??? 摘? 要： 開發(fā)一種銀行窗口排隊人員越界監(jiān)測報警系統(tǒng),，通過設(shè)置在上方的攝像機，監(jiān)視交易窗口前界限內(nèi)的交易人員是否出現(xiàn)違規(guī)行為,，以確保交易安全,。該系統(tǒng)解決了交易人員服裝與地面色彩反差小、自然光與外加燈光,、光線陰影等對目標(biāo)識別的影響,。該系統(tǒng)的特點為處理器采用了TI公司高速低成本5509系列DSP芯片實現(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)識別功能，使整機成本低,，便于推廣使用,。?

????關(guān)鍵詞： TMS320VC5509A；越界監(jiān)測,；陰影,；識別

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??? 目前銀行智能化監(jiān)控報警系統(tǒng)基本是針對犯罪分子的入侵或者火災(zāi)的發(fā)生而設(shè)計的，但是相當(dāng)一部分監(jiān)控系統(tǒng)并沒有達(dá)到智能化要求,。在這些監(jiān)控系統(tǒng)中,，攝像機多位于銀行窗口的內(nèi)部和室內(nèi)大廳的頂部，并且攝像機不是垂直,、而是成一定角度傾斜照射,，處于靜止?fàn)顟B(tài)。攝像機只記錄了人的部分信息,，并且要有監(jiān)控人員在場進(jìn)行人為監(jiān)視,，因此沒有起到實時主動監(jiān)控的作用。由人執(zhí)行這種長期枯燥的例行檢測,，其結(jié)果不可靠,，而且費用很高。在銀行窗口辦理業(yè)務(wù)時,，盡管有黃色的警戒線提示人們,，在他人辦理業(yè)務(wù)時,，其他人應(yīng)該在一米線以外，但是,，人們有時并未按照銀行的規(guī)定進(jìn)行,，經(jīng)常需要保安人員進(jìn)行現(xiàn)場提示。所以對銀行窗口辦理業(yè)務(wù)人員的行為進(jìn)行規(guī)范化的智能化監(jiān)控報警很有必要,。?

??? 本文提出一種可以自動對窗口排隊人員進(jìn)行越界監(jiān)測的報警系統(tǒng),，該系統(tǒng)通過安放在銀行窗口上方垂直照射的攝像機，監(jiān)視交易人員是否出現(xiàn)違規(guī)行為,。用于規(guī)范銀行窗口辦理業(yè)務(wù)的安全性,、秩序性。監(jiān)控系統(tǒng)中以TI公司的較低成本定點DSP TMS320VC5509A作為處理芯片,，采用DMA控制器來存儲圖像,。該方法在減少器件FIFO應(yīng)用的同時降低了成本，提高了實用化的目的,。通過標(biāo)記辦理業(yè)務(wù)人員的重心軌跡,，識別目標(biāo)的運動狀態(tài)，從而判斷其行為是否違規(guī),。其中自然光照以及外加光照的變化,，采用基于幀間差分法自適應(yīng)背景更新算法，能夠適應(yīng)其動態(tài)變化,。目標(biāo)分割存在的陰影問題,，在hsv空間進(jìn)行陰影檢測并去除陰影。經(jīng)實驗測試,，證明該裝置具有可應(yīng)用性,。?

1 越界監(jiān)測報警系統(tǒng)的構(gòu)成?

??? 系統(tǒng)主要由CCD攝像機、視頻解碼器,、圖像存儲器,、DSP處理控制器、報警模塊等部分構(gòu)成,。硬件系統(tǒng)框圖如圖1,。?

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??? 系統(tǒng)采用韓國世林一體化攝像機采集室內(nèi)圖像，利用Philips公司的專業(yè)視頻解碼器SAA7113H實現(xiàn)圖像的數(shù)字化^[1],。?

??? SAA7113H輸出的像素頻率是27 MHz,，而DSP存儲像素的時間要比視頻解碼器輸出的像素慢，這樣就出現(xiàn)了時序上的不匹配,，導(dǎo)致丟失像素點,。該時序不匹配問題的解決方法是在視頻解碼器與DSP之間加一個數(shù)據(jù)緩存存儲器FIFO來暫存數(shù)據(jù)。但該方法增加了一個器件,，從而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,，降低了系統(tǒng)的可靠性,。與此同時還需要增加額外的時間，對于實時圖像處理系統(tǒng)來說,，該額外時間是應(yīng)該盡量消除掉的,。本裝置采用DMA（直接存儲器訪問）控制器存儲圖像，該方法在節(jié)省FIFO的同時,，可以實現(xiàn)視頻解碼器與DSP的時序匹配,，即圖像數(shù)據(jù)的無丟失存儲^[2-3]。?

??? 由于該裝置要求具有高速處理數(shù)字信號,，且不需要進(jìn)行很大規(guī)模的控制,，因此采用TMS320VC5509A數(shù)字處理器作為該裝置的核心處理器,。該DSP既要滿足算法對速度的要求,，又要盡可能降低成本。?

??? 本裝置核心處理器TMS320VC5509A的片上存儲空間是128 K×16位字RAM,，對于運動目標(biāo)檢測算法需要是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，因此需要外擴數(shù)據(jù)存儲器。DSP芯片訪問片外存儲器時必須通過存儲器接口EMIF(External Memory Interface),，5509A的EMIF具有很強的接口能力,，可以與目前幾乎所有類型的存儲器無縫連接^[2]。本系統(tǒng)應(yīng)用了4個彼此獨立的外存接口(CEx),，選用美光MT48LC8M16A2外擴128 MB數(shù)據(jù)空間來滿足系統(tǒng)目標(biāo)檢測算法的需要,。MT48LC8M16A2是美光公司推出的一種單片存儲容量高達(dá)128 MB的16位寬高速SDRAM芯片，它的同步接口和完全流水線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其數(shù)據(jù)傳輸速率可以高達(dá)133 MHz,，刷新頻率每64 ms為4 096次,，從而滿足系統(tǒng)實時性的要求。?

??? SDRAM圖像存儲區(qū)可以按照一定的時間周期存儲圖像幀數(shù)據(jù),，DSP處理控制部分主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)功能模塊的總體規(guī)劃和調(diào)度,，包括實時監(jiān)控圖像采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理，并實現(xiàn)報警電路的控制等,。?

??? 報警電路的作用是當(dāng)有活動的目標(biāo)進(jìn)入設(shè)定的警戒區(qū)域中時,，由DSP處理器控制，發(fā)出報警信號,。?

2 系統(tǒng)工作流程和實現(xiàn)功能?

??? 系統(tǒng)的工作過程為：系統(tǒng)開機后DSP的片外存儲器的程序被加載到TMS320VC5509A芯片內(nèi)部的程序區(qū),，然后根據(jù)程序中的算法對采集到的圖像序列進(jìn)行處理。銀行窗口排隊交易人員為兩個人時的各種狀態(tài)如圖2所示,。

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??? 圖2中：矩形框為監(jiān)控區(qū)域的定位邊界,；橢圓代表人；箭頭方向為目標(biāo)運動方向,。?

??? 下面介紹該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能,。?

??? 監(jiān)控區(qū)域中有一個人時不報警,，在有兩個人的情況下：?

??? (1)第一個人進(jìn)入監(jiān)控區(qū)域后，還未辦理業(yè)務(wù)的情況下,，第二個人再進(jìn)入,，報警；?

??? (2)在(1)的情況下,，第二個人繼續(xù)進(jìn)入,，要發(fā)出連續(xù)報警信號；?

??? (3)在第一個人辦理業(yè)務(wù)未返回時,，第二人再進(jìn)入,，報警；?

??? (4)在(3)的情況下,，第二個人繼續(xù)進(jìn)入,，要發(fā)出連續(xù)報警信號；?

??? (5)在第一個人辦理業(yè)務(wù)返回時,，第二個人再進(jìn)入,，允許；?

??? (6)在(5)的情況下,，第二個人繼續(xù)進(jìn)入,，允許。?

3 運動目標(biāo)檢測?

??? 本文提出的銀行監(jiān)控系統(tǒng),，要對給定的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控,，這就需要對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行“邊界定位”。如果邊界的像素灰度級發(fā)生連續(xù)性較大變化,，則判斷有目標(biāo)進(jìn)去,。結(jié)合圖3給出的目標(biāo)檢測方法，能準(zhǔn)確識別目標(biāo)在各種狀態(tài)下是否進(jìn)行報警,。?

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3.1 基于幀間差分法的自適應(yīng)背景更新算法?

??? 背景建模的目的是快速建立與背景具有更強魯棒性背景圖像,，以確保在背景和目標(biāo)灰度級相近時，識別出運動目標(biāo),；并且要求對背景圖像實時更新,，以保證對不同光照及干擾環(huán)境的適應(yīng)能力。本文采用基于幀間差分法的自適應(yīng)背景提取算法,。?

??? 自適應(yīng)背景提取方法首先將第一幀進(jìn)行初始化,，作為RGB空間內(nèi)的背景Background，同時通過幀差法進(jìn)行二值化處理,，由二值圖像找到運動區(qū)域和非運動區(qū)域,，用當(dāng)前幀圖像中的非運動區(qū)域部分更新當(dāng)前背景圖像，而運動區(qū)域部分的背景圖像則保持不變，經(jīng)過一定數(shù)量圖像的迭代便可提取出可靠背景,。具體處理流程如下：?

??? (1)步驟1：通過幀間差分法建立二值化掩碼圖像Mask,。?

??? |f(x，y,，i)-f(x,，y，i-1)|>T(x,，y,，i)??????????????????????? (1)?

其中，T(x,，y,，i)表示第i幀像素點(x，y)處的閾值,，如果式(1)成立,，則令Mask(x，y)=1,。顯然,，Mask所包含的信息就是當(dāng)前幀中的運動信息,，即不穩(wěn)定區(qū)域,，包括光照變化、背景中的擾動,、噪聲和運動目標(biāo),。?

??? (2)步驟2：對每一個輸入幀均得到對應(yīng)的局部掩碼圖像M_local，令G(x,，y,，i)表示在第i幀時像素點(x，y)處的RGB值,，如果Mask(x,，y)=1，并且M_local(x,，y,，i)=0，則更新Mask和背景Background：?

??? Mask(x,，y)=0??????????????????????????????????????????????? (2)?

??? Background(x,，y)=G(x，y,，i)?????????????????????????????????(3)?

??? 當(dāng)最后所有的點(x,，y)基本上都使Mask(x，y)為零時,，背景建模初始化結(jié)束,。Background就是獲得的背景圖像,。

??? 采用當(dāng)前背景和當(dāng)前幀的加權(quán)平均值來更新背景^[4-5]。當(dāng)前幀可能包括前景目標(biāo),，所以需要把像素分為前景和背景,，然后僅用當(dāng)前幀的像素來更新當(dāng)前背景，以適應(yīng)光照等環(huán)境因素的變化,。?

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??? 實驗證明,，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，可以快速得到背景圖像,，滿足實時性要求,。該算法與運動目標(biāo)移動的速度、運動方向及目標(biāo)的尺寸大小無關(guān),。?

3.2 圖像分割?

??? 經(jīng)過背景圖像差后,，進(jìn)行灰度形態(tài)學(xué)濾波?；叶刃螒B(tài)學(xué)濾波是利用結(jié)構(gòu)元素使得圖像的灰度級變大或者變小以保證圖像的局部區(qū)域內(nèi)灰度級基本不變,。膨脹操作提高了圖像的整體亮度，腐蝕操作降低了圖像整體亮度,。二者結(jié)合操作可以消除與結(jié)構(gòu)元素相比尺寸較小的暗細(xì)節(jié),，并且保持圖像整體灰度值和大的暗區(qū)域不受影響，它能夠更加完整地檢測出物體的邊緣細(xì)節(jié)信息,，并且避免目標(biāo)內(nèi)部出現(xiàn)空洞現(xiàn)象,。?

??? 采用自適應(yīng)閾值法進(jìn)行目標(biāo)分割。對經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理的圖像的灰度直方圖進(jìn)行平滑處理,，每個點P和其左右相鄰的5～8個點P0,、P1連線，計算曲率cosθ=得到曲率最大的像素點所對應(yīng)的灰度級S,，閾值T＝S/255,，即為目標(biāo)分割的閾值。?

??? 通過對二值圖像的膨脹腐蝕去除孤立的噪聲點,，得到目標(biāo)的分割圖像,。?

3.3 確定目標(biāo)運動狀態(tài)?

??? 在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，把辦理業(yè)務(wù)的兩個人標(biāo)記為1,、2的兩塊區(qū)域k₁,、k₂。在第i幀時,，其兩重心為p_1i(x_1i,，y_1i)，p_2i(x_2i，y_2i),；下一幀時,，其重心坐標(biāo)分別為p_1(i+1)，p_2(i+2),。?

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??? 其運動矢量分別為兩向量之間夾角為θ,，則兩向量夾角的余弦值：?

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??? 若在兩目標(biāo)中心移動的矢量cosθ為正值時，兩個人的運動方向相同,，這種情況報警,；若其值為負(fù)，說明兩個人的運動方向相反,。兩人相向而行,，期間可能出現(xiàn)兩個人相粘連的情況，如果標(biāo)記為2－1－2,，說明運動的兩個目標(biāo)由分開－粘連-分開,，并且粘連的時間不超過3 s時，可以判斷出這種情況也是允許的,，系統(tǒng)不會給出報警或提示信息,。?

4 HSV陰影去除?

??? 目標(biāo)圖像分割以后，可以看出由于自然光照或者外加燈光留下的陰影,，這種陰影往往被檢測出目標(biāo),，這需要對陰影進(jìn)行檢測并且去除。HSV陰影檢測利用以下三個特征對陰影進(jìn)行處理：(1)文獻(xiàn)[6]研究表明,，陰影區(qū)域內(nèi)的點與背景中對應(yīng)點的比值成比較嚴(yán)格的線性,。對各種光場條件下產(chǎn)生的陰影進(jìn)行分析,，發(fā)現(xiàn)其比值在1.0～2.5之間,。(2)陰影區(qū)域相對背景區(qū)域亮度降低，但是顏色并沒有顯著變化,。(3)陰影區(qū)域相對背景區(qū)域飽和度降低,。陰影投射到背景不會顯著改變背景點的色度，但是通常會降低其亮度和飽和度,。在HSV空間中,，采用下式判斷像素值是否可能為陰影^[7]：?

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其中SP(x，y)為圖像坐標(biāo)點(x,，y)處的陰影像素點掩模,，I^h(x，y),、I^s(x,，y)、I^v(x，y)與B^h(x,，y),、B^s(x，y),、B^v(x,，y)分別表示坐標(biāo)點(x，y)處當(dāng)前像素值I(x,，y)與背景像素值B(x,，y)的h、s,、v分量,。如果I(x，y)被判定為陰影,，則該像素點掩模SP(x,，y)置為1，否則SP(x,，y)置為0,。實驗證明，第一個條件是針對亮度分量的,，由于陰影的亮度比背景的亮度小,，因此β小于1，用來增強算法對噪聲的魯棒性,，α則與光源強弱有關(guān),，光源越強，α越小,，并且參數(shù)滿足0<α<β<1,；第二個條件針對飽和度分量，給飽和度分量的差分設(shè)置一個閾值,。陰影會降低像素點的飽和度,，因此當(dāng)前圖像與參考圖像的飽和度差分經(jīng)常是負(fù)數(shù)；第三個條件針對色調(diào)分量,，給當(dāng)前圖像和參考圖像的色調(diào)絕對值差分加閾值,。?

5 實驗結(jié)果?

??? 實驗結(jié)果表明，將系統(tǒng)懸于室內(nèi)屋頂3.2 m的高度采集室內(nèi)圖像,，它能獨立完成圖像的采集,、處理和輸出。圖像的采集速度為25幀/s,，分辨率為320×240像素,，圖像為avi格式,。用該系統(tǒng)測試50組各種環(huán)境下的報警情況，它能準(zhǔn)確對違規(guī)目標(biāo)進(jìn)行報警,，并且運算速度快,、精度高。在目標(biāo)衣服顏色與被背景顏色相近,、相差15個灰度級以上的情況下,，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確、實時的報警,。圖4為報警系統(tǒng)記錄的具有代表性的報警圖像,，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。?

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??? 本裝置能夠?qū)εc背景顏色相近的目標(biāo)進(jìn)行識別,。在外加燈光下,，由于目標(biāo)檢測存在的陰影比較小，所以識別率比自然光照下要高,。它能夠適應(yīng)監(jiān)測區(qū)域光照,、陰影的動態(tài)變化，對交易人員的違規(guī)行為進(jìn)行實時監(jiān)測報警,。?

參考文獻(xiàn)?

[1] SAA7113H.pdf.http：//www.omnivision.com.?

[2] TMS320VC5509A.pdf.http：//www.ti.com.?

[3] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC55x系列DSP的CPU與外設(shè)[M].彭啟琮,，武樂琴，張艦,，等編譯.北京：清華大學(xué)出版社,，2005.?

[4] 周西漢，劉勃,，周荷勤.一種基于奔騰SIMD指令的快速背景提取方法[J].計算機工程與應(yīng)用,，2004，40(27)：81-84.?

[5] 劉勃,，周荷琴.一種基于顏色和運動信息的夜間交通檢測方法[J].中國圖像圖形學(xué)報,，2005，12(2)：187-191.?

[6] POSIN P L,，ELLIS T.Image difference threshold strategies?and shadow diction[M].Birmingham：BMVA Press,，1995：347-356.?

[7] CUCCHIARA R，GRANA C,，PICCARDI M，et al.Improve?shadows suppression in moving object detection with HSV?color information[A].Proceedings of IEEE Intelligent?Transportation Systems Conference[C],，Oakland,，CA，USA,，2001：334-339.?