智能視頻分析技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控工程中的應(yīng)用探討

智能視頻分析技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控工程中的應(yīng)用探討1

智能視頻分析技術(shù)概述1.1

智能視頻分析的定義智能視頻分析IVS（intelligentvideosurveillance）也稱為視頻分析或行為分析，可供應(yīng)對視頻圖像內(nèi)容的智能分析和告警功能。通過將場景中背景和目標(biāo)分別進(jìn)而分析并追蹤在攝像機(jī)場景內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)，使計算機(jī)能夠通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內(nèi)容，達(dá)到自動分析和抽取視頻源中關(guān)鍵信息的目的。通過預(yù)設(shè)不同的報警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警。1.2

智能視頻分析的實(shí)現(xiàn)過程和原理1.2.1

視頻的獲得視頻的獲得主要是指系統(tǒng)將輸入模擬視頻信號進(jìn)行數(shù)字化，為計算機(jī)進(jìn)行計算和分析供應(yīng)原始數(shù)據(jù)。一幅原始照片的灰度值是空間變量（位置的連續(xù)值）的連續(xù)函數(shù)，在M×N點(diǎn)陣上比照片灰度采樣并加以量化（歸為2b個灰度等級之一），可以得到計算機(jī)能夠處理的數(shù)字圖像。為了使數(shù)字圖像能重建原來的圖像,對M、N和b值的大小有肯定的要求。在接收裝置的空間和灰度辨別實(shí)力范圍內(nèi),M、N和b的數(shù)值越大,重建圖像的質(zhì)量就越好。由于M、N和b三者的乘積確定一幅圖像在計算機(jī)中的存儲量，因此，在存儲量肯定的條件下須要依據(jù)圖像的不同性質(zhì)選擇合適的M、N和b值，以獲得最好的處理效果。1.2.2

預(yù)處理視頻的預(yù)處理是指在視頻分析中對輸入圖像進(jìn)行特征抽取、分割和匹配前所進(jìn)行的處理。預(yù)處理過程一般有幾何變換、圖像歸一化、圖像平滑、圖像復(fù)原和圖像增加等步驟。1.2.3

運(yùn)動分割通常有3種方法進(jìn)行運(yùn)動檢測和分割：光流法、相鄰幀差法和背景差分法。光流法的計算量特別大,對硬件要求比較高；相鄰幀差法能夠適應(yīng)環(huán)境的動態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的運(yùn)動檢測，但分割出的運(yùn)動目標(biāo)不完整；背景差分法克服了相鄰幀差法的缺點(diǎn)。現(xiàn)有的視頻分析產(chǎn)品一般都采納背景差分法。1.2.4

觸發(fā)報警觸發(fā)報警部分首先加載用戶的預(yù)定義規(guī)則進(jìn)行視頻分析的推斷，依據(jù)規(guī)則追蹤目標(biāo)的活動推斷是否違反預(yù)定義規(guī)則而觸發(fā)報警。1.2.5

輸出顯示有了之前的背景、目標(biāo)跟蹤及識別分類等過程，視頻分析是利用以上過程的結(jié)果，依據(jù)目標(biāo)出現(xiàn)的時間、位置、速度和大小等因素，并結(jié)合之前設(shè)置好的行為規(guī)則，實(shí)現(xiàn)視頻分析結(jié)果的輸出和顯示，如入侵、丟包和越界等。1.3

智能視頻分析類型目前智能視頻分析類型分為前端分析和后端分析兩種。1.3.1

后端視頻分析在視頻接入節(jié)點(diǎn)的計算機(jī)/服務(wù)器上安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內(nèi)容進(jìn)行分析成為后端視頻分析。該技術(shù)配置敏捷，系統(tǒng)可對指定攝像頭的視頻圖像實(shí)施分析，但由于視頻移動偵測（VMD）算法全部由后臺服務(wù)器完成，對后臺服務(wù)器造成了壓力，要求后臺服務(wù)器有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理實(shí)力。該技術(shù)需將大量圖像信號發(fā)到后端進(jìn)行分析，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬較大。目前該技術(shù)應(yīng)用案例較少。1.3.2

前端視頻分析通過嵌入到編碼器或攝像機(jī)中的硬件處理器完成核心算法的運(yùn)行和相關(guān)計算，實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容分析的防范稱之為前端視頻分析技術(shù)。該技術(shù)通過在前端加入視頻分析模塊，在前端模塊中對視頻圖像進(jìn)行分析，當(dāng)有違反規(guī)則的事務(wù)發(fā)生時，才向后臺服務(wù)器報警并上傳相應(yīng)的信息。該技術(shù)響應(yīng)時間較快，對網(wǎng)絡(luò)帶寬和后臺服務(wù)器資源的占用較小。目前市面上流行的視頻分析技術(shù)大多采納這一方式。但前端視頻分析的攝像機(jī)和視頻分析模塊進(jìn)行了綁定，系統(tǒng)無法對隨意指定的攝像頭視頻圖像實(shí)施分析，也有其局限性。1.4

智能視頻分析詳細(xì)功能1.4.1

入侵檢測針對固定場景中的進(jìn)入禁入?yún)^(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行分析、定位、跟蹤，并依據(jù)用戶設(shè)置的規(guī)則觸發(fā)告警的檢測模式。1.4.2

逗留（滯留）識別檢測針對進(jìn)入愛護(hù)區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并對逗留（滯留）時間超過用戶設(shè)定時間的目標(biāo)觸發(fā)告警的檢測模式。1.4.3

逆行檢測針對違反規(guī)定的運(yùn)動方向的目標(biāo)進(jìn)行檢測并觸發(fā)告警的檢測模式。1.4.4

流量統(tǒng)計出站旅客流向的方向、數(shù)量管理，幫助最優(yōu)化的限制公共場所的人群。1.4.5

擁塞檢測旅客站臺、進(jìn)出站地道等區(qū)域發(fā)生擁塞時的警告。1.4.6

穿越雙警戒線報警當(dāng)人、車輛或者其他物體穿越第一條警戒線時，不產(chǎn)生報警；在規(guī)定時間內(nèi)，再次穿越其次條警戒線時，立即產(chǎn)生穿越雙警戒線報警?？梢杂秒p警戒線來推斷車輛的非法轉(zhuǎn)彎，也可通過雙警戒線報警檢測翻越圍墻等狀況。1.4.7

離開識別離開識別是指人、車輛或者物體從某個特定區(qū)域中離開時智能分析設(shè)備產(chǎn)生離開識別報警。離開識別和進(jìn)入識別都是為了愛護(hù)某些禁區(qū)在肯定時間內(nèi)不允許人和物體進(jìn)入或者離開。1.4.8

出現(xiàn)識別出現(xiàn)識別是指當(dāng)有人、車輛或者物體出現(xiàn)在畫面中的某個區(qū)域中，被認(rèn)定為出現(xiàn)行為發(fā)生。出現(xiàn)識別與入侵檢測都是針對畫面中的虛擬區(qū)域產(chǎn)生的分析識別，兩者的區(qū)分在于入侵檢測強(qiáng)調(diào)物體從外部進(jìn)入到區(qū)域，而出現(xiàn)識別強(qiáng)調(diào)物體突然出現(xiàn)在特定區(qū)域（如盜賊可能從地下挖一個洞鉆出來，符合出現(xiàn)識別而不符合入侵檢測）。1.4.9

消逝識別消逝識別是針對出現(xiàn)識別而言的，當(dāng)人、車輛或者物體突然從某個特定區(qū)域消逝，即可產(chǎn)生消逝識別。消逝識別強(qiáng)調(diào)的是物體從特定區(qū)域中突然消逝了，而離開識別強(qiáng)調(diào)的是物體從區(qū)域中離開的動作。1.4.10

棄置識別當(dāng)畫面中某人遺棄某物體即產(chǎn)生棄置識別事務(wù)。在反恐應(yīng)用中，有不明身份的人遺棄隨身所帶物體時，則觸發(fā)了棄置識別事務(wù)。工作人員第一時間發(fā)覺不明物體被遺棄，可剛好趕往現(xiàn)場進(jìn)行處理。1.4.11

取走識別當(dāng)畫面中的某個物體被取走，即可產(chǎn)生取走識別事務(wù)。主要應(yīng)用在畫館或者博物館，某一副名畫或者珍寶被取走，智能化分析設(shè)備能夠剛好捕獲這樣的行為。鐵路視頻監(jiān)控中，也可用于盜竊檢測：如對監(jiān)控范圍內(nèi)的重要設(shè)施被盜或移動發(fā)出告警。1.4.12

場景改變識別當(dāng)攝像頭被轉(zhuǎn)動位置時，場景發(fā)生改變，智能化分析設(shè)備能夠自動捕獲這類行為。1.5

鐵路智能視頻分析系統(tǒng)指標(biāo)依據(jù)鐵運(yùn)基[2008]630號《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》第6.6節(jié)要求，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)對智能視頻分析系統(tǒng)要求達(dá)到以下指標(biāo)：1.5.1

識別分析目標(biāo)的大小入侵檢測和逗留（滯留）檢測在肯定條件下的最小識別告警目標(biāo)在CIF、4CIF辨別率下應(yīng)不小于10×10像素。逆行檢測時，應(yīng)能檢測到不小于所占顯示畫面的1%的運(yùn)動目標(biāo)。1.5.2

灰度要求入侵檢測和逗留（滯留）檢測中，應(yīng)能分析識別其灰度值與背景灰度值之差大于50灰度級的目標(biāo)。1.5.3

圖像抖動要求入侵檢測和逗留（滯留）檢測中，當(dāng)圖像抖動不超過10個像素值時，應(yīng)具有濾除抖動的實(shí)力，并能正常分析。1.5.4

誤報指標(biāo)要求（暫定）在畫面抖動不超過10個像素值、目標(biāo)的大小滿意分析識別要求時，誤報指標(biāo)室內(nèi)環(huán)境應(yīng)達(dá)到平均每路每天小于0.1次，室外環(huán)境應(yīng)達(dá)到平均每路每天小于0.2次。1.5.5

漏報指標(biāo)要求（暫定）入侵檢測和逗留（滯留）檢測：在畫面無抖動、目標(biāo)的灰度值與背景灰度值之差不小于50個灰度級、目標(biāo)大小占畫面不小于1‰條件下，漏報率應(yīng)小于1%。逆行檢測：在攝像機(jī)的監(jiān)視方向與用戶關(guān)注的運(yùn)動方向盡量垂直，且畫面無抖動的狀況下，室內(nèi)環(huán)境下應(yīng)小于2%，室外環(huán)境下應(yīng)小于5%。1.5.6

告警圖像預(yù)錄時間告警圖像預(yù)錄時間不小于10s。2

智能視頻分析詳細(xì)案例分析2.1

工程概述某綜合視頻監(jiān)控改造工程，搭建統(tǒng)一平臺，視頻采集點(diǎn)的設(shè)置考慮車務(wù)、客運(yùn)、貨運(yùn)、公安和電務(wù)視頻監(jiān)控需求，實(shí)現(xiàn)鐵路局綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用。在車站咽喉處、運(yùn)轉(zhuǎn)室內(nèi)外、編組場、貨場、信號樓、通信及信號設(shè)備機(jī)房、馬路跨鐵路立交橋、車站旅客站房（包括站前廣場、安檢口、候車大廳、檢票口、出站口、售票大廳、售票房、站臺、地道）等場所設(shè)置攝像機(jī)。本工程在充分了解各業(yè)務(wù)部門需求基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮攝像機(jī)布點(diǎn)。車站前端視頻信號匯接至車站視頻編碼器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后干脆引入視頻管理服務(wù)器進(jìn)行存儲，對于監(jiān)控點(diǎn)較多的帶客運(yùn)作業(yè)的車站，視頻信號引入車站新建磁盤陣列進(jìn)行存儲。各車站的運(yùn)轉(zhuǎn)室、公安值班室、客運(yùn)值班室、站長室以及運(yùn)輸處、客運(yùn)處、鐵通通信段、電務(wù)段、車務(wù)段監(jiān)控中心、以及局視頻區(qū)域中心設(shè)置視頻監(jiān)控客戶端，車站客戶端實(shí)現(xiàn)對本站視頻圖像的監(jiān)控、調(diào)用。其余上級部門客戶端可通過權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)對隨意車站的隨意圖像進(jìn)行調(diào)用，并可實(shí)現(xiàn)車站報警信息的接收，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)畫面的錄像功能。2.2

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鐵路綜合視頻監(jiān)視系統(tǒng)由視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)、視頻采集點(diǎn)、視頻網(wǎng)絡(luò)和用戶終端構(gòu)成。視頻系統(tǒng)在車站設(shè)置存儲設(shè)備，視頻業(yè)務(wù)由IP數(shù)據(jù)網(wǎng)承載。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下：2.3視頻分析功能需求分析針對視頻分析功能的特點(diǎn)，本工程需求分析如下：?視頻分析功能在國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)項目中應(yīng)用較少，部分功能還處于試驗(yàn)階段，大規(guī)模的運(yùn)用案例不多。在鐵路應(yīng)用方面，青藏鐵路及合寧線鐵路、京津客運(yùn)專線、合武客運(yùn)專線已經(jīng)有入侵探測和逗留檢測等視頻分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例。?視頻分析功能技術(shù)不成熟，性能不穩(wěn)定。視頻分析技術(shù)是利用計算機(jī)通過數(shù)字圖像處理算法來分析和理解視頻畫面中的內(nèi)容，達(dá)到自動分析和抽取視頻源中關(guān)鍵信息的目的，并綜合運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)及概率統(tǒng)計等理論，目前業(yè)界采納的視頻分析算法各有側(cè)重，差異較大。在實(shí)際應(yīng)用中，誤報及漏報狀況時有發(fā)生。?價格昂貴。依據(jù)當(dāng)前市場調(diào)查，監(jiān)控市場上國產(chǎn)品牌視頻分析功能模塊每路價格為RMB5000至8000元，國外同類產(chǎn)品的價格超過每路RMB10000元。?電子產(chǎn)品一般具有“上市初期價格昂貴、大規(guī)模應(yīng)用后價格大幅降低”的特點(diǎn)，本項目采納“一次規(guī)劃，分步實(shí)施，前期試點(diǎn)，逐步推行”的基本原則，待實(shí)際應(yīng)用狀況反映良好及價格下降后，再對其余有必要進(jìn)行視頻分析的監(jiān)控圖像實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)。?視頻分析功能較多，本項目選取部分視頻監(jiān)控點(diǎn)安裝視頻分析功能,支持入侵檢測、逗留（滯留）檢測和逆行檢測等基本檢測模式，對異物侵入、設(shè)備嚴(yán)峻破壞或丟失、人員上道等主動發(fā)出報警信息，防止平安事故的發(fā)生。2.5

視頻分析詳細(xì)實(shí)現(xiàn)據(jù)現(xiàn)場調(diào)查狀況，本項目監(jiān)控重點(diǎn)為各車站咽喉部位，本設(shè)計方案舉薦對車站咽喉部位視頻圖像實(shí)施行為分析功能。各視頻接入節(jié)點(diǎn)的視頻分析功能定義如下：I類視頻接入節(jié)點(diǎn)“實(shí)現(xiàn)視頻的接入、分發(fā)/轉(zhuǎn)發(fā)、視頻內(nèi)容分析和與其他系統(tǒng)的互聯(lián)等，并對其接入的全部視頻信息和告警信息進(jìn)行存儲”；II類視頻接入節(jié)點(diǎn)“設(shè)置視頻內(nèi)容分析單元，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測模式下的分析功能”。依據(jù)該定義，本工程對鐵路局管轄內(nèi)三等站及以上車站咽喉部位的視頻圖像均設(shè)置視頻分析功能，共計175站中的803路咽喉攝像機(jī)加裝視頻分析模塊。本方案采納前端分析技術(shù)，通過在前端加裝視頻分析模塊的方案，對視頻圖像進(jìn)行分析，為這些攝像機(jī)供應(yīng)入侵檢測、滯留探測等基本行為分析功能。由于視頻分析要求最小識別告警目標(biāo)在CIF、4CIF辨別率下應(yīng)不小于10×10像素，本項目在咽喉部位加裝照明設(shè)施，視頻圖像在夜間可以滿意辨別率不小于10×10像素的要求。3

智能視頻分析在鐵路安防領(lǐng)域的應(yīng)用前景及建議智能視頻分析技術(shù)在鐵路安防領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。本項目只將視頻分析技術(shù)運(yùn)用于車站咽喉部以實(shí)現(xiàn)異物入侵、人員非法上道、鐵路重要設(shè)施被盜等事務(wù)發(fā)生時視頻監(jiān)控系