基于ARM的视频智能预警与跟踪系统研究
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基于 ARM 的视频智能预警与跟踪系
统研究
摘 要
视频监控系统在城市防护、社会治安以及公共安全等领域有着广泛的应用。
但是，当前模拟的或以 PC 机加视频采集卡构成的监控系统的作用仍滞于事后
取证等有限功能，难以满足实时处理、事件识别与自动追踪等要求。因此，本文
在详细分析国内外数字视频监控系统的基础上，提出了数字视频智能预警与跟
踪监控系统的设计方案。该系统在减轻保卫人员工作强度、奠定下一代智能监控
系统基础、有效扩展视频资源用途等方面有着深远的现实意义。
数字视频智能预警与跟踪监控系统由智能预警矩阵子系统和追踪高速球子
系统两个子系统构成。在智能预警矩阵子系统中，设计了 ARM 和 DSP 双内核的嵌
入式体系结构，并以此体系结构为基础，设计出基于交通动力学事件的图像预
警算法。在图像预警后，迅速进行车牌号定位，定位后将车牌号进行倾斜度校正
和细化的基础上进行车牌识别和事故严重等级确定。根据事故等级做出相应处理
如尽快通知值班员或者启动跟踪高速球进行跟踪。在追踪高速球子系统中，详细
设计图像跟踪模型，采用模糊 PID 控制器来控制高速球追踪可疑目标，进行实
时监控，并给出仿真试验的结果。
在文章最后，作者根据在实际工作中的体会，总结了论文写作过程中的主
要收获和论文的不足，指出了在今后的研究工作中要继续深入的环节。
关键词：嵌入式双核体系 智能预警 事件识别 跟踪监控 仿真
ABSTRACT
The video supervision system has an extensive application in some realms, such
as the safeguarding city, social public order, public safety and so on. But, the current
supervision system which makes up of PC machine and video card only can obtain
evidences after event what has happened. And it is hard to satisfy real-time handling,
the identifying affairs and tracking automatically etc. Therefore, the author, in this
thesis, put forward the planning of numerical intelligent early-warning and tracking
system which can ease triggerman’s work strength, lay the next generation
intelligence supervision system foundation and expand effectively the video resources
use etc.
There are numerical intelligent early-warning matrix sub-system and high-speed
and rotated dome camera sub-system in numerical intelligent early-warning and
tracking system. Firstly, In the numerical intelligent early-warning matrix sub-system,
the author have designed a kind dual-core system which includes both ARM and DSP,
and designed detailedly traffic dynamics affairs early-warning arithmetic which bases
on that system. And then, this system will carry quickly on fixing the right position of
license plate, correcting the inclination degree of license plate, and thinning it to get
the number of this license and severity grade. Secondly, In the rotated dome camera
sub-system, the author have designed three-dimensional trajectory mathematical
model which makes use of a fuzzy PID controller to achieve the high-speed track. At
last, Simulation show the proposed control method has a higher profile tracking
precision, accuracy and robustness of the disturbance.
According to the actual work, this thesis gives the main fruits and the shortages,
and points out the orientation of research for the future.
Key Word ：Embeded dual-core System, Intelligent early-warning,
Affair recognition, Tracking watch, Simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论......................................................1
§1.1 课题的提出及意义............................................1
§1.2 国内外研究现状..............................................3
§1.2.1 国外研究现状............................................3
§1.2.2 国内研究现状............................................4
§1.3 论文的主要工作及内容安排....................................4
第二章 嵌入式图像预警与追踪原理.....................................6
§2.1 嵌入式处理器概述............................................6
§2.2 视频处理器概述..............................................7
§2.3 视频运动检测................................................8
§2.4 事件识别....................................................9
§2.5 字符识别...................................................10
§2.6 模糊控制与 PID 控制原理.....................................11
§2.6.1 模糊控制原理...........................................11
§2.6.2 PID 控制器..............................................12
第三章 系统总体结构与设计..........................................13
§3.1 预警矩阵总体结构...........................................13
§3.1.1 ARM 主控模块............................................13
§3.1.2 DSP 预警模块............................................15
§3.1.3 电源模块...............................................16
§3.2 追踪高速球体系结构.........................................16
§3.2.1 跟踪高速球工作原理.....................................17
§3.2.2 跟踪高速球电机控制模块通信规约.........................17
第四章 图像预警与事件通知..........................................19
§4.1 基于动力学视觉事件识别的图像预警算法.......................19
§4.1.1 基于动力学视觉事件识别概述.............................19
§4.1.2 交通事件的动力学描述...................................19
§4.1.3 图像预警算法...........................................20
§4.2 事件通知内容——车牌号定位算法.............................21
§4.2.1 车牌图像的二值化.......................................22
§4.2.2 车牌候选区域的获得.....................................23
§4.2.3 车牌的垂直定位和水平定位...............................24
§4.3 事件通知内容——车牌号识别算法.............................24
§4.3.1 车牌图像倾斜度校正......................................25
§4.3.2 车牌图像细化...........................................25
§4.3.3 字符识别...............................................26
§4.4 GPRS 短信事件通知..........................................26
第五章 图像追踪模型与仿真..........................................28
§5.1 单维模糊 PID 控制器的设计及数学模型.........................28
§5.2 三维跟踪轨迹的数学模型.....................................29
§5.3 模型仿真...................................................30
第六章 结论与展望..................................................31
§6.1 全文总结...................................................31
§6.2 进一步工作.................................................31
附录 1 系统实现主要源代码..........................................33
附录 2 论文录用证明................................................45
参考文献...........................................................46
第一章 绪论
第一章 绪 论
§1.1 课题的提出及意义
近年来，随着我国经济实力不断增强，城市区域不断扩大，社会治安状况也
日趋复杂，公共安全问题不断凸显，城市犯罪突出，手段不断更新、升级。这些都
迫切要求加快发展以主动预防为主的数字视频智能预警与跟踪监控系统。于是，
2005 年9月中国公安部正式启动城市联网报警与监控系统建设（3111 工程），将
在全国范围内，在省、市、县三级开展报警与监控系统建设试点工程，推动“平安
城市”的建设步伐。但是，从目前城市联网报警与监控系统建设来看，视频监控
系统主要是模拟监控系统或以 PC 机加上视频采集卡构成的，难以满足实时处理、
稳定可靠、事件识别与自动追踪的要求，其主要作用仍滞于事后取证等有限功能。
因此，无论是从国家的战略高度还是国民生产的具体需要，都亟需研制新一代的
数字视频监控系统，而超大规模集成电路和嵌入式软硬件技术的迅猛发展，为我
们提供了解决这一问题的新思路，即研制基于嵌入式结构的数字视频智能预警与
跟踪监控系统。其依据如下：
第一，为什么要实现数字视频监控。首先，数字化是 21 世纪的特征，是以信
息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的
发展，人们的生存环境将变得越来越数字化。其次，只有数字化的视频监控系统
才能彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上
改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式，
便于视频监控系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，实现视频在统一
的操作平台上进行管理和控制。最后，数字监控系统借助于计算机网络突破了模
拟信号传输距离上的限制，还能够实现自动异常报警、智能存储和快速检索等高
级功能，实现模拟监控无法实现的真正意义上的“监控”功能。
第二，为什么采用基于嵌入式（ARM）结构的设计。一方面，由于基于嵌入
式设备的监控系统的外围硬件同嵌入式处理器 ARM 和系统以及应用软件捆绑较
为紧密且功能专一，不像插卡系统那样受通用计算机系统中其它软件或硬件的影
响。因此，性能上更稳定且便于安装、维护，易于实现系统的模块化设计，便于管
理、维护、降低费用；另一方面，由于功能的单一，只要算法选择正确，系统的实
时性就可以得到保证，而且控制功能较PC 系统容易实现且远为强大。
第三，为什么必须实现智能预警与跟踪功能。视频智能预警与跟踪功能监视
系统的需求主要来自那些对安全要求敏感的场合，如银行、机场、高速公路的车流
量检测以及意外事故检测等。而目前监控系统并没有充分发挥其实时主动的监督
作用，因为它们通常是将摄像机的输出结果记录下来，当异常情况（如偏远道路
上车辆碰撞事故，并出现肇事车辆逃逸）发生后，交警部门无法确定肇事责任人
时才通过记录的结果再现事故场景，然后布置警力进行追捕，这往往为时己晚，
增大了追捕的难度。所以，我们需要监控系统能够在无人工干预的情况下，对监
控场景内的运动目标进行自动识别，分析，以及告警，从而避免犯罪或不正当行
1
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基于ARM的视频智能预警与跟踪系统研究摘要视频监控系统在城市防护、社会治安以及公共安全等领域有着广泛的应用。但是，当前模拟的或以PC机加视频采集卡构成的监控系统的作用仍滞于事后取证等有限功能，难以满足实时处理、事件识别与自动追踪等要求。因此，本文在详细分析国内外数字视频监控系统的基础上，提出了数字视频智能预警与跟踪监控系统的设计方案。该系统在减轻保卫人员工作强度、奠定下一代智能监控系统基础、有效扩展视频资源用途等方面有着深远的现实意义。数字视频智能预警与跟踪监控系统由智能预警矩阵子系统和追踪高速球子系统两个子系统构成。在智能预警矩阵子系统中，设计了ARM和DSP双内核的嵌入式体系结构，并以此体...
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