基于串口攝像頭圖像比對的一種人體傳感器設計

基于串口攝像頭圖像比對的一種人體傳感器設計

文/張昊　陸廣勝　郝菁華

摘要：目前市場上的人體傳感器大多都基于紅外感應技術，在穩定性和靈敏度等有著不可避免的缺陷。筆者設計了基于圖像灰度值比對算法的一種傳感器。該產品共主要由串口攝像頭與單片機等組成，并依靠圖像數字處理技術，可以解決市場上基于熱釋電技術的人體傳感器的某些穩定性和靈敏度等的缺陷。

【關鍵詞】人體感應 圖像處理比對 傳感器

1 傳感器總體設計

1.1 傳感器總體框架

該產品主要由單片機和串口攝像頭組成。由串口攝像頭對所要監視區域以較短時間間隔進行拍攝取樣，并將采集的圖像數據通過串口傳回到單片機，單片機再將這些前后短時間間隔的圖像數據進行比對，判斷是否有活動物體，最后由信號輸出端口置高低電平來輸出判斷結果。當進入夜晚時，由于光線不足，此時光電傳感器感知到光線不足傳輸信號給單片機，單片機接收到此信號后開啟了串口攝像頭鏡頭周圍一轉的紅外發射管來為串口攝像頭提供夜間的光源，使得產品的工作時間可以不受時間限制。

1.2 系統工作原理

在系統經過初始化后，串口攝像頭在較短時間間隔先后拍取兩張照片 A 與 B，并且會分別通過串口向單片機傳回這兩張圖片的灰度值 a（x，y）與 b（x，y），單片機隨后將這兩組灰度值進行比對。設定計數變量w，當x，y 相同時，若 a（x，y）=b（x，y），則不計數；若不等則w計數加一，直到數據比對結束，單片機將計數結果 w 除以圖片像素 x*y，得到最后相似度（攝像頭像素越高則相似度值越準確），將得到的相似度值與預先存放在單片機中設定的閾值相比，若超出閾值則單片機認定監控范圍內有移動的物體；若沒超出閾值，則認定監控范圍內沒有物體移動。當比對完畢后，信號輸出端輸出檢測結果，同時單片機將最先的那一組數據 a 丟棄，而保留后拍的圖片灰度值 b。串口攝像頭再拍攝圖片 C 得到一組灰度值 c（x，y），通過串口傳回到單片機，隨后比對 b 與 c 這兩組數據，執行相同的的操作。循環執行下去。但是單片機這種檢測方法較為簡單，但需要單片機擁有較大內存，會提高成本。例如一般的 c51 單片機內存大約 10k 左右。對于分辨率 320*200 的沒有經過壓縮的黑白照片，存儲兩張就需要 124K 的內存。因此我們需要通過優化單片機程序的算法再不明顯影響判斷精度的前提下來減少操作所占用的內存。首先我們不要選取像素過高的攝像頭。對于一張照片的灰度值我們可以每收到 n 個像素（n 值越大精確度越底，但所需空間會越小）f（x，y）取為一個序列H（n），然后將其相加求平均，然后再將這些像素的灰度值與該序列平均做比較，超過平均 ±30（值越小精度越大但所需內存越多）的取出保存到特異像素數組a（）中，隨后清空序列 H（n），H（n）繼續收入后 n個像素的灰度值，繼續上述處理，直至結束。將灰度值 0~255 分成 g 個不等的區間（g 建議大一些），再對特異像素數組 a（）內部像素進行判斷得到滿足各分層區間數值的個數，再清空 a（）。對于 B 照片也是進行相同方法處理，同樣得到一個特異數組 b（）隨后得到 B的灰度值各分層區間個數（注意前后分層的灰度值區間相同）。用照片 A 的區間個數 x 減去 B 相應分層區間的個數 y 的絕對值 s 除以 A與B該區間總數和x+y得到該區間的差異度，再將所有區間的差異度相加除以區間總數 g 得到總體的差異度 z，再將 z 與預先單片機中設定的閾值相比較進行判定，超過則認為檢測范圍有移動物體，反之則沒有。此種方法好在所需硬件條件較低，，但要求單片機運算速度要快，內部程序復雜。

2 與同類產品的比對

2.1 熱釋紅外傳感模塊

市場上常用的傳感器一般是熱釋電紅外傳感模塊。熱釋電紅外傳感器是基于熱釋電效應 , 其輻射照面通常覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，可以以非接觸的形式檢測人體輻射出的37 攝氏的大約 10 微米波長的紅外線。人體發射的 10 微米左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，產生極化電荷，形成了一個電勢差，其后續電路經檢驗處理后即可產生信號。

2.2 熱釋電傳感模塊的局限

（1）由于人體輻射紅外穿透力差，并且有衣物覆蓋，使得人體輻射出的紅外較弱，不易檢測。（2）此類產品一般感知范圍較小，精確度不是很高，其半徑大多在4—5米左右，使得其運用范圍較為局限，對于大范圍監測并不適用。（3）易受環境溫度的干擾，穩定性欠佳。當環境溫度與人體溫度接近時，傳感器靈敏度會明顯下降，甚至有時會造成短暫的失靈。（4）易受射頻輻射和各種光，熱源的干擾。

2.3 本產品的優點

（1）本產品依靠的主要是圖像數字處理技術而非同類產品的紅外感知技術，不依靠人體輻射的紅外來進行判斷，所以對于環境溫濕度和射頻等的抗干擾能力較好，對于環境與季節的適應能力較強，穩定性與適應性相對較高。

（2）由于產品不依靠人體輻射的紅外來進行判斷，通過串口攝像頭短時間采集的前后兩張圖像的檢測來判別，可以提高測量的范圍，擴大了其應用前景。（3）用圖像采集代替檢測人體輻射的穿透了較差的紅外線，可以大大提高其靈敏度。

3 結語

針對市場上同類產品的對于環境溫度的不穩定性和感知范圍的局限性，設計了這款不依賴于熱釋電技術的傳感器。通過對圖像的分析與處理，可以從根本上解決同類產品易受環境和人為因素干擾的缺陷，改善了穩定度與靈敏度，有效地提高了產品的應用前景與范圍，且易于實現，價格適中，是具有較大的實用價值與市場空間。

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作者單位

江蘇第二師范學院  江蘇省南京市  210012