数字图像处理在家庭安防系统中的应用

摘 要 在现代社会生活工作压力下，人们的生活节奏越来越快，许多人由于事务繁忙而对住宅空间疏于照顾。近几年，水管爆裂、入室盗窃等事故对居民的家庭安全造成了影响，国内居民尤其是城市居民安全防范意识大大提高。现在的城市居民对家庭安全防范工具的运用已经不局限于防盗门、可视门铃、楼宇对讲、防盗网等传统设备，目前国内的家庭安防系统正向着智能化的方向迈进并开始大规模地运用到家庭安全领域。综合运用电子技术和物理方法，对事先设置的监测区域内进行自动探测，一旦发现入侵行为就会自动发出警报，并显示室内人员所发生警报的具体位置。家庭安防系统主要防范的具体事项包括水管破裂、煤气泄漏以及入室盗窃等。

【关键词】数字图像处理 家庭安防系统 目标跟踪

随着计算机技术和集成电路的快速发展，智能家庭安全系统的技术门槛和生产成本越来越低，我们将计算机视觉技术、数字图像处理技术与传统安防技术相结合，设计出同时具有目标理解、目标分类、目标跟踪、目标检测等功能的高智能化家庭安防系统。

1 家庭安防系统的重要子系统

1.1 数字图像获取系统

智能家庭安防系统包含监控、报警与门禁三个部分。其数字图像由室内所安装的监控摄像头提供，摄像头的布置要求在监控无死角的基础上尽量减少重复地带，在房间、厕所、厨房以及各个入室口均需要安装摄像头，进而对水管破裂、煤气泄漏、入室盗窃等事故进行有效防范。为保证监视器在夜间也可以完成监视工作，需要采用内置红外模块的摄像头。所取得的数字图像通过图像传感器传送给主机。

1.2 警情处理控制系统

当家中出现非法入侵或煤气泄漏等警情信息后，本地会发出声光报警信息，同时系统主机会拨打电话、发送短信、彩信、抓拍现场图片给多个指定的用户手机；用户收到警情信息可第一时间拿起手机或电脑查看家中监控任意的画面，并可以通过手机或电脑对家中摄像机、报警器、智能家电进行控制。

1.3 报警子系统

入侵报警子系统由报警探测器、报警主机和接警中心构成。报警探测器可以是红外微波双鉴探测器、窗磁、门磁、玻璃破碎探测器、烟雾探测器、紧急按钮和燃气泄漏探测器等，而系统的关键是接警中心。

2 数字图像的预处理

2.1 灰度降解

家庭安防系统要求监控工作必须具有很强的实时性，同时也需要更快的信息处理速度，在处理图像信息之前需要對数字图像进行灰度降解。

2.2 图解增强

由摄像头传来的数字图像会受到来自多方面的随机干扰或条件限制，所以原始数字图像往往不能直接使用。一定要对原始数字图像进行噪声过滤、灰度校正等预处理。而视觉系统的图像处理并不需要考虑图像降质，只需要将图解中重要的特征进行有选择的突出，对不需要的特征进行误差处理，这种数字图像处理方法被称之为图像增强法。

家庭安防系统中的摄像头所采集的图像往往存在灰度值分布不均匀的问题，其灰度值在某一区间的会比较集中，比如在夜晚采集到的图像其灰度会比较低，而在光照比较强的情况下所采集图象的灰度会比较高。我们可以采用直方图均衡化的方法重新调整原始数字图象的灰度值并使其均匀分布，进而现实增强图象对比度的目的。由此可知，直方图修正的方法可以有效提高数字图象的对比度。

3 目标检测

家庭安防系统的主要任务就是对家庭环境进行实时检测，一旦出现问题立刻发出警报。在家庭安防系统的观测范围内出现的一切危险状况都被视为运动目标，通常通过三种方法对运动目标进行检测，分别是背景减法、帧间差法以及光流法。由于家庭安防系统通常设置在室内环境中，周围环境比较稳定，通常采用背景减法的方式来完成目标检测工作。

3.1 建立前景模型

在系统正式运行时，根据白天和晚上不同的时段以及不同的天气对无运动对象进行提取，将提取出来的背景图像存储到背景模型库中。由于室内的摆设、家具可能发生变化，在室内背景出现变化时需要对背景模型库进行更新。家庭安防系统可以对背景模型库进行自动更新，并根据不同家庭的具体情况自动设定更新频率。

3.2 背景减法

在背景模型建立完成后，需要设置背景减法。家庭安防系统会根据不同的安全等级要求，对背景减法间隔时间进行设定，用户对实时性安全要求越高，其间隔时间越小，系统的运算频率也相应提高，对系统内的计算机性能要求也越高，整个家庭安防系统的造价也更高。

3.3 目标检测

本文之前已经提到，家系安防系统包括监控、报警以及门禁三个部分。报警装置可以通过气压、光或声音等方式对室内人员进行提醒或警示。安防系统可以对光学报警系统进行精密处理以及重点控制。在室内无人的情况下，家庭安防系统所发出的警报无人理会，这时需要系统将报警信号以及现场图像进行分析并将所分析出来的结果以微信或短信的方式发送给房屋的主人。

系统根据二值化的背景减图进行目标检测，通过摄像头所取得的图像，其中有一部分是我们并不感兴趣的信息。比如所采集图像的非室内景象等。为了有效提高家庭安防系统的实时性，我们可以专门对背景减图中有用的部分进行目标检测。

经过背景减法以及二值化获取多个块，根据事先设置的合并阈值来决定是否将各块进行合并，以图象中合并之后的连接区域用矩形线条进行标识。并将矩形的长宽比或面积与识别目标的长宽比或面积进行对比，并判断其是否为检测目标。由于每个摄像头有着不同的监控区域，其所监控的危险目标也有所不同。所以需要我们对所有不同的摄像头进行各自的目标检测预设。

4 家庭安防系统中数字化数字化图象系统的工作原理

目前国内市场上多数家庭安防产品主要的报警方式为电话报警，或是通过局域网向大楼管理员报警，然而这种报警方式存在着一定的缺陷。由于电话线路稳定性欠佳，当房屋主人正在进行通话时，无法将警报及时地传递给房屋主人致使延误警情，而且电话能够给人提供的信息也是十分有限的。所以图1所示的家庭安防系统不仅包含了单片机控制模块和图像处理模块，由数字家庭安防主机对系统内所连接的各个模块进行自动化调配，收集并计算来自系统内各个摄像头的图像信息以及来自红外探测器与火警探测器的报警信息。以图像报警系统为基础，结合接警中心、传输系统、救助按钮、安防主机、摄像头、各类传感器等元件，使家庭安防系统更加智能。由芯片图像采集系统将报警信息转换为数字信息，由编解码芯片完成编码压缩工作，通过CDMA Modem/GPRS Modem无线通信模块将报警信息传送给房屋主人。

当有陌生人进行房屋时，家庭安防系统的红外探测器和房屋内的摄像头会捕捉到可疑目标的位置和动作，一旦陌生人移动或拿走了室内的任何一样物体，房间内的家具设置布局就会发生改变，与系统之前所建立的背景模型不一致。数字图像处理模块会立即对摄像头所拍摄到的图像依照安全等级要求进行背景减法处理，最后由家庭安防系统中的核心运算单位即嵌入式处理芯片对经过二值化背景减法处理的的图像进行目标检测，将检测与的结果自动生成数字化信息并利用系统内部的程式软件将运算结果转化为文字，通过无线通讯模块将可疑人员的位置和行为以及房屋的现状以彩信的方式转送给房屋主人并同时激活房屋内部的报警装置，吓走可疑人员。这一系列数字图像的收集、处理、计算、警报的工作可以十分有效地保护房屋内部的财产安全并将重要信息传达给房屋主人。

5 结束语

住宅智能化是现代家庭电子设备发展的重要趋势，我国信息技术和高科技领域正在由智能大厦转向智能小区，现在已经逐渐迈向智能家庭。未来的智能家庭会为人们带来更加便利、舒适、安全的生活环境。家庭安防系统中的图像处理系统可以有效收集被监控对象的可疑信息，这些重要信息可以作为追踪犯罪责任的重要证据，极大地方便了有关部门日后的取证与调查，为相关的司法裁决工作提供了便利条件。作为住宅智能化领域的重要组成部分，智能家庭安防系统中的数字图像处理技术最为重要，其中防卫对象的检测方法、背景模型的更新方法还需要相关技术人员作进一步的研究与探索。

参考文献

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作者简介

陈静（1982-），女，满族，大学本科学历，学士学位。现为江苏省郑州市中心医院计算机 助理工程师。

作者单位

郑州市中心医院 河南省郑州市 450000