需要了解嵌入式 linux 從軟件角度可以分為以下3個層次：引導加載程序，firmware（可選）和bootloader。二、Bootloader 的啟動大多數 bootloader 啟動可分為兩個階段：7綏化學院2013屆本科生畢業設計第一階段：第二階段：圖3-2 Bootloader啟動流程8綏化學院2013屆本科生畢業設計第4章 移動圖像檢測的實現第1節 Mini2440的開發平臺圖4-1 mini2440開發板LTV350QV-F02，F04，3.5寸三星數字屏參數 尺

25、寸：3.5分辨率：320× 240（4：3）顯示區域：70.08mm × 52.56mm亮度：250cd/m2對比度：300：1可視角度：60/60/50/55響應時間：30ms以下外形尺寸：76.9mm×63.9mm×3.15mm 接口方式：24bit RGB9綏化學院2013屆本科生畢業設計圖4-2 mini2440開發系統第2節 攝像頭簡介 攝像頭參數USB攝像頭micro友善Mini2440 tiny6410 Tiny210圖4-3 USB攝像頭鏡頭：800萬專用鏡頭捕獲幅面：640×480 320×240輸出格式：RGB24

26、1綏化學院2013屆本科生畢業設計輸出接口：USB2.0幀率：VGA30幀/秒視角：360度水平攝像頭控制：色彩飽和度，對比度，邊緣增強，伽馬表可調。最小照明度：10Lux閃爍控制：50Hz或60Hz視野深度：50毫米到無限遠兼容性：USB2.0。第3節 運動圖像檢測算法的選擇運動圖像檢測目的是從序列圖像中將變化區域從背景圖像中提取出來。這對運動區域的分割、后期的目標分類，目標跟蹤和行為理解非常重要，因為處理過程主要考慮圖像中對于運動區域的像素。然而背景圖像的動態變化，如天氣、光照、陰影等因素的影響，使得運動目標檢測成為一項相當困難的工作，以下是如今流行的算法6。一、幀間差分法幀間差分法是在連

27、續圖像序列中取兩個或者三個相鄰幀間采用基于像素的時域差分，并將結果跟閾值比較從而提取運動區域的一種方法。這是一種簡單的直接的運動檢測算法，在實際應用中，差分圖像并不能表示出完整的運動目標信息。如當一個運動目標的內部紋理較為均勻且物體分布緩慢時，幀間差分法極其容易在檢測的運動目標中產生空洞現象，對于這個問題的結局可采用累積差分圖像的方法或采用后期處理的方法，如形態濾波，區域聯通或參數模型等方法提取出完整的運動目標信息。 二、背景減除法背景減除法是目前運動目標檢測中最為常見的算法之一，它利用當前圖像與背景圖像的差分來檢測運動區域。該方法一般能夠提供完整的體征數據，但對于動態場景的變化，如光照和外來

28、無關時間的干擾特別敏感。視頻監控系統主要使用固定攝像機對場景進行監控，場景基本固定，因此背景差分法在智能化監控系統中是一種重要的運動目標檢測方法。通常背景差分法主要包括背景模型建立，背景模型更新背景差分，和后期處理等步驟。三、光流法11綏化學院2013屆本科生畢業設計光流法是基于對光流場的估算進行檢測分割的算法，如 Meyer 等通過計算位移矢量光流場來初始化基于輪廓的跟蹤算法，從而有效提取和跟蹤運動目標。光流是空間運動物體被觀測面上的像素點運動產生的瞬時速度場，包含了物體 3D 表面結構和動態行為的重要信息，光流場的不連續性可以用來將圖像分割成對應于不同運動物體的區域。然而大多數的光流計算方

29、法相當復雜，且抗噪性能差，如果沒有特定硬件的支持便不能很好的被應用于全幀視頻流的實時處理。四、統計學法統計學法是基于像素的統計學體征而從背景中提取運動信息。它首先計算背景像素的統計信息，使用個體像素或者一組像素的特征來建立一個較為高級的背景模型，而且背景的統計值可以動態的改變。通過對比當前背景模型的統計值，圖像中每一個像素被分成背景或前景。第4節 背景減除法檢測運動目標算法的研究本設計是基于ARM平臺下的運動目標檢測系統，通過檢測圖像序列中的運動目標，確定目標的位置。用于實現該功能的算法是背景減除法，系統的整體工作流程如下：圖4-4 系統工作流程本次設計的目的并非研究最新的算法，亦并非為了提取

30、圖像序列中的運動物體，而是實現當運動圖像檢測程序檢測到圖像中有運動目標時觸發報警，并保存圖片。通過研究開源軟件motion，裁剪適當的內容從而實現適應環境條件和畢業設計的最優化1 2綏化學院2013屆本科生畢業設計結果。下面是背景減除法的工作流程：圖4-5 背景減除法工作流程13綏化學院2013屆本科生畢業設計結 論做完這個設計使我越來越明白運動圖像檢測的重要性，運動圖像檢測、識別、跟蹤在未來將發展為一個極其重要的數字圖像處理技術分支，而它的研究意義也已經覆蓋人們日常生活的方方面面。本人在該設計中所作的工作如下：1移植u-boot嵌入式系統并沒有一個統一的引導程序，這就需要對每一個嵌入式設備移

31、植引導程序，但方法并非因為不同的嵌入式設備而不同，相反，方法是相同或者相近的。通過本次設計使我基本熟悉了移植u-boot，也大致明白了u-boot源碼中的代碼結構，為以后移植其他嵌入式設備u-boot打下了基礎。2移植linux內核本人在移植linux花了一些時間，但是要完全讀懂嵌入式內核的代碼需要很多時間，畢竟畢業設計時間有限，故只是大致了解了一下linux內核啟動的相關流程。隨著時間的改變，linux內核的代碼可能會改變，代碼的結構可能會改變，但嵌入式的移植的興趣不會改變。3根文件系統的制作本次設計中采用了nfs根文件系統，文件系統相對簡單，但是功能齊全，以后我還會漸漸學到nfs其它文件系

32、統。4Motion的移植通過對motion的解讀發現motion軟件十分強大，但我對motion的了解還不夠深入，希望在以后的學習工作中能夠多接觸和應用motion。1 4綏化學院2013屆本科生畢業設計參考文獻1 鄒思軼，嵌入式Linux設計與應用M，北京：清華大學出版社，（2001）：65-722 Kurt Wall著，張輝澤，GNULinux編程指南M，北京：清華大學出版社，（2002）： 216-2213 韋東山，嵌入式linux 應用開發完全手冊M，北京：人民郵電出版社，（2008）：102-1254 王雪龍，嵌入式Linux系統設計與運用M，北京：清華大學出版社，（2006）：12

33、2-1265 趙炯，Linux內核完全剖析M，北京：機械工業出版社，（2006）：131-1516 范瑩，郭成安，一種運動圖像的檢測與識別技術J，沈陽：大連理工大學學報，2004，17（2）：10-1515綏化學院2013屆本科生畢業設計附錄1部分源程序#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>1#include <sys/ioctl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fc

34、ntl.h>#include <signal.h>#include <sys/select.h>#include <sys/time.h>#include <errno.h>#include <sys/wait.h>#include <string.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <time.h>1. 檢測到圖像變化，報警2. 檢測到外部中斷，報警3. 3分鐘能連續檢測圖像變化20次，則暫停2小時，2小時后在開啟

35、 /*define globe variable*/*play_pid:當前播放的MP3子進程ID*/unsigned int play_pid = 0;/*gradchild:當前播放的MP3孫子進程ID*/unsigned int gradchild = 0;unsigned int play_flag;/*共享內存描述標記1 6綏化學院2013屆本科生畢業設計sharemem:byte1:孫子進程ID號byte2:是否有MP3播放標識play_flag_2/byte3:MP3播放次數int shmid;char *p_addr;#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR/*

36、報警鈴聲歌曲名,song1圖像變化報警鈴聲song2外部中斷報警鈴聲*/char *song1="11.mp3"char *song2="22.mp3"/char *song="234.mp3"/*定時器時間為3分鐘*/#define THREE_ALARM 3*60/*睡眠時間為2小時*/#define SLEEP_TIME 2*60*60#define CPM_CNT 20int threemin_alarm = 1;static int con_cnt=0;int sleep_flag = 0;unsigned int time

37、_tmp;#define max(flag) (flag) >1 ? "pic":"key"/#define DEBUGint alarm_flag;static int pic_cnt;int cnt_fd;/*計算圖像變化次數，超過2次則認為有圖像變化*/ #define COMPARE_CNT 5/* 17綏化學院2013屆本科生畢業設計Function name: count_picCalled by : 函數mainParameter : voidDescriptionReturn : 計算圖片變化數 : intAutor & date*/ int count_pic(void)int fd,ret; char *buf; buf = (char *)malloc(10);system("ls /root/motion | wc -l > count.txt");/* Function name: my_func_sleepalarmCalled by : 函數my_func_3alarm lseek(cnt_fd, 0 ,SEEK_SET); ret =