[发明专利]用计算机摄像头探测空间状态变化的方法及其电话报警器

说明书

技术领域

本发明涉及电子安全技术领域，特别是涉及采用计算机摄像头作为反映空间状态变化的传感器的计算机拍摄暨电话报警装置。

背景技术

传感器是目前家用报警系统不可或缺的重要组成部分，其种类不少，常用的有门磁、热释电感应芯片、红外线、微波、超声波、振动、烟雾或气体传感器等，它们相当于人的眼、耳、鼻、舌或皮肤，可以感知所监控区域内相应的物理或化学信息的变化，进而触发报警主机发生相应的动作，达到安全防范的目标。

数码摄像头其实就是一种先进的光电传感器，其核心集成有CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)芯片，该类芯片的物理结构相当于几十万到数百万的光电管(即像素)阵列，构成二维图像传感器，常用于拍摄，但是却很少被用作报警传感器。例如，实用新型“一种计算机拍摄报警装置”(专利号：ZL 2008 2 0000143.2)应用了摄像头于报警装置，但是，其摄像头本身并不是用作监视状态变化的传感器，只是用来拍摄。

当数码摄像头用作监控报警传感器的时候，需要解决的问题是探测物体的运动。对此，上述实用新型“一种计算机拍摄报警装置”具体地分析了有关视频探测的国内专利以及有关摄像头动态监控的国内和国外商业软件。其分析表明，数码摄像头尚未有用作电话报警器中的空间状态变化传感器的；配售的摄像头应用软件VP-EYE4.0，或国外商业监控软件Camwizard虽然具有监控区域的动态变化并拍摄的功能，但是，它们都不可以直接操作摄像头配合电话报警装置工作；特别的是，根据文献或软件的使用经验，上述专利或软件在分析物体运动的时候，似乎都没有考虑光照强度实际上是随时变化的情况，例如，国外商业摄像头监控软件Camwizard对于光照的变化也有反应，当然，只有具体分析有关运动探测算法才可以得到准确的结论。

摄像头探测空间中物体的运动的基本思想是比较两帧位图的匹配情况，其算法影响到计算工作量的大小，从而影响到动态监控的时间响应，也就决定着使用效率。有关探测物体运动的算法有若干设计，直接的可以逐个像素进行像素值的比较，当然，如此位图像素值比较方法计算量很大，耗费时间，不足以实用。美国专利“camera with subject highlighting andmotion detection”(US 5,103,254，Apr.7，1992)针对采用光电传感器阵列芯片的相机提出了一种提取物体轮廓(the outline of the subject)的方法，可以确定景深内物体的轮廓，用于加强相机的观察窗中LCD mask上所呈现的自动聚焦了的物体的显示，使之区别于背景；通过轮廓匹配算法，进一步用于确定物体的运动及其运动的方向和运动速率，以防止成像模糊，或作为快速曝光模式中的触发信号。该专利提取物体的轮廓的方法是：光阑最宽时景深最小，焦平面上所成物体的像最锐利，然后采用梯度算子(a gradient function)提取像的轮廓，该梯度算子逐个计算像素的值的梯度变化，以确定图像中变化最显著的地方，即确定物体的边缘分界线：

f(x，y)＝|(x，y)-(x+1，y+1)|+(x+1，y)-(x，y+1)|

显然，它不是直接地反映该像素与其最邻近的某个像素的值的差异，而是取该像素的最邻近的三个像素，加上该像素本身，分别以对角线位置的两个的值相减，再取这两个差值的绝对值的和作为梯度算子的计算结果。这样做的好处是，既较好地反映并综合了某个特定像素邻近的值的跳变情况，又因为属于2X2算子，运算量比3X3算子的要小。如果该像素的梯度算子的计算结果小于某一个预设门槛值，例如185，则认为该像素与其最邻近像素的差异不大，不属于边缘分界线上，重新赋值为逻辑0；否则认为该像素位于像素值发生跳变的边缘分界线上，重新赋值为逻辑1；如此逐个像素计算，结果获得图像中物体的轮廓表示。依此方法再计算下一帧的物体轮廓表示，然后比较这两帧的物体的轮廓，根据不相匹配的像素点的数目是否大于某个预设的最小的门槛值，判断物体是否发生运动、运动的方向及其速率。对于位图像素数目相当地多，并且每个像素的值在0-255之间变化的情况，该专利所述物体轮廓匹配的算法思路清晰，似乎优点明显，但是，其运算是针对整个图像帧的所有的像素进行的。此外，它还有至少两个门槛值需要在程序运算中预先设定，而这种预先设定是不好根据情况加以改变的，例如，光照强弱发生变化的时候就会影响到判断的结果。为了加厚所取得的物体轮廓，清除孤立的赝点，该专利进一步使用了一个3×3的像素窗，实施了下述算法函数：