??? 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

?

??? 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。?

?

?

??? 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。

?

?

??? 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。?

?

?

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。?

?

??? 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。灰度形態(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)。?

?????

??? 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：?

?????

??? 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]：?

??????

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。?

?

?

?

??? 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.?