一种物体轮廓检测识别系统及轮廓识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及边防安全监控技术领域，尤其是一种物体轮廓检测识别系统及轮廓识别方法。
【背景技术】
[0002]实现对边境或无人区的实时监控对国家安全具有重要的意义。在这个跨边境活动频发的年代，世界上所有的国家都在寻找有效的提高边境线安全的办法。我国陆地边界线全长约22，000多公里，其中很多地方均无人居住，如果能对这些地方实行自动监控，无疑将极大地提高国家安全防范能力。
[0003]我国目前已有的监控系统中，近95%的都是采用人工通过监视器进行监控，无法实现对某事件的智能检测与识别，对人的依赖性大。由于困倦、疲劳等因素，监控人员难以保证全时段有效监控，存在信息利用率和系统工作效率低、可靠性差等不足。此外，现有的边防安全监控系统的预警效果和实时响应性能也达不到预期效果，而且无线视频监控系统采集到的数据数量很大，对于漫长的边境或广袤的无人区而言，网内传输、存储及接收到的数据非常可观且成本太高，因此也造成了大量信息冗余以及难以智能化的应用。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，利用不同类别物体外形轮廓特征不同，结合压缩感知理论，提供一种物体轮廓检测识别系统及轮廓识别方法。前端数据采集平台采用新型热电堆红外传感器阵列和FPGA处理器采集物体的轮廓特征，具有检测范围广，隐蔽性高，结构简单，可靠性强等特点。
[0005]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0006]一种物体轮廓检测识别系统，包括数据采集装置、数据存储控制装置、无线收发装置和电源管理装置。数据采集装置、数据存储控制装置、无线收发装置和电源管理装置组成前端数据采集平台。所述的数据采集装置，其输出端与数据存储控制装置的输入端相连。所述的数据存储控制装置，其输出端与无线收发装置的输入端相连。所述的无线收发装置与轮廓识别系统的的无线收发装置之间无线连接。
[0007]所述的数据采集装置包括若干组热电堆红外温度传感器阵列。
[0008]所述的数据存储控制装置包括FPGA处理器、晶振电路、复位电路和下载配置电路。
[0009]所述的无线收发装置包括无线发射端和无线接收端。
[0010]所述的电源管理装置分别为数据采集装置、数据存储控制装置和无线收发装置供电。
[0011]所述的热电堆红外温度传感器阵列采用MLX90620模块。
[0012]所述的FPGA处理器采用EP1C3T144芯片。
[0013]所述的无线收发装置采用nRF24L01无线收发芯片。
[0014]所述的热电堆红外温度传感器阵列安装在固定支架上，且热电堆红外温度传感器阵列的视角范围为60°。热电堆红外温度传感器阵列安装在固定支架上或者绑在某个稳定物体上均可，要求是所在地点视角够广，传感器检测视角能达到60度。
[0015]本发明还涉及一种物体轮廓检测识别方法，该方法是基于在线字典学习的目标识别算法，包括KPCA数据降维、字典初始化、稀疏表示分类、异常事件处理机制和在线字典更新。该方法包括KPCA数据降维、字典初始化、稀疏表示分类、异常事件处理和在线字典更新四个步骤。具体地说，所述的一种物体轮廓检测识别方法，首先将前端采集装置采集到的一系列不同的训练样本通过降维转化为相同维数的特征向量。然后将特征向量投影到低维空间构造出字典，通过该字典对测试样本进行稀疏表示和识别，根据稀疏系数和残差值可判定测试样本是否属于异常事件。若为异常事件，则将其归入异常事件库；若不是，则根据残差大小确定物体所属类别。在异常事件库中，通过聚类将异常事件进行分类，当同一类异常事件出现达到一定频率后，将这一类事件从异常数据库中移除，放入字典，实现字典的在线更新。
[0016]由以上技术方案可知，本发明的前端数据采集平台采用热电堆红外传感器阵列对经过安装有该平台的区域的物体进行数据采集，采用数据存储控制装置获取传感器阵列输出的物体轮廓数据，并采用无线收发装置将采集的物体轮廓数据发送至物体轮廓识别系统，物体轮廓识别系统根据一种基于在线字典学习的目标识别算法判定物体类别，该方法首先对训练样本降维后初始化字典，通过该字典对测试样本进行稀疏表示和识别，并提出一种异常事件处理机制，先对新出现的异常事件进行记录，存入异常事件库，并针对异常事件库，当某一类异常事件出现的频率足够多时，将其变更为常规事件，实现字典的在线更新，并从异常事件库中移除。这样做的好处在于能够适应测试样本维数不同的情况，并且能对异常情况进行处理和判断，提高系统的可扩展性，使算法自适应于不同的情况。
[0017]本发明具有如下优点:
[0018]1、采用热电堆红外传感器阵列采集数据，具有检测范围广，低功耗，隐蔽性好，集成度高等特点。
[0019]2、系统识别出特定目标后自动报警，减少了监控人员的人力资源，在实现智能检测与识别的同时又保证了全时段的有效监控。
[0020]3、轮廓识别算法采用核主成分分析法降维，经过非线性变换算法将不再受线性不可分模式的约束，并且能够适应测试样本维数不同的情况。
[0021]4、提出一种异常事件处理机制，能对异常情况进行处理和判断，并在适当的时候在线更新字典，提高系统的可扩展性，使算法自适应于不同的情况。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的结构示意图；
[0023]图2是数据采集装置与数据存储控制装置接线示意图；
[0024]图3是数据存储控制装置中FPGA处理器的引脚示意图；
[0025]图4是数据存储控制装置中复位电路的电路原理图；
[0026]图5是数据存储控制装置中晶振电路的电路原理图；
[0027]图6是数据存储控制装置中下载配置电路的电路原理图；
[0028]图7是无线收发装置的电路原理图；
[0029]图8是电源管理装置中电源电路原理图；
[0030]图9是字典初始化流程图；
[0031]图10是异常事件处理机制流程图。
[0032]其中:
[0033]1、数据采集装置，2、数据存储控制装置，3、无线收发装置，4、电源管理装置，5、轮廓识别系统。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做进一步说明:
[0035]如图1所示，一种物体轮廓检测识别系统，包括前端数据采集平台和轮廓识别系统5。前端数据采集平台采集的物体轮廓数据通过无线收发装置发送给轮廓识别系统5，然后采用一种基于在线字典学习的物体轮廓识别方法判定物体所属类别。前端数据采集平台包括数据采集装置1、数据存储控制装置2、无线收发装置3和电源管理装置4。所述的数据采集装置1，其输出端与数据存储控制装置2的输入端相连。所述的数据存储控制装置2，其输出端与无线收发装置3的输入端相连。所述的无线收发装置3与轮廓识别系统5的无线收发装置之间无线连接。轮廓识别系统的无线收发装置通过USB接口与PC机相连。
[0036]所述的数据采集装置1，采用热电堆红外温度传感器阵列即MLX90620模块，用于捕获物体二维轮廓图像信息。所述的热电堆红外温度传感器阵列安装在距离地面高度约为I米的固定支架上。MLX90620是全校准16X4像素IR阵列，集成于工业标准四引脚TO-39封装里，包含64个IR像素，每个像素都对应有低噪声斩波放大器和高速ADC，输出存在内部的RAM，并通过I2C通信获取。热电堆红外温度传感器阵列为16X4的非接触式温度传感器组成的信号感知单元，具有VDD、VSS、SDAjP SCL四个引脚。如图2所示，数据采集装置包括芯片Ul，其电源引脚VDD接3.3VCC,引脚VSS直接接地，电源引脚VDD和接地引脚VSS之间接电容Cl，时钟引脚SCL分两路，一路通过电阻Rl接3.3VCC，另一路接芯片U2D的第141引脚，数据引脚SDA也分两路，一路通过电阻R2接3.3VCC，另一路接芯片U3D的第140引脚。
[0037]所述的数据存储控制装置2包括FPGA处理器、晶振电路、复位电路和下载配置电路。所述的FPGA处理器采用CycloneI系列的FPGA芯片EP1C3T144芯片。所述的晶振电路和复位电路的输出端，分别与FPGA处理器的输入端相连。数据存储控制装置，用于数据的采集、存储、处理和收发。本发明采用20MHz的晶振作为全局时钟，当其他电路需要不同频率的时钟时，通过FPGA芯片分频得到。如图3所示的数据存储控制装置中FPGA处理器的结构示意FPGA处理器的结构示意图。FPGA处理器包括U2A、U2B、U2C和U2D四个芯片。
[0038]如图4所示的数据存储控制装置中复位电路的电路原理图。复位电路包括电阻R3与R4并联后接3.3VCC,电阻R3与按钮开关SI串联，电阻R4与按钮开关S2串联，按钮开关S1、S2并联后接地，二极管Dl的阳极接在电阻R4与按钮开关S2之间。电阻R3与按钮开关SI之间引出线RESET与芯片U2C的第92引脚相连，电阻R4与按钮开关S2之间引出线nCONFIG与芯片U2A的第14引脚相连。按钮开关SI作为软件复位，按照用户代码来进行复位；按钮开关S2作为硬件复位，按下按钮开关S2时，标号nCONFIG引线为低电平，此时所有的FPGA代码重新从配置芯片Al里面读到FPGA处理器中，程序重新开始运行。
[0039]如图5所示的数据存储控制装置中晶振电路的电路原理图。所述的晶振电路包括芯片Yl，其第2引脚接地，其第3引脚接芯片U2C的第93引脚，其第4引脚分两路，一路通过电容C2接地，另一路接3.3VCC，有源晶振为系统提供20MHz的全局时钟。
[0040]如图6所示的数据存储控制装置中下载配置电路的电路原理图。所述的下载配置电路包括配置芯片Al以及JTAG接口 JP1、JP2，JTAG接口 JPl的第1、3、5、9引脚分别与芯片U2C的第88、90、89、95引脚相连，JTAG