摘  要： 基于ARM9處理器S3C2440芯片硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)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(tái)，移植了多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kù)、Libjpeg內(nèi)存數(shù)據(jù)編解碼庫(kù)設(shè)計(jì)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(shí)別原理。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在嵌入式Linux開發(fā)板上的人臉識(shí)別與身份驗(yàn)證主系統(tǒng)，實(shí)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(shí)別；OpenCV

　隨著智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，通過對(duì)攝像機(jī)拍攝的圖像序列進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)視頻圖像中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤和識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)以圖像處理技術(shù)為核心的家庭視覺防盜報(bào)警系統(tǒng)，包括攝像機(jī)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(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、GSM短信發(fā)送模塊。其目標(biāo)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(zhǎng)期以來防盜系統(tǒng)對(duì)于機(jī)械鎖的過度依賴，變傳統(tǒng)的被動(dòng)式消極防盜為報(bào)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(gè)服務(wù)端和兩個(gè)客服端，服務(wù)端主要負(fù)責(zé)人臉識(shí)別圖像處理、編碼壓縮及無線發(fā)送圖像信息。一個(gè)客服端通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)服務(wù)端與業(yè)主手機(jī)通信，服務(wù)端通過對(duì)攝像機(jī)采集信息的一系列圖像處理，對(duì)采集圖像作人臉識(shí)別處理，判斷是否為家庭成員并發(fā)送報(bào)警短信到業(yè)主手機(jī)。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(shí)現(xiàn)在PC端的實(shí)時(shí)顯示。家庭視覺智能防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)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(dòng)化。本系統(tǒng)具有以下功能：

　（1）可創(chuàng)建、更新家庭成員人臉頭像庫(kù)文件；
?。?）服務(wù)端將前端設(shè)備采集圖像作人臉識(shí)別圖像處理；
?。?）服務(wù)端判斷是否發(fā)送報(bào)警短信給業(yè)主；
　（4）前端設(shè)備采集圖像信息在PC端實(shí)時(shí)顯示；
?。?）前端設(shè)備采集圖像信息在服務(wù)端LCD實(shí)時(shí)顯示；
?。?）服務(wù)器端存儲(chǔ)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(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)
　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件平臺(tái)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(chǔ)器控制器、LCD控制器、一個(gè)5線異步串行口（波特率最高為115 200  b/s）、一個(gè)10 MHz網(wǎng)口、2個(gè)USB1.1接口（一個(gè)Host接口，一個(gè)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(jī)相連，通過攝像機(jī)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(jī)，其驅(qū)動(dòng)需事先編譯進(jìn)Linux內(nèi)核。中星微301P芯片采用了最先進(jìn)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(dá)到30 f/s的速度[3]，動(dòng)態(tài)畫面流暢，實(shí)時(shí)還原真實(shí)場(chǎng)景。采集圖像數(shù)據(jù)經(jīng)攝像機(jī)硬件編碼通過USB接口與服務(wù)端實(shí)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(shí)現(xiàn)在服務(wù)端LCD上實(shí)時(shí)顯示。
2.2.2 GSM模塊
　GSM模塊是可用單片機(jī)控制的以TC35I為核心的GSM系統(tǒng)終端，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)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(hào)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(zhǎng)度為140 B，可以承載160個(gè)英文字符或70個(gè)漢字；編碼后每頁(yè)消息長(zhǎng)度為82 B，最大頁(yè)數(shù)為15頁(yè)。GSM模塊短消息業(yè)務(wù)的優(yōu)點(diǎn)在于其無需建立連接，服務(wù)費(fèi)用低。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)軟件框架分為服務(wù)器端主機(jī)控制、顯示系統(tǒng)、GSM手機(jī)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(jī)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(dòng)的移植，最后移植通用yaffs文件系統(tǒng)。基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，采用Framebuffer作為底層圖形接口，還需要在宿主機(jī)上交叉編譯Zlib、JPEG、OpenCV等多種庫(kù)，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(tái)，在此軟件平臺(tái)上可進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)。
3.2 服務(wù)器端主機(jī)程序設(shè)計(jì)
　主機(jī)程序設(shè)計(jì)采用C與C++語(yǔ)言相結(jié)合的方式進(jìn)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(jī)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(gè)套接字監(jiān)聽，阻塞等待客戶端的請(qǐng)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(jiǎn)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(jiǎn)代碼，設(shè)定算法，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性。
　當(dāng)主機(jī)設(shè)備啟動(dòng)以后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，采集前端設(shè)備攝像機(jī)一幀圖像，作圖像識(shí)別處理，判斷是否為家庭成員。為非家庭成員時(shí)，主機(jī)與客戶端建立聯(lián)系，通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信給業(yè)主手機(jī)，并通過TCP協(xié)議發(fā)送至終端，在PC上實(shí)時(shí)顯示，業(yè)主可登錄Web網(wǎng)頁(yè)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(shí)現(xiàn)
　系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸前，必須要對(duì)處理后的圖像數(shù)據(jù)重新進(jìn)行壓縮處理。系統(tǒng)采用了IJG（Independent JPEG Group）提供的Libjpeg庫(kù)實(shí)現(xiàn)在內(nèi)存中圖像數(shù)據(jù)的編解碼，庫(kù)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(diǎn)，改寫Libjpeg庫(kù)內(nèi)jdatasrc.c及jdatadst.c兩個(gè)源文件，重新定義struct stdio_src_mgr及struct stdio_dest_mgr，并設(shè)計(jì)增加圖像操作函數(shù)，實(shí)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(kù)可以很好地實(shí)現(xiàn)在內(nèi)存中直接對(duì)圖像數(shù)據(jù)編、解碼。
3.4 人臉識(shí)別與身份驗(yàn)證

　本系統(tǒng)的特點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)人臉的檢測(cè)識(shí)別與身份驗(yàn)證。系統(tǒng)所采用的人臉檢測(cè)算法主要來源于Vioal等提出的基于AdaBoost的實(shí)時(shí)人臉檢測(cè)算法，該方法能實(shí)現(xiàn)Harr-like特征表示圖像。采用AdaBoost方法選擇少量特征組成強(qiáng)分類器，引入“積分圖”概念，提高對(duì)特征的計(jì)算速度，使用“cascade”策略，提高人臉檢測(cè)速度，并通過預(yù)先建立家庭成員人臉頭像庫(kù)文件的方式，將識(shí)別后取得的人臉圖像與庫(kù)中圖像匹配，以此判定身份[5]。該方法能取得較好的檢測(cè)效果。
　在此理論基礎(chǔ)上，本文人臉檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)是基于OpenCV開源代碼庫(kù)，該庫(kù)實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。利用其開源性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型和實(shí)現(xiàn)函數(shù)，借助交叉編譯器等工具，在服務(wù)器主機(jī)端實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)及身份驗(yàn)證。系統(tǒng)人臉識(shí)別步驟如圖4所示，人臉識(shí)別圖像處理效果顯示圖如圖5所示。

3.5 信號(hào)忽略機(jī)制算法
　因本系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程PC端的網(wǎng)頁(yè)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(jìn)行傳輸，因此需考慮多個(gè)遠(yuǎn)程PC端同時(shí)訪問服務(wù)器端請(qǐng)求數(shù)據(jù)的情況，由此產(chǎn)生了如下問題：若目前有多個(gè)客戶端正在訪問服務(wù)器端，其中一個(gè)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(huì)發(fā)出一個(gè)SIGPIPE信號(hào)，默認(rèn)對(duì)SIGPIPE的處理是終止（terminate），此時(shí)即使還有別的客戶端仍連接，負(fù)責(zé)發(fā)送圖像數(shù)據(jù)的服務(wù)器端還是會(huì)被終止。這當(dāng)然不是所想要的，因此本文采用了SIGPIPE信號(hào)忽略機(jī)制算法。
　信號(hào)是UNIX/Linux進(jìn)程間通信的一種標(biāo)準(zhǔn)方式，又稱軟中斷信號(hào)（signal，簡(jiǎn)稱為信號(hào)），是一種簡(jiǎn)單的通信方式，由于信號(hào)相對(duì)簡(jiǎn)單和有效而被廣泛使用[6]。信號(hào)主要用來通知進(jìn)程發(fā)生了異步事件。但信號(hào)只是用來通知某進(jìn)程發(fā)生了什么事件，并不給該進(jìn)程傳遞任何數(shù)據(jù)，收到信號(hào)的進(jìn)程對(duì)各種信號(hào)有不同的處理方法，其中有一種處理方法是，忽略某個(gè)信號(hào)，對(duì)該信號(hào)不作任何處理，就像從未發(fā)生過一樣，而進(jìn)程是通過調(diào)用signal來指定進(jìn)程對(duì)某個(gè)信號(hào)的處理行為。在本系統(tǒng)中，在建立一個(gè)socket時(shí)便設(shè)定好客戶端的信號(hào)處理機(jī)制，設(shè)定為信號(hào)忽略。這種情況下，即使其中一個(gè)客戶端關(guān)閉與服務(wù)器的連接，服務(wù)器端也不會(huì)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(duì)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(duì)于機(jī)械鎖的過度依賴，本系統(tǒng)變傳統(tǒng)的被動(dòng)式消極防盜為報(bào)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(jiǎn)單，價(jià)格低，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，值得進(jìn)行大量的探索和深入的研究。
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