看數字圖像處理如何在家庭安防系統中大顯身手

　　隨著(zhù)集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家庭安防系統的市場(chǎng)需求日益加大，如何利用數字圖像處理、計算機視覺(jué)等技術(shù)與傳統監控相結合，設計出同時(shí)具有目標檢測、 目標跟蹤、目標分類(lèi)和目標理解等功能的高智能化家庭安防系統是當前國內外關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　數字圖像的獲取

　　一個(gè)完整的智能家庭安防系統主要包括門(mén)禁、報警和監控三大部分。系統的數字圖像來(lái)源于在家庭各個(gè)部位布控的監控攝像頭。我們在各入室口、廚房、廁所均安置攝像頭，以防入室盜竊、煤氣泄漏、水管破裂等。另外，為做到全屋無(wú)死角，經(jīng)濟條件允許的話(huà)，可以在各房間也安置攝像頭。為保證夜間監控的質(zhì)量，可以采取具有夜視功能的紅外攝像頭。數字圖像的獲取途徑則是通過(guò)圖像傳感器將固定攝像頭中的視頻圖像傳送給處理主機。

　　視頻圖像的數字化表達式一般為S(x，y，t)。x，y為空間變量，t為時(shí)間變量。如果用RGB體系來(lái)描述的話(huà)，完整的數學(xué)表達式如式(1)

　　R=SR(x，y，t)

　　G=SG(x，y，t) (1)

　　B=SB(x，y，t)

　　數字圖像的預處理

　　灰度降解

　　家庭安防系統對實(shí)時(shí)性的要求很高，為提高處理速度， 首先對獲取的彩色數字圖像進(jìn)行灰度降解。在MATLAB中進(jìn)行灰度降解的函數如式(2)

　　g=rgb2gray(S) (2)

　　圖像增強

　　通過(guò)攝像頭獲取的原始數字圖像，由于受到多種條件限制和隨機干擾(如天氣變化，照明情況)往往不能直接使用， 必須在圖像處理早期階段對原始圖像進(jìn)行灰度校正、噪聲過(guò)濾等圖像預處理。對視覺(jué)系統來(lái)說(shuō)，圖像的預處理并不考慮圖像降質(zhì)原因，只將圖像中感興趣的特征有選擇的突出，衰減其并不需要的特征，這類(lèi)圖像預處理方法稱(chēng)為圖像增強。

　　在家庭安防系統中，通過(guò)攝像頭采集的很多圖像的灰度值不是均勻分布的，其灰度值集中在一個(gè)較小的區間內，如晚上采集的圖像灰度整體偏低，而在光照較強的時(shí)候在入口采集的圖像灰度則較高。直方圖均衡化是通過(guò)將原始圖像的灰度值重新均勻的分布在圖像的整個(gè)灰度區間來(lái)達到增強圖像對比度的方法。因此，家庭安防系統可以采用直方圖修正的方法實(shí)現圖像增強。在MATLAB中實(shí)現直方圖均衡化的函數如式(3)

　　F=histeq(g，nlev) (3)

　　目標檢測

　　如何檢測家庭環(huán)境中是否出現各種危險狀況是家庭安防系統的關(guān)鍵。家庭環(huán)境中各類(lèi)危險狀況的出現都屬于運動(dòng)目標的出現，目前關(guān)于運動(dòng)目標的檢測有三種方法：光流法、 幀間差法以及背景減法。家庭環(huán)境中的背景處于一個(gè)相對較為穩定的狀態(tài)，所以智能家庭安防系統可以采取背景減法來(lái)進(jìn)行目標檢測。

　　背景模型的建立

　　在系統開(kāi)始運行時(shí)，根據不同時(shí)段如白天和晚上、不同天氣提取無(wú)運動(dòng)對象出現時(shí)的背景，將所提取背景預存到背景模型庫中[3]。由于家里的家具、擺設可能發(fā)生變化，所以要及時(shí)進(jìn)行背景模型庫的更新。背景模型的更新采取系統的自動(dòng)更新，系統可以根據每個(gè)家庭的自身情況設定更新頻率。 進(jìn)行自動(dòng)更新時(shí)我們設置一個(gè)更新因子α，α的取值范圍為[0 1]，一般選取更靠近1的數值。更新背景的公式如下

　　B(x,y)=αBi (x,y)+(1-α)Bi-1 (x,y) (4)

　　Bi(x,y)為當前背景，Bi-1(x,y)為最近上次背景，B(x,y)為更新 后的背景。

　　背景減法

　　背景模型建立后，就可以實(shí)施背景減法了。系統可以根據不同安全等級要求，設定進(jìn)行背景減法的間隔時(shí)間。若用 戶(hù)對家庭安防的實(shí)時(shí)性要求較高，則設定間隔時(shí)間較小，當然系統的運算負擔將加重，對處理主機的硬件要求也更高， 整個(gè)智能安防系統的價(jià)位自然提高。背景減法公式如下

　　D(x,y)=F(x,y)-B(x,y) (5)

　　F(x,y)為檢測的當前圖像，B(x,y)為背景模型，D(x,y)為減法 后的灰度圖。為方便后續目標檢測將D(x,y)二值化，分割目標區域。

　　     (6)

　　T0為進(jìn)行二值化的閾值。 目標檢測前文已提到，一個(gè)完整的家庭安防系統包括門(mén)禁、報警和監控三部分。報警裝置是一種以聲音、光或氣壓等形式來(lái)提醒或警示人們采取相應行動(dòng)的電子產(chǎn)品。安防系統可以對以光的的形式進(jìn)行報警的報警裝置進(jìn)行重點(diǎn)監控以及處理， 做到雙重保險。如家里沒(méi)有人時(shí)，報警裝置發(fā)出的報警信號可能無(wú)人理會(huì )，若系統將其報警信號以圖像的方式讀入并檢測出，則可以以其他形式如手機短信、微信等聯(lián)系家庭主人。

　　系統根據二值化的背景減圖進(jìn)行目標檢測，事實(shí)上，攝像頭獲取的矩形圖像區域中，有些部分是我們并不會(huì )感興趣的。例如，對準入室口的攝像頭采集的圖像可能包括非入室區域。為更好的保證系統的實(shí)時(shí)性，我們可以只對背景減圖中我們感興趣的部分進(jìn)行目標檢測。

　　經(jīng)過(guò)背景減法并二值化后將得到多個(gè)塊，根據系統預設的合并閾值決定是否將各塊進(jìn)行合并，進(jìn)行合并后的連通區域用矩形進(jìn)行標識。在進(jìn)行目標識別時(shí)，將該矩形塊的面積或長(cháng)寬比與特定識別目標的面積或長(cháng)寬比進(jìn)行比較，以此判斷是否為應檢測目標。不同攝像頭監控家庭的不同區域，可能出現的危險目標也不盡相同。所以，針對不同的攝像頭，可以預設不同的檢測目標。

　　結束語(yǔ)

　　住宅智能化是人類(lèi)住宅的又一場(chǎng)新的革命，近年在我國，高科技和信息技術(shù)正在由智能大廈走向智能住宅小區， 進(jìn)而走進(jìn)家庭?，F代社會(huì )的家庭正在以家庭智能化帶來(lái)的多元信息和安全、舒適、便利的生活環(huán)境，作為一個(gè)理想目標來(lái)追求。智能家庭安防系統則是住宅實(shí)現智能化的一個(gè)重要組成部分，數字圖像處理技術(shù)在智能家庭安防系統中有著(zhù)核心的地位。數字圖像處理技術(shù)的發(fā)展決定著(zhù)家庭安防系統的智能化程度，背景模型的更新方法、防衛對象的檢測方法等都是該系統中數字圖像處理需要研究的重點(diǎn)。