基于串口摄像头图像比对的一种人体传感器设计

基于串口摄像头图像比对的一种人体传感器设计

文/张昊　陆广胜　郝菁华

摘要：目前市场上的人体传感器大多都基于红外感应技术，在稳定性和灵敏度等有着不可避免的缺陷。笔者设计了基于图像灰度值比对算法的一种传感器。该产品共主要由串口摄像头与单片机等组成，并依靠图像数字处理技术，可以解决市场上基于热释电技术的人体传感器的某些稳定性和灵敏度等的缺陷。

【关键词】人体感应 图像处理比对 传感器

1 传感器总体设计

1.1 传感器总体框架

该产品主要由单片机和串口摄像头组成。由串口摄像头对所要监视区域以较短时间间隔进行拍摄取样，并将采集的图像数据通过串口传回到单片机，单片机再将这些前后短时间间隔的图像数据进行比对，判断是否有活动物体，最后由信号输出端口置高低电平来输出判断结果。当进入夜晚时，由于光线不足，此时光电传感器感知到光线不足传输信号给单片机，单片机接收到此信号后开启了串口摄像头镜头周围一转的红外发射管来为串口摄像头提供夜间的光源，使得产品的工作时间可以不受时间限制。

1.2 系统工作原理

在系统经过初始化后，串口摄像头在较短时间间隔先后拍取两张照片 A 与 B，并且会分别通过串口向单片机传回这两张图片的灰度值 a（x，y）与 b（x，y），单片机随后将这两组灰度值进行比对。设定计数变量w，当x，y 相同时，若 a（x，y）=b（x，y），则不计数；若不等则w计数加一，直到数据比对结束，单片机将计数结果 w 除以图片像素 x*y，得到最后相似度（摄像头像素越高则相似度值越准确），将得到的相似度值与预先存放在单片机中设定的阈值相比，若超出阈值则单片机认定监控范围内有移动的物体；若没超出阈值，则认定监控范围内没有物体移动。当比对完毕后，信号输出端输出检测结果，同时单片机将最先的那一组数据 a 丢弃，而保留后拍的图片灰度值 b。串口摄像头再拍摄图片 C 得到一组灰度值 c（x，y），通过串口传回到单片机，随后比对 b 与 c 这两组数据，执行相同的的操作。循环执行下去。但是单片机这种检测方法较为简单，但需要单片机拥有较大内存，会提高成本。例如一般的 c51 单片机内存大约 10k 左右。对于分辨率 320*200 的没有经过压缩的黑白照片，存储两张就需要 124K 的内存。因此我们需要通过优化单片机程序的算法再不明显影响判断精度的前提下来减少操作所占用的内存。首先我们不要选取像素过高的摄像头。对于一张照片的灰度值我们可以每收到 n 个像素（n 值越大精确度越底，但所需空间会越小）f（x，y）取为一个序列H（n），然后将其相加求平均，然后再将这些像素的灰度值与该序列平均做比较，超过平均 ±30（值越小精度越大但所需内存越多）的取出保存到特异像素数组a（）中，随后清空序列 H（n），H（n）继续收入后 n个像素的灰度值，继续上述处理，直至结束。将灰度值 0~255 分成 g 个不等的区间（g 建议大一些），再对特异像素数组 a（）内部像素进行判断得到满足各分层区间数值的个数，再清空 a（）。对于 B 照片也是进行相同方法处理，同样得到一个特异数组 b（）随后得到 B的灰度值各分层区间个数（注意前后分层的灰度值区间相同）。用照片 A 的区间个数 x 减去 B 相应分层区间的个数 y 的绝对值 s 除以 A与B该区间总数和x+y得到该区间的差异度，再将所有区间的差异度相加除以区间总数 g 得到总体的差异度 z，再将 z 与预先单片机中设定的阈值相比较进行判定，超过则认为检测范围有移动物体，反之则没有。此种方法好在所需硬件条件较低，，但要求单片机运算速度要快，内部程序复杂。

2 与同类产品的比对

2.1 热释红外传感模块

市场上常用的传感器一般是热释电红外传感模块。热释电红外传感器是基于热释电效应 , 其辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，可以以非接触的形式检测人体辐射出的37 摄氏的大约 10 微米波长的红外线。人体发射的 10 微米左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，产生极化电荷，形成了一个电势差，其后续电路经检验处理后即可产生信号。

2.2 热释电传感模块的局限

（1）由于人体辐射红外穿透力差，并且有衣物覆盖，使得人体辐射出的红外较弱，不易检测。（2）此类产品一般感知范围较小，精确度不是很高，其半径大多在4—5米左右，使得其运用范围较为局限，对于大范围监测并不适用。（3）易受环境温度的干扰，稳定性欠佳。当环境温度与人体温度接近时，传感器灵敏度会明显下降，甚至有时会造成短暂的失灵。（4）易受射频辐射和各种光，热源的干扰。

2.3 本产品的优点

（1）本产品依靠的主要是图像数字处理技术而非同类产品的红外感知技术，不依靠人体辐射的红外来进行判断，所以对于环境温湿度和射频等的抗干扰能力较好，对于环境与季节的适应能力较强，稳定性与适应性相对较高。

（2）由于产品不依靠人体辐射的红外来进行判断，通过串口摄像头短时间采集的前后两张图像的检测来判别，可以提高测量的范围，扩大了其应用前景。（3）用图像采集代替检测人体辐射的穿透了较差的红外线，可以大大提高其灵敏度。

3 结语

针对市场上同类产品的对于环境温度的不稳定性和感知范围的局限性，设计了这款不依赖于热释电技术的传感器。通过对图像的分析与处理，可以从根本上解决同类产品易受环境和人为因素干扰的缺陷，改善了稳定度与灵敏度，有效地提高了产品的应用前景与范围，且易于实现，价格适中，是具有较大的实用价值与市场空间。

参考文献 

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作者单位

江苏第二师范学院  江苏省南京市  210012