本科毕业设计移动图像监控系统设计

1、绥化学院本科毕业设计移动图像监控系统学生姓名：赵江龙学 号：200951591专 业：电子信息工程年 级：2009级一班指导教师：苏宝林 讲师suihua university graduation papermoble video monitoring system student namezhao jianglong student number200951591majorelectronic and information engineeringsupervising teachersu baolin suihua university摘 要运动目标检测与跟踪技术已广泛应用于智能监控中，

2、在商业街监控、小区安全保障、法律取证、军事保密等方面有着极大的需求。目前在机场、超市、道路、银行等公共场所监控摄像机的使用已经非常普遍，但实际的监控任务仍需要人来完成。这无疑失去了智能监控系统本身具有的主动性和实时性的优势。移动图像监控系统的研究目的就是为了实现无人值守的实时监控，自动分析摄像机捕捉到的图像数据，当发现异常时主动记录实时信息并及时报警。它主要是通过给嵌入式设备移植 uboot，移植 linux内核，制作nfs 根文件系统等，并搭建一个能够正常运行的嵌入式系统，然后移植 linux 平台下摄像头软件 motion 来实现移动图像监控的最终目标。 移动图像监控的实现运用了背景减除法

3、，该算法是实现移动式监控技术的最常用的算法，也是最普遍的算法。用当前帧的灰度值跟背景帧的灰度值进行相减，灰度值差大于32位的区域将被标记为运动区域，当有500位以上像素时将被判定为捕捉到运动的物体。通过设计阐述了嵌入式系统工作的相关原理和运动图像检测的实现算法，得出了一套完整的移动图像监控系统。 关键词：移动图像监控；嵌入式系统；uboot；linuxabstractmoving target detection and tracking technology has been widely used in intelligent monitoring, monitoring in the m

4、all, 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 intelligent m

5、onitoring 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 information and t

6、imely 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.monitor

7、ing 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 value of th

8、e 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 algorithm imp

9、lemented in the moving image detection obtained a set of normal working of the moving image monitoring system.key words: motion; detectionembedded image; uboot; linux目 录摘 要iabstractii第1章 绪论1第1节 课题背景1第2节 视频监控系统简介1第3节 嵌入式系统特点2第2章 基于s3c2440的硬件开发平台3第1节 arm体系结构介绍3第2节 嵌入式系统的选型4第3章 基于linux的软件开发平台6第1节 linux

10、操作系统6第2节 运动检测系统构架图7第3节 bootloader的移植7第4章 移动图像检测的实现9第1节 mini2440的开发平台9第2节 摄像头10第3节 运动图像检测算法的选择11第4节 背景减除法检测运动目标算法的研究12结 论14参考文献15附录116致 谢20 第1章 绪论第1节 课题背景随着半导体科学的发展，信息技术，数字化产品的普及，嵌入式系统被广泛应用于各个领域。目前，嵌入式系统被应用到计算机网络、手持通信设备、军事安防以及自动控制等各个领域。嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格需求的专用计算机系

11、统1。此次毕业设计是移动图像监控系统，所选的嵌入式系统主要应用于对可靠性，实时性要求较高的系统中。这种系统主要应用于商场、银行等公共场所。视频监控系统是集通信技术、现代计算机技术、自动控制技术、传感器技术等，对受控对象进行远程监控，图像处理和控制管理的集成系统。第2节 视频监控系统简介随着编解码、网络传输技术、计算机的发展，现如今视频监控技术的发展趋势是：数字化、智能化、ip化、网络化。 （1）视频监控数字化视频监控发展经历了模拟视频监控、半数字监控、数字监控三个阶段。对于视频监控，数字化存储是视频监控技术发展的里程碑，数字化监控是现在以及将来最主要的监控方式。 （2）视频监控智能化智能化是视

12、频监控技术发展到一定阶段产生的。由于视频监控的数据存储量非常大，而用户所需求的信息只是一小部分，如何把有价值的信息从海量的信息中提取出来或者说如何把人对图像的分析直接用机器来表达是视频监控技术发展的一个新方向。随着新技术的发展，全智能的监控系统将要求事发前能够识别并作出正确的判断，为人们提供最为有效、及时的快速反应措施。 （3）视频监控ip化随着internet技术的发展，基于ip的视频监控更能为人们所接受，网络摄像机把压缩的视频信息通过tcp/ip协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权的用户可以随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权控制等功能。鉴于ip

13、v6在服务质量、网络性能、安全性的改善、以及对下一代internet网络的影响，基于ip的视频监控将会成为主流。 （4）视频监控无线化无线化包括两方面内容：一是监控中心的移动，通常情况下，被监控对象或是摄像机往往是固定的。而作为监控系统的监控中心则可以是动态的，当出差在外，需了解公司生产情况时，可使用笔记本随时随地访问摄像机的ip获取信息。二是视频监控网络的无线化，当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定时，利用传统有线网络的视频监控对象往往成本高且难以实现，而基于多种无线传输手段的移动视频监控系统具有不可替代的优势。第3节 嵌入式系统特点本文设计的监控系统是基于arm的嵌入式移动

14、图像监控系统，所以在阐述本系统之前，先介绍下嵌入式系统的几个重要的特征2： （1）系统内核小。嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小的多。 （2）系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 （3）专用性强。嵌入式系统的个性化强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使同一品牌、同一系列的产品也需要根据系统硬件的变化而不断进行修改。 （4）高实时性。高实时性的操作系统软件是嵌入式系统的基本要求。软件要求固化存储，以提高速度

15、，软件代码要求高质量和高可靠性。 第2章 基于s3c2440的硬件开发平台第1节 arm体系结构介绍arm（advanced risc machines）是微处理器行业的一家知名企业，技术具有性能高、成本低和能耗低的特点。目前处理器可分为两大类：一类是cisc(complex instruction set computer，复杂指令集计算机)，如x86系列，另外一类为risc(reduced instruction set computer，精简指令集计算机)，如arm、mips等3。传统的cisc结构有其固有的缺点，随着计算机技术的发展而不断引入新的的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的

16、体系结构越来越复杂，体系结构的复杂化也导致整个系统性能的降低。在cisc指令集的各种指令中，其使用频率却相当悬殊，大约有20的指令会被反复使用，占整个程序代码的80。而余下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只占20，显然，这种结构是不太合理的。基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了risc的概念，risc并非只是简单地去减少指令，而是把重点放在如何使计算机的结构更加简单合理地提高运算速度上。risc结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。到目前为止，risc体系

17、没有严格的定义，一般认为risc体系应具有如下特点： （1）采用固定长度的指令格式，指令归整、简单，基本寻址方式有20种； （2）使用单周期指令，便于流水线操作执行； （3）大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行率。除此以外，arm体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，降低功耗： （1）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率； （2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； （3）可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； （4）在循环处理中使用地

18、址的自动增减来提高运行效率。第2节 嵌入式系统的选型嵌入式开发硬件平台的选择主要是嵌入式处理器的选择。在一个系统中嵌入式处理器内核主要取决于应用的领域、用户的需求、成本、开发的难易程度等因素。嵌入式操作系统的选型：在嵌入式系统开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。不同的应用对嵌入式软件系统有不同的要求，随着计算机技术的发展，这些要求在不断变化。嵌入式操作系统的选择主要从以下几个方面考虑4： 表2-1 嵌入式处理器的特性处理器类型处理器价格主要性能及应用arm低功耗低，适合于个人便携式设备dragon bali低速度低，主要应用于pdapowerpc高通信，网络等设备，应用于高端嵌入式中1

19、处理器的支持 所选用的操作系统是否支持开发者将采用的微处理器，这是一个决定性的因素。因为对于一个嵌入式设备，能够得到一种已经成熟的或只要经过很少的改动就可以运行处理器上的操作系统将成为首选。2所需资源 资源需求量是另一个被关注的问题。任何操作系统都要消耗一定的资源，这里的资源主要是指内存和flash。操作系统本身消耗很多的资源，在嵌入式设备领域，由于系统资源的敏感性，这种类型的操作系统不适合作为嵌入式操作系统。 3软件资源丰富程度 嵌入式操作系统的选择并不因为它具有优良的性能，而在于它具有多少可用的软件资源。这些软件包括协议栈、设备驱动以及一些应用程序。开发者希望在使用这些软件时，不需要做移植

20、，只需很少的改动就可以适用于新的平台。4操作系统的功能 一个嵌入式操作系统本身具有的功能支持是需要考虑的另一个方面。在选择操作系统时开发者希望他们所要求的功能在操作系统有了支持，这样他们在用户层只需要做很少的工作，通常这种情况下开发者对于程序的稳定性将会更有信心。5操作系统执行性能和可靠性 此外操作系统的执行性能和可靠性也是需要考虑的因素。因为操作系统的可靠性 通常无法在用户程序或者函数库层次得到增强。操作系统的稳定性在操作系统实现之初，就已经由系统的实际构想和编码质量决定了。开发者不能保证一个稳定可靠的程序在一个不稳定的操作系统上稳定地运行。第3章 基于linux的软件开发平台第1节 lin

21、ux操作系统 一、linux简介嵌入式linux是按照嵌入式操作系统的要求而设计的一种小型操作系统。由一个内核及一些根据需要进行定制的系统模块组成。其kernel很小，一般只有几百kb左右。即使加上其它必须的模块和应用程序，所需的存储空间也很小。它有多任务、多进程的系统特征，有些还具有实时性。一个小型的嵌入式linux系统只需要引导程序、linux内核管理和事务处理、初始化进程3个基本元素5。如果要让它有更多的功能且继续保持小型化，可以加上： 文件系统、tcp/ip网络支持、存储更多数据用的磁盘、提供设计精简的应用程序。嵌入式linux的主要特点是精简标准的linux内核，适应于多种cpu和多

22、种硬件平台，性能稳定，裁剪性很好，开发和使用都很容易。linux的内核：内核是系统的核心，是运行程序和管理像磁盘和打印机等硬件设备的核心程序。linux shell：shell是系统的用户界面，它是一个命令解释器，它解释用户输入的命令，并且把它们送到内核。它提供了用户与内核进行交互操作的一种接口。linux文件系统：linux文件系统是文件存放在磁盘等存储设备上的组织方法。linux能支持多种文件系统，如ext2、ext3、fat、vfat、iso9660、nfs、smb等。linux应用系统：标准的linux系统都有一整套称为应用程序的程序集，包括文本编辑器、编程语言、window、办公套件

23、、internet工具、数据库等。第2节 运动检测系统构架图ubootlinux内核motion摄像头驱动音频驱动usb摄像头运动目标检测保存运动实时图片音箱图3-1 运动检测系统构架图第3节 bootloader的移植 一、bootloader的概念嵌入式系统上电后需要一段程序来进行初始化：关闭看门狗、改变系统时钟、初始化存储控制器、将更多的代码复制到内存中去，概括来讲 bootloader 是一段小程序，它在系统上电之初开始执行，初始化硬件设备，准备好软件环境，最后调用系统内核。首先需要了解嵌入式 linux 从软件角度可以分为以下3个层次：引导加载程序，firmware（可选）和boot

24、loader。 二、bootloader 的启动大多数 bootloader 启动可分为两个阶段：第一阶段：硬件设备初始化为加载bootloader第二阶段代码准备内存复制第二阶段代码到内存空间设置好堆栈跳入第二阶段c入口关闭看门狗定时器关闭中断设置cpu速度和时钟频率sdram初始化图3-2 bootloader启动流程第二阶段：初始化本阶段要用到的硬件设备检测系统内存映射将内核映像复制到内存空间为内核设置启动参数调用内核1.cpu 寄存器的设置 r0=0r1=machine idr2= 启动参数在内存中的位置2. cpu工作模式关中断cpu处于 svc 模式3. cache 和 mmu 的

25、设置关闭 mmu数据 cache 必须关闭 图3-3 bootloader启动流程第4章 移动图像检测的实现第1节 mini2440的开发平台图4-1 mini2440开发板ltv350qv-f02，f04，3.5寸三星数字屏参数尺寸：3.5分辨率：320 240（4：3）显示区域：70.08mm 52.56mm亮度：250cd/m2对比度：300：1可视角度：60/60/50/55响应时间：30ms以下外形尺寸：76.9mm63.9mm3.15mm接口方式：24bit rgb图4-2 mini2440开发系统第2节 摄像头简介摄像头参数usb摄像头micro友善mini2440 tiny64

26、10 tiny210 图4-3 usb摄像头镜头：800万专用镜头 捕获幅面：640480 320240 输出格式：rgb24输出接口：usb2.0帧率：vga30帧/秒 视角：360度水平 摄像头控制：色彩饱和度，对比度，边缘增强，伽马表可调。最小照明度：10lux 闪烁控制：50hz或60hz 视野深度：50毫米到无限远兼容性：usb2.0。第3节 运动图像检测算法的选择 运动图像检测目的是从序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。这对运动区域的分割、后期的目标分类，目标跟踪和行为理解非常重要，因为处理过程主要考虑图像中对于运动区域的像素。然而背景图像的动态变化，如天气、光照、阴影等因素

27、的影响，使得运动目标检测成为一项相当困难的工作，以下是如今流行的算法6。 一、帧间差分法帧间差分法是在连续图像序列中取两个或者三个相邻帧间采用基于像素的时域差分，并将结果跟阈值比较从而提取运动区域的一种方法。这是一种简单的直接的运动检测算法，在实际应用中，差分图像并不能表示出完整的运动目标信息。如当一个运动目标的内部纹理较为均匀且物体分布缓慢时，帧间差分法极其容易在检测的运动目标中产生空洞现象，对于这个问题的结局可采用累积差分图像的方法或采用后期处理的方法，如形态滤波，区域联通或参数模型等方法提取出完整的运动目标信息。 二、背景减除法背景减除法是目前运动目标检测中最为常见的算法之一，它利用当前

28、图像与背景图像的差分来检测运动区域。该方法一般能够提供完整的体征数据，但对于动态场景的变化，如光照和外来无关时间的干扰特别敏感。视频监控系统主要使用固定摄像机对场景进行监控，场景基本固定，因此背景差分法在智能化监控系统中是一种重要的运动目标检测方法。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，和后期处理等步骤。 三、光流法光流法是基于对光流场的估算进行检测分割的算法，如 meyer 等通过计算位移矢量光流场来初始化基于轮廓的跟踪算法，从而有效提取和跟踪运动目标。光流是空间运动物体被观测面上的像素点运动产生的瞬时速度场，包含了物体 3d 表面结构和动态行为的重要信息，光流场的不连续

29、性可以用来将图像分割成对应于不同运动物体的区域。然而大多数的光流计算方法相当复杂，且抗噪性能差，如果没有特定硬件的支持便不能很好的被应用于全帧视频流的实时处理。 四、统计学法统计学法是基于像素的统计学体征而从背景中提取运动信息。它首先计算背景像素的统计信息，使用个体像素或者一组像素的特征来建立一个较为高级的背景模型，而且背景的统计值可以动态的改变。通过对比当前背景模型的统计值，图像中每一个像素被分成背景或前景。第4节 背景减除法检测运动目标算法的研究本设计是基于arm平台下的运动目标检测系统，通过检测图像序列中的运动目标，确定目标的位置。用于实现该功能的算法是背景减除法，系统的整体工作流程如下

30、：开始usb摄像头视频采集运动图像检测处理保存图片、报警结束图4-4 系统工作流程本次设计的目的并非研究最新的算法，亦并非为了提取图像序列中的运动物体，而是实现当运动图像检测程序检测到图像中有运动目标时触发报警，并保存图片。通过研究开源软件motion，裁剪适当的内容从而实现适应环境条件和毕业设计的最优化结果。下面是背景减除法的工作流程：开始usb摄像头视频采集帧数据预处理背景建模前景检测一致背景更新是标志运动flag结束图4-5 背景减除法工作流程灰度化否结 论做完这个设计使我越来越明白运动图像检测的重要性，运动图像检测、识别、跟踪在未来将发展为一个极其重要的数字图像处理技术分支，而它的研究

31、意义也已经覆盖人们日常生活的方方面面。 本人在该设计中所作的工作如下： 1移植u-boot 嵌入式系统并没有一个统一的引导程序，这就需要对每一个嵌入式设备移植引导程序，但方法并非因为不同的嵌入式设备而不同，相反，方法是相同或者相近的。通过本次设计使我基本熟悉了移植u-boot，也大致明白了u-boot源码中的代码结构，为以后移植其他嵌入式设备u-boot打下了基础。 2移植linux内核 本人在移植linux花了一些时间，但是要完全读懂嵌入式内核的代码需要很多时间，毕竟毕业设计时间有限，故只是大致了解了一下linux内核启动的相关流程。随着时间的改变，linux内核的代码可能会改变，代码的结构

32、可能会改变，但嵌入式的移植的兴趣不会改变。 3根文件系统的制作 本次设计中采用了nfs根文件系统，文件系统相对简单，但是功能齐全，以后我还会渐渐学到nfs其它文件系统。 4motion的移植 通过对motion的解读发现motion软件十分强大，但我对motion的了解还不够深入，希望在以后的学习工作中能够多接触和应用motion。 参考文献1 邹思轶，嵌入式linux设计与应用m，北京：清华大学出版社，（2001）：65-722kurt wall著，张辉泽，gnulinux编程指南m，北京：清华大学出版社，（2002）： 216-2213 韦东山，嵌入式linux 应用开发完全手册m，北京：

33、人民邮电出版社，（2008）：102-1254 王雪龙，嵌入式linux系统设计与运用m，北京：清华大学出版社，（2006）：122-1265 赵炯，linux内核完全剖析m，北京：机械工业出版社，（2006）：131-1516 范莹，郭成安，一种运动图像的检测与识别技术j，沈阳：大连理工大学学报，2004，17（2）：10-15附录1 部分源程序#include #include #include 1#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #includ

34、e #include #include 1. 检测到图像变化，报警2. 检测到外部中断，报警3. 3分钟能连续检测图像变化20次，则暂停2小时，2小时后在开启/*define globe variable*/*play_pid:当前播放的mp3子进程id*/unsigned int play_pid = 0;/*gradchild:当前播放的mp3孙子进程id*/unsigned int gradchild = 0;unsigned int play_flag;/*共享内存描述标记sharemem: byte1:孙子进程id号 byte2:是否有mp3播放标识play_flag_2 /byte

35、3:mp3播放次数int shmid;char *p_addr;#define perm s_irusr|s_iwusr /*报警铃声歌曲名,song1图像变化报警铃声song2外部中断报警铃声*/char *song1=11.mp3;char *song2=22.mp3;/char *song=234.mp3;/*定时器时间为3分钟*/#define three_alarm 3*60/*睡眠时间为2小时*/#define sleep_time 2*60*60#define cpm_cnt 20int threemin_alarm = 1;static int con_cnt=0;int sl

36、eep_flag = 0;unsigned int time_tmp;#define max(flag) (flag) 1 ? pic:key/#define debugint alarm_flag;static int pic_cnt;int cnt_fd;/*计算图像变化次数，超过2次则认为有图像变化*/#define compare_cnt 5/*function name: count_piccalled by : 函数mainparameter : voiddescription : 计算图片变化数return : intautor & date */int count_pic(vo

37、id)int fd,ret;char *buf;buf = (char *)malloc(10); system(ls /root/motion | wc -l count.txt);lseek(cnt_fd, 0 ,seek_set);ret = read(cnt_fd , buf , 10);if(ret) ret = atoi(buf); free (buf); return ret;/*function name: my_func_sleepalarmcalled by : 函数my_func_3alarmparameter : sing_nodescription : 3分钟连续变化

38、20次后，延时2小时后的唤醒函数return : voidautor & date */void my_func_sleepalarm(int sign_no) if( sign_no = sigalrm)printf(now sleep time finished!start a new work!n);/*则睡眠表示sleep_flag为0*/sleep_flag = 0;/end sing_no/*function name: my_func_3alarmcalled by : 函数restart_caculate_playparameter : sing_nodescription :

39、 每隔3分钟检测图像连续变化是否超过20次return : voidautor & date */致 谢四年的大学生活在这个季节即将划上一个句号，对于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在设计即将完成之际，思绪万千，心情久久不能平静。本次毕业设计是在导师苏宝林指导下完成的。从课题选题开始就得到苏老师的悉心教导。课题的选择，设计的开题，中期检查，直至最后设计修稿和定稿，苏老师都非常耐心地对我进行详细指导。对于我不懂的问题他结合所了解的知识深入浅出的为我解读，可以说没有苏老师的关心和帮助我的毕业设计是不会完成的如此顺利，在

40、此再次向苏老师表示谢意。绥化学院本科毕业论文创作声明本人郑重声明：此处所提交的毕业论文移动图像监控系统，是本人在导师指导下，在绥化学院学习期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明的部分外不包含他人已发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期：年 月 日绥化学院本科毕业论文使用授权书移动视频监控系统系本人在绥化学院学习期间在导师指导下完成的本科毕业论文。本论文的研究成果归绥化学院所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解绥化学院关于保存、使用学位论文的规定，同意学院保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权绥化学院，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。作者签名： 日期： 年月日导师签名： 日期： 年月日本科毕业设计指导教师意