劉瓊　吳細寶　陳雯柏

摘 要：樹莓派在創(chuàng)新產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。文章提出以樹莓派為開放實驗平臺，結(jié)合模式識別學(xué)科背景，闡述基于樹莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)的應(yīng)用型實驗項目設(shè)計，包括軟件系統(tǒng)設(shè)置、基于Python的視頻采集和處理以及接收模塊的程序設(shè)計、整體系統(tǒng)的集成。

關(guān)鍵詞：樹莓派；開放實驗；模式識別；視頻監(jiān)控

1 背 景

樹莓派是一款攜帶方便、價格低廉的卡片式電腦，也稱為樹莓派電腦板，外觀如圖1所示。它由注冊于英國的慈善組織 “Raspberry Pi 基金會”開發(fā)，是以提升學(xué)校計算機科學(xué)及相關(guān)學(xué)科的教育，讓計算機變得有趣為宗旨，為學(xué)生計算機編程教育而設(shè)計[1]。樹莓派自從2012年3月上市以來，得到眾多發(fā)燒友和創(chuàng)客的熱愛，更是出現(xiàn)專門的網(wǎng)頁論壇[2-3]和網(wǎng)上實驗室[4]。

樹莓派板載資源豐富，處理能力強，適合開發(fā)各種輕量級的應(yīng)用[5-7]，對提高學(xué)生的創(chuàng)新精神和Linux環(huán)境下的編程能力有重要意義，同時也能提高學(xué)生對底層硬件的運用能力。實驗要求學(xué)生采用樹莓派開發(fā)板設(shè)計一個監(jiān)控拍攝系統(tǒng)，通過在樹莓派上接入攝像頭并添加相關(guān)的視頻異常目標捕捉算法，實現(xiàn)場景的實時監(jiān)控。

2 開放實驗條件

實驗所需設(shè)備主要有樹莓派開發(fā)板、攝像頭、電腦和無線通信設(shè)備。實驗室提供樹莓派model B+主板、聯(lián)想臺式電腦和羅技C270免驅(qū)攝像頭。樹莓派model B+主板基于博通ARM11 BCM2835的mini PC，可運行Linux系統(tǒng)，也可以運行微軟的Win10等操作系統(tǒng)。大學(xué)生開放實驗的開設(shè)以項目驅(qū)動為主導(dǎo)，服務(wù)于創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計與制造，提供學(xué)生實際操作硬件設(shè)備的機會，激發(fā)其創(chuàng)新的靈感與思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力與實踐能力以及團隊協(xié)作意識。

實驗進行過程中，以學(xué)生獨立思考實踐為主，教師輔導(dǎo)為輔。學(xué)生在累積270學(xué)時的時長里，可自由選擇實驗場所；同時，在完成實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上，還可提出申請，申報大學(xué)生科技創(chuàng)新項目，繼續(xù)深入研究。

3 基于樹莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)開放實驗

基于樹莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)開放實驗需要在對樹莓派進行軟件配置的基礎(chǔ)上，完成后續(xù)處理。方式1：客戶端直接接收攝像頭采集的視頻（如圖2虛線所示流程）。這種方式是我們常見的，并已得到廣泛應(yīng)用，此時攝像頭只需要把看到的信息存儲在自帶的設(shè)備里或者發(fā)送給服務(wù)器端即可，所看即所得。方式2：對采集到的視頻進行可疑目標檢測后，發(fā)給服務(wù)器端存儲，客戶端通過與服務(wù)器端通信，接收視頻（如圖2實線所示流程）。

本次實驗中，我們要求學(xué)生采用方式2完成，把模式識別課程中學(xué)到的目標檢測算法應(yīng)用到實際例子中，對攝像頭拍攝到的視頻在攝像頭端完成可疑目標檢測，圈出可疑目標后，發(fā)出警報或者發(fā)送到服務(wù)器端存儲，供客戶端實時查看視頻或者在需要時回看視頻錄像?？紤]到Python語言的應(yīng)用越來越廣泛，而且更容易習(xí)得，實驗中，我們提倡并指導(dǎo)學(xué)生在樹莓派上編寫Python程序[8]。

3.1 系統(tǒng)軟件配置

對樹莓派進行系統(tǒng)軟件配置如同給計算機安裝操作系統(tǒng)，是后續(xù)一切程序執(zhí)行的基礎(chǔ)。樹莓派支持以下操作系統(tǒng)：Debian Gnu/linux、Respbian OS、Fedora、Arch linux ARM、RIS OS、Free BSD、Android和XBMC。最近，微軟將Win10向嵌入式系統(tǒng)進行了免費開放，以部署其移動端[9]，不過Raspbian OS是官方的系統(tǒng)，樹莓派相對更適用，這也是我們本次實驗主要用到的系統(tǒng)。通過將Raspbian OS操作系統(tǒng)下載到SD卡里，并將SD卡裝載到樹莓派，即可啟動，然后對鼠標、鍵盤、開機密碼、網(wǎng)絡(luò)進行配置，只需等待其他程序或軟件的寫入與安裝。

3.2 視頻采集

視頻采集利用Opencv和PIL提供的API完成從攝像頭獲取數(shù)據(jù)和打包數(shù)據(jù)，因此要在系統(tǒng)中安裝一些相應(yīng)的Python依賴庫：libopencv-dev、 python-opencv和 python-imaging。

實現(xiàn)視頻采集的主要步驟如下：①打開攝像頭，并設(shè)置圖像大?。虎趧?chuàng)建套接字，并準備服務(wù)器地址；③發(fā)送請求，接收響應(yīng)，建立連接；④獲取視頻幀，將圖片在內(nèi)存中保存為JPEG格式，完成圖片壓縮；⑤進行數(shù)據(jù)傳輸；⑥完成數(shù)據(jù)傳輸后斷開，關(guān)閉套接字，釋放資源。

3.3 可疑目標檢測

監(jiān)控環(huán)境通常都是攝像頭靜止，背景固定，因此，在可疑目標檢測里，我們主要考查學(xué)生對背景固定的前景目標檢測算法的掌握程度。通常來說，有背景幀差法[10]和相鄰幀差法[11]兩種實現(xiàn)算法，算法詳細流程不再贅述，主要步驟如下：①獲取視頻幀，建立背景模型；②圖像灰度化，進行差分運算，將差分結(jié)果二值化；③對二值化圖像進行膨脹運算，查找圖像輪廓，排除無效輪廓；④繪制物體輪廓。

3.4 數(shù)據(jù)存儲

視頻端采集到數(shù)據(jù)后，由于板載資源有限，將其發(fā)送給服務(wù)器端存儲，因此，服務(wù)器模塊連接視頻采集端和遠程客戶端，同時完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，從而使視頻采集端與服務(wù)器建立連接后，客戶端可以隨時隨地連接服務(wù)器查看監(jiān)控區(qū)域。

主要步驟：①創(chuàng)建套接字；②準備地址和端口信息；③綁定套接字、接收請求、發(fā)送響應(yīng)、建立與客戶端的連接；④完成數(shù)據(jù)包由攝像頭端到遠程端的轉(zhuǎn)包服務(wù)；⑤服務(wù)結(jié)束，關(guān)閉套接字，回收資源。

3.5 視頻接收

視頻接收端主要完成接收視頻數(shù)據(jù)的解壓縮并且予以顯示的功能，因此，客戶端系統(tǒng)環(huán)境配置開發(fā)中用到的Python資源庫與采集端類似：libopencv-dev、 python-opencv和 python-imaging。主要步驟如下：①創(chuàng)建套接字，并準備服務(wù)器地址；②發(fā)送請求，接收響應(yīng)，建立連接；③建立窗口；④讀取數(shù)據(jù)包，將圖片在內(nèi)存中轉(zhuǎn)換為圖片數(shù)據(jù)；⑤顯示圖像；⑥完成數(shù)據(jù)傳輸后斷開，關(guān)閉套接字，釋放資源。endprint

4 實驗效果與收獲

4.1 科研能力、創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作意識的培養(yǎng)

基于樹莓派的應(yīng)用型開放實驗項目有別于傳統(tǒng)的課內(nèi)實驗項目，無標準答案可尋，著重培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和獨立解決問題的能力。實驗任務(wù)所呈現(xiàn)的問題需通過廣泛的資料調(diào)研才能得到有效的解決，對于培養(yǎng)本科生的科研能力有極大的促進作用；與此同時，在實驗過程中，能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使其自由大膽地發(fā)揮想象力，不斷改善系統(tǒng)性能。

在實驗過程中，學(xué)生設(shè)想并實踐了很多種實現(xiàn)方案，如給樹莓派接上超大容量的移動硬盤，省掉中間的服務(wù)器設(shè)備，客服端直接和樹莓派通信獲取監(jiān)控視頻。然而，在實驗過程中，硬盤的帶動對樹莓派的負載能力有較高的要求，同時對供電系統(tǒng)的要求也陡然提高，導(dǎo)致樹莓派很容易就被燒掉。學(xué)生在不斷嘗試的基礎(chǔ)上，對失敗的實驗總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，經(jīng)過多次努力最后獲得成功，由此也養(yǎng)成了膽大心細的科研作風(fēng)和謹慎的科研態(tài)度。

與此同時，系統(tǒng)從設(shè)計到不斷嘗試到最后方案的敲定，從程序編寫到最后聯(lián)機調(diào)試，都需要所有學(xué)生反復(fù)討論商議并親自動手實踐，對培養(yǎng)學(xué)生的團隊協(xié)作意識有極大的促進。

4.2 全新教與學(xué)模式的探索

基于樹莓派的監(jiān)控拍攝系統(tǒng)將模式識別、機器視覺、人工智能等理論課程的內(nèi)容有機地融入實際應(yīng)用中，可以使學(xué)生對理論課上抽象的概念有直觀的了解，并對某些過程進行實踐，獲得更多的認知體驗。開放式的教學(xué)環(huán)境能夠給學(xué)生提供更多與教師進行輕松互動的機會，同時也能夠給教師提供更多了解學(xué)生的途徑，啟發(fā)教師嘗試更豐富的教學(xué)方式，甚至更新的科研方向。

5 結(jié) 語

基于樹莓派的應(yīng)用型開放實驗項目設(shè)計是一種全新教與學(xué)模式的探索。對學(xué)生而言，經(jīng)過270學(xué)時的實驗，他們也掌握了豐富的樹莓派產(chǎn)品開發(fā)知識以及基于Python語言的程序開發(fā)；更加重要的是，經(jīng)過不斷的討論，不斷的嘗試與否定、再肯定，培養(yǎng)了動手實踐能力、科研能力、創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作意識。

在本次實驗中，雖然考慮到樹莓派有限的存儲能力和計算能力，拋開了復(fù)雜檢測算法的開發(fā)，但是實驗結(jié)果對現(xiàn)有產(chǎn)品也有一定的改善與創(chuàng)新[12]，通過將算法集成到樹莓派中，使其成為一款小巧的能看能想的監(jiān)控攝像頭，替換現(xiàn)在隨處可見的只看不想的常規(guī)攝像頭。

對于后續(xù)實驗內(nèi)容，我們考慮將實驗難度再拔高一個檔次，以更好地鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生的科研實戰(zhàn)能力，如應(yīng)用到更復(fù)雜的場景中或者應(yīng)用到開放式環(huán)境中，結(jié)合表情識別，開發(fā)面向多目標的視頻可疑目標檢測算法。

參考文獻：

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（編輯：宋文婷）endprint