智能視頻分析技術(shù)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

智能視頻分析技術(shù)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用視頻監(jiān)控是平安防范系統(tǒng)的重要組成局部，是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)。目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速開(kāi)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)和內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場(chǎng)合，然而視頻監(jiān)控的規(guī)?；瘧?yīng)用致使通過(guò)人的因素去區(qū)分很難做到萬(wàn)無(wú)一失。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開(kāi)展為視頻監(jiān)控的應(yīng)用提供了更大的展示舞臺(tái)，智能化在數(shù)字平安防范領(lǐng)域也得到越來(lái)越多的應(yīng)用。如果在視頻監(jiān)控中參加視頻的智能分析，可以對(duì)所關(guān)注的視頻源實(shí)時(shí)分析，有效防止信息遺漏，使各種高風(fēng)險(xiǎn)行為在發(fā)生之初就被發(fā)現(xiàn)，并提醒值班人員，從而防止危險(xiǎn)發(fā)生。這不但能大大提高視頻監(jiān)控的效果和質(zhì)量，有力降低監(jiān)控工作人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)使也使整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)得到很好的融合。一、智能視頻分析在視頻監(jiān)控中的必要性傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常是通過(guò)人員監(jiān)控和錄像來(lái)實(shí)現(xiàn)平安防護(hù)，實(shí)際上并不能主動(dòng)有效地保障平安，尤其是監(jiān)控點(diǎn)過(guò)多的時(shí)候，人員監(jiān)控根本無(wú)法顧及所有監(jiān)控場(chǎng)景；同時(shí)，監(jiān)控人員的注意力很難保證二十四小時(shí)都能準(zhǔn)確高效地監(jiān)控所有監(jiān)控場(chǎng)景；此外，"被動(dòng)錄像"通常只能在"事件"發(fā)生之后通過(guò)調(diào)用錄像進(jìn)行回放取證，一方面損失已經(jīng)產(chǎn)生不可能挽回，另一方面，通過(guò)人工回放錄像取證的方式效率十分低下。智能分析視頻監(jiān)控那么可以有效地解決以上問(wèn)題。智能監(jiān)控的主要特征是采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)方式，在幾乎不需要人為干預(yù)的情況下，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍錄的圖像序列進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此根底上分析和判斷目標(biāo)的行為，從而做到既能完成日常管理又能在異常情況發(fā)生的時(shí)候及時(shí)作出反響，如圖1所示。智能監(jiān)控的主要優(yōu)勢(shì)有：群體行為分析、入侵檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤、有效擴(kuò)展視頻資源的用途、滯留物和搬移物報(bào)警、對(duì)攝像機(jī)保護(hù)、降低人力本錢。圖1視頻智能分析的必要性二、智能視頻分析的實(shí)現(xiàn)原理視頻智能分析是計(jì)算機(jī)圖像視覺(jué)技術(shù)在安防領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)分支，是一種基于目標(biāo)行為的智能監(jiān)控技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)的移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)，智能視頻分析首先將場(chǎng)景中的背景和目標(biāo)別離，識(shí)別出真正的目標(biāo)，去除背景干擾〔如樹(shù)葉抖動(dòng)、水面波浪、燈光變化〕，進(jìn)而分析并追蹤在攝像機(jī)場(chǎng)景內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)行為。智能視頻分析與移動(dòng)偵測(cè)的本質(zhì)區(qū)別是前者可以準(zhǔn)確識(shí)別出視頻中真正活動(dòng)的目標(biāo)，而后者只能判斷出畫面變化的內(nèi)容，無(wú)法區(qū)分目標(biāo)和背景干擾。所以智能視頻分析相對(duì)于移動(dòng)偵測(cè)，其抗干擾能力有了質(zhì)的提高。視頻分析技術(shù)通常采用背景減除技術(shù)來(lái)進(jìn)行圖像變化的檢測(cè)〔如入侵、丟包、逆行等都是一種模式的圖像變化〕，即將視頻幀與基準(zhǔn)背景圖像進(jìn)行比擬，相同位置的像素〔區(qū)域〕變化那么認(rèn)為是變化了的區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)一步處理、識(shí)別、跟蹤，得到包括目標(biāo)位置、尺寸、形狀、速度、停留時(shí)間等根本形態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，完成目標(biāo)的跟蹤和行為理解之后，也就完成了圖像與圖像描述之間的映射關(guān)系，從而使系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行規(guī)那么判定，直到觸發(fā)報(bào)警。三、智能視頻分析技術(shù)的分類從廣義上來(lái)說(shuō)，智能視頻分析技術(shù)主要包括以下三類：〔1〕視頻分析類該類主要是在監(jiān)控圖像中找出目標(biāo)，并檢測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征屬性〔如目標(biāo)相對(duì)的像素點(diǎn)位置，目標(biāo)的移動(dòng)方向及相對(duì)像素點(diǎn)移動(dòng)速度，目標(biāo)本身在畫面中的形狀及其改變〕，根據(jù)以上的根本功能，視頻分析可分為以下幾個(gè)功能模塊：周界入侵檢測(cè)、目標(biāo)移動(dòng)方向檢測(cè)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)改變檢測(cè)、目標(biāo)出現(xiàn)與消失檢測(cè)、人流量、車流量統(tǒng)計(jì)、PTZ自動(dòng)追蹤系統(tǒng)、系統(tǒng)智能自檢功能等?！?〕視頻識(shí)別類該類包括人臉識(shí)別、步態(tài)識(shí)別與車牌識(shí)別，其主要技術(shù)是在視頻圖像中找出局部中一些畫面的共性，如人臉必然有兩個(gè)眼睛，如果可以找到雙目的位置，那么就可以定性人臉的位置及尺寸。〔3〕視頻改善類該類主要是針對(duì)一些不可視、模糊不清，或者是對(duì)振動(dòng)的圖像進(jìn)行局部?jī)?yōu)化處理，以增加視頻的可監(jiān)控性能。具體包括：紅外夜視圖像增強(qiáng)處理、車牌識(shí)別影像消模糊處理、光變與陰影抑制處理、潮汐與物體尺寸過(guò)濾處理、視頻圖像穩(wěn)定系統(tǒng)等。從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，智能視頻分析技術(shù)目前有兩種常用方式：第一種是基于智能視頻處理器的前端解決方案；第二種是基于監(jiān)控的后端智能視頻分析解決方案?；谝曨l處理器的前端解決方案：所有的目標(biāo)跟蹤、行為判斷、報(bào)警觸發(fā)都是由前端智能分析設(shè)備完成，只將報(bào)警信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心。優(yōu)點(diǎn)是：視頻分析設(shè)備被放置在IP攝像機(jī)之后，這樣可以有效地節(jié)約視頻流占用的帶寬；缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴，安裝復(fù)雜；前端設(shè)備分散、易損率高；報(bào)警記錄與視頻監(jiān)控分開(kāi)。基于監(jiān)控的后端智能視頻分析解決方案：所有的前端攝像機(jī)僅僅具備根本的視頻采集功能，而所有的視頻分析都必須聚集到后端或者關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一處理，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需紅外傳感器等前端檢測(cè)設(shè)備、可有效與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)融合、針對(duì)不同需求規(guī)那么改變靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)；缺點(diǎn)是只能控制假設(shè)干關(guān)鍵的監(jiān)控點(diǎn)，并且對(duì)計(jì)算機(jī)性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬要求比擬高。圖2

基于監(jiān)控的后端智能視頻分析四、智能視頻分析系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)智能視頻分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是集平安防范技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、視頻傳輸技術(shù)、訪問(wèn)控制技術(shù)、云存儲(chǔ)、云計(jì)算等高新技術(shù)為一體的綜合管理系統(tǒng)?，F(xiàn)在大局部的智能監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、徘徊檢測(cè)、物品遺留、區(qū)域入侵、喪失檢測(cè)、車流量統(tǒng)計(jì)及人流量統(tǒng)計(jì)等功能。智能視頻分析系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)主要基于三層架構(gòu)：即前端設(shè)備接入層、媒體處理層和用戶表示層。前端接入層主要由視頻采集單元、編碼單元、智能分析單元、報(bào)警單元等組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)前端視頻信息、報(bào)警信息進(jìn)行獲取，同時(shí)通過(guò)智能分析單元和編碼單元進(jìn)行信息處理，最終接入業(yè)務(wù)中心；媒體處理層由中心業(yè)務(wù)平臺(tái)、媒體處理分發(fā)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)單元組成，主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)處理控制、視頻音頻傳送、存儲(chǔ)以及系統(tǒng)管理；作為整個(gè)智能視頻分析監(jiān)控的核心，中心業(yè)務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了用戶和前端設(shè)備的接入認(rèn)證、設(shè)備綜合管理、媒體分發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)及業(yè)務(wù)功能控制等功能，網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)單元那么需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)媒體數(shù)據(jù)的數(shù)字化錄像、存儲(chǔ)、檢索、回放以及管理，如圖3所示。圖3

智能視頻分析系統(tǒng)架構(gòu)示意圖圖3說(shuō)明：標(biāo)示名稱功能描述CAM攝像頭最前端設(shè)備，完成視頻采集IVAS智能網(wǎng)絡(luò)視頻分析效勞器接入前端設(shè)備，完成實(shí)時(shí)視頻分析計(jì)算，并進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，可支持本地錄像、支持云臺(tái)操作。VMS視頻分析管理效勞器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心、指令中心，具有處理各種指令分發(fā)、數(shù)據(jù)請(qǐng)求的效勞。EMS電子地圖系統(tǒng)全景地圖，可以顯示整個(gè)監(jiān)控區(qū)域全貌，并且顯示所有監(jiān)控設(shè)備位置、實(shí)時(shí)狀態(tài)、檢測(cè)到的目標(biāo)物體在全局地圖中的位置等。ISCA智能視頻監(jiān)控客戶端應(yīng)用智能視頻監(jiān)控的終端應(yīng)用程序，獨(dú)立運(yùn)行。ISCC智能視頻監(jiān)控Web客戶端智能視頻監(jiān)控的終端應(yīng)用，嵌入網(wǎng)絡(luò)瀏覽器〔如IE〕運(yùn)行。HSWeb頁(yè)面系統(tǒng)利用效勞器端腳本，提供HTTP效勞。NVRS網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)效勞器處理指定的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，可保證重要通道的視頻數(shù)據(jù)平安。SDU信號(hào)及數(shù)據(jù)管理效勞單元進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)各種輔助信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理和管理。DBS數(shù)據(jù)庫(kù)效勞器利用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)系化存儲(chǔ)?！?〕智能網(wǎng)絡(luò)視頻分析效勞器IVASIVAS是前端運(yùn)行性態(tài)的運(yùn)算單元設(shè)備，運(yùn)行有智能視頻分析效勞程序，帶有視頻信號(hào)輸入接口、串行通信接口〔RS485/232〕。從而可以完成視頻信號(hào)采集、分析、編碼、傳輸，前端設(shè)備協(xié)同控制，其他數(shù)字設(shè)備控制等工作?！?〕視頻分析管理效勞器VMSVMS是系統(tǒng)的管理中心，通過(guò)VMS管理和配置多個(gè)IVAS，并可以通過(guò)訪問(wèn)Web頁(yè)面管理整個(gè)系統(tǒng)。通過(guò)VMS可以實(shí)現(xiàn)視頻的集中存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)取任意視頻的功能，并與系統(tǒng)的其他組件如地圖效勞器配合等?！?〕電子地圖系統(tǒng)EMS可以顯示整個(gè)監(jiān)控區(qū)域全貌，并且顯示所有監(jiān)控設(shè)備位置、實(shí)時(shí)狀態(tài)、檢測(cè)到的目標(biāo)物體在全局地圖中的位置、設(shè)置所需標(biāo)注的設(shè)備〔如攝像機(jī)等〕的位置信息等?！?〕智能視頻監(jiān)控客戶端應(yīng)用ISCA智能視頻監(jiān)控客戶端應(yīng)用是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置與管理的終端用戶界面軟件，可以接入本地IVAS進(jìn)行管理、遠(yuǎn)程接入IVAS進(jìn)行管理。〔5〕Web頁(yè)面系統(tǒng)HS與智能視頻監(jiān)控Web客戶端ISCC提供遠(yuǎn)程Web訪問(wèn)，可以完全在IE中實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的智能視頻監(jiān)控客戶端應(yīng)用ISCA的各項(xiàng)功能。〔6〕網(wǎng)絡(luò)視頻存儲(chǔ)效勞器NVRSNVRS通過(guò)接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)承當(dāng)所指定的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)業(yè)務(wù)，可減輕承當(dāng)本地錄像任務(wù)的IVAS的負(fù)荷，可以保證重要通道的視頻信息平安?！?〕信號(hào)及數(shù)據(jù)管理效勞單元SDUSDU進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)的各種輔助信號(hào)和數(shù)據(jù)的處理和管理。在某些情況下，系統(tǒng)需要集成多種數(shù)據(jù)采集儀器、信號(hào)指示設(shè)備的管理，前者如溫濕度的定時(shí)采集、玻璃破裂傳感器、振動(dòng)傳感器等的監(jiān)測(cè)，后者如門禁開(kāi)關(guān)的日志查詢、開(kāi)關(guān)管理、警鈴的啟停等，如圖4所示。圖4

信號(hào)及數(shù)據(jù)管理效勞單元連接示意圖〔8〕數(shù)據(jù)庫(kù)效勞器DBASDBAS可采用MySQL或MicrosoftSQLServer等數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的關(guān)系存儲(chǔ)。提供接口供Web系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)DMS效勞。五、智能分析系統(tǒng)功能說(shuō)明智能視頻分析首先要求用戶指定一個(gè)檢測(cè)區(qū)域，該檢測(cè)區(qū)域可以是不規(guī)那么的任意形狀，然后在該區(qū)域中啟用各種檢測(cè)功能。智能視頻分析支持的檢測(cè)功能主要有：〔1〕運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)軌跡追蹤在攝像機(jī)監(jiān)視的場(chǎng)景范圍內(nèi)，對(duì)出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分類識(shí)別〔人、動(dòng)物和車輛等〕及軌跡的追蹤?？筛鶕?jù)需要設(shè)置各種警戒要求，一旦系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及其行為符合預(yù)先設(shè)定的警戒條件，那么自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警信息，如圖5所示。圖5

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)軌跡追蹤〔2〕周界警戒及入侵檢測(cè)在攝像機(jī)監(jiān)視的場(chǎng)景范圍內(nèi)，可根據(jù)監(jiān)控需要和目的設(shè)置警戒區(qū)域，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)入侵到警戒區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)及其行為，一旦發(fā)現(xiàn)有滿足預(yù)設(shè)警戒信息，并用告警框標(biāo)示出進(jìn)入警戒區(qū)的目標(biāo)，同時(shí)標(biāo)識(shí)出其運(yùn)動(dòng)軌跡。入侵檢測(cè)可以根據(jù)環(huán)境設(shè)置多種檢測(cè)方式，可以設(shè)置進(jìn)入某一劃定的區(qū)域就報(bào)警；可以穿越劃定的某條絆線就報(bào)警。而且絆線還可以帶有方向性，如可以設(shè)置為出絆線內(nèi)的區(qū)域不報(bào)警，進(jìn)入絆線內(nèi)區(qū)域時(shí)報(bào)警。絆線〔警戒線〕穿越在攝像機(jī)監(jiān)視的視場(chǎng)范圍內(nèi)，可以設(shè)置多條警戒線并規(guī)定其禁止穿越方向。一旦有移動(dòng)目標(biāo)按照禁止穿越方向穿越警戒線即產(chǎn)生告警，并用告警框標(biāo)識(shí)出該移動(dòng)目標(biāo)及其運(yùn)動(dòng)軌跡。提醒相關(guān)人員注意有人或車穿越警戒線。如果移動(dòng)目標(biāo)沒(méi)有按照設(shè)定方向穿越警戒線，那么不會(huì)產(chǎn)生任何告警，如圖6所示。圖6

絆線〔警戒線〕穿越示意圖雙絆線〔警戒線〕穿越使用絆線檢測(cè)時(shí)，在樹(shù)枝晃動(dòng)、多汽車燈光的區(qū)域容易形成誤報(bào)。為了解決這些區(qū)域的誤報(bào)問(wèn)題，將絆線改成雙絆線，只有檢測(cè)物體穿越兩根絆線后才會(huì)報(bào)警，這樣能大大降低誤報(bào)的可能性，更好地提高檢測(cè)準(zhǔn)確率，如圖7所示。圖7

雙絆線〔警戒線〕穿越區(qū)域入侵在一些不方便設(shè)置絆線，或者在沒(méi)有明確邊界但需要警戒的區(qū)域設(shè)置區(qū)域入侵檢測(cè)功能。在需要警戒的區(qū)域架設(shè)監(jiān)控?cái)z像機(jī)，在攝像機(jī)監(jiān)視的視場(chǎng)范圍內(nèi)，可根據(jù)需要設(shè)置任意形狀、任意數(shù)量的警戒區(qū)域。一旦有滿足預(yù)設(shè)條件的目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域，那么自動(dòng)產(chǎn)生告警，并用告警框標(biāo)識(shí)出進(jìn)入警戒區(qū)域的目標(biāo)，同時(shí)標(biāo)識(shí)出其運(yùn)動(dòng)軌跡，提醒相關(guān)人員注意有移動(dòng)目標(biāo)入侵，如圖8所示。圖8

區(qū)域入侵〔3〕物品狀態(tài)檢測(cè)在監(jiān)視場(chǎng)景中，當(dāng)警戒區(qū)域內(nèi)特定位置的某件或多件物品的狀態(tài)發(fā)生變化〔突然消失或突然出現(xiàn)〕進(jìn)行檢測(cè)分析，并自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，提醒相關(guān)人員?？梢苑譃椋何锲废Щ蛞苿?dòng)檢測(cè)、滯留物檢測(cè)等。滯留物檢測(cè)對(duì)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有可疑遺棄物時(shí)可發(fā)生報(bào)警，拍照并錄像，如圖9所示。圖9

滯留物檢測(cè)物品消失或移動(dòng)檢測(cè)在攝像機(jī)監(jiān)控范圍內(nèi)，重要物品一旦被遮擋、移動(dòng)時(shí)系統(tǒng)立即發(fā)出告警，通知安保人員查看處理該事件，同時(shí)拍照、錄像，以方便事后回查、取證，如圖10所示。圖10

物品消失或移動(dòng)檢測(cè)〔4〕視頻異常檢測(cè)自動(dòng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)視頻異常及環(huán)境突變，對(duì)視頻遮擋/移動(dòng)/中斷、各種干擾、畫面質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保障視頻監(jiān)控系統(tǒng)有效工作。圖11所示即為圖像質(zhì)量診斷實(shí)例：圖11

視頻異常檢測(cè)六、應(yīng)用現(xiàn)狀與開(kāi)展方向1.應(yīng)用現(xiàn)狀視頻智能分析技術(shù)近幾年一直得到廣泛關(guān)注，按理說(shuō)這一技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用對(duì)于提高平安防范系統(tǒng)的利用效率會(huì)起到很大的作用，但實(shí)際上卻沒(méi)有得到有效的推廣。造成這一現(xiàn)象的主要原因有：現(xiàn)在視頻智能分析的應(yīng)用主要在特定的行業(yè)中，如看守所、監(jiān)獄、博物館、倉(cāng)庫(kù)、廠區(qū)、地鐵站等特定的場(chǎng)景，而在社會(huì)或民用監(jiān)控領(lǐng)域的諸多應(yīng)用上仍存在一定問(wèn)題，如環(huán)境復(fù)雜度的增加會(huì)使得誤報(bào)率上升，從而難以到達(dá)預(yù)定的分析目的和應(yīng)用效果；二是針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中需監(jiān)視數(shù)量比擬大的工程，智能分析系統(tǒng)的構(gòu)架無(wú)論從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)上，還是技術(shù)上都顯得比擬缺乏，無(wú)法完全消除誤報(bào)的影響，行為判斷能力弱，畫面難以到達(dá)特征識(shí)別技術(shù)要求以及CPU的處理瓶頸問(wèn)題仍是智能視頻分析的"短板"。2.開(kāi)展方向不同的行業(yè)對(duì)于視頻監(jiān)控的需求一般有著非常明顯的差異，特別是對(duì)于智能視頻分析技術(shù)的應(yīng)用需求，由此也決定了不同行業(yè)間檢測(cè)行為類型與異常事件的特殊性。隨著各行業(yè)應(yīng)用的不斷深入以及平安級(jí)別控制要求的進(jìn)一步提升，各安