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基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的分析与实现.pdf

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基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现RESEARCH AND IN口LEN旺NTATION OF ED皿EDDEDWIRELES S卜TETWORK VIDEO SI H之VEILLANCE SYSTEMBASED ON JPEG2000ABSTRACTA new solution of video surveillance is designed on basis of analysis on principleof Adaboost human face detection algorithm and JPEG2000 compression algorithm.Inthe scheme,Adaboost and I的I algorithm technology are combined to avoiddisadvantages of large data size and low bandwidth.11地S3C2440 microprocessor、析th an ARM9 core is chosen as hardware carrier of video capture and transmission.Face detection algorithm is migrated on the plat to realize the correspondingfunction.ROI image compression algorithm is realized on WMS320DM642.a kind ofDSP chips made by TI.In this way,human face area has hi出definition and the videoimage has smaller size.Implementation of human face detection is based on Adaboost.By training offace database.many cascade classifiers are constructed to detect faces.11圮 hashigher probability of detection and faster detection speed.New s of rectanglefeature are added for capturing linear gray changes of the old s.By experimentalcomparison and analysis,it has higher detecting probability and lower false alarm rate.In order to get a clearer face area and reduce the size of image..mEG2000 is usedas video image compression algorithm.Maxslfifl is used to realize the functionof ROI encoding.Multi.ROI regions with different shapes Can be encoded and theshape of ROI need not he encoded.Compare with scaling.based shift ,maxshiRhas smaller computation complexity.KEY WORDSvideo surveillance,JPEG2000,Adaboost,S3C2440,DM642Ⅱ青岛科技大学研究生学位论文目 录1绪论......................1l-l研究背景和意义.11.2视频监控系统发展和趋势.21.2.1视频监控系统的发展.21.2.2嵌入式视频监控系统的研究现状..31.2.3嵌入式视频监控系统的发展趋势。41.3研究内容一51.4各章节安排62系统总体设计........72.1嵌入式系统72.2系统总体设计72.3系统硬件结构.82.3.1 ARM处理器选型..82.3.2 DSP芯片选型92.4系统软件平台122.4.1嵌入式操作系统选择122.4.2 Bootloader的移植132.4.3 DSP开发环境。142.4.4 OpenCV简介.1 52.5本章小结.163 ADAB00ST人脸检测算法及改进........173.1人脸检测方法概述.173.1.1基于知识的方法173.1.2基于特征的方法183.1.3基于匹配的方法.183.1.4基于学习的方法.183.2 ADABOOST人脸检测算法..203.2.1 Adaboost算法背景203.2.2 Adaboost算法原理.213.2.3矩形特征和积分图。223.3 ADABOOST人脸检测流程253.4ADABOOST人脸检测算法实现。28IlI基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现3.5 ADABOOST算法优化.303.5.1 Haax特征扩展303.5.2优化结果.3 13.6本章小结314 JPEG2000压缩算法的研究与实现.....................324.1 JPEG2000标准。324.2 JPEG2000特点。334.3 JPEG2000编码原理344.3.1正向预处理.344.3.2离散小波变换.364.3.3量化。374.3.4熵编码.384.3.5码率控制394.4 JPEG2000感兴趣区域编码394.4.1 ROI基本原理。394.4.2 ROI标准算法404.4.3 ROI算法实现.424.5本章小结445系统应用软件设计与实现..........455.1视频采集模块455.1.1 Vide04Linux驱动一455.1.2视频采集模块的实现465.2人脸检测模块495.3视频图像压缩模块..5l5.4无线传输模块。525.4.1 IEEE 802.11b标准简介.525.4.2 IEEE 802.1lb在Linux上的实现535.5解码显示模块.545.6本章小结55总结与展望.......................56参考文献.........................致谢......攻读学位期间发表学术论文目录IV576061青岛科技大学研究生学位论文独创性声明.....................V基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现VI青岛科技大学研究生学位论文1.1研究背景和意义1绪论随着人类社会进步和经济条件的发展,人们的物质生活水平有了很大的提高,随之而来的社会治安状况也日趋复杂,使人民人身财产安全的保护成为社会安防的头等大事,视频监控作为一种有效的安防措施,已被越来越广泛地应用到社会生活的各个领域。过去,我国的视频监控应用主要集中在政府部门和金融、公安、交通、电力等特殊部门及行业。其中,政府部门和金融行业分别占据了20.9%和20.6%的市场份额。然而,随着社会信息化的进步,越来越多的行业和领域对视频监控的需求大量增加,即便是公安系统这样的传统用户也在“平安城市¨方面对城市监控提出了全新的格局和功能要求。在2010年广州亚运会期间,视频监控继2008年北京奥运会之后再一次为我国安防工作做出了重要的贡献,在亚运会举办期间,“电子眼“几乎覆盖了会场的所有关键位置,共设监控点30000多个,系统图像完好率占97%以上,有效的保证了亚运会安全有序的进行。除此之外,很多学校、社区也在积极地投入到“平安校园“和“平安社区“的建设当中,加装视频监控设备,防止学生和社区居民的人身和财产安全受到威胁和侵害。近年来,随着网络及通信技术的迅猛发展,视频监控的无线化已经成为视频监控发展的研究热点之一,无线通信技术被应用到日常生活的各个领域,如视频监控,视频会议等,为人们的工作和生活带来了很大的方便。无线视频监控是一种实时在线监控,可以不受监控地域环境的限制,无需布线,尤其在一些偏僻,光缆架设难度大的地方,其优势更为明显。它改变了传统有线视频监控系统灵活性差,需要线缆进行数据传输的缺点,使视频信号的监控和接收更加的方便。然而无线传输带宽窄,传输不稳定等缺点也成为制约无线视频监控技术的进一步发展的一个重要因素。随着以基于IEEES02.16标准的WiMAX技术【l】和3G无线网络技术的发展,使视频信号在无线网络中高速率传输成为可能,这些技术的研究和应用也必将进一步推动无线视频监控系统的发展和应用[21。在视频监控系统中,视频信息具有很大的数据量,如果不经过压缩就直接传输,在视频接收端可能无法得到流畅的视频信号,同时也为网络带宽带来了巨大的压力,需要在视频信号传输前进行信号的压缩,这也促进了视频压缩技术的进步和发展。JPEG2000作为新一代的静态图像压缩标准,增加了许多优良的特性,基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现如感兴趣区域编码、局部无损压缩,较高的压缩比,渐进传输等特点,视频图像又可以看作是一系列连续的图像帧,对每张图像帧应用JPEG2000进行压缩编码,可以实现对整个视频信号的处理,将JPEG2000的这些特性应用于视频监控领域,可以实现在保留视频图像有用信息的同时,减小图像大小,缓解带宽和视频图像巨大数据量之间的矛盾。1.2视频监控系统发展和趋势1.2.1视频监控系统的发展图像监控技术的发展经历了3个主要阶段模拟图像监控技术、基于微机平台的多媒体监控技术和基于嵌入式系统的数字图像监控技术。目前,国内还较多地使用本地模拟图像监控系统,能够保证采集到的图像清晰、不失帧,但存在传输距离小,系统可扩展性差,后期处理能力不强,无法实现图像数据的大容量存储,无法利用现有的网络等方面的局耐31。1模拟图像监控技术。在20世纪90年代初及前溯,主要是以模拟设备为主构成闭路系统,称为第一代视频监控系统,即模拟视频监控系统。简单的监控系统由一架摄像机和一台监视器组成,中间用传输线连接,不需要特殊处理,仅适用于近距离单点监控,应用受到很大限制。由于计算机、网络以及视频数字化处理技术方面的不足,初期的视频监控方案中的视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,没有实现数字化,更不能通过网络来交换数据。模拟视频监控系统具有良好的实时性和图像质量,但是系统的灵活性差,缺陷比较明显,表现为以下几点①通常只适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆,而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于IKm,双绞线的距离更短,这就决定了模拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所。②系统的扩展能力差。对于己经建好的系统,如要增加新的监控点,往往是牵一发而动全身,新的设备也很难添加到原有的系统之中。③无法形成有效的报警联动。在模拟监控系统中,由于各部分独立运作,相互之间的控制协议很难互通,联动只能在有限的范围内进行。④成本较高。每个监控中心都需要配置一套监控设备且信息的存储是利用录像带、磁带等设备,这些存储设备成本较高。由于存在以上的缺点,传统的模拟视频监控系统己远远不能满足越来越高的生产和管理监控的需求。2青岛科技大学研究生学位论文2基于微机平台的多媒体监控技术基于微机平台的视频监控系统先将麦克风和摄像头采集的模拟音视频信号通过电缆传输到监控终端的主机上,利用专用压缩卡将其转换为数字信号并对数字信号进行压缩编码,然后通过网络传输到远程的显示主机,显示主机利用专用的解压卡对数据进行解压后,就能够重现远端的图像和声音了。数字信号的可靠性较高,且数字化的视频流可以通过各种方式被连接到网络的计算机共享。与模拟视频监控相比基于PC的模拟/数字混合型视频监控系统具有传输距离远、图像质量好、数据的保存成本低等特点。而且监控人员无须在现场就可以对监控现场进行实时监控,大大提高了监控工作的效率和灵活性。但由于模拟/数字混合视频监控系统中信息流的形态没有变,仍为模拟的视频信号,系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络,要求介质专用,同时,这种监控系统通常只适合于小范围的区域监控,系统的扩展能力较差,无法形成有效的报警联动。因此,要满足更高的要求,数字化是必由之路。3基于嵌入式技术的网络视频监控系统基于嵌入式技术的视频监控系统主要的原理是在监控现场采用嵌入式技术,对摄像机传送来的视频信号进行数字转换后,使用高效的编码芯片或软件压缩算法进行视频压缩,然后通过嵌入式处理器把视频流发送到网络上,网络上的用户可以直接使用监控终端软件收看监控现场的视频,授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统进行配置。基于嵌入式设备的监控系统具有以下优点模块化设计,各个设备分担的任务和所起的作用不同,方便管理、维护和功能扩展嵌入式设备硬件结构简单,功能稳定,具有很高的稳定性和实时性。随着无线传输技术的发展,无线视频监控成为研究和应用的热门。嵌入式无线监控系统以其体积小、成本低、使用灵活方便的优点,在交通、安防和智能控制等领域正日益受到青睐。1.2.2嵌入式视频监控系统的研究现状视频监控系统对人们的生活、工作等方面有着重要的意义,而且当前视频监控系统的发展还不够成熟,有很大的研究空间,受到越来越多研究者的重视,当前主流的视频监控系统方案有以下几种[41。1ARM视频压缩芯片视频采集设备。视频图像通过视频采集设备采集图像,然后经过视频压缩芯片对图像进行压缩,最后传输到ARM处理器上进行传输和后续处理。该方案的优点是视频压缩芯片对图像压缩的速度快,但是由于基于JPEG2000的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现压缩芯片上压缩算法已经固化,难于更改,所以系统整体控制功能较弱,不易扩展。2ARM视频采集设备。这种方案将ARM应用到系统中,通过视频采集设备进行图像采集,利用ARM处理器做后续图像传输和处理。一般的ARM中都会运行操作系统,并支持网络协议栈。这样对视频数据的网络传输提供了方便性,增加了系统的灵活性和可扩展性,然而ARM对图像的处理能力相比于DSP还略有不足,在该方案的系统中,视频图像的压缩就需要软件来实现,增大了处理器数据处理的压力,影响系统的实时性。3DSPARM视频采集设备。在这一方案中,视频采集设备将图像传输到DSP中作相应的处理,然后再经过ARM的网络技术传输到接收终端。这种方案弥补了前面两种方案的不足,通过DSP处理器来对图像进行压缩和其他处理,加快了图像的处理速度。ARM在其中负责视频网络传输的功能,可以提高系统的灵活性。使得系统增强了对图像的处理能力,速度快且容易扩张,灵活性好。比较三种嵌入式视频监控设计方案,方案一采用图像压缩芯片对视频信号进行压缩处理,压缩速度快,对图像的处理能力有了很大的提高,然而压缩芯片中压缩算法已固化,不易修改,灵活性较弱。方案二中图像压缩处理采用软件的方式,较方案一在图像压缩方面灵活性提高,且ARM移植操作系统,便于图像传输,但是ARM对图像的处理能力有限。方案三较其他两种方案,灵活性和图像处理能力都有所提高,具有很好的扩展性。1.2.3嵌入式视频监控系统的发展趋势视频监控发展经历了模拟视频监控、基于PC的多媒体监控和基于嵌入式技术的网络监控三个阶段。随着视频监控系统在人们生活、工作等各个方面越来越普及的应用,视频监控系统的功能要求也在日益变更,智能化、无线化、m化将会成为视频监控系统未来的发展方向【5l。1智能化智能化是视频监控技术发展比较高级的层次。视频监控系统中要处理的数据量非常之巨大,而其中只有很少一部分是用户所真正关心的,其余绝大多数都是人们所并不需要的冗余信息,如何在海量的数据中获取到少量有价值的信息是视频监控技术研究的一个重要方向。随着监控技术的进步,一些很多简单的智能化功能已被应用到监控系统中,如自动位移检测、昼夜自适应切换存储、报警设置等,自动地为用户提供智能化的判断和处理,为人们的生活带来了方便,随着智能化技术的推广和应用,更复杂、更智能化的技术将会被应用到视频监控系统中,4青岛科技大学研究生学位论文按要求对监控系统内事件做更加智能化处理,为人们提供最为有效、及时的快速反应措施。2无线化视频监控系统的无线化包括两方面内容一方面是监控中心的无线化,通常监控终端是固定的,即摄像头的位置不变的,而传统的监控设备的监控中心也是固定的一台或多台计算机,这为工作人员的监控带来了很多的不方便,工作人员只有在固定的地方才能实时查看监控对象的行为和动作。监控中心的无线化将会为监控人员的工作带来极大地改善,工作人员可以随时随地利用笔记本电脑查看监控图像,提高了监控的便利性。另一方面是传输网络的无线化,随着无线网络技术的逐步成熟,视频监控的无线化将成为一个重要的趋势,现在也有很多无线化监控设备,但是由于无线技术的不成熟而不能被广泛地应用,而且当前无线网络带宽低,易受干扰,监控点分散,监控点与监控中心距离远等都是制约视频监控系统无线化的关键因素。因此,随着网络技术的发展,视频监控的无线化将会成为视频监控系统发展的一个趋势。3视频监控IP化‘随着Intemet技术的发展,基于P的视频监控系统更能为人们所接受,摄像机将压缩后的视频图像通过TCP/IP协议,采用流媒体技术实现视频图像在网络上的多路复用,拥有授权的用户可以随时访问网络,查看视频图像,实现对整个监控系统的指挥、调度、存储和控制等功能。当前IPv6已被应用各国研究者应用到很多商业领域,由于IPv6在服务质量、网络性能、安全性等方面都有很大的提高,所以基于Ⅲ的视频监控也将会成为视频监控系统发展的主流。随着计算机、编解码、网络传输技术以及相关应用技术的的发展,视频监控技术经历了三个阶段的飞跃发展,目前正朝着数字化、智能化、口化、网络化继续发展。同时视频监控同其他技术相结合,产生了许多新的应用,在各行各业起着举足轻重的作用。1.3研究内容本文主要针对视频监控系统对视频区域内的人脸清晰度要求高,背景区域要求较低的场合,采用ARMDSP视频采集设备的结构,构建一个视频图像采集、检测、压缩到传输的视频监控系统。系统采用CCD摄像头作为前端视频图像采集设备,将视频图像采集到ARM处理器中进行人脸检测和定位,检测后的图像传输到DSP芯片上,在DSP上移植JPEG2000图像压缩算法,运用软件压缩的方式将图像中的感兴趣区域进行局部无损压缩,背景区域采用高压缩比压缩,减小5
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