智能博物馆人数统计系统设计

毕佳伟 张 帅 高 凯 杨立昆 何 苗

(1、宝鸡文理学院计算机学院，陕西 宝鸡 721016 2、西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055)

1 预备知识

1.1 对图像增强定义

目前依据增强处理过程的空间性质，可把图像增强分为空域和频域等比较实用的方法。为了增强对比对同时为了使得图像变的平滑，可以采用空域方式；而频域方法是利用图像在某种变换域内对图像的变换系数进行修正，然后通过再反变换，还原到原始的空域，从而得到增强的函数图像[1]。这样做的目的是为了：(1)针对给定图像的应用场合，通过感兴趣的区域(ROI)进行背景更新，突出图像中不同物体特征之间的差别，从而检测出不同展览室不同区域的人流量信息；(2)改善图像的视觉效果，以便对采集来的图像更好的分析。

1.2 灰度变换的基本定义

灰度变换是根据某目标条件按一定变换关系逐点改变源图像中每一个像素灰度值的方法。并且分为线性灰度变换、分段线性灰度变换、非线性灰度变换三类[2]。其主要目的是了提高画质，使图像的显示效果更加清晰。

1.3 Mean-Shift 算法基本原理

由Fukunaga 和Hostetler 提出的Mean Shift 是基于核密度的非参数聚类算法，其算法思想是假设不同簇类的数据集符合不同的概率密度分布，找到任一样本点密度增大的最快方向，样本密度高的区域对应于该分布的最大值，这些样本点最终会在局部密度最大值收敛[3-5]。Mean-shift 向量计算公式为：

2 博物馆人流量统计的相关技术

2.1 人数统计系统的处理流程

本设计采用网络协议来传输和控制图像信号，用服务器作为图像处理的中心，将摄像头所采集到的视频图像传上传至服务器，其后对所上传的信息进行加工处理，将所获得的最新信息数据全部录入到数据库，然后更新web 客户页面[6-7]。

2.2 检测可运动的目标

运动的目标检测主要是指将变化区域从序列图像中检测，进一步提取出运动目标。通常意义下，目标的分类、跟踪以及行为理解等，这些后处理过程只需要将像素区域中的运动目标考虑进图像中即可，因此对于检测与分割对于运动的目标而言，会严重影响到后期处理。根据摄像头是否保持静止，运动检测分为静态背景和运动背景两类。

3 背景检查模块

背景差分法基本原理：

将静止的场景运动分割，这种方法通常被称为背景差分法，它可以将当时所获取到的图像帧与背景图景做差分运算，得到灰度图，并对灰度图进行阈值化，从而进一步提取出运动区域，同时为避免环境中光照变化对准确度的影响，背景图像往往根据当前所获取到的图像帧进行持续的更新。

4 智能安全监控模块

智能安全监控模块完成如下功能，首先根据接收到的图像进行判断，判断是开馆时间还是闭馆时间，如图1 所示。如果为开馆时间则进行异常事件检测，并根据预设值进行报警；如果为闭馆时间则进行图像预处理，其中包括滤波、图像增强等操作，接下来会进行异常事件检测，包括入侵检测，温度检测等，其中温度检测过程如图2 所示。。

图1 安全监控检测

图2 温度检测

5 系统平台选取与搭建

5.1 搭建硬件系统

本设计采用如图3 所示的硬件框架图。从图中可以看到整个系统以服务器为媒介，联通监控终端和控制终端。

图3 硬件框架图

具体模块的实现，以控制终端我们所采用烟雾报警系统为例简单做一些说明，当传感器检测打环境中烟雾或温度浓度值超过系统预设的值后，报警电路报警，预警系统输出电平特性给S8050 三极管，S8050 三极管使用高电平导通，需要报警是预警系统传输高电平至S8050，三极管导通并放大电流，将几十毫安的RO 口放大两百倍左右为0.5A 的电流，可用来驱动蜂鸣器进行报警，采用1K 电阻用于限流，避免有时候低电平也会被导通，另一个LED 灯附近的1K 同样用于限流，LED 工作所需电流较小，加入1K 用于保护LDE 灯。当管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，触发蜂鸣器，从而报警。当管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截止，蜂鸣器不发出声音。

5.2 系统调试

采用Open CV 机器视觉库来实现图像处理算法。控制终端使用Qt 图形界面库。Qt 库采用方便易理解的信号和槽机制，使得程序框架清晰明了。同时Qt 还具有非常好的跨平台特性，可以在多种平台上实现程序的编写和移植。软件部分的设计采用模块化编程的思想，可以有效增加程序的可读性，使程序更加简洁，每一个部分完整且独立，在调试的过程中可以单独测试各个模块的功能。对于修改单独模块上的错误不会影响其他程序。此外模块化设计能够让整个系统对数据的处理性能更强，整个程序的设计需要理解项目的核心，程序的设计可以围绕核心开始拓展。

5.3 总体功能实现

设计完成的系统可以实现以下几种基本功能：(1)可设置监控区域、监控目标大小及方向; 对所监视区域进行实时视频采集；(2)对视频流进行人头的动态识别、跟踪、匹配和统计；(3)系统使用网络摄像机，可通过数据传输网络同步输出多路视频;提供视频流切换功能；(4)人数统计录像可以存储，检索和回放；(5)实时显示当前各区域人数情况，提供对图书馆人数实时数据汇总；(6)系统具有数据分析功能，根据设置条件生成多种数据分析报表；(7)系统提供多种通讯协议接口，方便其它系统对人数统计数据进行调用。

6 结论

本文所设计的人数统计系统很好的实现了博物馆的人数统计功能，同时它还可应用到不同的应用场合，发挥不一样的作用。以图书馆为例：该系统可为图书馆内部不同的书库以及不同类的书籍，按照不同时间段分布的人员数量统计、人群具体的流动方向、人员状态等重要的信息; 图书馆大门口的人员流动数量统计所得的信息，有利于图书馆开放时间的合理性。