（计算机应用技术专业论文）基于图像检测的家庭保安系统的研究.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 摘要 在信息技术日益发展的热潮中，以网络技术，通信技术，图像处理技术以 及多媒体技术为依托的数字视频监控系统已经渗透到人类生活的各个领域中去 了，并且在各行各业中发挥越来越重要的作用。随着数字视频监控系统的发展， 它也正向智能监控的方向发展。智能监控其中一个特点就是对动态的视频图像 进行检测与分析，并根据分析结果进行相应的处理。 本文在数字视频监控系统的基本原理上，设计了一个基于图像检测的家庭 保安系统。可以说，此系统是一个数字视频监控系统的微缩版，但是它有自身 的特点和优势：廉价和实用。它重用现有设备，以极少的投入实现了大众家庭 中的监控报警的迫切需要。它利用家庭中己有的计算机，配置一个或多个普通 摄像头，可选地加上手机短信模块，通过摄像头对家庭中的门口，窗户等场景 进行视频监控。此家庭保安系统既可以通过宽带互联网将家庭监控情况连接到 小区中的监控中心，也可以单机使用。它的报警信息来源于实时视频中对运动 信息的检测，它的报警方式是手机报警和网络报警。手机报警就是将报警信息 发送到用户指定的手机号码上去。网络报警就是将报警信息通过宽带互联网发 送到住宅小区的监控中心去。 报警是家庭保安系统中最有实用价值的功能，而报警的依据是图像检测的 结果。其中，图像检测方法来源于图像处理中的帧差法。本文将家庭保安系统 的特点和帧差法基本原理相结合，提出了一种图像检测的方法，实现了报警功 能。 d i r e c t s h o w 技术作为一套优秀的多媒体信息系统构建架构，是在w i n d o w s 平台上进行实时音频视频应用程序开发的最好选择。它为开发者提供了成熟、 易开发的s d k 。d i r e c t s h o w 作为d i r e c t x 的一部分，它是进行音频和视频实时 采集，编码和播放的极为有力的工具。家庭保安系统使用d i r e c t s h o w 技术作为 实现视频采集、播放、录像、图像压缩、图像检测等功能的技术框架。文中论 述了d i r e c t s h o w 进行数字监控系统开发的基本原理，并且在图像检测模块中使 用了d i r e c t s h o w 的过滤器对其进行封装，详细描述了如何设计并实现图像检测 摘要 过滤器的方法。 总的来说，本文论述的是家庭保安系统的设计思想及图像检测的方法，并 就如何运用d i r e c t s h o w 进行设计实现做了一定的探讨 关键词：图像检测，帧差法，数字监控，家庭保安，d i r e c t s h o w ， 过滤器 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n g s y s t e mw h i c hi sb a s e do nn e t w o r kt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i m a g e p r o c e s s i n ga n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yh a v eb e e ni n o s c u l a t i n gi n t ot h ep e o p l e sl i f e o fv a r i o u sf i e l d sa n dm a k i n gm o r ea n dm o r ev a l u e s w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h e d i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m , i ti sa l s od e v e l o p i n gt ot h ed i r e c t i o no fi n t e u i g e n c e m o n i t o r i n g p e c u l i a r i t i e so ft h ei n t e l l i g e n c em o n i t o r i n ga r et oe x a ma n da n a l y z et h e d y n a m i cv i d e oi m a g ea n dm a k i n gs o m ep r o c e s s i n gb yt h ea n a l y s i sr e s u l t s o nt h eb a s ep r i n c i p l eo ft h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m , t h i sa r t i c l e d e s i g n saf a m i l ys e c u r i t ys y s t e mb a s i n go ni m a g ee x a m i n i n g w ec a l ls a yt h a tt h e s y s t e mi sa h t t ke d i t i o no ft h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m b u thh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i ca n da d v a n t a g e ：c h e a pa n dp r a c t i c a l i tr e u s e st h ee x i s t i n gd e v i c e s ， i m p l e m e n tt h eu r g e n tn e e do fm o n i t o r i n ga n da l a r mi nc o m m o nf a m i l y , w h i c hi si na l o wp r i c e i tr e u s e st h ee x i s t i n gp ci nt h ef a m i l y ；i n s t a l l so u eo rs e v e r a lc h e a p c a m e r aa n ds m sm o d u l eo p t i o n a l l y i tm o n i t o r st h es c e n e si nt h ef a m i l ys u c ha s d o o r w a y , w i n d o wa n ds oo n t h ef a m i l ys e c u r i t ys y s t e mc a nb en e t w o r k e do rh en o t w h e nn e t w o r k e d ，i tc a l lc o n n e c ti t s e l ft ot h em o n i t o rc e n t r eo ft h ed i s t r i c t i t sa l a r m m e s s a g e sc o m ef r o mt h er e a lt i m ea n a l y s i so fm o v i n gv i d e o s t h em a n n e r so fa l a r m a r eb ym o b i l ea n dn e t w o r k m o b i l ea l a r n ls e n d st h ea l a r mm e s s a g e st ot h em o b i l e n u m b e r sd e s i g n a t e db yt h eu s e r n e t w o r ka l a r ms e n d st h ea l a r mm e s s a g e st ot h e l i v i n gd i s t r i c t sm o n i t o rc e n t r et h r o u 曲t h ei n t e m e t a l a r mi st h em o s tu s e f u lf u n c t i o ni nt h es y s t e m a n dt h ef o u n d a t i o no fa l a r m i st h er e s u i to ft h ei m a g ee x a m i n i n g t h em e t h o do fi m a g ee x a m i n i n gi sc o m ef r o m t h ef r a m ed i f f e r e u c em e t h o do fi m a g ep r o c e s s i n g 。t h i sa r t i c l ec o m b i n e st h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ef a m i l ys e c u r i t ys y s t e ma n dt h eb a s e p r i n c i p l eo ft h ef r a m e d i f f e r e n c em e t h o d ，a d v a n c e sam e t h o do fi m a g ee x a m i n ea n di m p l e m e n t st h ea l a r m f u n c t j o n a b s t r a c t a sa ne x c e l l e n tf r a m e w o r ko fb u i l d i n gm u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns y s t e m , t h e d i r e c t s h o w t e c h n o l o g y i st h eb e s tc h o i c eo fd e v e l o p i n ga u d i oa n dv i d e o a p p l i c a t i o n so nt h ew i n d o w s i tp r o v i d e st h em a t u r ea n de a s y l e a r n e ds d kf o rt h e d e v e l o p e r d i r e c t s h o wi s ap o w e rt o o li nr e a lt i m ei nc a p t u r i n g ，e n c o d e r i n ga n d p l a y i n ga u d i oa n dv i d e o a sap a r to fd i r e c t x t l l ef a m i l ys e c u r i t ys y s t e mu s e st h e d k e c t s h o wt e c h n o l o g ya saf r a m e w o r ko fi m p l e m e n t i n gt h ef u n c t i o n ss u c ha sv i d e o c a p t u r e i m a g ee n c o d e ra n di m a g ed e t e c t i n g t l l i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eb a s ep r i n c i p l e o f d e v e l o p i n gt h ed i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m a n di tu s e st h ed i r e c t s h o wf i k e r t oe n c a p s u l a t et oi m a g em o n i t o r i n gm o d u l e a n di td e s c r i b e sh o wt od e s i g na n d i m p l e m e n tt h ei m a g em o n i t o r i n gm o d u l e i na w o r d ，t h ea r t i c l ed i s c u s s e st h em e t h o do fi m a g ee x a m i n ea n dt h ed e s i g n i d e a so ft h ef a m i l ys e c u r i t ys y s t e m m o r e o v e r , i tp r o b e si n t ot h ew a yo fh o wt o d e s i g n u s i n gd i r e c t s h o w k e o r d s ：i m a g ee x a m i n e ，f r a m ed i f f e r e n c em e t h o d ，d i g i t a l m o n i t o r i n g ，f a m i l ys e c u r i t y ，d i r e c t s h o w ，f i i t e r w 广东工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 近年以来，随着计算机网络和图像处理技术的飞速发展，以t c p i p 协议族 为网络传输基础，以m p e g 4 为压缩方法的数字视频监控系统正逐渐广泛应用于 工业、交通、商业、金融、军事等等领域，成为现代化管理不可缺少的一个手 段。 数字视频监控系统随着技术的发展，功能也同样日益完善。它不仅具备了 原来模拟视频监控系统的控制、管理等方面的功能，还提供更加丰富直观的多 媒体服务。归纳起来，监控系统的主要功能有；a 、视频处理。包括视频数据的 实时解压播放，视频数据的录像存储、传输，历史视频录像的回放，视频警报 感兴趣区设置，警报实时分析与管理。8 、设备控制。摄像头光圈焦距控制，图 像亮度，对比度，色度，饱和度调节，压缩质量，帧速率控制，云台转动控制， 外接设备控制和联动报警等。c 、系统查询和管理。监控区域的视频显示管理， 录像查询，历史警报查询，软件系统基本信息设置，系统目志，操作用户管理 等等功能。 数字视频监控系统日趋成熟，更是向智能化监控方向发展。要使系统具有 智能化功能，其必须能够对视频图像进行图像检测与分析的能力，并以此为基 础，实现现实应用中各种多变的功能。如智能报警。远程智能控制，运动特征 视频检索，单目标跟踪，甚至多目标跟踪，人脸识别与跟踪，车牌识别等等。 随着生活水平的逐渐提高，人们对家庭居住条件也提出了更高的要求。要 求家庭居室不但要舒适，而且要安全，甚至是智能化的安全。人们对家庭安全 防卫的概念不再停留在简单的门锁加固，防盗网，楼宇铁闸及小区保安等传统 的防卫做法上去了。人们逐渐认识到利用计算机进行家庭防卫是一种更加迅速、 实时、有效的防卫手段。因此，以数字视频监控系统为基础的家庭保安系统就 无声无息地成为了人们当前的迫切要求。 因此，家庭保安系统需求的催生引出了本文这个课题，而本文中对于关键 技术的探讨就是以家庭保安系统的设计为背景的。家庭保安系统是数字视频监 1 第一章绪论 控系统中的一个微缩版本，它具有数字视频监控系统的一般特征，可又具有自 身的特点，它以最廉价、实用的方式实现了家庭监控的需求。家庭监控系统中 具备了视频采集、显示、存储、运动检测、手机短信报警、网络传送等功能。 在基于图像检测的家庭保安系统中，系统通过摄像头对特定场景迸彳亍实时 摄像，一旦发现场景画面中的全部或者预先设定的部分区域发生图像变化，这 就隐含着可能发生了异常事件，系统据此进行相关处理。如将场景视频录像， 将实时视频发送到小区监控中心，发短信给户主及相关安全人员。 家庭保安系统不但需要实时报警，也有对长时间录像文件进行快速检索的 需求。对录像文件进行检索的目的是查看历史视频，观看其中特定场景下发生 变化而导致异常事件发生的整个事件过程。因此，系统能对录像文件进行快速 检索的依据也同样是视频中发生了运动特征变化的场景画面。由此，系统必须 能对长时间摄像的录像文件进行相关处理，其做法就是在实时录像监控的过程 中，对发生了运动特征变化区域的视频的有关信息记录下来，形成自定义的数 据记录。数据记录中包括了时间、运动特征变化特点等信息。有了这些数据记 录，日后在进行快速检索过程中就能快速检索出符合用户要求的视频播放点。 用户根据搜索确定的视频播放点，进行视频定位，回放相关的场景录像。 所以，为了实现家庭保安系统的报警功能和快速检索功能，必须对实时录 像视频进行判别和处理。文中，以家庭保安系统为背景，着重论述了它如何实 现这个功能的关键技术：图像检测。文章以最简单、最实用、能最快实现和满 足现实项目功能需求为出发点，依据图像处理技术中的帧差法，提出了一种进 行图像检测分析的方法，并予以了设计和实现。 d i r e c t s h o w 是微软公司在a c t i v e m o i v e 和v f w 的基础上推出的新一代基于 c o m 的多媒体开发包，它主要负责在i n t e r n e t 网上视频和音频流的捕捉和回放。 它支持多线程多任务，采用组件对象模型c o m ，并支持宽松的格式变化，包括 各种多媒体音视频格式( a s f ，a v i ，m p e g 等) 。d i r e c t s h o w 是一种优秀的多媒体 a p i 集合。使用它，可以在w i n d o w s 平台上通过应用程序隔离数据传输的复杂 性，硬件设备的差异，以及媒体同步等问题，软件开发者只需要按照统一的 d i r e c t s h o wc o m 接口来编写应用程序，而不必关心诸如具体使用哪种硬件设备 及配置等问题。极大的简化和方便了编程人员的工作量。“1 以d i r e c t s h o w 编程技术和图像检测方法为基础，从家庭保安系统出发点， 2 广东工业大学工学硕士学位论文 本文做了一定的研究。想以此为起开始点，为日后的进一步的图像分析研究打 下基础。 1 2 国内外研究现状 基于图像检测的家庭保安系统作为数字视频监控系统中的一个典型应用， 它具备了数字视频监控系统中的基本特点。又因为它是基于图像图像检测的， 所以它的报警功能又涉及到运动图像分析的处理方法。下面就家庭保安系统涉 及到的背景，分析方法，编程模型等的研究现状进行概述。 ( 一) 。视频监控系统发展现状1 视频监控系统是门集数字视频，通信技术，网络技术和图像处理技术于 一体的综合性系统。它以直观，方便，有效等特性被广泛用于交通，银行，金 融，电力，智能小区等场所。 视频监控系统的发展大概可以分为三个阶段： ( 1 ) 。本地模拟视频监控： 从摄像机，电视机出现的那天起，原始的视频监控系统就已诞生。它被广 泛应用于保安，生产管理等场合。本地视频监控系统主要由摄像机，视频矩阵， 监控器，录像机等组成，由视频线，控制线缆等连接。 本地视频监控系统一般采用模拟方式传输，采用视频电缆( 少数采用光纤) ， 传输距离不能太远，主要应用于小范围的监控，如大楼监控等。监控图像一般 只能在监控中心查看。而且模拟视频监控系统有很大的缺陷： 1 监控范围有限。由于模拟线路不可能太长，所有信号传输距离有限 且无法联网，仅局限于同一建筑物或工厂内。 2 模拟信号占用通讯线路较大，而且开放性较差。 3 监控质量不高。由于模拟信号很容易受干扰，所以监控图像质量不 好 4 维护管理复杂。没有良好的用户操作界面，非专业人员无法正常操 作。 5 成本较高。对于每个监控中心都需要配置一套监控设备，而且信息 的存储方式是利用录像带，磁带等设备，这些设备的成本较高 第一章绪论 由于存在以上的缺点，所有传统的模拟视频监控系统已经远远不能满足越 来越高的生产和管理监控的需求。 ( 2 ) 。基于p c 的视频监控系统 随着计算机网络开始普及并得到迅猛发展，视频技术的发展也日新月异， 这些技术的发展特别是视频压缩技术的出现和发展，使数字视频的存储和传输 成为可能。计算机技术的日益成熟，微机的普及化，也为基于p c 的视频监控创 造了条件。 基于p c 的视频监控系统是先将摄像头采集的模拟视频信号转化为数字信 号，利用专用压缩卡对数字信号进行压缩处理后，通过网络传输给作为监控终 端的p c 机，监控终端p c 机利用专用解压卡对数据进行解压后，就能够重现远 端的图像。 数字信号的传输可靠性较高，且数字化的视频流数据可以通过各种方式被 连接在网络上的计算机共享。所以与模拟视频监控相比基于p c 的视频监控系统 具有：传送距离远，图像质量好，数据保存成本低等特点。而且监控人员无需 在现场就可以对监控现场进行实时监控，大大提高了监控工作的效率和灵活性。 因此基于p c 的视频系统，自出现后，得到广泛的应用，占据了监控系统的主要 市场并逐步取代模拟监控系统。 但是基于p c 的视频监控系统还存在很多问题： 1 体积大，功耗高。由于需要利用专用压缩，解压卡对视频信号进彳亍压缩 和解压缩处理，所以使监控系统体积较大，功耗较高。 2 监控现场需要专人值守，维护繁琐。 3 实时性不高和稳定性较高 4 成本较高 5 可扩展性差，采用专用的压缩卡和解压缩卡对视频数据进行压缩和解 压，只能支持一种编码格式，无法提供其他编码方式的支持。 ( 3 ) 。基于嵌入式技术的网络化视频监控系统 基于嵌入式技术的网络化视频监控系统主要原理是：在监控现场采用嵌入 式技术。摄像机传送来的视频信号和麦克风采集的音频信号数字化后由高效压 缩芯片压缩，通过组播方式传送到网络上。网络上用户可以直接用监控终端软 件收看监控现场的图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统 4 广东工业大学工学硕士学位论文 配置进行操作。 在监控现场利用嵌入式技术，采用专用技术和实时操作系统，有效地提高 了系统的实时性和稳定性。而且把视频压缩和网络传输功能集成到一个体积很 小的设备内，可以直接连入以太网，达到即插即用，省掉各种复杂的电缆，安 装方便( 仅需设置一个i p 地址) ，无需专人值守。 在监控终端，远程监控人员只需要拥有台安装了监控终端软件的p c 机。 无需安装特殊的硬件设备，就可以在世界的任何一个地方，对监控现场进行实 时远程监控。这样就大大降低了系统的成本，极大地方便了整个监控系统的维 护和操作。 虽然基于嵌入式技术的网络化视频监控系统有其特点和优势，可是随着p c 机硬件的普及和廉价， 它并不能取代基于p c 的视频监控系统。因为基于p c 的视频监控系统能提高功能强大的各种各样的功能。现在，基于嵌入式技术的 网络化视频监控系统也只是正在发展当中，也没有基于p c 的视频监控系统成熟 和廉价。因此，当前的视频监控主流还是基于p c 的视频监控系统。目前，关于 就是是采用基于p c 的视频监控系统还是基于嵌入式技术的网络化视频监控系 统存在很大的争论，事实上，它们各有特点，适用场所不同。 ( 二) 。编程方法发展现状“1 基于p c 的数字视频监控系统普遍采用的是w i n d o w s 操作系统，因此，在 w i n d o w s 平台上有其特定的编程框架。一般来说，构造监控系统可以通过直接 调用w i n d o w s 底层的a p i 函数，如g d i 等实现：也可以通过微软的开发包d i r e c t x 进行实现：或者是采用第三方厂商提供的开发包软件。随着d i r e c t x 的成熟发 展，现在对视频监控进行开发的潮流是实用d i r e c t x ，特别是包含在其中的 d i r e c t s h o w 技术。 m c i 是微软为w i n d o w s 最初提出的多媒体编程接口，随着多媒体技术的迅 速发展，各种压缩算法在该领域的应用，m c i 技术越来越显得力不从心，最明 显的是它不支持可变比特率的压缩算法，对于处理i ) v d ，m p 3 ，舻e g 4 等近年来 的多种新的媒体格式已无能为力。 作为m c i 的接班人，微软又适时退出了建立在d i r e c t x 之上的d i r e c t s h o w 技术。它是在d i r e c t x 上的媒体层，支持本地或网络的各种视频，音频格式的 媒体文件的解码和回放，可以从设备上捕捉多媒体流，也可以处理各种压缩算 5 第一章绪论 法处理的流媒体。这些格式包括：a v i ，a s f 等等。 d i r e c t s h o w 支持使用1 1 | f d m 设备进行视频音频的捕获，同时它兼容早期的v f w 设备。v f w 是一种趋于废弃的驱动模型，它的替代模型是w d m 。w d m 支持更多新 的特性，比如直接支持电视接收，视频会议，1 3 9 4 接口的设备等等。 d i r e c t s h o w 是建立在d i r e c t x 媒体层上的技术，其的前身是a c i t v e m o v i e 2 。 0 。它基于c o m ，以一组a p i 函数或a c t i v e 控件出现，用途是让开发者能够在 网络上传输高质量的音视频信号。d i r e c t s h o w 提供了一个开放式的环境，开发 者可以根据自己的需要定制组件。 ( 三) 。图像检测发展现状1 图像中的运动检测的目的是从序列图像中将变化区域提取出来。运动区域 的有效分割对于目标分类，跟踪和行为理解等后期处理非常重要，然而，由于 背景的动态变化，如天气，光照，影子及混乱干扰等的影响，使得运动检测成 为一项相当困难的工作。 常用的运动目标检测算法有帧差法，背景相减法，光流法等。其中帧差法 是将前后2 帧或3 帧图像相减，若差值大于某一阀值，就判断出现运动目标， 并报警。帧差法对于动态环境具有较强的自适应性，鲁棒性好，能够适应各种 动态环境，但一般不能完全提取出所有相关的特征象素点，这样在运动实体内 容易产生空洞现象。背景相减法是利用当前图像和背景图像的差分来检测运动 区域的一种技术。它将每一帧图像与事先存储的背景图像相减，若差值大于某 一阀值，就判别为出现了运动目标，且相减的结果直接给出目标的位置，大小， 形状等信息。这种方法对光照环境条件非常敏感，容易产生报警。光流法通过 对视频图像光流长的分析，可以在摄像机运动的情况下检测出运动目标，但计 算复杂，实时性较差。基于光流方法的运动检测采用了运动目标随时间变化的 光流特性，从而能有效地提取和跟踪运动目标。该方法的优点是在摄像机运动 存在的前提下也能检测出独立的运动目标。但大多数光流法计算机方法相当复 杂，且抗噪性能差，如果没有特别的硬件设备则不能被应用于全帧视频流的处 理。 ( 三) 。家庭监控发展现状 就目前而言，基于家庭监控的系统不多，而且大多数价格昂贵，维护和管 理都相对复杂。现在的家庭监控的概念也只停留在整个小区的视频监控的大范 6 广东工业大学工学硕士学位论文 围上。虽然智能家居网的概念近年来非常热，可是，它仍在研究与发展当中， 它与监控系统的一体化结合也是在研究与发展当中。 事实上，随着p c 机在家庭中的普及，如何充分利用家庭内的p c 机和连接 的互联网，架设一个有效，实用，廉价的家庭监控保安系统是具有很大的现实 意义的。就日前而言，市场上基本上没有这种类似的产品。本文就是出于现实 需要提出了一个基于图像检测的家庭保安系统。家庭中只需要增加一个或多个 摄像头，通过已连接的互联网，就能实现行之有效的可以报警的保安防护系统。 小区监控中心的投入也相当低廉，只要一台性能较强的p c 服务器和高速接入互 联网，就可以了。小区监控中心的建设对于提高小区管理商的服务水平具有相 当大的意义，而且费用低廉。即使家庭没有连接互联网，它也可以通过摄像头 监控，将报警信息通过手机短信发给户主，这样，也达到了保护家庭居室安全 的效果。 1 3 研究的目的，内容和意义 研究目的：随着经济的发展，信息技术的进步，人们对家庭环境必然提出 越来越高的要求，其中，作为安防系统中的一个重要组成部分，数字视频监控 系统会在家庭中扮演越来越重要的角色。本文的目的就是应家庭需求，设计出 一个以数字视频监控系统基本原理为依据的基于图像检测的家庭保安系统，并 就其中的报警功能和快速搜索录像文件功能的设计的方法做出一定的应用研 究。 研究内容：论文对家庭保安系统的做了需求分析，对家庭保安系统进行了 设计研究。并就如何使用d i r e c t s h o w 技术进行数字视频监控系统开发做了一定 的论述。同时，本文对如何应用运动图像检测方法进行分析和设计做了论述。 文中还详细论述了如何将d i r e c t s h o w 技术和图像检测方法进行结合，实现报警 功能和快速搜索录像文件功能的设计方法。 研究意义：通过家庭保安系统中摄像头对视频图像的采集和实时分析，论 文设计和实现了用图像检测方法进行报警的功能，并且，使用图像检测方法， 生成了对长期录像视频进行快速搜索的功能。报警功能通过手机短信及时发送 异常事件给户主和其他相关安全人员，进一步加强了家庭居室的安防，并丰富 7 第一章绪论 了家庭内部使用视频监控系统的需求。快速搜索功能解决了当前数字视频监控 大多数系统中只能根据时间点或者特定事件进行搜索的不足，增强了数字视频 监控的功能，方便了用户使用数字视频监控系统，提高了对突发事件进行取证 的效率。 1 4 研究的创新性 本文的创新性主要体现在以下三个方面： 1 。基于建设家庭安防系统的需求为出发点，设计了一种廉价，实用的家庭 保安系统。详细描述了此系统的需求分析和系统设计。 2 。将家庭保安系统的特点和图像分析中的帧差法相结合，提出了一种图像 检测方法，此方法作为家庭保安系统报警和快速搜索的依据。 3 。论述了基于d i r e c t s h o w 技术进行音视频软件开发的一般方法，并通过 将家庭保安系统中的图像检测方法封装到d i r e c t s h o w 中的过滤器为例，论证和 实现了用d i r e c t s h o w 进行编程的简易性和高效性。 1 5 论文内容组织 家庭保安系统将成为家庭安防建设中的重要组成部分。本文围绕着如何进 行家庭保安系统的设计，如何应用在w i n d o w s 平台上进行快速开发的 d i r e c t s h o w 技术进行系统实现，如何运用图像检测方法对家庭保安系统中的报 警功能进行实现这三个问题进行了详细的论述。 论文首先介绍课题来源，国内外研究现状，研究目的，意义，内容以及创 新点之后，在论文的第二章论述了d i r e c t s h o w 技术体系的基本原理和实现方 法，它是对家庭保安系统进行详细设计和实现的技术基础和技术框架。此章节 分别阐述了d i r e c t s h o w 编程基础，d i r e c t s h o w 编程分析，过滤器图的定制应 用和过滤器高级应用，视频和音频捕捉。 第三章论述了家庭保安系统的需求分析。详细描述了系统应该具有的各种 功能。其中包括两部分：家庭监控端的本地视频管理。报警管理，系统管理， 远程监控：小区监控中心的视频管理，系统管理，报警管理。 广东工业大学工学硕士学位论文 第四章论述了家庭保安系统的系统设计。本章基于系统的需求分析，讨论 了系统中的网络拓扑，系统结构，硬件组成，运行环境，软件组成的设计思想。 第五章论述了图像检测的方法。它作为系统报警的基础，文中从检测构想， 原始图像帧的提取，图像帧的分割与灰度化，图像帧运动特征的分析四个方面 进行了详细论述。 第六章论述了如何使用d i r e c t s h o w 中的过滤器对报警和搜索功能进行设 计的方法。 第七章就家庭保安系统的改迸与展望进行了一定的探讨述。它就运动检测 的不足与改进，家庭保安系统的改进和应用前景进行论述。 文中最后是结论，总结了本文所做的工作以及今后该继续探讨和研究的内 容。 9 第二章d i r e e t s h o w 技术体系【1 1 第二章d ir e c t s h o w 技术体系n 1 2 1d ir e c t s h o w 编程基础 微软d i r e c t s h o w 应用编程接口( a p i ) 是微软窗n 平台上的流式媒体体系 结构。使用d i r e c t s h o w ，你的可以编写高质量的视频、音频回放和捕捉应 用程序。 一、 过滤器图 在d i r e c t s h o w 技术体系里面，最基本的构成单位我们称之为“过滤器”， 每个过滤器通常完成对媒体流的单一操作，例如： 读取文件过滤器。 从视频采集设备获得视频流的过滤器。 把一个压缩的视频流解码的过滤器。 将数据输出到显卡或声卡的过滤器。 每个过滤器可以接收数据输入和产生数据输出，例如一个m p e g l 的解码过 滤器，它接收m p e g - 1 的压缩数据之后，产生没有压缩的r g b 视频流。为了 完成一定的功能，一个应用程序使用多个过滤器并且把它们连接起来，那么 这样连接好的一个过滤器集我们称之为“过滤器图”。如下图，就是一个播 放a v i 文件的“过滤器图”： 图2 一l 播放a v i 的过滤器图示例图 广东工业大学工学硕士学位论文 我们在应用程序里没有必要自己来管理这些过滤器，在d i r e c t s h o w 的 技术体系里，有一一个组件叫做“过滤器图管理器”，过滤器图管理器控制 着整个媒体播放的过程，控制着媒体数据在各个过滤器之间的流转。在应 用程序里，只需要调用一些高级的a p i 方法就可以控制媒体流的播放了， 例如“r u n ”( 开始播放媒体) 或者“s t o p ”( 停止播放媒体) 等。假如你需 要进一步对媒体流的控制，你可以通过访问过滤器的c o m 接口。过滤器图 管理器还可以设置响应事件，例如媒体播放完毕了等。 另外，过滤器图管理器还可以自动的根据媒体类型等条件自动生成过 滤器图，例如播放m p e g 文件，你只需要指定文件名称，过滤器图管理器 可以自动的寻找系统的m p e g 解码过滤器并且连接它们，生成一个过滤器图 来播放文件。 二、d i r e c t s h o w 的应用程序 一个典型的d i r e c t s h o w 应用程序一般通过以下三个步骤： 图2 2 典型d i r e c t s h o w 应用程序步骤图 1 、通过c o c r e a t e i n s t a n c e 函数建立一个过滤器图管理器实例。 2 、通过过滤器图管理器建立过滤器图。 3 、控制过滤器图和响应事件。 三、编程环境 l 、头文件：d s h o w h 2 、库文件： s t r m i i d s 1 i b ：导出类的标识器( c l s i d s ) 和接口的标识器( 1 i d s ) 。所 有d i r e c t s h o w 应用程序需要此库文件。 q u a r t z 1 i b ：导出a m g e t e r r o r t e x t 函数。如果你不需要调用此函数， 1 1 第二章d i m c t s h o w 技术体系【1 】 则不需要此库文件。 s t r m b a s e 1 i b ：只要你使用了d i r e c t s h o w 的b a s ec l a s s e s ，就需要。 2 2d ir e c t s h o w 编程分析 一、 过滤器图管理器的主要接口 过滤器图管理器通过很多的接口来完成各种各样的媒体控制功能，它主要 有以下接口： 接口名称说明 i b a s i c a u d i o 控制媒体中的音频。 i g r a p h b u il d e r过滤器图管理器实现的接口。 i m e d i a c o n t r o l 控制媒体的播放、暂停、停止等。 i m e d i a e v e n t e x 使应用程序可以响应媒体消息。 i 矗耋e d i a s e e k i n g遍历媒体。 i v i d e o w i n d o w 控制媒体播放视频窗口。 i v i d e o f r a m e s t e p 单帧遍历媒体。 表2 - 1 过滤器图的媒体控制接口 上面所列的接口是编写d l r e c t s h o w 应用程序最常用的接口，下面我们详细 介绍一下i g r a p h b u i l d e r 、i m e d i a c o n t r o l 两个接口： 1 、i g r a p h b u i l d e r 接口是过滤器图管理器的实现接口，它负责管理整个过 滤器图，包括添加过滤器、删除过滤器、连接过滤器等。在应用程序里， 通过c o c r e a t e i n s t a n c e 函数来建立此接口： i g r a p h b u i l d e r 却g b ： c o c r e a t e i n s t a n c e ( c l s i d _ f i l t e r g r a p h ，呲c l s c t xi i t r o cs e r v e r ，i i d _ i g r a p h b u i l d e r ， ( v o i d # ) p 6 b ) ： 同时，也可以通过i g r a p h b u i l d e r 接口来获得过滤器图管理器的其他接 口： i n e d i a c o n t r o l * p m e d i a c o n t r o l ： p g b - o u e r y i n t e r f a c e ( i i d _ d l e d i a c o n t r o l ，( v o i d * * ) & p m e d i a c o n t r 0 1 ) ； 这样子，就可以通过其他的接口来进行控制整个过滤器图了。 广东工业大学工学硕士学位论文 i g r a p h b u il d e r 提供了几个方法来建立过滤器图，经常使用的有 添加一个过滤器到过滤器图里，并且为过滤器指定 a d d f i i t e r 一个名字 r e m o v e f i1 t e r 从过滤器图里删除过滤器 c o n n e c t 连接两个过滤器的p i n r e n d e r 通过指定过滤器的某个p i n 建立完整的过滤器图 r e n d e r f il e 通过指定一个媒体文件名称来建立一个过滤器图 a d d s o u r c e f ilt e r 增加一个源过滤器并且指定装载那个文件 a b o r t 取消当前的媒体任务 表2 2i g r a p h b u i l d e r 接口的常用方法 2 、i m e d i a c o n t r o l 接口，这个接口主要是提供一些方法来控制媒体的播 放 r u n 运行过滤器图( 即播放媒体) p a u s e 暂停过滤器图。( 即暂停播放媒体) s t o p 停止过滤器图。( 即停止播放媒体) g e t s t a t e 获取当前媒体状态 表2 - 3i m e i d a c o n t r o l 接口的常用方法 二、过滤器 过滤器是d i r e c t s h o w 里最基本的构成单位，d i r e c t s h o w 把媒体流拆分为 不同的处理过程，每个过滤器处理着不同的过程，这让应用程序更好的混 合处理不同类型的媒体的播放，和处理不同的媒体硬件设备，例如，“a s y n c f i l es o u r c ef i l t e r ”过滤器负责读取磁盘上的文件，“t vt u n e rf i i t e r ” 过滤器负责改变电视卡上的频道，“m p e g 一2s p l i t t e r ”过滤器负责把m p e g 流拆分为音频流和视频流等，所有的过滤器在过滤器图里都充当不同的角 色。而且，每个过滤器都有着相同特点，都支持i b a s e f i l t e r 接口，都有 一个或者多个的p i n 来连接其他的过滤器。综上所述，我们可以把过滤器 分为三种类型： l 、源过滤器。源过滤器是过滤器图里面媒体数据的来源，源过滤器的 数据来源可能是读取硬盘文件( 例如“h s y n cf i l t e r s o u r c e 第二章d i r c c t s h o w 技术体系【1 】 f i l t e r ) ，或者是从电视接收卡、或者从视频采集卡、或者从c d 或 d v d 驱动器等取得媒体数据( 以上的源过滤器已经包含在w i n d o w s 9 8 和w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 里面了) 。源过滤器将数据传输给下一 级的过滤器，让下一级的过滤器来进行对数据分析。 2 、传输过滤器( 中间过滤器) 。 传输过滤器不但可以从源过滤器获取数据，也有可能从其他的传输 过滤器接收过滤器。在一个媒体流链路里，只能有一个源过滤器， 但是有可能有多个传输过滤器。例如播放m p e g 文件，首先要经过 s p l i t t e r 过滤器( 传输过滤器) 把m p e g 流分解为音频和视频部分， 再通过视频和音频解码过滤器( 传输过滤器) 进行解码，最后才播 放出来。传输过滤器一般的功能为分解、编码、解码、效果等方面 的功能 3 、渲染过滤器。渲染过滤器也叫做目的过滤器，即是媒体数据最终将 到达的过滤器，一般渲染过滤器的功能主要有：视频播放( 在屏幕 上显示出来) 、音频播放( 通过声卡播出声音) 、写文件、网络传输 等方面。 可以看出，过滤器可以完成不同的工作，包括播放、媒体转换，格式转 换等方面。同时开发者还可以自己开发自己的过滤器来实现一些特殊的 功能。 三、 控制视频回放窗口 控制视频回放窗口主要是通过i v i d e o w i n d o w 接口来完成的， i v i d e o w i n d o w 接口主要有以下方法：p u tw i n d o w s t y l e ， g e t _ w i n d o w s t y