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数字视频智能化技术的发展和应用
作者: 发布日期:2012-11-22 点击数:7704

 

•  什么是智能化系统

提起数字视频的智能化,多数人往往会联想到诸如动态目标跟踪、越界监测、遗留物监测、物品遗失监测等基于数字视频智能分析技术的行为识别监测应用,甚至将二者等同起来。毋庸置疑,视频分析和行为识别是一项非常重要的智能化技术,我们将其称之为视频内容分析与监测预警技术,但仅仅是智能化系统的一个组成内容,并不能代表智能化系统的全部。智能化系统的核心是业务智能,即面向用户的关键视频业务的智能化应用,如系统的智能化维护、智能化视频存储、内容检索和点播、实时视频监测预警等。智能化是一个比较宽泛的概念,是由网络、设备和软件等多个层面的智能化技术的组合和相互配合的应用来实现的,某项智能化技术的单独应用所产生的作用和价值都是有限的, 而这些不同层面上的智能技术的组合和配合,都需要通过系统管理平台软件的信息集成、整合和调度能力来实现的。

•  智能化技术的发展历程

安防领域的智能化技术从一开始就备受关注,从最初的模拟系统、到近几年飞速发展的数字化、网络化系统,智能化技术一直在不断的发展当中,智能化水平也在不断的提高,其应用范围也在不断的扩展。如用户防入侵报警的红外 / 微波探测技术及复合探测技术、泄漏电缆感应探测技术、射频卡及智能门禁控制技术、视频矩阵自动切换技术、报警触发联动技术、数字视频增量侦测技术、指纹 / 瞳孔识别技术等等。近年来随着数字化和网络化技术的发展,又诞生了如面相识别技术、号牌识别技术、数字视频内容分析和行为识别等等。应用范围也涵盖了防入侵报警、身份识别与门禁控制、视频监控以及行业应用等各个方面,目前主要的应用重点是数字视频方面的应用。

•  智能化系统的组成

如上所述,业务智能是智能化技术在业务层面上的应用,业务智能离不开智能化技术的支撑,在安防系统中,智能化系统主要由智能化传输网络、智能化信息采集、控制和视频编码设备、视频内容分析软件设备、智能化软件平台三个构成部分。

可以从数字视频系统的组成来分析智能化系统的组成。一套较为完整的数字化视频系统基本上由 IP 承载网络、视频采集和控制设备、数字化编码解码设备、视频存储设备、系统管理平台和应用客户端软件组成。而智能化系统也是由智能化传输网络、智能化设备、智能化软件和管理平台三个主要构成部分。

智能化传输网络是智能化系统的保障,智能化的核心是信息流和业务流的有机结合,在 IT 系统中,没有信息流,业务流就没有了依存的基础。而信息流的传输,必然依赖于传输网络。在智能化网络系统中,所有的网络设备都是可管理的,所有的网络资源都是可调度的,所有的网络结构都是可伸缩的,所有网络节点的状态都是可监视和管理的。 IT 产业的飞速发展使得网络设备和系统的智能化水平得到了很大的提高,基本上满足了当前数字视频系统的信息传输需要。但这种满足多数是不断的大范围的提高网络的承载能力来实现的,而没有按照视频的传输路由动态的调整网络服务策略。

智能化设备主要是如智能化摄像机、智能化快球、智能化的数字视频编码设备等。如能够根据光线的变化自动调整的超宽动态摄像机,能够自动巡航、守候位复位、坐标定位、目标自动捕捉跟踪的快球、双码流和支持动态编码的数字视频编码器等等,这些是实现业务智能化的基础。

智能化软件包括一些具有特殊应用功能的分析软件如视频内容分析软件、抓拍软件、车牌识别软件,以及数字视频管理平台软件、 GIS 平台软件等,一方面直接实现某些单一的智能化应用,更重要的是通过对网络、设备和用户业务流的集成管理,整合各层面的智能化技术,最终像用户提供不同功能特色的智能化业务应用。

智能化应用包括系统的智能化管理、维护和使用,智能化管理、维护是针对系统、网络和设备层面的,智能化使用时针对实时和历史图像内容的具体应用方面的。

•  智能化技术与应用

当前智能化技术的应用需求越来越广泛,智能化技术的发展也日新月异,取得了很多的成果,有些已经得到了比较广泛的应用,有的还在推广和使用阶段。

监控设备的智能化控制技术与应用

主要是针对目前在城市治安监控中应用最为广泛的云台和快球摄像机、编码器的智能化控制。在城市治安监控系统中,云台和快球由于其监控范围广、控制灵活快速而发挥着巨大的作用,但在很多已建成的系统中,其作用和价值还没有得到充分的发挥。

云台和快球设备往往安装在一些重要的交通路口,虽然可以全方位的旋转监控,但在不的时段其主要监控的目标和范围往往不同,如在早上的 6:00—8:30, 主要的监控目标范围是 A 路东方向,而 8:30—12 00 的主要监控目标范围是 A 路的西向,晚上的某个时段可能又是某个主要的公交车站等等。同样,在不同的时段和监控方向,由于光线的不同,需要摄像机的光圈、快门、白平衡等参数的配合才能达到最佳的图像质量和监控效果。有些快球内部已经具有了按照时间来自动调整预置位的功能,但由于不同的快球的扩展功能协议不同,在一个大规模的城市治安监控系统中对每个快球的内部菜单进行设定是很困难的,而且这些时间段和位置是根据治安形势的变化而不断变化,必须能够做到随时的调整和启动。目前较好的实现方案是通过系统管理平台的 PTZ 设备代理服务和任务计划引擎来实现,通过 PTZ 代理服务可以兼容不同厂家协议的快球设备,通过平台管理界面来制定计划,包括在某个时间将快球调整到某个预置位,对摄像机设定哪些参数值等,通过任务计划引擎来启动并指令 PTZ 代理服务器来执行这些计划,基本上可以做到对快球和摄像机的智能化控制。目前这种智能化技术已经在广东中山、云南昆明等城市监控系统中得到了成功的应用,起到了很好的效果。

对编解码的智能化控制也是如此,在不同的时段和针对不同的监控目标,需要的图像质量也是不同的。如在银行的数字化监控系统中,白天由于网络需要承载业务数据的传输,视频信息只能用低码率传输,而夜间时业务数据几乎停止,同时又是安全保卫的重点时段,这样就需要在不同的时间段采用不同的编码参数。目前还没有一款编码器支持这种功能,还要通过系统管理平台的任务计划引擎和设备代理服务来实现定时的参数设定。

智能化设备管理技术及应用

近年来,数字化视频监控技术极大的带动了监控领域的应用需求,系统规模不断的扩大,特别是城市监控报警系统建设的开展,动辄几千路甚至上万路视频规模的系统已比比皆是,在未来的两到三年内,一些大中型城市的治安监控系统的视频规模路数将达到几万路甚至十几万路,这些规模庞大的监控系统几乎覆盖了城市的各个角落,必然会对城市治安状况和综合管理水平带来极大的提升。但怎样管理和维护好这套系统,确保在关键时候能够发挥作用,却是在建设规划时容易被忽略的问题。

我们知道,在一个几千上万路的监控系统中,数字化实时视频的日常浏览是很少的,绝大多数的视频监控点仅仅在发生治安案件时才会被使用,或者是调阅录像资料。因此有些监控点和监控设备可能会在几天甚至几个月的时间内都不会被关注到,在这种情况下,如何保证在发生案件真正需要调用现场实时图像和历史录像资料时能够保证图像质量、设备和录像资料的完好性,是特别值得关注的问题。

智能化设备管理技术就是利用系统管理平台软件的设备管理服务,对所有的监控设备包括摄像机、云台、编码器和系统服务器进行不间断的实时监测,当发现故障时能及时通过各种方式告警,提示维护人员及时处置。

在一个系统中可以按照网络拓扑结构部署多台设备管理服务器,分区域对设备进行实时的巡检,这样就可以大大提高系统的维护效率,尽可能做到在在设备发生故障时,在不超过的 10 分钟的时间内被监测到并告警。

目前对于视频丢失、编码器设备断线、服务器故障、硬盘故障等设备状态的监测还是比较容易实现的,而对于一些软性故障如视频信号的质量问题的监测是很难实现的,因为因视频质量引起的系统软故障是系统故障的主要组成部分,而对系统的正常使用同样会造成恶劣影响,监测起来也非常的困难。为此,有公司专门设计了视频质量分析监测软件,能够在 3 秒钟内对一路图像的信号质量进行监测,包括信号干扰、图像过白、过黑、聚焦模糊、画面冻结等质量问题的监测和告警,还能够针对不同的时间段设置不同的监测标准,如夜间时降低对图像过黑监测的阀值,白天则提高对图像过黑监测的阀值等。我们通过视频质量分析监测算法开发了专门的分析服务器,对视频信号质量进行不间断的循环分析监测,对监测出的视频质量问题在相关的客户端界面上告警提示,或者通过短信发送给系统维护人员。下面是截取的一些具体应用的画面:

智能化视频存储技术及应用

在大规模 IP 化视频监控时代,视频信息的存储已经显得越来越重要,重要的不仅仅是视频存储的完整性和有效性,还有存储的策略和可管理性。因为面对成千上万路的监控图像的海量存储资料,怎样更方便、更快捷的查询检索,以方便业务研判是用户特别关心的问题。智能化视频存储技术就是为了解决这个问题,智能化视频存储技术主要包括以下几个方面:

按照业务逻辑的分类存储:传统的存储按照设备和通道的编号进行存储的,没有内在的业务逻辑关系,无法进行与业务相关的管理。分类存储就是将所有监控点按照监控的目标特点、重要性、区域相关性等进行分类,如重要路口监控、政府机关监控、金融网点监控、网吧监控、娱乐场所监控、背街小巷监控、加油站监控、卡口监控等等,不同监控类别采用不同的存储策略包括存储空间、存储保留期限等,在查询和检索这些存储的时候,按照需要的业务逻辑进行检索,特别是在发生案件时,不仅可以检索发案现场直接相关的某一路监控点的资料,还能按照区域逻辑关联将其它与该现场相关的其它监控点的录像资料检索出来,形成信息包围圈,更加完整的获取与案件相关的图像信息。

录像资料的全局搜索:按照时间段、监控类别、监控点名称、录像资料说明文字等内容可以在所有的监控存储资料中检索出需要的录像信息,这样就可以极大的提高录像资料的利用效率。

以案件(事件)为为背景的录像资料备份存储:在发生案件时,从视频存储资料中查找出与案件相关的录像文件,对文件进行剪辑后按照案件相关信息备份到永久保存区域,从而建立起视频案件档案。

视频内容分析技术与应用

采用目标和背景分离的算法,针对所设定的目标或监控场景内具有一定特性的移动目标的变化进行分析,通过设定的规则来对事件的属性进行判别,是当前被普遍关注的一项重要的数字视频智能化技术。通过视频内容分析,可以实现如下事件的监测:

目标移动轨迹的跟踪:即对监控区域内的移动目标的移动轨迹进行跟踪,是目标监控的最基本的应用,也是其它事件监测的基础。能够根据目标的形状对目标进行分类,如行人、车辆、动物等,能够计算出目标物的大体尺寸(高度与宽度)。若与带坐标定位功能的快球摄像机配合,还能够实现对特定移动目标的跟踪监控。

目标移动范围监测:当具有一定特性的移动目标的运动超过设定的范围时即产生告警,也就是常说的越界监测报警,是事件监测中应用最广的方式之一,特别适合于像军事禁区、监狱、看守所、重要物资仓库、博物馆等对入侵脱逃行为需要重点防范的场合。这项技术目前已经相当成熟,尤其是在抗干扰方面,其报警准确率已经相当的高,也已经进入了实用化阶段。

目标移动方向监测:对违反设定方向的移动目标进行告警,应用于道路监控中,可对违章逆向行驶的车辆进行监测告警。

对静止物体监测:在监控区域内发现突然停止的物体后进行目标的自动设定和跟踪,当停留超过一定时间后即进行告警,主要应用于隧道监控、禁止停车区域中对违章停车事件的监测告警,或者应用在地铁、车站、码头等公共区域对危险遗留物进行监测告警。由于车辆的目标特性容易识别,目前在违章停车的应用较多,而对于危险遗留物的监测应用,还需要进一步的完善,提高监测的精度。

对特殊行为的监测:人体目标对在某个区域长时间逗留徘徊、在某个区域的人员聚集到一定密度、突然人体动作的骤变(奔跑、打架等)等特殊行为的监测,适合于城市治安监控、银行门口、监狱、看守所等场合,对一些可能维护其他人生命财产安全的行为进行监测并及时告警,是视频内容分析技术的一些更有意义的应用,但由于监控场景十分复杂,一些行为动作的企图很难判定,所以只能作为一种辅助的监控手段使用。

虚拟线圈和号牌识别:通过对车辆的识别来判定车辆到达车道的某个位置,从而触发对车辆特写镜头的抓拍,然后通过抓拍的图片,识别出车牌号码、车辆颜色、车型和车标等信息。主要应用于电子卡口和电子警察系统,和传统卡口不同的是,无需埋设线圈,只需在监控画面上画一个车辆抓拍位置的方框就可以实现对车辆到达抓拍位置判别,而且抓拍率和识别的准确度更高,还可以利用虚拟线圈和对指示灯颜色的识别来判定车辆是否超速、闯红灯等违章行为。应用界面示意图如下:

数量统计:对经过某个设定区域的特定目标的数量进行计数和统计,可以对人、车辆进行计数,可以应用于博物馆、商场做人流统计,或应用在交通监控中,对车辆流量的统计,作为智能交通动态调度的依据。

人脸识别:属于生物识别的一种,通过对抓拍的人脸图像进行分析,和已有的人脸数据库比对,按照一定的相似度来判定和识别人的身份,对图像的像素质量有移动的要求。主要应用于银行金库、监狱、看守所等场所,与 RFID 技术相结合,提高安全性。

•  未来智能化系统的发展趋势

随着数字化、网络化技术的发展,使得智能化技术从单一的技术向复合型技术发展,从单一的应用向集成应用发展,从设备智能化向系统智能化发展,从产品智能向业务智能发展。智能化技术的应用将更加普及,特别是在视频内容分析领域,算法越来越成熟,准确度越来越高,高清摄像技术发展和更加高效的数字编码算法将会为该技术的发展和应用带来更加广阔的前景。

智能化网络是未来发展的一个重要趋势,能够动态的感知用户的需求,对不同重要程度的信息、不同的用户级别提供不同 QOS 保障,使网络资源为更重要信息的传输和更重要的用户访问需求提供更多的服务。

智能化编码技术也是未来的一个重要趋势,目前无论是 MPEG4 H.264 还是 AVI 编码,都属于无差别编码,而理想的编码方式是针对用户所关心的内容如运动目标、人脸等区域进行高码率编码,而对一些非重点区域如背景等进行低码率编码,在总体以上保持较低码率的前提下,提高编码视频的信息有效度。

另一个重要的趋势就是视频内容分析技术将与系统管理平台软件紧密结合,其应用将从以设备为主的前端分析识别向以服务为主的后台分析转变,将智能视频分析作为通用的工具,通过策略管理可以定时的从系统中调用任何一路视频进行分析,这样可以极大的提高这一昂贵技术的利用效率,投资价值的回报更高。