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1、II Study of an Embedded Image Monitoring System Based on ARM Discipline: Control theory and control engineering Student signature: Supervisor signature: ABSTRACT With the rapid evolution of digital image, embedded computer and communication technique, embedded image monitoring system becomes a new r
2、esearching interest. However, a large number of pointless pictures are transmitted back to the monitoring center, which increases communication quantity and surveillance load; generally, the images definition in remote surveillance is low because of its limited transmission channel. An improving way
3、 is moving object detection in the front of system, and snatching a high definition picture when motion happens and then transferring back to the monitoring center. This method can settle the contradiction between definition and transferring speed. In the dissertation, a kind of embedded image monit
4、oring system based on ARM is discussed. The system has the functions of motion detection and picture transmission based on GPRS, and improves the flexibility of setting and the definition of abnormal picture. The system takes LPC2210 based on ARM7 core as its central processor, and embedded OS C/OS-
5、II as its software platform. Moving object detection adopts a method of dynamic difference background image, whose principle is to calculate difference picture among the current frames and background images and take the motion adjudging threshold which owns maximum information entropy to determine m
6、oving area; and dynamically updates background by using Kalman filter. Thus, the system realizes the judgment of the moving area under the complicated changing background. The monitoring system adopts embedded Web server technology to send warning information and on-the-spot picture to the remote mo
7、nitoring center. The wired or wireless remote transmission channel (Ethernet or GPRS) can be adopted between the center and the front control point, and has the features of mutual supplement, convenience and flexibility. And GPRS communication terminal adopts Wavecom wireless module to transmit moni
8、toring image through wireless common network. In the dissertation, the principle and implementation of embedded image monitoring system based on ARM are discussed. Experimental results show that the implemented system performs well in accurately detecting motion and low-level FAR；and the GPRS IIItra
9、nsmission is so steady that the shutdown moment is few. Meanwhile, the realization of the image monitoring system provide a initial platform for the subsequent research, such as object sorting, object tracking, remote transmitting, scene controlling etc. Key Words: image monitoring; embedded system;
10、 ARM; C/OS-II; motion detection; TCP/IP; GPRS; embedded web server I基于 ARM 的嵌入式图像监控系统研究 学科：控制理论与控制工程 研究生签字： 指导教师签字： 摘 要 随着数字图像技术、嵌入式计算机技术和通信技术的飞速发展，嵌入式图像监控系统己成为当今监控领域的一个新的研究热点。然而，大量无意义画面的回传在增加通信量的同时，并没有减轻监控图像判读的工作量；而受有效传输速率的限制，远程图像监控系统的清晰度一般较低。在前端对图像进行运动检测和分析，并在符合规则时抓拍高清晰度图片传回监控中心，可有效解决清晰度和传输速率间的矛盾。
11、本文提出了一种基于 ARM 的嵌入式图像监控系统，它在前端实现了运动检测，并采用 GPRS无线信道进行远程图像传输，提高了监控系统的布站灵活性和特异图像的清晰度。 系统以基于 ARM7 内核的嵌入式微处理器 LPC2210 为核心，嵌入式实时操作系统C/OS-II 作为软件开发平台。运动目标检测采用动态差分背景图像法，其原理是利用序列图像中当前帧图像减去背景图像，并采用使信息熵最大化的运动判决门限判定运动区域；采用 Kalman 滤波动态背景生成实现了背景的动态更新；从而实现了复杂变化背景下图像运动区域的判决。监控系统采用嵌入式 Web 服务器技术将报警信息及现场图像发送至远程监控中心；中心与
12、前端监控点间可以采用有线（以太网）或无线（GPRS）的远程传输信道，这两种传输方式具有互相弥补、方便灵活的特点。远程传输采用 GPRS 通用无线分组协议，并采用 Wavecom 通信模块实现了利用现有的无线公网传输实时远程监控图像。 文中给出了系统设计及实现的全过程。实验结果表明，所提出的运动检测算法具有较高的检出率和较低的虚警率；所实现的 GPRS 传输运行可靠、掉线率较低。同时，该图像监控系统的实现也为后继的目标分类、目标跟踪、远程传输和对现场的控制等研究工作，提供了一个初步的平台。 关键词：图像监控；嵌入式系统；ARM；C/OS-II；运动检测；TCP/IP；GPRS； 嵌入式 Web
13、服务器 ii4.4.2 运动目标检测实验 . 39 5 ETHERNET 的图像传输.41 5.1 嵌入式 TCP/IP 协议栈 .41 5.1.1 ZLG/IP 简介47. 41 5.1.2 ZLG/IP 的 Socket API 函数介绍. 43 5.2 嵌入式 WEB服务器.45 5.2.1 HTTP 协议简介48. 45 5.2.2 嵌入式 Web 服务器设计 . 46 5.2.3 HTML 网页设计. 47 5.3 图像传输的实现 .48 6 GPRS 远程无线传输的设计与实现.50 6.1 GPRS 简介 .50 6.1.1 GPRS 特点 . 50 6.1.2 GPRS 系统结构
14、 . 51 6.1.3 GPRS 业务解决方案 . 52 6.2 GPRS 传输模块方案设计 .53 6.2.1 主要功能和特点 . 53 6.2.2 系统结构 . 54 6.2.3 系统选择 . 55 6.3 系统实现 .57 6.3.1 硬件实现 . 57 6.3.2 软件实现 . 60 6.4 GPRS 远程无线传输的实现 .64 6.4.1 GPRS 传输模块测试 . 64 6.4.2 通过浏览器访问远程图像监控点 . 66 7 结论与展望 .67 攻读硕士学位期间发表的论文.68 致 谢.69 学位论文知识产权声明.70 学位论文独创性声明.71 参考文献.72 附 录 A.75 I
15、主要符号表 符号 名称 I 当前帧图像 B 背景图像 ip 图像灰度概率 H ( B ) 背景熵 H (O ) 目标熵 s ,T 阈值 g 增益因子 1 ,2 权值系数 i目 录 主要符号表. I 1 绪论 .1 1.1 课题研究的目的意义、主要内容及关键问题 .1 1.1.1 课题研究的目的及意义 .1 1.1.2 课题研究的主要内容 .1 1.1.3 课题研究的关键问题及解决途径 .2 1.2 国内外发展动态 .3 1.2.1 图像监控的动态及趋势 . 3 1.2.2 嵌入式技术发展现状及其前景131415. 5 1.3 论文结构安排 .7 2 系统总体方案设计 .8 2.1 系统设计原则
16、 .8 2.2 系统结构及工作原理 .9 2.2.1 系统功能组成 . 9 2.2.2 工作原理及功能要求 . 10 2.3 系统设计 .10 2.3.1 系统硬件模块框图 . 11 2.3.2 系统软件模块框图 . 12 3 嵌入式核心平台建立 .13 3.1 LPC2210 资源规划 .13 3.1.1 ARM 微处理器体系简介. 13 3.1.2 LPC2210 硬件资源与结构. 15 3.2 嵌入式实时操作系统C/OS-II .17 3.2.1 C/OS 内核介绍21222324. 17 3.2.2 C/OS-II 在 LPC2210 上的移植2526. 19 3.3 开发环境简介 .
17、22 3.3.1 开发硬件平台. 22 3.3.2 开发软件平台. 23 4 图像采集及运动检测的实现.25 4.1 图像采集 .25 4.1.1 图像传感器简介28. 25 4.1.2 摄像头接口电路设计 . 26 4.1.3 摄像头驱动程序设计 . 28 4.2 运动检测的研究 .32 4.2.1 运动检测简介 . 32 4.2.2 运动目标检测算法43-46. 34 4.3 图像运动检测的实现 .36 4.4 实验结果与分析 .38 4.4.1 动态背景更新实验 . 38 1 绪论 11 绪论 1.1 课题研究的目的意义、主要内容及关键问题 1.1.1 课题研究的目的及意义 随着嵌入式计
18、算机技术、通信技术、数字图像技术等的发展，监控技术也得到了迅速发展1；基于 PC 的远程图像监控系统得到了迅速地普及。这种监控系统可被广泛应用于那些对于安全要求敏感的场合，如停车场、仓库、超市、自动贩卖机、ATM和交通管理等。当场景里出现可疑行为时，监控系统能及时向保安人员发出警报，从而避免犯罪的发生。由于基于 PC 的远程图像监控系统结构复杂，稳定性、可靠性不高，价格高昂、操作烦琐等缺陷，不能满足某些监控领域的应用要求2。 随着人们期望监控点的增多，对监控点的期望也在增多：期望监控点能够方便安装省去繁琐的布线、期望监控点能够减轻监控人员判读图像的工作强度前端智能图像处理、期望能够省去中心的巨
19、额投入通过简单的设备进行监控。这些期望导致一种新型监控系统的诞生基于嵌入式技术、网络技术和无线技术的带有前端图像处理功能的远程监控系统。 这种监控系统通常以嵌入式系统作为核心处理器，集成了嵌入式系统成熟的图像处理技术、网络通信技术、Web 技术等，利用现有的计算机网络通信信道进行远程图像的传输，省去了繁琐的视频布线及昂贵的中心设备，前端具有图像检测功能，通过任何一台可以上网的计算机甚至手机即可获得监控现场的画面。由于具有以上的优点，这种图像监控系统的开发和设计正越来越多地受到人们的瞩目。基于嵌入式技术的智能图像监控系统必将有良好的应用与发展前景，由它代替当前普遍应用的基于PC 的远程监控系统将
20、成为必然趋势3。 本文顺应图像监控领域的发展趋势，在总结多种形式的远程图像监控系统利弊的基础上，探讨了一种具有前端运动目标检测、有线（以太网）和无线（GPRS）传输技术相结合的基于 ARM 的嵌入式图像监控系统。 1.1.2 课题研究的主要内容 本文以远程图像监控系统领域现阶段的技术为参考，设计并实现了一种基于 ARM内核的高性能的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统C/OS-II 的远程图像监控系统。该系统在对现场图像进行监控的基础上，嵌入了图像前端处理的功能，对所监控的视觉范围实现运动目标检测，并将现场图像通过有线（以太网）或无线（GPRS）的方式发送至远程监控中心。这两种传输通道分别采用了
21、嵌入式 Web Server 技术和GPRS 技术，在远程传输中起到互相弥补、传输方式灵活的作用。同时，这个图像监控系统平台也为后继的研究工作（包括目标检测、目标分类、目标跟踪、远程传输和对西安工业大学硕士学位论文 4监视器监视器控制键盘画面切换和画面切割视频矩阵控制器C录像机. 图 1.1 本地模拟监视系统结构图 b数字图像监控系统 数字图像监控系统不仅符合信息产业的未来发展趋势，而且代表了监控行业的未来发展方向，蕴藏着巨大的商机和经济效益，成为目前信息产业中颇受关注的数字化产品。特别是近年来，随着技术的进步和社会经济的不断发展，客观上对图像监控系统的准确性、有效性和方便性提出了更高要求。具
22、体地讲，主要体现在以下两个方面：一是需要实施图像监控的范围更加广阔，由传统的安防监控向管理监控和生产经营监控发展，而且对同一套系统的覆盖面和实施距离也提出了更高的要求，通俗地说就是要达到点多面广；二是要求监控系统与管理信息系统、网络系统结合，实现对大量视频数据的压缩存储、传输和自动处理，从而达到资源共享，为各级管理人员和决策者提供方便、快捷、有效的服务。数字图像监控系统一般可以分为二类： （1）基于PC的多媒体监控系统 进入20世纪80年代，随着数字化技术的发展，给图像监控带来了一次技术革命。人们慢慢地从过去模拟处理方式转向数字处理方式，开始使用PC机来处理图像信号。利用计算机的数据处理能力与
23、显示器的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡采集到计算机中，显示在显示器上，大大提高了图像的画质。 基于PC的多媒体监控系统是一般采用下面的结构：在远端监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端上，多媒体监控终端可以是一台PC机，也可以是专用的工业机箱组成多媒体监控终端。除了处理各种信息和完成本地所需要的各种功能外，系统利用视频压缩卡和通信接口卡，通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。 基于PC的多媒体监控系统功能较强，但稳定性不够好、功耗高、需要有专人值守。其结构图如图1.2所示。 西安工业大学硕士学位论文 2现场的控制等）提供了一个初步的平台。本文就基于嵌入式的系统总体设计方案、图像运动目标检测的方法及实现、嵌入式 Web Server 的设计及图像传输和基于 GPRS 图像传输模块设计等四个问题进行了研究。 a基于嵌入式的系统总体设计方案 在嵌入式图像监控系统中，需要由多个功能事件构成并协同工作，才能实现整个系统的有序高效的运行。然而，各功能事件（任务）均运行于功能不像其它商业RTOS那