基于3G的手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究.pdf

1、視頻監(jiān)控是通過視頻對某一場所進(jìn)行監(jiān)控,它是公共安全防范系統(tǒng)的重要組成部分,是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)。視頻監(jiān)控以其直觀、準(zhǔn)確、及時和信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場合。視頻監(jiān)控在日常生活中的各個領(lǐng)域提供了一個基于物理和邏輯安全的基礎(chǔ),隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控越來越依賴于信息與通信新技術(shù)。在二十世紀(jì)七十年代,視頻監(jiān)控開始于英格蘭,目的是防止恐怖分子襲擊。此舉取得了巨大的成功,并逐漸開始發(fā)展。安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)的動機(jī)是多種多樣的,然而,最

2、主要的目的是保證公共或私人的安全以及保護(hù)個人財產(chǎn)和不動產(chǎn)。
　　 經(jīng)過多年的發(fā)展,視頻監(jiān)控技術(shù)已由早期模擬設(shè)備為主的第一代視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到目前的數(shù)字智能視頻監(jiān)控。隨著3G技術(shù)難點(diǎn)的突破以及3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,無線視頻監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)成為了可能。
　　 視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像、傳輸、控制、顯示、注冊登記五大部分組成。首先由攝像機(jī)通過同軸視頻電纜或網(wǎng)線將視頻圖像傳輸?shù)娇刂浦鳈C(jī),控制主機(jī)再將視頻信號分配到各監(jiān)視器及錄像設(shè)備,同時可將需要傳

3、輸?shù)恼Z音信號同步存儲。通過控制主機(jī),操作人員可發(fā)出指令,對云臺的上、下、左、右的動作進(jìn)行控制及對鏡頭進(jìn)行調(diào)焦變倍的操作,并可通過控制主機(jī)實(shí)現(xiàn)在多路攝像機(jī)及云臺之間的切換。利用特殊的錄像處理模式,可對圖像進(jìn)行錄入、回放、處理等操作,使錄像效果達(dá)到最佳。
　　 3G是一項結(jié)合無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等多媒體技術(shù)的新技術(shù),它在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上有很大的提升,并能夠在全球范圍內(nèi)更好地實(shí)現(xiàn)無線漫游,而且能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體

4、形式,提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。
　　 為了確保用戶可以從任何地方訪問并監(jiān)測系統(tǒng),本文提出了基于3G的視頻監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)使用3G手機(jī)、相機(jī)、攝像頭、互聯(lián)網(wǎng)(ADSL)或3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行本地或異地視頻監(jiān)控以及入侵者報警。本研究的目的是基于以下三個問題:(1)如何使用戶系統(tǒng)在任何地方獲得實(shí)時的訪問?(2)用戶如何獲得圖像序列并通過什么樣的資源傳送?(3)如何在系統(tǒng)中執(zhí)行入侵過程的檢測?為了回答這些研究問題,本

5、文首先對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行綜述,進(jìn)而設(shè)計了基于3G的視頻監(jiān)控系統(tǒng),并給出了入侵檢測算法,最后實(shí)現(xiàn)了基于3G的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要工作如下:
　　 1)對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行綜述
　　 視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端音視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳送介質(zhì)、終端監(jiān)看/監(jiān)聽設(shè)備和控制設(shè)備等四部分組成。視頻監(jiān)控運(yùn)用傳感技術(shù)、監(jiān)控攝像技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等組成一個多功能智能化處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過了模擬監(jiān)控系統(tǒng)、硬盤錄像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)、智能監(jiān)

6、控系統(tǒng)四代的發(fā)展歷程,分別說明:
　　 (1)模擬監(jiān)控系統(tǒng):全系統(tǒng)采用模擬信號,各個系統(tǒng)之間獨(dú)立;存儲介質(zhì)為錄像磁帶,使用和保存成本高,特別不適宜全時段錄像:從錄像存儲的磁帶中檢索歷史圖像資料難度大、成本高;圖像清晰度受限制;功能單一。
　　 (2)硬盤錄像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng):應(yīng)用計算機(jī)技術(shù),降低了存儲和歷史圖像檢索的成本,但仍未解決連點(diǎn)成片的網(wǎng)絡(luò)問題,管理性和資源共享性差。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng):采用IP化全數(shù)字新技術(shù)構(gòu)網(wǎng),系統(tǒng)克服了前

7、兩代的缺點(diǎn),顯現(xiàn)出如下的優(yōu)勢:組網(wǎng)和應(yīng)用不受地域限制、管理性強(qiáng)、圖像清晰度高、存儲成本降低、可實(shí)現(xiàn)的功能強(qiáng)、平臺開放等。
　　 (3)智能視頻監(jiān)控:智能視頻監(jiān)控是利用計算機(jī)視覺技術(shù)對視頻信號進(jìn)行處理、分析和理解,在不需要人為干預(yù)的情況下,通過對序列圖像自動分析對監(jiān)控場景中的變化進(jìn)行定位、識別和跟蹤,并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為,能在異常情況發(fā)生時及時發(fā)出警報或提供有用信息,有效地協(xié)助安全人員處理危機(jī),并最大限度地降低誤報和漏

8、報現(xiàn)象。其中,運(yùn)動檢測是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。運(yùn)動目標(biāo)檢測是指在序列圖像中檢測出變化區(qū)域并將運(yùn)動目標(biāo)從背景圖像中提取出來。目標(biāo)分類、跟蹤和行為理解等后處理過程僅僅考慮圖像中對應(yīng)于運(yùn)動目標(biāo)的像素區(qū)域。運(yùn)動目標(biāo)的正確檢測與分割對于后期處理非常重要。場景的動態(tài)變化,如天氣、光照、陰影和雜亂背景的干擾,使得運(yùn)動目標(biāo)檢測和分割變得相當(dāng)困難。運(yùn)動目標(biāo)檢測常用的方法有以下三種:①光流法:主要任務(wù)是計算光流場,即在適當(dāng)?shù)钠交约s束條件下,根據(jù)圖像序列

9、的時空梯度估算運(yùn)動場,通過分析運(yùn)動場的變化對運(yùn)動目標(biāo)和場景進(jìn)行檢測與分割。②幀差法:基本原理是在圖像序列相鄰的兩幀或者三幀采用基于像素的時間差分通過閾值化來提取圖像中的運(yùn)動區(qū)域。③特征點(diǎn)檢測法:其基本思想是計算兩幅圖像的特征點(diǎn),將兩幅圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配,如果匹配不上,說明相對位置發(fā)生變化,因而可以提取運(yùn)動區(qū)域。
　　 總的來說,隨著通信技術(shù)以及計算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展潮流,視頻監(jiān)控系統(tǒng)正朝著寬帶化、IP化、移動化和智能化方向發(fā)展。

10、
　　 2)設(shè)計了基于3G的視頻監(jiān)控系統(tǒng)
　　 本文設(shè)計的基于3G的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能、模塊以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)流圖描述分別如下:
　　 (1)系統(tǒng)的主要功能包括:
　　 ①系統(tǒng)應(yīng)該能夠輕松而有效地與所有外設(shè)進(jìn)行能夠自動進(jìn)行通訊。
　　 ②實(shí)時視頻數(shù)據(jù)的流暢顯示,用戶的請求通過其3G手機(jī)接入系統(tǒng)后,用戶必須能夠?qū)崟r查看視頻序列。
　　 ③能夠?qū)o止監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行入侵者檢測,并自動報警。
　　

11、 (2)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的功能,系統(tǒng)由五個模塊組成,各模塊功能分別為:
　　 ①管理模塊
　　 管理模塊的功能是對于入侵檢測的提醒功能設(shè)置參數(shù),并設(shè)置圖像的大小和格式以適應(yīng)圖像的傳輸。
　　 ②輸入和輸出模塊
　　 輸入和輸出模塊功能是視頻采集、視頻編碼、調(diào)用入侵檢測模塊進(jìn)行入侵檢
　　 測以及調(diào)用通訊模塊進(jìn)行視頻傳輸。該模塊由音視頻采集設(shè)備(攝像機(jī)或網(wǎng)絡(luò)攝像頭、拾音器)、云臺、視頻編碼卡以及相關(guān)軟

12、件組成。
　　 ③編碼和壓縮模塊
　　 編碼和壓縮模塊功能是,將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮,以便于數(shù)據(jù)傳輸。
　　 ④通訊模塊
　　 通訊模塊的功能由以下三部分組成:用戶在有監(jiān)控申請時,通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送給視頻采集端;采集端將得到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行壓縮,傳輸給用戶;當(dāng)出現(xiàn)入侵檢測時,采集端將報警信號傳輸給用戶。
　　 ⑤數(shù)據(jù)庫模塊
　　 數(shù)據(jù)庫模塊的功能是將檢測到的入侵信號進(jìn)行存儲,方便用戶調(diào)用。

13、r>　　 ⑥入侵檢測模塊
　　 入侵檢測模塊的功能是確定檢測區(qū)域中要檢測的區(qū)域或運(yùn)動物體,并將分析得到的運(yùn)動軌跡傳輸給通訊模塊。
　　 (3)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程
　　 基于3G的視頻監(jiān)控首先要將監(jiān)控系統(tǒng)和用戶使用的移動手機(jī)連接到3G網(wǎng)絡(luò),并通過管理模塊設(shè)置各項參數(shù)。當(dāng)用戶端發(fā)送監(jiān)控申請時,通訊模塊通過3G網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給視頻采集端,視頻采集端利用輸入和輸出模塊的網(wǎng)絡(luò)攝像頭,采集視頻信息,由通訊模塊傳輸給用戶;當(dāng)目標(biāo)

14、入侵時,入侵檢測模塊將報警信息傳送給通訊模塊,通訊模塊通過3G網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給視頻采集端。
　　 3)給出了入侵檢測算法
　　 視頻圖像的入侵物體檢測算法分五個步驟來進(jìn)行目標(biāo)檢測。第一步是背景初始化以及前景檢測。本文采用了自適應(yīng)在線高斯混合模型來建立背景模板。通過使用背景模板和當(dāng)前視頻圖像來檢測前景像素。該檢測過程依賴于使用的背景模板,且能更新背景模版,以適應(yīng)動態(tài)場景變化。第二步,由于照相機(jī)噪聲和環(huán)境影響使得檢測到的前景

15、圖像含有噪聲。本文采用膨脹、腐蝕等圖像后處理操作來消除噪聲,得到過濾后的前景圖像。第三步,通過連通區(qū)域標(biāo)記法找到各候選目標(biāo)區(qū)域,計算邊界矩形。第四步,通過相關(guān)規(guī)則,去掉殘留的小區(qū)域。最后,提取出目標(biāo)的質(zhì)心等特征。各步驟詳細(xì)描述如下:
　　 (1)背景初始化以及前景檢測
　　 本文使用背景模版和圖像后處理技術(shù)相結(jié)合的方法建立前景圖像且提取每幀圖像的物體特征。背景模板通常包含兩個階段:初始化和更新。本文主要使用自適應(yīng)在線高斯

16、混合模型來進(jìn)行前景檢測,基本算法如下:
　　 每一個像素在RGB色彩空間由它的強(qiáng)度表征,當(dāng)前觀測到的可能的像素值,由下式表示:P(Xt)=K∑i=1-ωi,iη(Xt,μi,t,∑I,t(1)
　　 其中,K表示高斯模型的個數(shù),ω和時間t時第I個高斯模型有關(guān)的加權(quán),μi,t表示均值,∑i,t表示方差,η表示高斯概率密度函數(shù)。
　　 所以,每一個像素值由K個混合高斯模型進(jìn)行表征,一旦背景模型固定了,混合模型的不同參

17、數(shù)也要初始化。
　　 K決定了背景的多峰性,一般K為3到5的數(shù)字,均值和方差的初始化利用EM算法求得。
　　 一旦初始參數(shù)設(shè)置完成,第一幅圖像的背景構(gòu)建就可以完成,然后更新參數(shù),根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)γj=ωj/δj,排列K個高斯模型的順序,當(dāng)方差較小時,加權(quán)值要大,因為背景圖像比運(yùn)動物體存在的更久,而且它的像素值幾乎不變。
　　 3G時代的到來開啟了視頻監(jiān)控的新時代,隨著3G網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)和完善,網(wǎng)絡(luò)帶寬和無線傳輸質(zhì)量得到提

18、高,從而使得視頻監(jiān)控達(dá)到更好的效果,更大的滿足用戶需求、提升用戶感受。
　　 本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于3G的視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過利用自適應(yīng)在線高斯混合模型,給出了入侵檢測算法,并通過實(shí)驗驗證了算法以及系統(tǒng)的可行性。然而由于物力和財力的限制,本文設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于單個圖像采集源,不能同時觀看多個采集源的視頻信息,因而監(jiān)控區(qū)域有限,不能實(shí)現(xiàn)無死角監(jiān)控。因此我們未來的研究是基于開發(fā)一個移動視頻監(jiān)控應(yīng)用程序,它可以處理多個圖像采集源,該