d题，基于互联网的摄像测量系统

1.项目简介

本项目基于2021年大学生电子设计竞赛D题实现摄像头对单摆模型相关参数的测量。该题目硬件部分由摄像头、树莓派、千兆以太网交换机和终端TX2组成，其中摄像头和树莓派组成了两个摄像节点，TX2为终端显示节点，摄像节点和终端节点通过交换机构成局域网，实现网络传输。终端节点通过局域网获取摄像节点的视频信息，通过信号处理与检测实现对应功能。

2.项目要求

基于互联网的摄像测量系统（D 题）

【本科组】

一 任务

设计并制作一个基于互联网的摄像测量系统。系统构成如图 1 所示。图中边长为 1 米的正方形区域三个顶点分别为 A、B 和 O。系统有两个独立的摄像节点，分别放置在 A 和 B。两个摄像节点拍摄尽量沿 AO、BO 方向正交，并通过一个百兆/千兆以太网交换机与连接在该交换机的一个终端节点实现网络互联。交换机必须为互联网通用交换机，使用的网口可以任意指定。在 O 点上方悬挂一个用柔性透明细线吊起的激光笔，透明细线长度为 l。激光笔常亮向下指示，静止下垂时的指示光点与 O 点重合。拉动激光笔偏离静止点的距离小于 10cm，松开后时激光笔自由摆动，应保证激光笔指示光点的轨迹经 O 点往复直线运动，轨迹与 OA 边的夹角为 θ。利用该系统实现对长度 l 和角度 θ 的测量。

二 要求

1. 基本要求
   （1）设计并制作两个独立的摄像节点，每个节点由一个摄像头和相应的电路组成。两个摄像节点均可以拍摄到激光笔的运动视频并显示。
   （2）设计并制作终端节点。在终端显示器上可以分别和同时显示两个摄像节点拍摄的实时视频。在视频中可以识别出激光笔，并在视频中用红色方框实时框住激光笔轮廓。
   （3）测量系统在终端节点设置一键启动。从激光笔摆动开始计时，测量系统通过对激光笔周期摆动视频信号的处理，自动测量长度 l，50cm≤ l ≤150cm，θ角度自定。测量完成时，终端声光提示并显示长度 l。要求测量误差绝对值小于2cm，测量时间小于 30 秒。
2. 发挥部分
   （1）一键启动后，测量系统通过两个独立摄像节点的网络协同工作，当 θ=0°和 θ=90°时，能自动测量长度 l，50cm≤ l ≤150cm。要求测量误差绝对值小于 2cm，测量时间小于 30 秒。
   （2）一键启动后，可以测量 θ，0°≤ θ ≤90°。要求测量误差绝对值小于 5°。测量时间小于 30 秒。
   （3）其他。

三 说明

（1）摆的柔性透明细线建议采用单股透明的钓鱼线，直径小于 0.2mm。不要采用一般捻和的缝纫线，防止激光笔吊起后自转。考虑实际摆与理想摆的差异以及各地重力加速度会有差异，系统应具有校准处理的功能。
（2）系统获取摆的信息必须来自摄像节点拍摄的视频信息，不得在摆及其附近安装其他传感器和附加装置。θ角度的标定可利用量角器测量激光指示光点轨迹与 OA 边的夹角实现。
（3）两个摄像节点拍摄的取景范围仅限激光笔摆动区间的内容，不能包含全部柔性细线的内容和地面激光光点轨迹的内容。在测量 l 和 θ 的过程中，如果视频包含上述内容，需用纸片遮挡这部分内容。否则不进行测试。
（4）拍摄背景为一般实验室场景，背景物体静止即可，不得要求额外处理。
（5）三个节点不得采用台式计算机和笔记本电脑。

3.项目功能介绍

• 网络视频数据以RTSP流格式传输，不特别强调时间同步，实时性高；
• 基于单摆物理模型计算相关参数，采用帧差法进行动目标检测，减少计算量提高程序运行效率，且计算结果精度高；
• 该项目可以快速精确地计算出激光笔单摆运动时的绳长与角度；
• 具备声光提示功能，操作界面具有测量状态标志，测量完成后系统发出声音提示；
• 具备激光笔实时跟踪功能，可以实时以红色框圈中激光笔；
• 摄像节点和终端节点均可以实时显示视频，终端显示模块可以选择性展示不同摄像节点的拍摄视频；
• 项目适应性较强，在复杂背景下可以实现激光笔检测与测量。

4.项目方案

1. 长度及角度计算
   利用理想单摆运动模型的周期公式T= 2π√(l/g)，通过测量摆动周期即可测出绳长l，摆动周期通过时域过零点检测测出。
   角度检测利用正切公式得出。
   测量流程如下所示：
   
2. 激光笔检测
   采用帧差法实现。摄像机采集的视频序列具有连续性，场景内没有运动目标，则连续帧的变化很微弱，存在运动目标，则连续的帧和帧之间会有明显变化。基于上述思想，由于场景中的目标在运动，目标的影像在不同图像帧中的位置不同，帧差法对时间上连续的两帧或三帧图像进行差分运算，不同帧对应的像素点相减，判断灰度差的绝对值，当绝对值超过一定阈值时，即可判断为运动目标，从而实现目标的检测功能。帧差分法示意图如下所示：
   
3. 视频网络传输
   视频网络传输采用RTSP流格式。RTSP推流的过程如下所示：
   

本项目在树莓派上使用FFMPEG进行RTSP推流，在主控模块访问链接获取视频数据。

5.系统硬件

1. 系统总体框图
   系统总体框图如下所示，主要包括主控模块树莓派4B，USB摄像头，以太网交换机和显示器。
   
2. 终端节点与摄像节点
   终端节点以JetSon TX2为主控，在以太网物理介质上接收摄像头节点的视频流信息，通过对激光笔周期摆动视频信号的处理，自动测量长度l和角度θ。
   摄像头节点通过树莓派4B进行控制，USB摄像头接入树莓派4B，显示器与树莓派4B连接显示实时视频，同时树莓派4B进行RTSP推流实现视频数据传输。

6.项目属性

• 功能测试
• 程序测试

7.软件

见附件。

8.演示视频

视频链接如下：
https://www.bilibili.com/video/BV1HU4y1K7c5/

9.模块

1. 主控模块NVIDIA^® Jetson^™ TX2+显示屏  https://www.nvidia.cn/autonomous-machines/embedded-systems/jetson-tx2/(课程设计器件用过这个，直接就拿过来了。没有这个的话用树莓派也可以代替，不过帧率可能达不到30帧)
2. 摄像机点 树莓派4B + 显示屏 + 640*480 USB摄像头 https://m.tb.cn/h.finmOUn?sm=5657d5
3. 千兆交换机*1
4. 网线+USB连接线若干

10.注意事项

1. 受激光笔自旋等物理因素影响，释放激光笔时应尽可能使接近单摆运动，光点基本保持直线。
2. IP地址注意树莓派和主控节点要互相对应~~~~