第 1 章 緒論

1.1論文研究背景
監(jiān)獄作為國(guó)家維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、改造服刑人員的重要國(guó)家機(jī)器，監(jiān)獄的安全防范對(duì)整個(gè)國(guó)家的安寧以及社會(huì)的穩(wěn)定起到非常重要的作用。但隨著近年來(lái)我省監(jiān)獄押犯總量的不斷飆升，監(jiān)獄監(jiān)管安全不斷面臨新的挑戰(zhàn)。所以，針對(duì)監(jiān)獄的日常管理工作，需要通過(guò)高科技的武裝來(lái)提高監(jiān)獄的管理水平。在眾多的高科技技術(shù)中，視頻監(jiān)控由于其獨(dú)特的功能，已經(jīng)成為整個(gè)監(jiān)獄安防體系的基礎(chǔ)，可以在監(jiān)獄的日常管理中保證在押人員的活動(dòng)都處于值班干警的監(jiān)視范圍，同時(shí)，又可以在出現(xiàn)違反監(jiān)管秩序事件后為及時(shí)查證提供資料。
現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的監(jiān)獄系統(tǒng)所采用的數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基本都是通過(guò)電視墻來(lái)進(jìn)行畫(huà)面監(jiān)控，并采用硬盤(pán)錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻的錄像和回訪。但是，這種傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控模式更多的考慮事后的查證，難以起到預(yù)警和報(bào)警的作用。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于監(jiān)獄監(jiān)控系統(tǒng)缺乏必要的智能，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)不同級(jí)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)動(dòng)而導(dǎo)致的諸如犯人越獄、打架斗毆、自殺自殘和生產(chǎn)安全事故等監(jiān)獄管理安全事件的比例，已經(jīng)占到綜述七成左右，所以，采用智能視頻處理技術(shù)來(lái)減少監(jiān)獄安全事件的發(fā)生，也就顯得非常必要。
其實(shí)，智能化的視頻監(jiān)控技術(shù)，正是為了解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的各種缺陷而產(chǎn)生的。此類技術(shù)能夠以網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控為基礎(chǔ)，對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，可以在出現(xiàn)異常情況下，通過(guò)圖像和聲音來(lái)發(fā)出報(bào)警信息，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控方式的被動(dòng)到主動(dòng)的轉(zhuǎn)變；在實(shí)際使用中，可以協(xié)助監(jiān)獄干警完成對(duì)各種危機(jī)事件的處理，最大限度的減少漏報(bào)和誤報(bào)現(xiàn)象，滿足監(jiān)獄安防系統(tǒng)的智能化需要，，減少監(jiān)管安全事件的發(fā)生，確保監(jiān)獄的監(jiān)管安全與穩(wěn)定。
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1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐應(yīng)用的驗(yàn)證，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展為數(shù)字式的監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字化智能決策監(jiān)控系統(tǒng)。在這兩種監(jiān)控系統(tǒng)中，前者已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，且應(yīng)用性能也得到了廣泛驗(yàn)證，已經(jīng)被非常廣泛地應(yīng)用于多個(gè)工程領(lǐng)域，特別是在大型監(jiān)控工程中屢屢現(xiàn)身；數(shù)字視頻智能決策監(jiān)控系統(tǒng)則是在人工智能技術(shù)和圖像識(shí)別和聲音識(shí)別等技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，所出現(xiàn)的一種新技術(shù)，目前尚處于探索和不斷成熟的階段。接下來(lái)，就結(jié)合市場(chǎng)上所存在的幾種監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)這幾種監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能進(jìn)行對(duì)比分析。
(1)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)
此類系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制。在對(duì)此類系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括：采集網(wǎng)絡(luò)主要為單向方式，需要通過(guò)專用的傳輸介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)采集傳輸，也存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如：僅適用于小范圍的區(qū)域類監(jiān)控；系統(tǒng)難以進(jìn)行有效擴(kuò)展；難以形成方便快捷的報(bào)警聯(lián)動(dòng)。
(2)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)
現(xiàn)在，市面上的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以分為比較大的兩種，分別是基于數(shù)字錄像設(shè)備的系統(tǒng)，以及基于視頻 WEB 服務(wù)器的系統(tǒng)。針對(duì)這兩種類型系統(tǒng)中的一些概念進(jìn)行介紹和說(shuō)明：
1 數(shù)字監(jiān)控錄像系統(tǒng)
此類錄像系統(tǒng)也可以分為兩個(gè)不同的類，即：基于 PC 機(jī)所構(gòu)建的多媒體方式，以及嵌入式的數(shù)字監(jiān)控錄像系統(tǒng)等。
2 嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)
作為一種以應(yīng)用為目的而開(kāi)發(fā)出來(lái)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)一些具體的應(yīng)用要求進(jìn)行了精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)所有功能的嚴(yán)格限制，確保了系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)型和適用性等都得到滿足。
嵌入式系統(tǒng)所具體的特點(diǎn)不僅表現(xiàn)為系統(tǒng)小、處理速度快、時(shí)效性高和穩(wěn)定性良好，且更加適用于對(duì)大容量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但是，此類系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)傳輸和音頻視頻同步等方面則表現(xiàn)一般。
3 嵌入式視頻 Web 服務(wù)器方式
嵌入式視頻Web服務(wù)器方式主要通過(guò)嵌入式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還在視頻服務(wù)器內(nèi)部移植了一個(gè)嵌入式的 Web 服務(wù)器。采用嵌入式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，使得監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)視頻信號(hào)的介紹，同時(shí)，還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和處理，完成之后，還可以將數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)中的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。基于該功能，網(wǎng)絡(luò)用戶就能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端來(lái)對(duì)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用和處理。
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第 2 章 相關(guān)技術(shù)研究

2.1嵌建入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)
為了能夠?qū)η度胧降钠脚_(tái)進(jìn)行構(gòu)建，需要完成對(duì)嵌入式開(kāi)發(fā)板不同操作系統(tǒng)的選擇，為了能夠完成嵌入式的交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，還需要對(duì)嵌入式交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行構(gòu)建，并對(duì)其進(jìn)行合理配置。
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2.2內(nèi)核裁減及其模塊移植
在所選用的LJD-2410DVK-I板子中，廠商所選用的Linux內(nèi)核為2.4的版本，所以，就需要對(duì)更高版本的內(nèi)核進(jìn)行移植。文中我們監(jiān)獄選用了 Linux-2.6.24.7。
考慮到在 LJD-2410DVK-I 主板上，廠商所提供給的內(nèi)核為 2.4 版本的 Linux內(nèi)核，所以就有必要對(duì)其進(jìn)行 2.6 版本的內(nèi)核移植。文中主要選用 Linux-2.6.24版本。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的一些特性，還將系統(tǒng)中不需要的一些內(nèi)核配置進(jìn)行去除，此外，還完成了相應(yīng)的 LCD 驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的更新和移植。

2.3視頻壓縮編碼技術(shù)
通過(guò)對(duì)幾種常用的主流視頻壓縮方案和技術(shù)協(xié)議的比較，從 MPEG2000、MEPG-6 和 H.263 之間進(jìn)行選擇，考慮到 MJPEG 具備另外兩種壓縮標(biāo)注不具備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，最后選用了MJPEG2000壓縮 標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。具體來(lái)說(shuō)，MJPEG2000所具備的特性主要有：
(1)該標(biāo)準(zhǔn)具備最佳的壓縮性能，該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以 JPEG2000 靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)為基礎(chǔ)，還對(duì)現(xiàn)今流行的小波變換和嵌入式算術(shù)編碼進(jìn)行了綜合應(yīng)用，對(duì)壓縮后的失真率進(jìn)行了最佳處理，使得該技術(shù)能夠在任何的碼率條件系都擁有最佳的圖像質(zhì)量和壓縮效果。
(2)硬件實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，成本低，由于采用了幀內(nèi)壓縮技術(shù)，使得在得到理想壓縮性能的同時(shí)，還可以有效降低硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
(3)容易進(jìn)行編輯，其他兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的幀間壓縮會(huì)造成不同幀之間數(shù)據(jù)的相關(guān)性，進(jìn)而將碼流復(fù)雜化。而通過(guò) Jpeg2000 編碼技術(shù)，可以確保不同幀數(shù)據(jù)之間的相互獨(dú)立性，這樣 MJPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)就可以非常便利的進(jìn)行插入、移動(dòng)、刪除或者修改其中的任意一幀，同時(shí)對(duì)其他幀不會(huì)產(chǎn)生影響。
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第 3 章 監(jiān)獄視頻監(jiān)控系統(tǒng)需求分析........................................ 16
3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)............................................. 16
3.2 系統(tǒng)功能分析........................................ 17
3.3 系統(tǒng)性能需求................................. 19
3.3.1 性能需求........................................20
3.3.2 性能指標(biāo)......................................20
3.3.3 功能要求........................................21
3.3.4 系統(tǒng)管理需求..........................................22
3.4 本章小結(jié)..................................... 22
第 4 章 監(jiān)獄視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)................................ 23
4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)................................... 23
4.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖....................................23
4.1.2 主要功能.....................................23
4.1.3 不同部分之間的關(guān)系......................................24
4.1.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵算法..................................25
4.2 本地監(jiān)控預(yù)警結(jié)構(gòu)體系................................. 26
4.2.1 體系結(jié)構(gòu)......................................27
4.2.2 各部分功能說(shuō)明..................................27
4.2.3 各部分聯(lián)系描述....................................27
4.2.4 關(guān)鍵的技術(shù)、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說(shuō)..............................28
4.3 本章小結(jié)........................................ 32
第 5 章 監(jiān)獄視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)................................... 33
5.1 前端監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選擇及設(shè)計(jì)...................................... 33
5.1.1 S3C2410A 芯片簡(jiǎn)介..................................... 33
5.1.2 LJD2410DVK-I 介紹......................................33
5.1.3 硬件總體方案......................................35
5.2 數(shù)據(jù)傳輸............................................. 36
5.3 圖像的人工智能識(shí)別....................................... 40
5.3.1 人工智能與圖像識(shí)別..................................40
5.3.2 圖像分割算法.................................41
5.4 本章小結(jié)........................................ 42

第 6 章 監(jiān)獄視頻監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

6.1測(cè)試環(huán)境
在系統(tǒng)的具體測(cè)試過(guò)程中，將所設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)放置于局域網(wǎng)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試和分析研究。首先，需要完成的就是將系統(tǒng)的測(cè)試攝像頭都連接到嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板的的 UBS 擴(kuò)功能接口上，然后，再將該開(kāi)發(fā)板通過(guò)局域網(wǎng)接入網(wǎng)內(nèi)的一臺(tái)主機(jī)，完成對(duì)該開(kāi)發(fā)板的 IP 地址設(shè)置。在圖 6-1 中，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所處于的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了展示和說(shuō)明：

監(jiān)控系統(tǒng)光有硬件還不行，還需要軟件的支持。本智能化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件配置情況，具體而言及時(shí)在系統(tǒng)的監(jiān)控中心中配置了 Window XP 操作系統(tǒng)，安裝調(diào)試了 WildPack 本地預(yù)警系統(tǒng)，還配置和安裝了本地和遠(yuǎn)程用戶數(shù)據(jù)庫(kù)登錄認(rèn)證接口和環(huán)境平臺(tái)等多種軟件，此外，還針對(duì)系統(tǒng)所采集的視頻和音頻數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析服務(wù)器上配置了專門(mén)的智能分析軟件。

6.2功能測(cè)試
從前面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和詳細(xì)分析中，可以發(fā)現(xiàn)本文系統(tǒng)是一個(gè)綜合了視頻采集、傳輸、分析、預(yù)警和身份認(rèn)證的智能化分析和監(jiān)控系統(tǒng)。所以，就需要根據(jù)系統(tǒng)所具備的不同功能和結(jié)構(gòu)，對(duì)相應(yīng)功能性測(cè)試進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)完成后還應(yīng)該對(duì)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行深入分析，以便確認(rèn)所研發(fā)的系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要中所制定的相關(guān)目標(biāo)與需求。所以，文中通過(guò)如下的幾個(gè)用例來(lái)對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)功能進(jìn)行測(cè)試。
(1)針對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸和各種視頻設(shè)備的控制功能
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的全面測(cè)試，對(duì)各種軟件所應(yīng)該具備的功能進(jìn)行分析，針對(duì)軟件功能，從系統(tǒng)攝像頭就進(jìn)行單幀、多幀和視頻流的采集功能進(jìn)行檢測(cè)。
測(cè)試的過(guò)程，首先通系統(tǒng)所設(shè)置的監(jiān)控中心發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，而視頻采集和調(diào)度模塊在接收指令的基礎(chǔ)上，采集模塊通過(guò)對(duì)采集調(diào)度程序的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)線程 Grab 的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集過(guò)程；之后，就可以將系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)所配置的采集線程進(jìn)行傳輸，最后將數(shù)據(jù)都集中到數(shù)據(jù)分析服務(wù)器上進(jìn)行處理和分析。為了將測(cè)試過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化，就需要將采集得到的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)奖O(jiān)控終端上。
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第 7 章 總 結(jié)

7.1論文總結(jié)
通過(guò)對(duì)相關(guān)內(nèi)容的深入研究，作者所在的課題研發(fā)小組完成了對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作，而作者本人所具體負(fù)責(zé)和實(shí)現(xiàn)的工作順利完成。
對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的研究，主要針對(duì)其內(nèi)核裁剪、移植和相關(guān)驅(qū)動(dòng)的移植來(lái)進(jìn)行。作為一種應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，嵌入式操作系統(tǒng)能夠?yàn)樯蠈討?yīng)用開(kāi)發(fā)提供實(shí)用的平臺(tái)和技術(shù)。為了對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻流進(jìn)行處理，首先應(yīng)該解決的就是針對(duì)視頻信號(hào)的編碼和壓縮問(wèn)題�？紤]到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)大量的采集和處理過(guò)程，為了能夠有效提高數(shù)據(jù)的傳輸效率，就應(yīng)該在數(shù)據(jù)傳輸之前對(duì)其進(jìn)行壓縮和編碼，將數(shù)據(jù)量的有效壓縮。論文在對(duì)多種視頻圖像信息的壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，最后選擇了 MPEG 編碼技術(shù)，主要是考慮到 MPEG 編碼技術(shù)不但能夠?qū)ζ渌麕追N編碼進(jìn)行兼容，同時(shí)，其在大數(shù)據(jù)量的視頻壓縮方面效果較好，此外，在高壓縮比前提下的圖像失真率較小，相對(duì)于其他壓縮技術(shù)表現(xiàn)出非常明顯的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的智能決策識(shí)別功能進(jìn)行研究，主要針對(duì)圖像智能識(shí)別中的圖像分割和圖像聚類來(lái)進(jìn)行，其根本目標(biāo)是能夠有效提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。本文所設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)，作為一個(gè)專門(mén)針對(duì)監(jiān)獄行業(yè)的嵌入式智能監(jiān)控和識(shí)別系統(tǒng)，其根本的出發(fā)點(diǎn)是要求系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)獄內(nèi)的異常情況進(jìn)行及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別，同時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。該監(jiān)控系統(tǒng)能夠在對(duì)監(jiān)獄里在押人員的各種異常行為現(xiàn)象進(jìn)行圖像采集，然后再利用正確的圖像分割和圖像聚類算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分類和識(shí)別，所以，采用何種算法來(lái)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，則會(huì)給圖像的分類和匹配成功率產(chǎn)生直接影響。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：11841