一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)及輪廓識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及邊防安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)及輪廓識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)現(xiàn)對(duì)邊境或無人區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)國家安全具有重要的意義。在這個(gè)跨邊境活動(dòng)頻發(fā)的年代，世界上所有的國家都在尋找有效的提高邊境線安全的辦法。我國陸地邊界線全長(zhǎng)約22，000多公里，其中很多地方均無人居住，如果能對(duì)這些地方實(shí)行自動(dòng)監(jiān)控，無疑將極大地提高國家安全防范能力。
[0003]我國目前已有的監(jiān)控系統(tǒng)中，近95%的都是采用人工通過監(jiān)視器進(jìn)行監(jiān)控，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)某事件的智能檢測(cè)與識(shí)別，對(duì)人的依賴性大。由于困倦、疲勞等因素，監(jiān)控人員難以保證全時(shí)段有效監(jiān)控，存在信息利用率和系統(tǒng)工作效率低、可靠性差等不足。此外，現(xiàn)有的邊防安全監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警效果和實(shí)時(shí)響應(yīng)性能也達(dá)不到預(yù)期效果，而且無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)數(shù)量很大，對(duì)于漫長(zhǎng)的邊境或廣袤的無人區(qū)而言，網(wǎng)內(nèi)傳輸、存儲(chǔ)及接收到的數(shù)據(jù)非?？捎^且成本太高，因此也造成了大量信息冗余以及難以智能化的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述問題，利用不同類別物體外形輪廓特征不同，結(jié)合壓縮感知理論，提供一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)及輪廓識(shí)別方法。前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用新型熱電堆紅外傳感器陣列和FPGA處理器采集物體的輪廓特征，具有檢測(cè)范圍廣，隱蔽性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0006]一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置、無線收發(fā)裝置和電源管理裝置。數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置、無線收發(fā)裝置和電源管理裝置組成前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。所述的數(shù)據(jù)采集裝置，其輸出端與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置的輸入端相連。所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置，其輸出端與無線收發(fā)裝置的輸入端相連。所述的無線收發(fā)裝置與輪廓識(shí)別系統(tǒng)的的無線收發(fā)裝置之間無線連接。
[0007]所述的數(shù)據(jù)采集裝置包括若干組熱電堆紅外溫度傳感器陣列。
[0008]所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置包括FPGA處理器、晶振電路、復(fù)位電路和下載配置電路。
[0009]所述的無線收發(fā)裝置包括無線發(fā)射端和無線接收端。
[0010]所述的電源管理裝置分別為數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置和無線收發(fā)裝置供電。
[0011]所述的熱電堆紅外溫度傳感器陣列采用MLX90620模塊。
[0012]所述的FPGA處理器采用EP1C3T144芯片。
[0013]所述的無線收發(fā)裝置采用nRF24L01無線收發(fā)芯片。
[0014]所述的熱電堆紅外溫度傳感器陣列安裝在固定支架上，且熱電堆紅外溫度傳感器陣列的視角范圍為60°。熱電堆紅外溫度傳感器陣列安裝在固定支架上或者綁在某個(gè)穩(wěn)定物體上均可，要求是所在地點(diǎn)視角夠廣，傳感器檢測(cè)視角能達(dá)到60度。
[0015]本發(fā)明還涉及一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別方法，該方法是基于在線字典學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別算法，包括KPCA數(shù)據(jù)降維、字典初始化、稀疏表示分類、異常事件處理機(jī)制和在線字典更新。該方法包括KPCA數(shù)據(jù)降維、字典初始化、稀疏表示分類、異常事件處理和在線字典更新四個(gè)步驟。具體地說，所述的一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別方法，首先將前端采集裝置采集到的一系列不同的訓(xùn)練樣本通過降維轉(zhuǎn)化為相同維數(shù)的特征向量。然后將特征向量投影到低維空間構(gòu)造出字典，通過該字典對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行稀疏表示和識(shí)別，根據(jù)稀疏系數(shù)和殘差值可判定測(cè)試樣本是否屬于異常事件。若為異常事件，則將其歸入異常事件庫；若不是，則根據(jù)殘差大小確定物體所屬類別。在異常事件庫中，通過聚類將異常事件進(jìn)行分類，當(dāng)同一類異常事件出現(xiàn)達(dá)到一定頻率后，將這一類事件從異常數(shù)據(jù)庫中移除，放入字典，實(shí)現(xiàn)字典的在線更新。
[0016]由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明的前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采用熱電堆紅外傳感器陣列對(duì)經(jīng)過安裝有該平臺(tái)的區(qū)域的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置獲取傳感器陣列輸出的物體輪廓數(shù)據(jù)，并采用無線收發(fā)裝置將采集的物體輪廓數(shù)據(jù)發(fā)送至物體輪廓識(shí)別系統(tǒng)，物體輪廓識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)一種基于在線字典學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別算法判定物體類別，該方法首先對(duì)訓(xùn)練樣本降維后初始化字典，通過該字典對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行稀疏表示和識(shí)別，并提出一種異常事件處理機(jī)制，先對(duì)新出現(xiàn)的異常事件進(jìn)行記錄，存入異常事件庫，并針對(duì)異常事件庫，當(dāng)某一類異常事件出現(xiàn)的頻率足夠多時(shí)，將其變更為常規(guī)事件，實(shí)現(xiàn)字典的在線更新，并從異常事件庫中移除。這樣做的好處在于能夠適應(yīng)測(cè)試樣本維數(shù)不同的情況，并且能對(duì)異常情況進(jìn)行處理和判斷，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使算法自適應(yīng)于不同的情況。
[0017]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0018]1、采用熱電堆紅外傳感器陣列采集數(shù)據(jù)，具有檢測(cè)范圍廣，低功耗，隱蔽性好，集成度高等特點(diǎn)。
[0019]2、系統(tǒng)識(shí)別出特定目標(biāo)后自動(dòng)報(bào)警，減少了監(jiān)控人員的人力資源，在實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)與識(shí)別的同時(shí)又保證了全時(shí)段的有效監(jiān)控。
[0020]3、輪廓識(shí)別算法采用核主成分分析法降維，經(jīng)過非線性變換算法將不再受線性不可分模式的約束，并且能夠適應(yīng)測(cè)試樣本維數(shù)不同的情況。
[0021]4、提出一種異常事件處理機(jī)制，能對(duì)異常情況進(jìn)行處理和判斷，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候在線更新字典，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，使算法自適應(yīng)于不同的情況。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是數(shù)據(jù)采集裝置與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置接線示意圖；
[0024]圖3是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中FPGA處理器的引腳示意圖；
[0025]圖4是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中復(fù)位電路的電路原理圖；
[0026]圖5是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中晶振電路的電路原理圖；
[0027]圖6是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中下載配置電路的電路原理圖；
[0028]圖7是無線收發(fā)裝置的電路原理圖；
[0029]圖8是電源管理裝置中電源電路原理圖；
[0030]圖9是字典初始化流程圖；
[0031]圖10是異常事件處理機(jī)制流程圖。
[0032]其中:
[0033]1、數(shù)據(jù)采集裝置，2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置，3、無線收發(fā)裝置，4、電源管理裝置，5、輪廓識(shí)別系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0035]如圖1所示，一種物體輪廓檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)，包括前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)和輪廓識(shí)別系統(tǒng)5。前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)采集的物體輪廓數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)裝置發(fā)送給輪廓識(shí)別系統(tǒng)5，然后采用一種基于在線字典學(xué)習(xí)的物體輪廓識(shí)別方法判定物體所屬類別。前端數(shù)據(jù)采集平臺(tái)包括數(shù)據(jù)采集裝置1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置2、無線收發(fā)裝置3和電源管理裝置4。所述的數(shù)據(jù)采集裝置1，其輸出端與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置2的輸入端相連。所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置2，其輸出端與無線收發(fā)裝置3的輸入端相連。所述的無線收發(fā)裝置3與輪廓識(shí)別系統(tǒng)5的無線收發(fā)裝置之間無線連接。輪廓識(shí)別系統(tǒng)的無線收發(fā)裝置通過USB接口與PC機(jī)相連。
[0036]所述的數(shù)據(jù)采集裝置1，采用熱電堆紅外溫度傳感器陣列即MLX90620模塊，用于捕獲物體二維輪廓圖像信息。所述的熱電堆紅外溫度傳感器陣列安裝在距離地面高度約為I米的固定支架上。MLX90620是全校準(zhǔn)16X4像素IR陣列，集成于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四引腳TO-39封裝里，包含64個(gè)IR像素，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)有低噪聲斬波放大器和高速ADC，輸出存在內(nèi)部的RAM，并通過I2C通信獲取。熱電堆紅外溫度傳感器陣列為16X4的非接觸式溫度傳感器組成的信號(hào)感知單元，具有VDD、VSS、SDAjP SCL四個(gè)引腳。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集裝置包括芯片Ul，其電源引腳VDD接3.3VCC,引腳VSS直接接地，電源引腳VDD和接地引腳VSS之間接電容Cl，時(shí)鐘引腳SCL分兩路，一路通過電阻Rl接3.3VCC，另一路接芯片U2D的第141引腳，數(shù)據(jù)引腳SDA也分兩路，一路通過電阻R2接3.3VCC，另一路接芯片U3D的第140引腳。
[0037]所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置2包括FPGA處理器、晶振電路、復(fù)位電路和下載配置電路。所述的FPGA處理器采用CycloneI系列的FPGA芯片EP1C3T144芯片。所述的晶振電路和復(fù)位電路的輸出端，分別與FPGA處理器的輸入端相連。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置，用于數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理和收發(fā)。本發(fā)明采用20MHz的晶振作為全局時(shí)鐘，當(dāng)其他電路需要不同頻率的時(shí)鐘時(shí)，通過FPGA芯片分頻得到。如圖3所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中FPGA處理器的結(jié)構(gòu)示意FPGA處理器的結(jié)構(gòu)示意圖。FPGA處理器包括U2A、U2B、U2C和U2D四個(gè)芯片。
[0038]如圖4所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中復(fù)位電路的電路原理圖。復(fù)位電路包括電阻R3與R4并聯(lián)后接3.3VCC,電阻R3與按鈕開關(guān)SI串聯(lián)，電阻R4與按鈕開關(guān)S2串聯(lián)，按鈕開關(guān)S1、S2并聯(lián)后接地，二極管Dl的陽極接在電阻R4與按鈕開關(guān)S2之間。電阻R3與按鈕開關(guān)SI之間引出線RESET與芯片U2C的第92引腳相連，電阻R4與按鈕開關(guān)S2之間引出線nCONFIG與芯片U2A的第14引腳相連。按鈕開關(guān)SI作為軟件復(fù)位，按照用戶代碼來進(jìn)行復(fù)位；按鈕開關(guān)S2作為硬件復(fù)位，按下按鈕開關(guān)S2時(shí)，標(biāo)號(hào)nCONFIG引線為低電平，此時(shí)所有的FPGA代碼重新從配置芯片Al里面讀到FPGA處理器中，程序重新開始運(yùn)行。
[0039]如圖5所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中晶振電路的電路原理圖。所述的晶振電路包括芯片Yl，其第2引腳接地，其第3引腳接芯片U2C的第93引腳，其第4引腳分兩路，一路通過電容C2接地，另一路接3.3VCC，有源晶振為系統(tǒng)提供20MHz的全局時(shí)鐘。
[0040]如圖6所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制裝置中下載配置電路的電路原理圖。所述的下載配置電路包括配置芯片Al以及JTAG接口 JP1、JP2，JTAG接口 JPl的第1、3、5、9引腳分別與芯片U2C的第88、90、89、95引腳相連，JTAG