基于串口攝像頭圖像比對的一種人體傳感器設(shè)計

基于串口攝像頭圖像比對的一種人體傳感器設(shè)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(yīng)技術(shù)，在穩(wěn)定性和靈敏度等有著不可避免的缺陷。筆者設(shè)計了基于圖像灰度值比對算法的一種傳感器。該產(chǎn)品共主要由串口攝像頭與單片機(jī)等組成，并依靠圖像數(shù)字處理技術(shù)，可以解決市場上基于熱釋電技術(shù)的人體傳感器的某些穩(wěn)定性和靈敏度等的缺陷。

【關(guān)鍵詞】人體感應(yīng) 圖像處理比對 傳感器

1 傳感器總體設(shè)計

1.1 傳感器總體框架

該產(chǎn)品主要由單片機(jī)和串口攝像頭組成。由串口攝像頭對所要監(jiān)視區(qū)域以較短時間間隔進(jìn)行拍攝取樣，并將采集的圖像數(shù)據(jù)通過串口傳回到單片機(jī)，單片機(jī)再將這些前后短時間間隔的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)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(jié)果。當(dāng)進(jìn)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(jī)，單片機(jī)接收到此信號后開啟了串口攝像頭鏡頭周圍一轉(zhuǎn)的紅外發(fā)射管來為串口攝像頭提供夜間的光源，使得產(chǎn)品的工作時間可以不受時間限制。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在系統(tǒng)經(jīng)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(jī)傳回這兩張圖片的灰度值 a（x，y）與 b（x，y），單片機(jī)隨后將這兩組灰度值進(jìn)行比對。設(shè)定計數(shù)變量w，當(dāng)x，y 相同時，若 a（x，y）=b（x，y），則不計數(shù)；若不等則w計數(shù)加一，直到數(shù)據(jù)比對結(jié)束，單片機(jī)將計數(shù)結(jié)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(zhǔn)確），將得到的相似度值與預(yù)先存放在單片機(jī)中設(shè)定的閾值相比，若超出閾值則單片機(jī)認(rèn)定監(jiān)控范圍內(nèi)有移動的物體；若沒超出閾值，則認(rèn)定監(jiān)控范圍內(nèi)沒有物體移動。當(dāng)比對完畢后，信號輸出端輸出檢測結(jié)果，同時單片機(jī)將最先的那一組數(shù)據(jù) 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(jī)，隨后比對 b 與 c 這兩組數(shù)據(jù)，執(zhí)行相同的的操作。循環(huán)執(zhí)行下去。但是單片機(jī)這種檢測方法較為簡單，但需要單片機(jī)擁有較大內(nèi)存，會提高成本。例如一般的 c51 單片機(jī)內(nèi)存大約 10k 左右。對于分辨率 320*200 的沒有經(jīng)過壓縮的黑白照片，存儲兩張就需要 124K 的內(nèi)存。因此我們需要通過優(yōu)化單片機(jī)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(nèi)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(nèi)存越多）的取出保存到特異像素數(shù)組a（）中，隨后清空序列 H（n），H（n）繼續(xù)收入后 n個像素的灰度值，繼續(xù)上述處理，直至結(jié)束。將灰度值 0~255 分成 g 個不等的區(qū)間（g 建議大一些），再對特異像素數(shù)組 a（）內(nèi)部像素進(jìn)行判斷得到滿足各分層區(qū)間數(shù)值的個數(shù)，再清空 a（）。對于 B 照片也是進(jìn)行相同方法處理，同樣得到一個特異數(shù)組 b（）隨后得到 B的灰度值各分層區(qū)間個數(shù)（注意前后分層的灰度值區(qū)間相同）。用照片 A 的區(qū)間個數(shù) x 減去 B 相應(yīng)分層區(qū)間的個數(shù) y 的絕對值 s 除以 A與B該區(qū)間總數(shù)和x+y得到該區(qū)間的差異度，再將所有區(qū)間的差異度相加除以區(qū)間總數(shù) g 得到總體的差異度 z，再將 z 與預(yù)先單片機(jī)中設(shè)定的閾值相比較進(jìn)行判定，超過則認(rèn)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(jī)運算速度要快，內(nèi)部程序復(fù)雜。

2 與同類產(chǎn)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(yīng) , 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(fā)射的 10 微米左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，產(chǎn)生極化電荷，形成了一個電勢差，其后續(xù)電路經(jīng)檢驗處理后即可產(chǎn)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(chǎn)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(jiān)測并不適用。（3）易受環(huán)境溫度的干擾，穩(wěn)定性欠佳。當(dāng)環(huán)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(chǎn)品的優(yōu)點

（1）本產(chǎn)品依靠的主要是圖像數(shù)字處理技術(shù)而非同類產(chǎn)品的紅外感知技術(shù)，不依靠人體輻射的紅外來進(jìn)行判斷，所以對于環(huán)境溫濕度和射頻等的抗干擾能力較好，對于環(huán)境與季節(jié)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性與適應(yīng)性相對較高。

（2）由于產(chǎn)品不依靠人體輻射的紅外來進(jìn)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(kuò)大了其應(yīng)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(jié)語

針對市場上同類產(chǎn)品的對于環(huán)境溫度的不穩(wěn)定性和感知范圍的局限性，設(shè)計了這款不依賴于熱釋電技術(shù)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(chǎn)品易受環(huán)境和人為因素干擾的缺陷，改善了穩(wěn)定度與靈敏度，有效地提高了產(chǎn)品的應(yīng)用前景與范圍，且易于實現(xiàn)，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(xué)院  江蘇省南京市  210012