摘 要： 基于ARM9處理器S3C2440芯片硬件平臺，設(shè)計和開發(fā)了一種家庭視覺智能防盜監(jiān)控系統(tǒng),。服務(wù)器以裁剪的Linux為軟件平臺,，移植了多種設(shè)備驅(qū)動程序，綜合利用多線程,、socket等編程技術(shù),，通過調(diào)用OpenCV圖像處理庫、Libjpeg內(nèi)存數(shù)據(jù)編解碼庫設(shè)計攝像頭應(yīng)用程序,，著重分析了Linux下V4L的工作原理以及基于特征臉的人臉識別原理,。該系統(tǒng)實現(xiàn)了在嵌入式Linux開發(fā)板上的人臉識別與身份驗證主系統(tǒng)，實現(xiàn)在PC上Web瀏覽功能，提高了防盜系統(tǒng)的安全性,。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux,；ARM9；人臉識別,；OpenCV
隨著智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展,，通過對攝像機拍攝的圖像序列進行自動分析，對視頻圖像中的運動對象進行檢測,、跟蹤和識別,，并在此基礎(chǔ)上對其進行行為分析，從而做到預(yù)警,、日常信息的管理,，及在異常情況發(fā)生時發(fā)出告警，提高視頻監(jiān)控的效率成為可能[1],。本系統(tǒng)將智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于家庭防盜,，實現(xiàn)了一個以圖像處理技術(shù)為核心的家庭視覺防盜報警系統(tǒng)，包括攝像機圖像采集分析,、圖像信息編碼,、壓縮及PC端解碼顯示的圖像處理設(shè)計、控制電路設(shè)計,、GSM短信發(fā)送模塊,。其目標是提供一套成本低、功能全面的家庭視覺防盜系統(tǒng),，解決長期以來防盜系統(tǒng)對于機械鎖的過度依賴,，變傳統(tǒng)的被動式消極防盜為報警式積極防盜，提高安全性,。
1 系統(tǒng)構(gòu)架
該系統(tǒng)包含一個服務(wù)端和兩個客服端,，服務(wù)端主要負責人臉識別圖像處理、編碼壓縮及無線發(fā)送圖像信息,。一個客服端通過GSM模塊實現(xiàn)服務(wù)端與業(yè)主手機通信,，服務(wù)端通過對攝像機采集信息的一系列圖像處理，對采集圖像作人臉識別處理,，判斷是否為家庭成員并發(fā)送報警短信到業(yè)主手機,。服務(wù)端將壓縮圖像信息打包，通過TCP協(xié)議發(fā)送到PC客戶端,，實現(xiàn)在PC端的實時顯示,。家庭視覺智能防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
相對于傳統(tǒng)的機械鎖防盜與人工監(jiān)視的傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng),，本系統(tǒng)在效率上有了大大的提高,，并且更加智能化,、自動化。本系統(tǒng)具有以下功能：
?。?）可創(chuàng)建,、更新家庭成員人臉頭像庫文件；
?。?）服務(wù)端將前端設(shè)備采集圖像作人臉識別圖像處理,；
（3）服務(wù)端判斷是否發(fā)送報警短信給業(yè)主,；
?。?）前端設(shè)備采集圖像信息在PC端實時顯示；
?。?）前端設(shè)備采集圖像信息在服務(wù)端LCD實時顯示,；
（6）服務(wù)器端存儲可疑人圖片信息,；
?。?）可通過Web網(wǎng)絡(luò)查看前端設(shè)備采集信息。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)硬件平臺
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。硬件平臺采用了ARM9嵌入式開發(fā)套件,，它由核心板和底板組成,，核心板上集成Samsung S3C2440處理器,。該芯片采用ARM920T處理內(nèi)核，主頻為400 MHz,，內(nèi)部帶有全性能MMU體系結(jié)構(gòu),，支持Linux、WinCE等嵌入式操作系統(tǒng),，集成了外部存儲器控制器,、LCD控制器、一個5線異步串行口（波特率最高為115 200 b/s）,、一個10 MHz網(wǎng)口,、2個USB1.1接口（一個Host接口，一個Device接口）以及5 V電源接口[2],。
2.2 系統(tǒng)硬件框架
2.2.1 前端設(shè)備
在Linux下,，使用開發(fā)板與攝像機相連，通過攝像機捕捉頭像畫面,。為方便圖像傳送,，系統(tǒng)采用中星微301P攝像機，其驅(qū)動需事先編譯進Linux內(nèi)核,。中星微301P芯片采用了最先進的算法加速硬件方式,，占用CPU資源一般為百分之十幾，使開發(fā)板LCD顯示屏在320×240模式下圖像表現(xiàn)優(yōu)異，并能達到30 f/s的速度[3],，動態(tài)畫面流暢,，實時還原真實場景。采集圖像數(shù)據(jù)經(jīng)攝像機硬件編碼通過USB接口與服務(wù)端實現(xiàn)傳輸,，采集圖像數(shù)據(jù)為JPEG格式圖片,。服務(wù)端通過軟件解碼實現(xiàn)在服務(wù)端LCD上實時顯示。
2.2.2 GSM模塊
GSM模塊是可用單片機控制的以TC35I為核心的GSM系統(tǒng)終端,，支持數(shù)據(jù),、語言、短信傳輸?shù)裙δ?，利用信令信道傳輸,，是GSM通信網(wǎng)所特有的功能，不用撥號建立連接,，直接把要發(fā)送的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心,，由短消息服務(wù)中心再發(fā)送給最終的信宿，短消息的收發(fā)不影響通話[4],。編碼后單條短消息最大長度為140 B,，可以承載160個英文字符或70個漢字；編碼后每頁消息長度為82 B,，最大頁數(shù)為15頁,。GSM模塊短消息業(yè)務(wù)的優(yōu)點在于其無需建立連接，服務(wù)費用低,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計框架設(shè)計
本系統(tǒng)軟件框架分為服務(wù)器端主機控制,、顯示系統(tǒng)、GSM手機呼叫系統(tǒng)和PC終端顯示系統(tǒng),。核心部分為服務(wù)端主機系統(tǒng),，以嵌入式Linux為基礎(chǔ)，建立交叉編譯環(huán)境,，完成引導(dǎo)加載程序Supervivi,、Linux系統(tǒng)內(nèi)核Linux-2.6.32的編譯移植，其中包括無線網(wǎng)卡,、通用USB攝像頭和LCD觸摸屏等驅(qū)動的移植,，最后移植通用yaffs文件系統(tǒng)?；谙到y(tǒng)設(shè)計的需要,，采用Framebuffer作為底層圖形接口，還需要在宿主機上交叉編譯Zlib,、JPEG,、OpenCV等多種庫,，這使得系統(tǒng)環(huán)境具有豐富的控件資源和良好的可移植性，最終形成基于ARM的嵌入式Linux平臺,，在此軟件平臺上可進行嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā),。
3.2 服務(wù)器端主機程序設(shè)計
主機程序設(shè)計采用C與C++語言相結(jié)合的方式進行開發(fā)，C部分主要用于開發(fā)視頻播放程序和socket網(wǎng)絡(luò)程序,，主要內(nèi)容包括初始化攝像機設(shè)備和創(chuàng)建線程1采集視頻圖像,。然后主程序創(chuàng)建一個套接字監(jiān)聽，阻塞等待客戶端的請求連接,。連接成功后再創(chuàng)建線程2發(fā)送采集到的圖像數(shù)據(jù)給客戶端,。線程1的作用是采集視頻圖像，線程2的作用是發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給客戶端,。內(nèi)嵌自定義的傳輸協(xié)議,，自行編寫簡易系統(tǒng)，在不減少功能及系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下,，減少代碼數(shù)量,，精簡代碼，設(shè)定算法,，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,、安全性。
當主機設(shè)備啟動以后,，系統(tǒng)進行初始化,，采集前端設(shè)備攝像機一幀圖像，作圖像識別處理,，判斷是否為家庭成員,。為非家庭成員時，主機與客戶端建立聯(lián)系,，通過GSM模塊發(fā)送報警短信給業(yè)主手機，并通過TCP協(xié)議發(fā)送至終端,，在PC上實時顯示,，業(yè)主可登錄Web網(wǎng)頁查看門口監(jiān)控。程序流程圖如圖3所示,。
3.3 圖像數(shù)據(jù)的編解碼實現(xiàn)
系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸前,，必須要對處理后的圖像數(shù)據(jù)重新進行壓縮處理。系統(tǒng)采用了IJG（Independent JPEG Group）提供的Libjpeg庫實現(xiàn)在內(nèi)存中圖像數(shù)據(jù)的編解碼,，庫中函數(shù)必須從文件中讀取數(shù)據(jù),，再將壓縮數(shù)據(jù)存成JPEG文件，增加了不必要的文件I/O操作,，減慢了CPU的數(shù)據(jù)處理速度和網(wǎng)絡(luò)傳輸,。為克服其缺點,，改寫Libjpeg庫內(nèi)jdatasrc.c及jdatadst.c兩個源文件，重新定義struct stdio_src_mgr及struct stdio_dest_mgr,，并設(shè)計增加圖像操作函數(shù),，實現(xiàn)輸入和輸出數(shù)據(jù)的重定向到內(nèi)存中，利用修改后的Libjpeg庫可以很好地實現(xiàn)在內(nèi)存中直接對圖像數(shù)據(jù)編,、解碼,。
3.4 人臉識別與身份驗證
本系統(tǒng)的特點是能實現(xiàn)人臉的檢測識別與身份驗證。系統(tǒng)所采用的人臉檢測算法主要來源于Vioal等提出的基于AdaBoost的實時人臉檢測算法,，該方法能實現(xiàn)Harr-like特征表示圖像,。采用AdaBoost方法選擇少量特征組成強分類器，引入“積分圖”概念,，提高對特征的計算速度,，使用“cascade”策略，提高人臉檢測速度,，并通過預(yù)先建立家庭成員人臉頭像庫文件的方式,，將識別后取得的人臉圖像與庫中圖像匹配，以此判定身份[5],。該方法能取得較好的檢測效果,。
在此理論基礎(chǔ)上，本文人臉檢測算法的實現(xiàn)是基于OpenCV開源代碼庫,，該庫實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法,。利用其開源性設(shè)計基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型和實現(xiàn)函數(shù)，借助交叉編譯器等工具,，在服務(wù)器主機端實現(xiàn)人臉檢測及身份驗證,。系統(tǒng)人臉識別步驟如圖4所示，人臉識別圖像處理效果顯示圖如圖5所示,。
3.5 信號忽略機制算法
因本系統(tǒng)需實現(xiàn)遠程PC端的網(wǎng)頁觀看視頻功能,，圖像數(shù)據(jù)要以TCP/IP協(xié)議的形式在互聯(lián)網(wǎng)中進行傳輸，因此需考慮多個遠程PC端同時訪問服務(wù)器端請求數(shù)據(jù)的情況,，由此產(chǎn)生了如下問題：若目前有多個客戶端正在訪問服務(wù)器端,，其中一個客戶端關(guān)閉了與服務(wù)端的連接，但服務(wù)端依然試圖發(fā)送圖像數(shù)據(jù)給客戶端（write to pipe with no readers）,，系統(tǒng)就會發(fā)出一個SIGPIPE信號,，默認對SIGPIPE的處理是終止（terminate），此時即使還有別的客戶端仍連接,，負責發(fā)送圖像數(shù)據(jù)的服務(wù)器端還是會被終止,。這當然不是所想要的，因此本文采用了SIGPIPE信號忽略機制算法,。
信號是UNIX/Linux進程間通信的一種標準方式,，又稱軟中斷信號（signal,，簡稱為信號），是一種簡單的通信方式,，由于信號相對簡單和有效而被廣泛使用[6],。信號主要用來通知進程發(fā)生了異步事件。但信號只是用來通知某進程發(fā)生了什么事件,，并不給該進程傳遞任何數(shù)據(jù),，收到信號的進程對各種信號有不同的處理方法，其中有一種處理方法是,，忽略某個信號,，對該信號不作任何處理，就像從未發(fā)生過一樣,，而進程是通過調(diào)用signal來指定進程對某個信號的處理行為,。在本系統(tǒng)中，在建立一個socket時便設(shè)定好客戶端的信號處理機制,，設(shè)定為信號忽略,。這種情況下，即使其中一個客戶端關(guān)閉與服務(wù)器的連接,，服務(wù)器端也不會終止,，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。
隨著人民生活水平的日益提高,，人們對居住生活的安全性愈加重視,，家庭防盜系統(tǒng)的作用更加突出，克服家庭防盜系統(tǒng)對于機械鎖的過度依賴,，本系統(tǒng)變傳統(tǒng)的被動式消極防盜為報警式積極防盜,，提高了防盜系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)使用簡單,，價格低,，市場應(yīng)用前景廣闊，值得進行大量的探索和深入的研究,。
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