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    1 系統(tǒng)功能 

    本系統(tǒng)由微機、CMOS攝像頭和軟件等組成，其基本功能如下： 

    （1）能夠克服廉價CMOS攝像頭的不穩(wěn)定性和低象素低分辨率的缺陷，對監(jiān)控場景進行可靠、穩(wěn)定的監(jiān)控。 

    （2）能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、自動化。在發(fā)現(xiàn)異常情況時，可以根據(jù)異常情況的危險等級而實施不同的處理機制。 

    （3）具有拍照和錄像功能，當出現(xiàn)異常情況時將有關場景記錄在案，為日后分析提供影像證據(jù)，同時系統(tǒng)還提供時間信息。 

    （4）具有完善的后處理能力，在本系統(tǒng)內(nèi)可以查看所拍攝的照片和錄像，方便用戶瀏覽查看，并且可以編輯、打印等。

    （5）可靈活實現(xiàn)由自動監(jiān)控到人工操作的切換。 

    2 硬件設計 

    系統(tǒng)硬件構成框圖如圖1所示。 
    

    3 軟件設計 

    3.1 主程序框圖 
    監(jiān)控軟件主程序框圖如圖2所示。
    

    3.2 監(jiān)控程序框圖 
    監(jiān)控程序框圖如圖3所示。
    
    系統(tǒng)將警報定為3個級別，分別是綠色警報、黃色警報和紅色警報。由低到高分別表示監(jiān)控場景安全、系統(tǒng)進入警備狀態(tài)和系統(tǒng)進入報警狀態(tài)。 

    當系統(tǒng)處于綠色報警狀態(tài)時，位于屏幕中心的視頻回放窗口中實現(xiàn)地回放CMOS攝像頭捕捉的視頻圖像，位于屏幕下方的狀態(tài)欄則顯示系統(tǒng)運行時間以及當前時間等信息。同時，內(nèi)部監(jiān)控程序進行運動檢測，一旦場景有變化就觸發(fā)高一級別的警報，并驅(qū)動附屬設備工作。 

    4 對低成本CMOS攝像頭的研究 

    4.1 圖像的獲取 

    在攝像頭圖像的獲取上，系統(tǒng)采用了Logitech Quick－Cam SDK。這是一個COM接口驅(qū)動程序，通過對他的設定編程，就可以獲取攝像頭捕捉的圖像，圖4顯示了程序設計者和攝像頭低層驅(qū)動之間的工作原理。

通過調(diào)用WDM驅(qū)動程序，應用程序就可以和CMOS攝像頭進行數(shù)據(jù)通信。 

    4.2 預處理方法 

    圖像在生成和傳輸過程中受噪聲干擾會使質(zhì)量下降。為了抑制噪聲和改善圖像質(zhì)量，必須對圖像進行平滑處理。 

    為了濾除圖像中的噪聲，系統(tǒng)設計時采用平滑技術，本系統(tǒng)中采用的平滑技術是對噪聲圖像使用局部算子，即僅對他的局部小領域內(nèi)的一些象素加以運算。該方法也稱作非加權領域平均法，他均等地對待領域中的每個象素。設圖像中某象素的灰度值為f（x，y），他的領域S為N×N，點集總數(shù)為M，則平滑后該點的灰度值為整個區(qū)域的平均值。 

    領域運算（Neighborhood Operation）實質(zhì)上就是進行模板操作，即某個象素點的值不僅和本象素灰度有關，而且和其領域點的值有關，平滑模板的思想是通過某一點和其周圍8個點的象素值平均來濾除噪聲。 

    系統(tǒng)中采用的圖像模板操作函數(shù)如下：
    
    利用該通用模板，就可以輕松地實現(xiàn)局部平滑操作。 

    4.3 成像規(guī)律的研究 

    基于廉價的CMOS攝像頭最嚴重的問題就是穩(wěn)定性差。也就是說如果對同一靜態(tài)場景進行連續(xù)拍攝時，其圖像也存在很大差別。為此，首先進行對靜態(tài)圖像連續(xù)拍攝的穩(wěn)定性的實驗，對圖像進行三原色分離，比較各象素點的差值，統(tǒng)計不同的象素點的個數(shù)。 

    假設某一特定點在相鄰t1，t2時刻所對應的三原色值分別為（R1，G1，B1）和（R2，G2，B2）。實驗發(fā)現(xiàn)，R1≠R2，G1≠G2，B1≠B2，但其存在關系R1－R2△G1－G2△B1－B2。 

    三原色分離是分離前背景圖像的基礎，為此，構建函數(shù)f（1），f（2）分別表示t1，t2時刻某一點所對應的三原色函數(shù)值。通過對三原色分離后的誤差域值的研究發(fā)現(xiàn)，當｜f（1）－f（2）｜＝a＝45時（a稱為域值），可準確實現(xiàn)t1，t2時刻前背景圖像的分離，且系統(tǒng)反映速度較快，屬于非常合適的“折衷點”。因此，當a≤45時，可以認為圖像中t1，t2時刻的三原色差值是由于攝像頭的誤差造成的，否則判斷有物體進入了監(jiān)控區(qū)域。 

    實現(xiàn)前背景分離的核心程序如下： 
    
    圖5所示即為程序運行后的前背景分離結果。 

    5 結語 

    在系統(tǒng)的研究過程中，課題組投入了大量經(jīng)歷致力于低成本CMOS攝像頭的研究，成功地克服了攝像頭穩(wěn)定性差、精度低等問題。探索出了一條低成本多媒體監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)之路。 

    通過在不同場所的系統(tǒng)測試，本系統(tǒng)完全達到了高精度、高穩(wěn)定性的實時監(jiān)控功能。但隨著對監(jiān)控系統(tǒng)的進一步要求，為適應新的形勢，該系統(tǒng)在以下方面有待優(yōu)化。 

    （1）視頻信號的自動切換，每間隔一定時間自動切換攝像頭監(jiān)控區(qū)域。 

    （2）增加網(wǎng)絡功能，報警時可將照片和錄像傳輸?shù)竭h端主機。 

    （3）增加電話報警功能，報警使可撥打報警電話。 

    （4）對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行深入研究。 

    （5）改進圖像和視頻壓縮算法，采用MPEG4壓縮技術。