（模式识别与智能系统专业论文）机场视频监控系统中的目标识别算法研究.pdf

中国民航大学硕十学位论文 摘要 本课题主要针对机场停机坪研究了无线视频监控系统。通过前端图像采集和运动目 标提取，将提取目标图像无线传输至上位机，在上位机进行目标的自动识别，实现了目 标识别算法在机场监控系统中的合理应用。 本论文介绍了视频监控系统的发展过程，设计了基于d s p 平台的无线视频监控系统 的基本框架。在数字图像处理知识基础上，分析比较了光流场法，背景减法，时间差分 法等目标提取方法的应用特点，选取了不同环境下合适的目标检测算法，并且根据机场 具体特点进行了算法的改进。最终，确定了所研究的特定应用情况下满足要求的较为理 想的算法。对于图像传输问题，根据监控目标的背景相对稳定性，在图像分割和数据融 合理论基础上，采用了合理的传输策略，大大减少图像数据的传输量，增强了系统实时 性。对于上位机接收到的视频信号进行图像处理分析，开发了数字图像处理程序，实现 了本文所需的图像调整、二值化、滤波、边缘检测等处理流程。以机场跑道、飞机的识 别为例，对部分识别算法进行了仿真，并进一步探讨了其他识别算法。 以进入背景飞机的机型识别为例，证明该方法可有效的识别运动物体的外形特征， 识别检视范围的异物闯入，可有效对抗阴影、遮挡等干扰，具有很好的稳健性。该方法 可用于机场停机坪无线监控系统的智能识别。 关键词：视频监控，图像处理，运动检测，目标识别 中国民航大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti sa i m e da tw i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma b o u ta i r p o r ta p r o na r e a f i r s t l y ，t h ef r o n t e n di m a g e i sa c q u i s i t i o n e da n dm o v i n gt a r g e t si se x t r a c t e d ，t h e nt h ei m a g ei s t r a n s m i t t e dt ot h eu p p e rm o n i t o r ，w h e r et h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nc a r r i e d ，f i n a l l y ，t h e a p p l i c a t i o no fr e c o g n i t i o na l g o r i t h mi na i r p o r ts u r v e i l l a n c es y s t e mi sc a r r i e do u t i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h es y s t e mo fv i d e os u p e r v i s i o ni si n t r o d u c e d a n dt h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ev i d e os u p e r v i s i o nb a s e do nd s pi sd e s i g n e d o nab a s eo ft h e k n o w l e d g eo fn u m e r i c a li m a g ep r o c e s s i n g ，t h em e t h o do fe x t r a c t i o no b j e c ts u c ha st h el o wo f o p t i c a lf l o wf i e l d 、b a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na l g o r i t h ma n dt e m p o r a ld i f f e r e n c e sm e t h o da r e c o m p a r e d a c c o r d i n gt ov a r i o u se n v i r o n m e n t s ，t h ea d a p t i v em e t h o di ss e l e c t e da n dw a s i m p r o v e do ni na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i cc o n d i t i o no ft h ea i r p o r t f i n a l l y ，t h ei d e a l a l g o r i t h mi sc o n f i r m e du n d e rv a r i o u sc i r c u m s t a n c e s d e l i v e rap r o b l e mt ot h ep i c t u r e ， a c c o r d i n gt ot h eo p p o s i t es t a b i l i t yo ft h eb a c k g r o u n do ft h es u p e r v i s i o nt a r g e t ，b a s e do nt h e t h e o r yo fi m a g ep a r t i t i o na n dd a t af u s i o n ，an e wt r a n s m i ts t r a t e g yi sp u tf o r w a r d t h u s ，t h e b a n d w i d t hi ss a v e da n dt h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ef o rt h es y s t e mw a sb o o s tu p a f t e r a n a l y z i n gt h ep r o c e s s i n ga b o u tt h ei m a g ef r o mu p p e rm o n i t o r ，t h ep r o g r a mo fd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gi sd e v e l o p e d ，a n dm a n yi m a g ep r o c e s s e ss u c ha si m a g ea d d u c t i o n ，i m a g e l i n e a r i z a t i o n ，f i l t e ra n de d g ed e t e c t i o na r er e a l i z e d f i n a l l y ，t a k et h ea i r c r a f tr e c o g n i t i o nf o r i n s t a n c e ，t h ev i d e os i g n a lf r o mu p p e rm o n i t o rw a sr e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t i n gt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec u r r e n tr e c o g n i t i o ns y s t e m a r eg i v e n t h es y s t e mp r o v i d e sag o o dp e r f o r m a n c ei na i r c r a f tr e c o g n i t i o na n do f f e r sb e t t e r r o b u s t n e s sa g a i n s tc l u t t e r ，s h a d o w s ，s e l f - o c c l u s i o na n d p o o ri m a g eq u a l i t y k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，m o v e m e n td e t e c t i o n ，o b j e c tv a l i d a t i o n l i 中国民航大学硕士学位论文 中国民航大学学位论文独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致i 身十的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国民航大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的仟何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究牛签名： 蝉 中国民航大学学位论文使用授权声明 中国民航大学、中国科学技术信息研究所、国家图节馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电了文档，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论文。本人 电予文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被奄阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 十u 登) 授权中国民航大学研究牛部办理。 研究牛签名：她导师签名：j 性日期：么星丝苎 中国民航大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 机场飞机安全警卫工作是场站管理工作的一项重要内容，警卫人员流动值班容易形 成监控死角和时间上的不连续性，而常规有线监控系统受专属布线制约，功耗大，成本 高，也不利于灵活调整监控点，同时p c 机须专人看管，增加了人力消耗和人员疲惫风 险。 随着信息化时代的到来，计算机网络技术，图像处理技术与通信技术飞速发展，极 大的推动了监控技术的不断发展与更新。视频监控系统是根据某种特定的使用目的和应 用条件，由视频采集、视频处理、视频传输、视频管理和系统控制等相关电子设备和传 输介质组成的一个有机整体。 在机场集体停机坪安装一套无线智能视频监控系统，不仅能消除因警卫人员流动值 班所形成的死角和时间上的不连续性，同时智能识别系统也也能让主管部门及时了解停 机坪飞机状况。 1 2 视频监控系统发展过程 视频监控系统的发展大致经历了三个发展阶段：本地模拟监控系统、基于p c 的视 频监控系统和基于w e b 服务器的远程视频监控系统。 l 、本地模拟监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初及以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第 一代模拟视频监控系统。图像信息采用视频电缆，以模拟方式传输，一般传输距离不能 太远，主要应用于小范围内的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。典型的模拟视 频监控系统一般由图像摄像、图像传输、系统控制和显示记录四大部分组成，利用模拟 视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，采用视频矩阵主机，采用键盘进行切换和 控制，采用带磁带的录像机进行录像，采用模拟光纤进行远程图像传输。传统的模拟视 频监控系统具有很多局限性：有线模拟视频信号的直接传输距离有限，这就决定了模 拟视频监控知识和小范围场所使用；布线工程量大，系统的扩展能力差，对于已经建 好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身；模拟视频信号的存储会耗 费大量的存储介质( 如录像带) ，加上采用模拟信号方式记录读取，失真严重，重放的音 像质量远不能满足现场的要求，查询取证时也十分繁琐。 2 、基于p c 的视频监控系统 2 0 世纪9 0 年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频压缩编码技术的发展，人 中国民航大学硕士学位论文 们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，从而大大提高了图像质量， 增强了视频监控的功能。这种基于多媒体计算机的系统称为第二代视频监控系统，即模 拟输入与数字压缩、显示和控制系统。因为核心设备是数字设备，因此可以称为数字视 频监控系统。系统在远端有若干个摄像机、各种监测和报警探头以及数据设备，用于获 取图像信息，然后通过各自的传输线路汇接到多媒体监控终端上，再通过通信网络将这 些信息传到一个或多个监控中心。这类监控系统的优点是：功能较强、可以进行大容量 的本地存储、便于现场操作。缺点是系统结构复杂，视频前端( 如c c d 等视频信号的采 集、压缩、通信) 较为复杂，系统使用专用通讯线路，功耗高，费用高，需要有多人值 守，软件的开放性也不好，而且传输距离明显受限。p c 机也需专人管理，特别是在环 境或空间不适宜的监控点，这种方式不理想。 3 、基于w 曲服务器的远程视频监控系统 到了2 0 世纪9 0 年代末特别是近年以来，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容 量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网 络时代，称为第三代视频监控系统，即网络数字视频监控系统。其丰要原理是：视频服务 器内置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时操作系统，摄像机等传感器送来的视频 信息，由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务器。网络上用户可 以直接用浏览器观看w e b 服务器上的图像信息，授权用户还可以控制传感器的图像获 取方式。这类系统可以直接连入以太网，省掉了各种复杂的电缆，既方便又灵活。 数字化视频监控系统的优点是克服了模拟视频监控系统的局限性：数字化视频可 以在计算机网络上传输图像数据，基本上不受距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提 高图像品质和稳定性；数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无需重复 布线；数字化存储使得经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查 询十分简便快捷。 基于嵌入式技术的网络数字监控系统不需处理模拟视频信号的p c ，而是把摄像机 输出的视频信号通过专用的视频解码芯片直接转换为数字信号。嵌入式视频监控系统具 备视频编解码处理、网络通信、自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管 理，使得监控范围达到前所未有的广度。 1 3 机场监控系统现状 二十一世纪，随着全球经济发展和工业化、城市化进程的逐步深入，中国民航事业 发展迅猛，客货运量的不断增长，使得机场面临着巨大的发展机遇和挑战。国内外航线 数量和航班的密度稳步提高，机场进行了大规模的扩建与新建，但同时，重要城市的机 场资源依然十分紧缺，航班准点、服务质量、安全防护难以得到有效保障。 安全是机场发展的重中之重，指挥调度系统能够确保机场工作的有序高效进行。机 场一般由运行监控指挥中心、主跑道、航站楼、航管中心、货运中心、消防中心、汽车 2 中国民航大学硕士学位论文 库、航空食品厂、物业楼、边检楼、公安安检楼和海关等多单位及各自管辖的区域所组 成，各个单位对于机场各区域的管理既有自立、又有交叉。目前机场具备功能强大的信 息化管理平台和网络密集的视频监控系统，由运行监控中心进行实时监控和指挥。 机场网络视频监控系统完成对视频信号的处理、传输、控制，其核心乃是对基于m 网络的多媒体信息( 视频音频数据) 提供一个综合、完备的管理控制平台，其构成体 系是由前端采集设备( 各类摄像机) + 编码压缩设备( d v s d v r ) 构成前端设备，由解码设备 + 监控客户端组成后端设备，还可配备录像服务器、报警主机、报警传感器、电视墙等 设备使得监控功能更加完善。此种模式的视频监控系统存在集成化、智能化程度不高的 问题，一方面，原有监控系统管理相对独立，不能与其他系统，例如指挥调度系统、视 频会议系统有效融合，因此不能实现集成化统一管理；另一方面，原有监控系统缺少智 能化因素，过多的依赖于人的实时观察，而一些图像智能分析系统，如生物识别f 人脸 识别、指纹识别) 、视频跟踪等与原有监控系统未能进行有效融和，未能形成统一的智 能化监控系统。 1 4 本文工作 研究的主要内容包括： 1 设计了基于d s p 平台的视频采集和图像处理前端结构。、 2 研究了时间差分法、背景减法、光流场法等各种目标提取的方法，并对各种方 法的优缺点和适用场合进行了对比分析，最后根据机场停机坪的特殊环境对目标提取算 法做出了部分改进。 3 在m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 5 环境下进行了图像处理的程序开发，实现了图像 的基本修正，如图像的色调、饱和度、亮度、对比度等的调整；图像二值化；分别用中 值、恒值、j i t t e r 三种算法进行滤波；用差分边缘算子、h o m o g e n i t y 算子、s o b e l 算子进 行边缘检测。 4 以飞机识别为例进行了部分模式识别算法m a t l a b 仿真，通过对目标识别方法 研究，以边界仿射不变量法运用特征提取和神经网络的方法对机场跑道进行了识别。 3 中国民航大学硕士学位论文 2 1 设计思路 第二章远程视频监控基本结构 传统数字视频监控系统是通过图像采集卡将模拟摄像机传输过来的模拟视频图像转 换成数字视频图像的，因此数字视频的采集是数字视频监控系统中的关键技术。但是大 多数的数字视频采集卡都是基于p c 机技术的，这样就限制了视频采集的局限性和移动 性。随着d s p 技术和嵌入式技术的发展，可以用性价比高的d s p 芯片代替传统的p c 机，来控制整个系统的工作和完成图像探测功能。 硬件设计时以d s p 系统为核心设计，在d s p 的外部设备接口上设计出视频信号编 码模块，视频信号压缩模块，数据存储模块。考虑到无线网络有限的带宽，在系统工作 时用a r m 来协调各个模块之间的工作关系，并且用d s p 来完成运动检测算法。本文采 取了一种新型传输策略，将运动目标传输至上位机，在服务器对所检测到的目标进行模 式识别，从而得出最终识别结果。 本系统前端结构设计原理图如图2 1 。 厂习厢l 下一 i 本地存储l 摄像头h 跫黧篙hx c c p 吲l d h 刑s 揣删2h a r m 型同瓣 蓝牙模块 以太网接口 图2 - 1 系统前端结构设计原理图 本文中设计的系统是一个基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的嵌入式通用视频监控系统，具有多 个扩展接口，可以根据实际需求和使用环境灵活地选用适合的接口进行操作，能够实现 实时多路视频采集，并支持复杂的音频视频压缩算法，可以2 4 小时不间断进行有声视 频的采集、图像识别、回放与存储。综合起来本系统具有以下一些功能： 1 视频采集：最多同时支持4 路n t s c p a l 制式的复合视频接口或s 一端子输入 ( y c 模拟视频) 2 视频回放：支持1 路n t s c p a l 制式的复合视频接口或s 端子输出。 3 内存扩展：使用3 2 m b 的同步动态存储器s d r a m 作为系统内存，可以存储多 达2 5 帧b t 6 0 1 格式的数字视频图像；使用4 m b 的异步f l a s h 存储器，存储 应用程序以及掉电后仍需保存的用户数据，具有自启动功能。 4 1 0 l o o m 以太网：实现网络传输和异地存储功能，也可以通过网络对 4 中国民航大学硕士学位论文 f l a s h 中存储的用户程序进行升级。 5 i d e 硬盘本地存储：在无网络无主机的环境下，可以使用i d e 硬盘保存处理后 生成的海量数据，便于日后查阅相关视频数据。 6 双u a r t 功能：使用了2 路标准的r s 2 3 2 串口，便于实现系统与主机之间的 通信和控制，另外还可以通过此端口扩展其他功能，如g p r s 模块和c d m a 模块等。 7 逻辑电路控制：使用c p l d 设计系统中的逻辑控制电路。 8 1 4 p i n 的标准j t a g ：用于仿真和调试程序以及程序下载。 2 2 视频采集模块 该模块包括摄像头、视频解码器、控制逻辑c p l d 和f i f o 等。摄像头输入的模 拟视频信号由视频解码器转换为y u v4 ：2 ：2 数字信号，并产生各种同步信号，供 c p l d 控制逻辑使用；c p l d 主要完成时序控制功能，根据s a a 7 1 1 4 输出的v p o 总 线同步信号，控制输出的数字视频信号写入到f i f o ；当f i f o 中满一场图像数据，向 d s p 发出中断信号( 奇数场和偶数场的中断是不同的) ，通知其读取f i f o 中的图像数 据。 视频图像的摄取通过c m o s 摄像机来完成，这种器件的最大优势在于它与d s p 等 其他器件的亲和性，这是c c d 摄像机无法比拟的。 核心器件选用p h i l i p ss e i l l i c o n d u c t o r s 公司的解码芯片s a a 7 1 1 4 1 1 ，该芯片采用 l q f p l 0 0 封装，是一个带有自适应梳状滤波器、场消隐数据解码器和高性能归一化定 标器的视频解码器。它具有一个2 通道模拟预处理电路，用以完成对视频信号的可编程 自动增益控制。其中包括视频源选择、抗混叠滤波器、模数转换器、一个自动箝位和自 动增益控制电路、一个时钟产生电路、一个数字多标准解码器和一个亮度对比度饱 和度控制电路。s a a 7 1 1 4 是一个适合于桌面视频应用的高集成度电路可应用于l e d 显 示屏、桌面视频、多媒体、数字电视机、图像处理、可视电话和视频图像采集等领域。 该解码器是基于行时钟锁相原则的解码器。它能够解码p a l s e c a m 和n t s c 信号的 颜色并转换成与c c i r 2 6 0 1 兼容的色度值。s a a 7 1 1 4 接受来自电视或录像机的c v b s 或s 2 v i d e o ( y c ) ( 包括弱信号和失真信号) 作为模拟输入信号，而且是通过1 2 c 总线 控制的。其中一些信号的格式可利用1 2 c 接口通过编程来设定，增加了系统的灵活性。 场同步信号和行同步信号，奇偶场信号，像素时钟信号都有相关引脚直接输出，省去了 以往的时钟同步电路的设计，可靠性也有所提高。视频同步控制信号控制着整个系统视 频处理的地址和时序，保证采集、存储的正确性。1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的芯片 间串行数据传输总线( 图) ，2 条线( s d a ，s c l ) 即可实现完备的全双工同步数据传输，能 够十分方便地构成多机系统和外围器件扩展系统。通过1 2 c 总线，d s p 可以对s a a 7 1 1 4 h 的控制寄存器进行相应配置，可以完成输入通道选择，电平箱位和增益控制，亮度、色 中国民航大学硕士学位论文 度、饱和度、对比度的调整及器件主从工作方式的选择等。在d s p 程序初始化阶段利 用1 2 c 总线对s a a 7 1 1 4 进行控制寄存器的配置，用c p l d 产生i 2 c 的时序。 2 3d s p 视频处理模块 数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p ) 是一种具有特殊结构的微处理器。d s p 的内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流 水线操作，提供特殊的数字信号处理指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 一般具有如下主要特剧2 】： 1 在一个指令周期内，可完成一次乘法和一次加法。 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块芯片一中同时访问。 4 具有低开销或无开销的循环及跳转的硬件支持。 5 快速的中断处理和硬件i o 接口支持。 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 7 可以并行执行多个操作。 8 支持流水线操作，使取指、译码、取操作数和执行等操作可以重叠执行。 d s p 凭着它特有的灵活性、精确性、稳定性、可重复性、体积小、功耗小、易于大 规模集成且高性能、低成本的优点使得它在信号处理、语音处理、图像图形处理、军事、 仪器仪表、自动控制、医疗、家用电器等领域得到越来越广泛的应用。目前我国的d s p 产品主要来自国外，大约占国内d s p 市场9 0 的份额。生产d s p 芯片的厂家有8 0 多家， 主要有t i 公司、a d 公司、l u c e n t 公司、m o t o r o l a 公司和l s il o g i c 公司等。t i 作为d s p 生 产商的代表，生产的品种很多，占领的市场份额也是最大的，达到6 0 左右，t i 公司的 系列产品己经成为国内d s p 用户的主流产品。t i 公司目前的丰要产品有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，其q a c 2 0 0 0 系列的运算速度在4 0 m i p s 0 1 三 指令每秒) 以下，片内r a m l l 较少，价格比较低，一般作控制用；c s 0 0 0 系列是1 6 位定 点处理器，速度为4 0 2 0 0 m i p s ，片内r a m 和r o m 都h ：c 2 0 0 0 大，主要用于通信、便携 式信息系统等方面；c 6 0 0 0 系列是t i 公司1 9 9 7 年推出的高性能d s p ，具有很好的性价比 和低功耗，是1 6 位定点处理器，运算速度达到1 2 0 0 5 7 6 0 m i p s ，它综合了目前d s p 的所 有优点，尤其适用于数据量很大、对处理速度要求很高的音视频和图形图像处理等的应 用中。 本设计选择t i 公司2 0 0 2 年新推出的一款针对多媒体处理领域应用的高性能的d s p t m s 3 2 0 d m 6 4 2 作为主控芯片。该处理器是专门为视频与图像应用量身定制的，能够满 足各种类型视频客户端应用的需求，诸如视频点播( v o d ) 、多信道数字视频录像以及高 品质视频编解码等应用。该芯片在硬件上，它具有高速的d s p 并行处理内核，主频达到 6 0 0 m h z ，计算能力达4 8 0 0 m i p s ；板上通过扩展a 1 r a 接口、p c i 的传输数据；片内还集 6 中国民航大学硕_ 上学位论文 成了3 个带视频f i f o 的高速视频1 2 和1 个音频口，这些特点综合起来就满足了视频处理系 统硬件上的要求。而且d m 6 4 2 基于c 6 4 x 的内核，并在此基础上增加了很多实用的外围接 口，易于系统扩展，减少了设计的工作量。在软件上，d m 6 4 2 与c 6 4 x 系列相比增加了 许多为提高视频和图像处理性能的特有指令，使其能够更快速地执行视频和图像处理算 法。此外，t i 还提供了高效的视频图像处理函数库i m g l i b ，该库包含了很多专用于视 频图像处理算法的函数。运用这些库函数，可以很容易地提高程序的实时运行性能。 2 3 1d m 6 4 2 内核 d m 6 4 2 基于c 6 4 x 的内核【6 】，这是c 6 0 0 0 系y l j d s p 的一个部分。为了满足视频和图像 处理的需要，该d s p 还采用高级甚长指令字结构，使得在一个指令周期内能够并行处理 8 条3 2 - b i t 的指令。d m 6 4 2c p u 的组成部分有： 1 2 个通用寄存器组( a 和b ，各3 2 个3 2 - b i t 通用寄存器) 2 8 个功能单元 3 2 个从内存读数据的数据通道( l d l 和l d 2 ) 4 2 个写内存的数据通道( s t l 和s t 2 ) 5 2 个数据地址通道( d a l 和d a 2 ) 6 2 个寄存器组数据交叉通道( i x 和2 x1 2 3 1d m 6 4 2 两级缓存机制 在d m 6 4 2 中，采用了两级缓存机制，c p u 和一级程序高速缓存( l l p ) 及一级数据高 速缓存( l 1 d ) 直连，两块c a c h e 分别为1 6 k b ，工作在c p u 全速访问状态。可配置的二 级缓存( l 2 ) 有2 5 6 k b ，它是数据和程序共用的，可以全部配置为c a c h e ，也可以全部配 置为外部内存的映射s r a m ，还可以将两种方式按比例混合进行配置。 2 4a r m 系统控制模块 a r m 系统控制模块完成视频监测前端中的任务调度与控制，协调视频监测前端中各 模块工作，还完成其他一些功能，如实现在线传输与硬盘存储后再传输相结合的传输策 略，按数据包格式进行打包传输，发射机等的设备数据采集与监测功能等，各个功能块 都是以应用程序的形式出现，运行在操作系统层之上。在底层，除了无线传输模块驱动 外，基本上包含了所有的设备驱动，包括t c p i p 协议栈、硬盘c f 的驱动等，并提供了 c 开发接口，因此软件开发比较简单。 7 中国民航大学硕士学位论文 2 5 蓝牙通讯模块 较之于现有局域无线图像监控系统所采用的传输手段，蓝牙具有以下技术优势： ( 1 ) 开放性技术规范。蓝牙规范【3 j 是一种全球统一的开放性规范，已经得到了i t 行业和其它相关行业的广泛支持。 ( 2 ) 高自由度组网方式。既可组成点对点、点对多点微微网，又可由多个微微网组 成分散网，为定制监控应用预留更多自由空间。 ( 3 ) 多种有效的抗干扰措施。快速跳频( 1 6 0 0 跳秒) 前向纠错、信道编码等措施， 极大地增强了无线传输的抗干扰性能。 ( 9 ) 安全措施有力。多级鉴权和加密为监控应用提供了强有力的保证，同时也是开 发性技术规范有机的互补。 相对于w i f i 、h o m e r f 等与蓝牙相近的无线局域网技术，蓝牙在局域无线图像监控 中也具有明显的技术优势，如表2 一l 所示。可见，蓝牙有较强的抗干扰性能、低功耗、 低成本等优势，其传输距离也适用于短距离局域应用。 表2 1 蓝牙与w i f i 、h o m e r f 之间的比较 蓝牙w i f ih o m e r f 传输距离( m ) 1 0 1 0 0l o o 3 0 05 0 主要抗干扰措施快速调频( 1 6 0 0 跳秒)直接序列扩频( d s s s )调频( 6 0 跳秒) 功耗( m w ) 3 5l o o 3 5 05 0 1 0 0 芯片价格( $ ) 1 0 ( 最终为5 ) 3 5 4 5 一一 中国民航大学硕：上= 学位论文 表2 - 2 系统设计方案比较 星型网方案数型网方案 复合网方案 可连接的蓝牙设备的数较少：最多8 个较多：取决于允许的中继多：取决于网络流量处理 量级数速度 监控半径1 0 0 米以内几百米以内几百米以内 响应速度 快 有中继时较慢 有中继时较慢 图像信息量大：动态 较大：动态+ 照片 较少：照片+ 动态 技术难度较小较小较大 使用场合室内安防等交通管制等工业过程控制等 9 中国民航大学硕士学位论文 第三章图像处理基础理论 图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的可以直接或间接 作用于人眼并进而产生视知觉的实体，它使对客观对象的一种表示，它包含了有关被描 述对象的信息【4 j 。早期，数字图像处理是指使用数字计算机加工处理图像以获得所需要 的信息或信息形式。1 9 7 0 年以来，由于大量的研究和应用，数字图像处理已发展、延伸 并形成了较完善的学科体系( 群) ，它可以细分为图像处理、图像分析、图像压缩、机 器视觉等等，已成为- - f 3 独立的新学科图像信息处理技术，有的文献简称为图像技 术。 3 1 图像的基础知识 3 1 1 图像和像素 人的视觉系统就是一个观测系统，通过它得到的图像就是客观景物在人心目中形成 的影像。 客观世界在空间上是三维( 3 d ) 的，但大部分成像装置都将3 d 世界投影n - 维 ( 2 d ) 像平面，所以得到的图像是2 。d 的。一幅图像一般可以用一个2 d 数组f ( x ，) ，) 来表示，这里x 和y 表示2 d 空间x y 中的一个坐标点的位置，而厂则代表图像在点( x ， y ) 的某种性质的数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时厂表示灰度值，当对可见光 成像时，灰度值对应客观景物被观察到的亮度。 日常所见图像多是连续的，即工，y 的值可以是任意实数。为了能用计算机对图 像进行加工，需要把连续的图像在坐标空间a t 和性质空间f 都离散化。这种离散化了 的图像就是数字图像。表示数字图像的2 - d 数组f ( x ，y ) 中，x ，y 都在整数集合中取 值。 图像中每个基本单元叫做图像元素，简称像素( p i c t u r ee l e m e n t ) 。对2 d 图像，英 文里常用p i x e l ( 也有用p e l ) 代表像素。一幅图像在空间上的分辨率与其包含的像素个 数成正比，像素个数越多，图像的分辨率越高，也就越有可能看出图像的细节。 3 1 2 图像表示 最常用的图像表示方法是，将一幅图像用一个2 d 数组厂( 工，y ) 来表示，其中x 和y 表示像素的位置，而厂则代表像素的数值。这样，图像像素与数组元素是一一对应的。 1 0 中国民航大学硕士学位论文 比较直观地，一幅图像可表示为一个2 d 的mxn 的矩阵( 其中m 和n 分别为图 像点阵的行数和列数) f = 石，石： 五。厶： m m z ， 1 1 n ： f m n ( 3 1 ) 有些时候用矢量表示图像也比较方便 ，= 【石石厶】 ( 3 2 ) 其中 石= 兀厶厶 2 ，i = 1 ，2 ，n ( 3 3 ) 上述两种表示形式可以方便地互相转换。 不管用哪种图像表示方法，实际图像中的像素在空间是按某种规律排列的，互相之 间有一定的关系，像素之间的关系与像素的近邻像素组成的邻域有关。对1 个坐标为 ( 五y ) 的像素p ，它可以有4 个水平和垂直的近邻像素，它们的坐标分别是( x + l ，y ) ， o l ，y ) ，( 工，y + 1 ) ，( x ，y 一1 ) 。这些像素( 均用r 表示) 组成p 的4 邻域，记为4 ( p ) ， 如图3 1 ( a ) 所示。需要指出，如果像素p 本身处在图像的边缘，则它的4 ( p ) 中的若 干个像素会落在图像之外。 像素p 的4 个对角近邻像素( 用s 表示) 的坐标是( x + 1 ，y + 1 ) ，( 工+ 1 ，y 1 ) ， o 一1 ，y + 1 ) ，0 1 ，y 一1 ) 。它们记为d ( p ) ，如图3 1 ( b ) 所示。像素p 的4 个4 - 邻域近邻像素加上4 个对角邻域像素合起来构成p 的8 一邻域，记为8 ( p ) ，如图3 1 ( c ) 所示。同上，如果像素p 本身处在图像的边缘，则它的( p ) 和m s ( p ) 中的若干个像素 会落在图像外。 口口田 ( a ) 4 - 邻域 ( b ) d 邻域( c ) 8 - 邻域 图3 1 像素点的邻域 像素之间关系的一个重要概念是像素2 n 的距离。给定3 个像素p ，q ，坐标分 中圜民航大学硕士学位论文 别为( x ，y ) ，( s ，t ) ，( “，v ) ，如果下列条件满足，则称函数d 是距离量度函数： ( 1 ) d ( p ，q ) 0( d ( p ，q ) = 0当且仅当p = g ) ： ( 2 ) d ( p ，q ) = d ( q ，p ) ； ( 3 ) d ( p ，) d ( p ，q ) + d ( q ，) 。 上述3 个条件中，第1 个条件表明两个像素之间的距离总是正的( 两个像素空间位 置相同时，其间的距离为零) ；第2 个条件表明两个像素之间的距离与起终点的选择无 关；第3 个条件表明两个像素之间的最短距离是沿直线的。 在数字图像中，距离有不同的量度方法。点p 和q 之间的欧氏( e u c l i d e a n ) 距副5 】 ( 也是模为2 的距离) 定义为 d ( p ，g ) = ( x j ) 2 + ( 少- t ) 2 】1 7 2 ( 3 4 ) 根据这个距离量度，与( x ，y ) 的距离小于或等于某个值d 的像素都包括在以( 工，y ) 为 中心以d 为半径的圆中。在数字图像中，圆只能近似地表示，例如与( x ，y ) 的d 距离小 于或等于3 的像素组成的区域。 点p 和g 之间的距离d 4 ( 也是模为1 的距离) ，也称为城区( c i t y - b l o c k ) 距离，定 义为 d 4 ( p ，g ) = i x - s l + l y - t i ( 3 5 ) 根据这个距离量度，与( 工，y ) 的d 4 距离小于或等于某个值d 的像素组成以( x ，y ) 为 中心的菱形。 点p 和g 之间的距离d 8 ( 也是模为0 0 的距离) ，也称为棋盘( c h e s s b o a r d ) 距离，定 义为 砬( p ，g ) = m a x ( i x - s l ，l y - t 1 ) ( 3 6 ) 根据这个距离量度，与( z ，y ) 的d 8 距离小于或等于某个值d 的像素组成以( 石，y ) 为中心 的正方形。 3 1 3 图像存储与格式 一幅图像需要用大量的数据来表达，因而存储图像也需要大量的空间。在图像处理 和分析系统中，大容量和快速的图像存储器是必不可少的。图像数据在联机存储器和数 1 2 中国民航大学硕十学位论文 据库存储器中一般以图像文件的形式存储。文件内除图像数据本身以外，般还需包含 对图像的描述信息，以方便对图像数据的提取和使用。 图像数据文件的格式有很多种，基本上有两种形式，一种是矢量形式，一种是光栅 形式。在矢量形式中，图像是用一系列线段或线段的组合体来表示的，线段的灰度( 色 度) 可以是均匀的或变化的，在线段的组合体中各部分也可使用不同的灰度。矢量文件 一般像程序文件，里面有一系列命令和数据，执行这些命令就可以根据数据画出图案。 矢量文件主要用于人工绘制的图形数据文件。表示自然图像数据的文件主要使用光栅形 式，该形式与人对图像的理解一致，比较适合色彩、阴影或形状变化复杂的真实图像。 3 1 4 图像理论 图像理论与技术涉及众多的学科，如各类数学、物理学、信号处理、控制论、模式 识别、人工智能、生物学、神经心理学、计算机科学与技术等等，它是- - i j 兼具交叉性 和开放性的学科。图像处理与分析所涉及的知识门类多样，具体的方法种类繁多，应用 也极为广泛，但从主要研究内容上可以分为以下几个方面： 1 图像数字化 其目的是将模拟形式的图像通过数字化设备变为数字计算机可用的离散的图像数 据。它主要包括取样技术和量化技术。 2 图像变换 为了便于后续的工作，需要进行图像变换以改变图像的表示域和表示数据。它主要 包括傅丽叶变换，余弦变换，活尔什一哈达玛变换，奇异值分解，k l 变换等等。 3 图像增强 图像增强是一种以改善人们的视觉效果，或便于人或机器分析、理解图像内容为主 要目的的改善图像质量的方法。它主要包括对比度增强，直方图修正，平滑，锐化，同 态增晰，几何校正，伪彩色假彩色，图像间的算术运算等等。 4 图像恢复 图像恢复是对压缩后传输的失真的图像进行处理，使处理后的图像尽量接近原始的 未失真的图像。它主要包括降质模型的一般表示式，降质系统的模型及参数的确定，频 域中的恢复方法，约束或无约束的最d - - 乘估计，线性或非线性的均方估计，最大熵恢 复，图像恢复的代数方法，运动模型恢复，盲恢复。 5 图像分割 图像分割是指根据选定的特征将图像划分成若干个有意义的部分，从而使原图像在 内容表达上更为简单明了，为后续图像分析和理解打下基础。它主要包括：根据灰度进 行分割，边界检测的基本方法，拟合曲面求导法，高斯平滑滤波求导法，统计判决法， 分裂一合并算法，跟踪技术，模型数学方法，模型化与统计检验法，松弛标记法，匹配 检测技术，活动轮廓模型法，基于模式识别检测法，基本视觉特性检测法。 中国民航大学硕士学位论文 6 图像数据压缩 由于图像通常存在空间上、时间上或内容上的冗余性，为了利于传输和存储，要减 少图像数据量，将一个大的数据文件转换成较小的同性质的文件。它主要包括轮廓编码 压缩，行程编码压缩，预测误差编码压缩，正交变换编码压缩，自适应编码压缩，混合 编码压缩，子带编码技术，基于人工神经网络的技术，基于分形几何理论的压缩方法， 运用小波技术数据压缩等。 7 图像重建 图像重建是由一组关于目标某一剖面的一维投影曲线重构该剖面二维图像的技术， 其中包括图像投影重建基本原理，离散图像的傅氏变换重建法，卷积逆投影法，扇形投 影的滤波逆投影法，代数重建法。 3 2 图像处理关键技术 3 2 1 图像变换技术 为了有效地和快速地对图像进行处理和分析，常常需要将原定义在图像空间的图像 以某种形式转换到另外一些空间，并利用在这些空间的特有性质方便地进行一定的加 工，最后再转换回图像空间以得到所需的效果。傅丽叶变换【7 】是一种重要和常用的变换， 它把图像从图像空间转换到频率空间。 1 1 d 傅丽叶变换 对1 个连续函数f 【x ) 等间隔采样可得到1 个离散序列。设共采了n 个样，则这个离 散序列可表示为 厂( 0 ) ，厂( 1 ) ，( 2 ) ，f ( n 一1 ) ) 。借助这种表达，并令x 为离散实变量，u 为离散频率变量，可将离散傅丽叶变换对定义为 1 ，- i f 厂( x ) ) = f ( “) = 寺厂( x ) e x p 一j 2 z u x i n x = o ，1 ，n - 1 ( 3 7 ) v l f 。1 ，( “) ) = 厂( 工) = f ( u ) e x p j 2 n u x n “= o ，l ，n - 1 ( 3 8 ) = 0 一般f ( x ) 常是实函数，但f ( u ) 是复函数，可以写成 f 似) = r ( “) + f l ( u ) ( 3 9 ) 其中r ( u ) 和i ( u ) 分别为f ( u ) 的实部和虚部。上式也常写成指数