基于视频监控系统运动目标检测跟踪算法研究与实现论文

基于视频监控系统运动目标检测跟踪算法研究与实现论文内容摘要：

03 年推出的智能视频监控系统 SmartSystem 等。 国内的相关研究起步较晚，其中中国科学院北京自动化研究所下属的模式识别国家重点实验室视觉监控研究走在了国内的最前沿。 在交通场景的视觉监控（基于三维线性模型定位、基于 KALMAN 滤波器的车辆跟踪算法），人的运动视觉监控和行为模式识别等方面进行了深入的研究[1]，并且取得了一定的成果。 而且参考了国外的一些成熟的车辆交通监控，总结英国雷丁大学的 VIEWS 的车辆交通监控系统的研究经验，运用自己的理论研究，自行设计并实现了拥有完全自主知识产权的交通监控原型系统 vstart(Visual SurveillanceStart)。 除此之外，国内的一些高校和著名企业，也在进行相关的技术研究，如上海交通大学、北京理工大学、华为技术有限公司。 尽管，国内外进行了大量的学术和技术方面的研究。 但是在具体的应用的时候，运动目标检测和跟踪的算法仍面临这很多问题和难点，主要问题和难点有：①运动目标之间相互遮挡，导致无法完全提取运动目标的特征。 ②不同视角以及光照的变化，导致目标对应位置灰度或形状变化。 ③巨大的运算量，导致系统实时性很差。 ④目标运动的连续性问题。 目前，国内外关于该问题的研究，都是围绕这些相关问题展开。 在目标检测方面，主要的方法有光流法、帧差法、背景差分法，其中的背景差分法又分为多帧平均法、混合高斯模型法、Surendra 算法、码本的算法等。 在目标跟踪方面，主要的方法有基于相关性的2汕头大学工学院 2012 届硕士学位论文跟踪方法和基于直方图的跟踪算法。 但是每种算法都存在自己的优势和缺陷，而且都只能针对某种特定的环境才能够产生较好的检测、跟踪的效果。 就目前而言，不存在一个通用的算法来解决这个问题。 因此，对于目标检测和跟踪算法的分析研究是和有必要的，也是我们进行算法设计的一个必要的基础。 研究内容及创新点本文选取视频序列中的运动目标的检测和跟踪作为研究重点。 最终在嵌入式系统平台上，结合 OpenCV 进行具体运动目标检测和跟踪算法的实现。 针对运动目标的正确识别与分割、物体之间的相互遮挡和重叠、处理的实时性等难点进行研究，着力解决这几个难点。 本文主要内容总结如下：在运动目标检测方面：重点分析目前较广泛使用的光流法、帧差法、背景差分法，指出这些算法的优缺点，提出适用于嵌入式系统的检测方法，并说明该算法在嵌入式 linux上面的实现方式。 在运动目标跟踪方面：本文将详细研究运动目标跟踪的各个算法，分析其优缺点，说明其适用的范围，并提出一种基于码本模型的算法，并在嵌入式系统上实现该算法。 最后，就是具体的实现工作了，准备在以三星的 S3C6410 为主芯片的开发板上进行具体的实现工作，开发板上跑 操作系统。 另外，本文所研究的很多问题，都涉及图像处理的相关问题，如果每个实现过程都完全自己用代码实现，那必然是个庞大的过程，工作量也是十分惊人的、不太可能的，所以我们采用 Intel 的 OpenCV(Open Source ComputerVision Library)进行这些过程的实现。 开发环境的介绍该算法在 上进行开发。 Ubuntu 是一个以桌面应用为中心的 linux 操作系统。 “ubuntu”译为乌邦托或乌班图，意思为“人性”、“我的存在是因为大家的存在”，是非洲传统的一个价值观，类似华人社会的“仁爱”思想。 Ubuntn 是基于 Debian 发行版和 GNOME桌面环境，目标在于为用户提供最新的、最稳定的主要由自由软件构建而成的操作系统。 作为 linux 的一个发行版本，具有着 linux 的很多优势，如较低的成本、较低的管理成本、在高性能运算方面也具有较强的优势、高可扩展性和可维护性，也正是由于 linux 具有这么多的优势，近年来，开发人员逐渐倾向于采用 linux 系统进行开发，而且在嵌入式终端3绪论上 linux 操作系统的占有率，也逐年的增加。 在进行设计的算法中，设计到很多的数字图像处理相关的算法，如果这些基本的算法完全自己用代码来实现的话，将是十分巨大的工程，也是不太切合实际的。 这里我们采用Intel 的 OpenCV(Open Source Computer Vision Library),OpenCV 是 Intel1999 年开始建立的，基于 BSD 许可证授权（开源）发型的跨平台计算机数据库，具有很好的跨平台性，可以运行在 Linxu、 Window 和 MAC OS 等操作系统上，这个库主要由 C 函数构成，其中包含了少量的 C++组成，是一个轻量级但是十分高效的计算机图像库，实现了数字图像处理和计算机视觉方面的大部分算法。 另外，OpenCV 还具有开源的特性，所有使用者都可以免费获得 Opencv 的源代码和安装包，使用者可以方面的使用，不需要其他外部支持也可以完整的编译连接并生成可执行的程序。 目前，做图像处理和机器视觉相关应用方面的研究，大量的使用该开源库，而且很多人也把该库或者该库的部分移植到 DSP、ARM 等硬件上。 对于广大的本科和研究生同学，也提供了很大的便利。 可以免费利用该库进行毕业设计。 这里，我也把 Opencv 移植到嵌入式 linux 上面，作为毕业设计的基本算法库。 本章总结本章从研究背景、研究现状、研究的内容及创新点、开发环境等几个方面展开论文。 主要对自己的研究内容进行说明，并对当前目标检测和目标跟踪的普遍研究内容进行分析，提出的想法和思路，并提出自己设计算法的创新点。 开发环境是进行算法实现和仿真的基本要求。 从系统软件和依赖的基本库 2 个方面，说明我们的开发环境。 说明系统软件和依赖的基本库的优势，具有很好的可靠性、通用性、跨平台性、低成本性等各个方面进行说明，这些是进行算法和程序设计的基本要求，为我们程序和算法的设计和实现提供了可靠的保障。 4汕头大学工学院 2012 届硕士学位论文第 2 章 系统介绍和总体设计我们旨在实现一个视频监控中的目标检测和目标跟踪系统，对于系统的软硬件做整体的设计，以便能够实现我们准备实现的功能和性能。 这里我们对我们系统的要求进行具体的分析，确定了我们实现的平台，包括硬件、系统软件、图像处理库等。 系统功能分析目标检测和跟踪系统，这里就是对监控系统中，出现在视场内的运动目标（如人、车辆）进行检测，然后随着目标的移动，实时地跟踪运动的目标。 因为在实际的运用中，我们所采用的摄像头都是有一定可视角的，不可能覆盖 360 度范围，总是存在一定的监控死角。 当我们检测到有运动目标进入视场后，对运动目标进行跟踪，并且实时地把运动目标当前所在视场内的坐标反馈给系统，系统根据反馈的运动目标的坐标，实时地控制云台，通过云台的转动，从而保证运动目标的中心一直处在视场的中心位置。 随着嵌入式系统的发展，一方面主芯片的主频越来越高，处理一些复杂算法的实时性越来越好；另一方面更多实时性好、稳定可靠的操作系统的出现，在嵌入式设备上面都可以很好的运行，嵌入式设备逐渐成为工业、民用、军用等各方面青睐的实现系统。 这里我们也采用嵌入式系统进行实现，主芯片采用三星的 S3C6410，片上运行 linux 操作系统，采用 Intel 的 Opencv 作为图像处理的基本图形库。 详细的软硬件介绍，在下文进行。 硬件平台介绍S3C64XX 系列 的应用处 理器芯片 是三星主 推的，三 星目前主 要推出 S3C6400 和S3C6410，这 2 款主芯片都是 ARM11 架构的芯片，而且硬件管脚兼容，2 个芯片的功能是基本伤痛的，最明显的区别就是 S3C6410 带有 2D/3D 硬件加速。 主频最高可以达到 677M，足以处理我们的算法。 5系统介绍和总体设计网口串口LCD 彩屏ARM11（ S3C6410）核心板摄像头触摸屏图 21 嵌入式硬件结构图Fig. 21 Hardware structure of embedded systemS3C6410 处理器是一个强大的处理器，尤其它的 MFC(Multi Foramt Codec)单元。 这是一个视频 Codec 模块，支持 MPEG4，, P3 和 VC1 MainProfile 编解码功能。 支持 1/2 和 1/4 像素的运动估计，支持 MPEG4 AC/DC 预测，支持，对于 MPEG4 还支持可逆 VLC 和 Data Partition 功能，支持码流控制（CBR 或者 VBR），编解码同时进行的时候，可以支持 VGA 30fps。 从而极大地提高了对视频的编码效率，也极大提高了产品的实时性能。 系统用到的片上设备有：①Camera Interface:外接 Camera，支持 ITUR。 支持 ZoomIn、Zoom Out 功能，最大图像可达 4096*4096，支持 Preview，在支持 Rotation 和 Mirror功能，Preview 输出图像格式可以是 RGB16/18/24Bit 和 YUV4433 格式，还支持图像的一个特殊效果。 ② Multi Format Codec：视频 Codec，支持 MPEG4 Simple Profile， Profile， P3 和 VC1 Main Profile 编解码功能。 支持 1/2 和 1/4 像素的运动估计，支持MPEG4 AC/DC 预测，支持 ，对于 MPEG4 还支持可逆 VLC 和 DataPartition 功能，支持码流控制 (CBR 或者 VBR)，编解码同时进行的时候，可支持 VGA 30fps。 ③ AC97：AC97 控制器，支持独立的 PCM 立体声音频输入，单声道 MIC 输入和 PCM立体声音频输出，通过 ACLink 接口与 Audio Codec 相连。 ④ 以太网口：10/100M 自适应网口，支持局域网和 PPPOE。 6汕头大学工学院 2012 届硕士学位论文 软件平台的介绍硬件平台使用以三星的 S3C6410 为主芯片的 ARM 平台。 系统软件使用当前大量使用的开源 linux 系统；基本的图像处理算法库采用 Intel 的 Opencv。 开发的过程中如果涉及到界面方面的开发，我们采用 NOKIA 的跨平台图像库 QT 进行开发。 linux 操作系统Linux 是一种自由和开放源码的遵守 GPL 协议的类 Unix 操作系统。 目前的嵌入式设备大量的使用该系统，linux 具有开源、免费、稳定等很多的优势。 它诞生于 1991 年（这是第一次正式向外公布的时间）。 以后借助 Internet 网络，并在大量的 Linux 社区或论坛，在全世界的 linux 爱好者的共同努力下，现在已经成为今天世界上使用量最大的 UNIX 类操作系统，并且使用人数还在迅猛增加。 近年来随着 ARM(Advanced RISC Machines)处理器是发展及大量的使用。 Linux 很早就开始了对该架构处理器芯片的支持，使得 linux 的发展迈出了很大的一步，linux 的使用量得到了一次更大的突破。 目前，在嵌入式市场上，具有很大的占有率。 Linux 的大量使用得力于它的很多优势，下面将进行具体阐述:①低廉的附加费用。 Linux 经常被大家宣传为免费的，实际上 Linux 并不是一个完全零成本的解决方案，并且在实际应用中没有组织会去安装、使用一个没有技术支持协议的软件。 现在提供 Linux 技术支持的著名厂商和邻近的经销商大量出现，随着大量有偿的第三方技术支持的出现，linux 会被越来越多的企业用户所接受。 组织在考虑许可成本，特别是大量使用者和大量计算机设备的许可成本时，都惊奇发现在成本上有着重大的优势。 ②根据您的要求灵活定制。 用户可以根据自己需求简单地修改调整应用软件。 这是由于 linux 是个开源的系统，用户可以自己获得源码，根据自己的需求选择编译；另一方面，GUN 许可协议允许任何人去修改和重新再发布软件。 并承认其合法性。 ③从各种许可证的限制中解脱。 不必考虑众多协议或许可证的限制。 ④系统稳定性。 Linux 的使用者几乎不用考虑系统崩溃的问题，因为linux 完全不会崩溃，linux 没有像其他操作系统一样内核如此庞大、充满漏洞，具有可靠的系统结构。 ⑤强大的兼容性。 由于 linux 的开源性，且遵守 GPL，支持众多的相关协议。 ⑥众多硬件的支持。 目前大量采用的 X8ARM、MIPS 架构的主芯片，对 linux 操作系统都具有很好的支持。 ⑦强大的因特网支持。 Linux 的发展在很大程度上得力于互联网，反7系统介绍和总体设计过来强大的互联网支持也是 l。