基於dct域差值傳輸的遠程無線圖像採集監控系統的製作方法
2023-05-02 04:45:11
專利名稱：基於dct域差值傳輸的遠程無線圖像採集監控系統的製作方法
技術領域：
本發明是涉及監控技術領域，特別涉及一種基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像採集 監控系統。
背景技術：
安全的生產和生活促使人們對生產設備安全性的需求和對構建智能化家庭的渴望與日 俱增。現在無線數據傳輸的手段和方法越來越多，但是都無法克服傳輸速率較低的缺陷， 而且傳輸成本較高。另外一方面，現實對各行各業提出了節能減排的要求，而採用模塊化的緊湊型設計、 具有低功耗的監控產品必然會受到社會的廣泛歡迎。傳統圖像監控系統的缺點與不足傳統的監控採用有線的模擬視頻傳輸方式，對監控 現場的布線比較複雜，而且設備較昂貴笨重，維護費用高，安裝缺乏靈活性，同時需要配 備大量的人力物力，成本較高、效率較低。而近年來計算機網絡、無線通信技術與數字圖像處理技術的發展，也使得我選擇一種 成本低廉、新型實用的無線數據傳輸技術，搭建一種高效、實時的圖像採集監控系統成為 可能。出於對上述原因的考慮，新一代的監控系統應運而生，將全新的數字圖像技術處理技 術應用於廣大人們的生產和生活中是系統設計的重點。在眾多的生產場所，需要重點考慮 單張圖片的提取分析要求，而為了控制應用成本，圖像採集監控系統提供的攝像頭採用的 是定焦的，且省去雲臺，所以只能以固定的方式對固定的目標進行監控。另外，新一代的監控系統採用了移動通信運營商技術非常成熟的網絡(中國移動的GRPS網或中國聯通的 CDMA網)和目前最大的網際網路進行圖像數據的傳輸，確保了系統的可靠性，也使得監控 範圍和傳輸距離有了質的飛躍，系統能對任何信號能夠覆蓋到的區域進行監控，通過互聯 網用戶可以隨時隨地査看監控圖像，所以這種系統可以被廣泛地應用於家庭安防、智能小 區、交通、銀行、公安、電力、各種生產監控、汙染監控、地質災害隱患點監控等領域，或者是一些布線困難、布線成本高而又需要監控的地方。這種系統無疑為上述需求提供了 一種可快速靈活變更監控方案而成本廉價的監控系統解決方案。目前市場上出現的一些問類產品，基本上都具各上述功能，但通常存在著系統龐大、 複雜、數據量大、功耗高、價格昂貴的問題。發明內容由本發明的目的是提供功能強人、實用、經濟而小巧的監控系統，實現低數據量，低功耗的要求。本發明解決問題的技術方案如下。本發明的基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像監控系統，包括現場圖像採集模塊、無 線數據傳輸模塊、數據中心伺服器軟體和遠程監控終端軟體。圖像釆集壓縮模塊和無線數 據傳輸模塊組成現場監控端，完成現場圖像數據的採集壓縮、加密等；數據中心伺服器和 遠程監控端組成客戶端，其中數據中心伺服器運行服務端軟體，完成現場監控節點的管理、 數據、命令的轉發等功能；遠程監控端PC機運行對應開發的遠程客戶監控端軟體，完成登 錄數據中心伺服器、圖像監控、命令發送等功能；現場監控端檢測圖像且僅當圖像發生變化時，現場監控端才觸發報警並對採集到的圖 像進行傳輸；在傳輸過程中，採用DCT域差值圖像傳輸方式，其步驟為，步驟A:把一幅採集到的圖像完整傳輸給遠程監控終端軟體；步驟B:只傳輸與前一副圖像之間有變化的部分；步驟C:獲取兩幅圖像之間的差值；步驟D:將並僅將該差值進行傳輸；步驟E:遠程監控終端軟體接收該差值並進行閣像恢復；步驟F:間隔一定時間後，再傳輸給遠程監控終端軟體一副完整圖像；重複步驟A至步驟F。檢測圖像是否變化的步驟是(1) 將前一幅圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據；(2) 計算所有8X8塊的亮度紋理和顏色特徵，保存相應的特徵值；(3) 將後一幅圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據，並計算所 有8X8塊對應的特徵值；(4) 對前後兩幅的圖像所有對應的塊的亮度紋理和顏色特徵值進行對比，並記錄不同塊的位置和數量；(5)判斷特徵值發生變化的塊的位置是否集中在相應的區域，確定後一幅圖像是否出現變化。獲取兩幅圖像之間的差值的歩驟是(1) 計算獲得DCT域的變化差值；(2) 對該差值進行相應的量化、編碼，加入必要的信息封裝成圖像碼流；(3) 解碼端進行相應的逆處理。本發明的有益效果是本發明採用的方案可以大大減少網絡傳輸的流量，從向顯著地 降低監控的數據流量費用，同時也大大降低了系統功耗；採用模塊化設計，採用全球業界 標準，系統小巧緊湊，功耗極低，且具有良好的可擴展性，實用性強。
圖l為遠程無線圖像監控系統總體結構圖。 圖2為無線監控終端基本結構框圖。圖3為圖像變化檢測實現流程框圖。圖4為圖像差值提取編碼實現流程框圖。
具體實施方式
如圖1所示，基於DCT域差值傳輸的無線圖像採集監控系統由三個部分組成1、現 場圖像採集模塊；2、無線數據傳輸模塊；3、數據中心伺服器軟體和遠程監控終端軟體。 其中圖像採集壓縮模塊和無線數據傳輸模塊組成現場監控端，完成現場圖像數據的採集壓 縮、加密等。現場監控採集終端可由ARM嵌入式微控制器，現今流行的嵌入式實時系統， 例如成熟與性能優良的uC/OS—n、嵌入式Linux等作業系統構成；客戶端由數據中心服 務器和遠程監控端組成，其中數據中心伺服器運行專門開發的服務端軟體，完成現場監控 節點的管理、數據、命令的轉發等功能；遠程監控端PC機運行對應開發的遠程客戶監控端 軟體，該軟體具有簡潔的易操作界面，完成登錄數據中心伺服器、圖像監控、命令發送等 功能。採用此模式，主要優點是只需要一臺固定IP位址的數據中心伺服器，客戶在任何能 連結Internet的地方均能實現監控等功能。本無線圖像採集監控系統結構簡單，可擴展件 強。圖像採集壓縮模塊監控終端圖像採集模塊，其功能是從普通的攝像頭中捕捉瞬時的視頻信號，經圖像處理晶片壓縮成JPEG格式圖像。同時該模塊完成DCT域差值的提取，採 用嵌入式處理器完成該算法。也是本系統的核心所在。用戶可以根據需要選擇多種不同的 壓縮比和圖像大小。無線數據傳輸模塊監控採集終端數據傳輸模塊，其功能是把壓縮好的JPEG圖像通 過內置的GPRS無線模塊傳送到運營商的網絡，該模塊封裝有PPP撥號，支持TCP/IP協議 和域名解析。數據中心伺服器軟體和遠程監控終端軟體數據中心伺服器軟體為運行在一個擁有固 定IP位址或採用域名解析方式的伺服器上，實現數據的轉發、現場圖像採集節點的管理。 遠程監控終端軟模塊，其功能是通過接入網際網路，登錄數據中心，完成現場監控終端節點 的管理，並可以在監視器上顯示圖像及監控數據管理，包括圖像的選擇性存儲與査看等。無線遠程圖像採集傳送系統依照C/S模式(客戶端/服務端模式)設計，由無線採集終 端、數據中心以及客戶控制端組成。系統工作時，先由無線採集終端啟動圖像採集和壓縮 過程並發起與遠方的數據中心傳送連接，依據與數據中心端的命令交互決定圖像壓縮數據 包的即時傳送；數據中心端則以伺服器模式運行，等待遠方無線採集終端的傳送連接並依 據需要作好圖像壓縮數據包的接收及解碼處理、資料庫保存等工作，以及按要求從數據中 心傳送數據到客戶終端。同時，數據中心能接收客戶端發來的命令，再把命令傳輸至無線 採集終端。從通信系統理論的一般角度來看，系統總體可以分成幾個部分現場原始圖像採集、 原始圖像的壓縮、壓縮圖像數據的無線信道傳送、中心壓縮圖像數據的接收、解密、解碼 和接收圖像數據的資料庫保存。前兩部分屬於無線採集終端，其中包括採集控制用的硬體 及支持功能實現的軟體，後兩部分屬於中心端，包括硬體及相應的軟體。其中無線圖像採 集終端硬體包括由圖像採集晶片處理器、牛.控制器和GPRS Modem模塊，軟體即指終端控 制軟體及圖像壓縮處理軟體，這些都運行於現場無線圖像採集終端主機。數據中心為一連 入Internet的主機，擁有固定公網IP位址，負責接收來自無線圖像採集終端傳送來的採集 圖像壓縮數據按要求進行轉發、進行解壓及資料庫保存。壓縮圖像數據的無線信道傳送則 依靠GPRS移動通信網的數據業務來實現。整個系統作為一套視頻圖像採集傳送接收系統，包括以下幾個獨立系統無線採集終 端系統、數據中心伺服器系統以及客服端控制系統。無線採集終端系統負責採集視頻圖像 數據、壓縮編碼視頻圖像數據、差值提取、圖像數據加密以及對加密後的數據傳送至遠端數據中心；數據中心端系統負責對接收到的壓縮視頻圖像數據進行解密、解碼、差值圖像 恢復並顯示，或按照遠程客服端軟體要求完成存儲轉發功能。現場圖像採集終端系統硬體 部分由視頻圖像採集模塊、採集控制、終端處理器部分以及GPRS Modem無線傳輸模塊等 部分組成。現場圖像採集監控終端包括圖像採集部分和GPRS網絡傳輸部分，圖像採集部分由視 頻專用壓縮晶片實現模擬圖像的數位化轉換以及實現JPEG圖像壓縮編碼。GPRS網絡傳輸 部分由專用GPRS模塊實現網絡傳輸功能，它與圖像採集部分的接口是通用異步串行接口 (UART)。數據中心伺服器部分包括硬體和軟體，硬體為一臺具有公網IP位址的PC機，軟 件即為伺服器程序，由數據中心伺服器軟體實現GPRS網絡傳輸模塊和遠程監控終端間的 命令傳遞和數據傳輸等功能。考慮到無線圖像採集監控系統傳輸數據是經過壓縮後的圖像數據，因此數據量較少， 系統圖像傳輸採用的是信號覆蓋面較廣的GPRS網絡，即在無線數據傳輸模塊中用的是 GPRS模塊。而對於CDMA網，因為其傳輸速率較GPRS快，但並不影響系統採集到的圖 像傳輸的實時性。根據用戶需要，也可以把GPRS模塊換成CDMA模塊，以適於在CDMA 網絡中進行數據傳輸。這樣的設計也是出於實用性、低成本和低功耗的考慮。圖像監控採用動態偵測算法，只有圖像變化系統才會觸發報警並對採集到的圖像進行傳輸。在傳輸過程中，又採用了技術領先的DCT域差值圖像傳輸方式，先把一幅採集到的圖像完整傳輸給用戶監控端之後，接下來只是傳輸與前一副圖像間有變化的部分，得到兩幅圖像的差值，系統將只對這個產生的差值進行傳輸，而在用戶遠程監控終端採用相關技術進行圖像恢復，間隔一定時間後，系統再傳輸一副完整圖像。這樣做的好處是可以大大減少網絡傳輸的流量，從而顯著地降低監控的數據流量費用，同時也大大降低了系統功耗，本技術也是系統的主要特點。總的實現框架結構如圖2所示，系統主要以ARM嵌入式處理器為核心構成。整個系 統主要包括NXP公司的嵌入式處理器LPC2214、無線GPRS通信終端模塊SIM300C、串 口擴張模塊、存儲器擴展模塊和圖像採集模塊等。LPC2214通過UART1與GPRS模塊進 行通信，完成數據傳輸的功能；UARTO用來控制圖像採集模塊C328，完成圖像模塊的控 制和圖像數據的採集；同時通過擴展的串口完成與PC機之間的通信，以實現調試信息的 輸出；整個系統通過JTAG接口實現系統的調試功能。由於LPC2214內置存儲器只有16KB， 要完成圖像數據的存儲轉發以及實現簡單的圖像數據處理，所以這裡需要外擴SRAM，系 統採用ISSI公司的生產的1MB的存儲器IS61LV51216，較大的存儲器系統，為一個方便 系統的升級以及完成複雜的運算控制做準備。本系統具有強大的監控能力，在監控圖像採集終端預留多個GPIO 口，可配置成輸入200810073562.3說明書第6/8頁或輸出檢測，用於外部輸入設備(如有些用戶要求外接紅外傳感器等)或帶動外部的門禁 等動作設備，以組建更高級、功能更強大的監控系統。採集圖像的格式採用JPEG格式，圖像大小多級可調，本系統最大解析度為640X480， 這是對實用性和圖像清晰度、網絡傳輸實時性等綜合考慮折衷的結果。對於圖像 採集方式，系統提供了用戶監控終端命令採集、定時採集和時間可調的間隔採集， 為監控方案提供了極大的靈活性。系統的監控接入方式主要採用的是用戶PC機接入監控，考慮到目前國內手機用戶群 非常大，系統支持手機接收簡訊報警，實時性強。而對於市場上出現的其它產品中採用的 Email接收信息或PDA接入等，因為實時性不夠強，出於實用性的考慮，本系統省去了這 部分的設計，為用戶節約成本。另外，針對目前廣泛使用的即時通訊工具，系統擬設計可 以用即時通訊工具接入報警，使系統具有更強的靈活性。在用戶監控終端，系統在多畫面瀏覽時會對報警的圖像自動全屏顯示並觸發聲音報 警，並將變化報警的圖像及時存儲。同時系統會為不同的用戶提供不同的訪問權限，保證 系統的安全性。圖像差值提取傳輸算法實現 (一)、基於壓縮域的JPEG圖像變化檢測1、 基本原理將前後兩幅JPEG圖像解碼到DCT域，得到以8X8塊為單位的Y、 Cb和Cr各分量所 對應的DCT係數矩陣，對這些數據進行相應的亮度紋理和顏色特徵值計算，對比前後兩幀 對應塊的特徵值，以確定JPEG圖像的變化。2、 算法描述以8X8的塊為例，設紋理或者顏色分量的像素的值為/(Z,j)， / = 0，1，...，7，7 = 0,1,—，7， 其對應的DCT係數為/(it,v),it =0,l,...，7，v = 0，1,...，7 。 二維的DCT變換如下formula see original document page 9(1)4 ,=oJ=o 16 161 其他其中，C(m)，C(v) DCT逆變換為m, v = 0 2formula see original document page 10(2)一般來說，亮度或顏色分量在8X8塊的平均強度與其DC係數的值具有以下的關係[l]: (可以通過式(2)進行推導得到！)formula see original document page 10(3)根據帕塞瓦爾定理，DCT變換僅僅是改變空間能量的分布，而能量的總量沒有發生變 化，於是有-formula see original document page 10圖像塊的亮度紋理或顏色特徵為(4)formula see original document page 10(5)8x8 =0 v=0如圖3所示，算法實現的步驟如下(1) 首先將前一幅JPEG圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據(每 個8X8塊對應3個亮度或顏色分量塊)。(2) 利用式子(5)計算所有8X8塊的亮度紋理和顏色特徵，保存相應的特徵值。(3) 將後一幅JPEG圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據，並計算 所有8X8塊對應的特徵值。(4) 對前後兩幅的圖像所有對應的塊的亮度紋理和顏色特徵值進行對比，並記錄不同塊 的位置和數量。(5) 判斷特徵值發生變化的塊的位置是否集中在相應的區域，確定後一幅圖像是否出現 變化。如圖4所示，圖像變化差值提取歩驟如下 L、基本原理根據前面圖像變化檢測的結果，對亮度紋理和顏色特徵發生變化的塊進行DCT域差 值提取，並對其差值進行相應的量化、熵編碼等。 2、算法描述設&0，v)和《("，v)分別為前後兩幅JPEG圖像解碼到DCT域的係數值。 算法步驟(1) 利用式(6)獲得DCT域的變化差值 A(M，v)^c(M，v)-i^(M，v) (6)(2) 對該差值進行相應的量化、編碼，加入必要的信息封裝成JPEG碼流。(3) 解碼端需要進行相應的逆處理。
權利要求
1. 一種基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像監控系統，包括現場圖像採集模塊、無線數據傳輸模塊、數據中心伺服器軟體和遠程監控終端軟體，圖像採集壓縮模塊和無線數據傳輸模塊組成現場監控端，完成現場圖像數據的採集壓縮、加密等；數據中心伺服器和遠程監控端組成客戶端，其中數據中心伺服器運行服務端軟體，完成現場監控節點的管理、數據、命令的轉發等功能；遠程監控端PC機運行對應開發的遠程客戶監控端軟體，完成登錄數據中心伺服器、圖像監控、命令發送等功能；其特徵是，現場監控端檢測圖像且僅當圖像發生變化時，現場監控端才觸發報警並對採集到的圖像進行傳輸；在傳輸過程中，採用DCT域差值圖像傳輸方式，其步驟為，步驟A把一幅採集到的圖像完整傳輸給遠程監控終端軟體；步驟B只傳輸與前一副圖像之間有變化的部分；步驟C獲取兩幅圖像之間的差值；步驟D將並僅將該差值進行傳輸；步驟E遠程監控終端軟體接收該差值並進行圖像恢復；步驟F間隔一定時間後，再傳輸給遠程監控終端軟體一副完整圖像；重複步驟A至步驟F。
2. 如權利要求1所述的基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像監控系統，其特徵為， 所述檢測圖像是否變化步驟是(1) 將前一幅圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據；(2) 計算所有8X8塊的亮度紋理和顏色特徵，保存相應的特徵值；(3) 將後一幅圖像解碼到DCT域，獲取對應的亮度和顏色DCT域數據，並計算 所有8X8塊對應的特徵值；(4) 對前後兩幅的圖像所有對應的塊的亮度紋理和顏色特徵值進行對比，並記錄 不同塊的位置和數量；(5) 判斷特徵值發生變化的塊的位置是否集中在相應的區域，確定後一幅圖像是 否出現變化。
3.如權利要求1或2所述的基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像監控系統，獲取 兩幅圖像之間的差值的步驟是(1) 計算獲得DCT域的變化差值；(2) 對該差值進行相應的量化、編碼，加入必要的信息封裝成圖像碼流；(3) 解碼端進行相應的逆處理。
全文摘要
本發明為基於DCT域差值傳輸的遠程無線圖像監控系統，包括現場圖像採集模塊、無線數據傳輸模塊、數據中心伺服器軟體和遠程監控終端軟體。現場監控端檢測圖像且僅當圖像發生變化時，現場監控端才觸發報警並對採集到的圖像進行傳輸；在傳輸過程中，採用DCT域差值圖像傳輸方式。本發明的有益效果是本發明採用的方案可以大大減少網絡傳輸的流量，從而顯著地降低監控的數據流量費用，同時也大大降低了系統功耗；採用模塊化設計，採用全球業界標準，系統小巧緊湊，功耗極低，且具有良好的可擴展性，實用性強。
文檔編號H04N7/18GK101282463SQ20081007356
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月5日 優先權日2008年5月5日
發明者劉運毅, 唐振華, 唐秋玲, 覃團發, 陳俊江, 陳海強, 黎相成 申請人:廣西大學