幾種技術(shù)在視頻監控中的應用

盧秋波 魏凱 2008/10/13

圖1 采用流媒體技術(shù)的視頻監控示意圖

　　圖1 為采用流媒體技術(shù)的視頻監控系統架構示意圖。網(wǎng)絡(luò )攝像機可以看成是一臺提供實(shí)時(shí)A/V源的服務(wù)器，當用戶(hù)請求進(jìn)行實(shí)時(shí)監視時(shí)，網(wǎng)絡(luò )攝像機采用實(shí)時(shí)流式傳輸方式向用戶(hù)終端傳送監控畫(huà)面。考慮到多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )攝像機將帶來(lái)流量瓶頸等問(wèn)題，可以使用視頻服務(wù)器來(lái)進(jìn)行中轉，讓視頻服務(wù)器來(lái)提供強大的負載能力。

　　以上只是原理性的簡(jiǎn)要說(shuō)明。上述方案可以滿(mǎn)足小型的視頻監控系統，但在大型的視頻監控系統中，監控前端設備與用戶(hù)終端的數目都非常龐大，除了增加考慮組播、廣播等方案外，更需要一套完善的媒體分發(fā)、調度機制來(lái)保證媒體的高效傳送。在這方面，目前尚無(wú)現成的成熟方案，中國通信標準化組織（CCSA）正對此展開(kāi)積極研究，以便為未來(lái)的視頻監控系統提供標準的媒體傳送機制。

三、Presence技術(shù)

　　提到Presence，大家首先想到的肯定是即時(shí)通信（IM）。而Presence技術(shù)與視頻監控的結合似乎是一個(gè)比較新的提法。以傳統方式來(lái)思考，似乎兩者沒(méi)有太大瓜葛。其實(shí)不然，Presence可以很好地為服務(wù)于視頻監控。

　　Presence，也作“Presence Information”，中文一般譯為“呈現”，用以傳達用戶(hù)狀態(tài)以及用戶(hù)通過(guò)一組設備進(jìn)行通信的能力。Presence最常用于即時(shí)通信工具中，比如，在很多IM軟件中有：聯(lián)機、忙碌、離開(kāi)、顯示為脫機等狀態(tài)。這些便稱(chēng)為“Presence狀態(tài)”，它們表征了用戶(hù)當前所處的某種狀態(tài)。同時(shí)，這些狀態(tài)還反映出與該用戶(hù)與其他用戶(hù)進(jìn)行通信的能力，比如若用戶(hù)處于“脫機”狀態(tài)的話(huà)，別的用戶(hù)便不能用即時(shí)消息與之通信。

　　一個(gè)最簡(jiǎn)單的Presence過(guò)程如下：一個(gè)用戶(hù)（稱(chēng)為Watcher）訂閱（SUBSCRIBE）他感興趣的另一用戶(hù)（Presentity）的Presence狀態(tài)，Presentity接受訂閱請求。以后Presentity的狀態(tài)發(fā)生變化之后他會(huì )發(fā)布（PUBLISH）自己的新?tīng)顟B(tài)，這個(gè)新?tīng)顟B(tài)會(huì )通知（NOTIFY）給Watcher。下圖給出的是RFC2778提出的Presence模型。

圖2 RFC2778 Presence模型

　　從系統的角度來(lái)看，視頻監控中的各個(gè)監控前端設備與IM系統中的用戶(hù)有很多相似之處，比如說(shuō)，系統應時(shí)刻了解各監控前端設備：

　　（1）是否已登錄到系統；

　　（2）具備什么樣的能力集（比如支持何種編碼方式，是否支持加密，是否支持遠程PTZ控制）；

　　（3）是否正在被用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)，以及被哪些用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)等等。

　　不難發(fā)現，以上這些“狀態(tài)”的維護正是Presence技術(shù)的擅長(cháng)之處。可見(jiàn)，如果能將Presence的技術(shù)成果運用到視頻監控系統中，將會(huì )帶來(lái)很大的方便。

四、智能視頻技術(shù)

　　智能視頻監控是網(wǎng)絡(luò )化視頻監控領(lǐng)域最前沿的應用模式之一。

　　智能視頻（IV，Intelligent Video）源自計算機視覺(jué)（CV，Computer Vision）技術(shù)。計算機視覺(jué)技術(shù)是人工智能（AI，Artificial Intelligent）研究的分支之一，它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計算能夠通過(guò)數字圖像處理和分析來(lái)理解視頻畫(huà)面中的內容。

　　視頻監控中所提到的智能視頻技術(shù)主要是指：“自動(dòng)的分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵信息。”如果把攝像機看作人的眼睛，而智能視頻系統或設備則可以看作人的大腦。

　　建造視頻監控系統的目的，一是為了視覺(jué)上的延伸——把處于別地的畫(huà)面通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與設備“拉近”到眼前，因此有了遠程監控；二是為了智力上的延伸——讓系統自動(dòng)為我們分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，于是有了智能監控。當然，后者是更高層次上的要求，但也是視頻監控今后發(fā)展的必然要求。

　　傳統的視頻監控系統缺乏智能，在很大程度上依賴(lài)于人的判斷。然而，人類(lèi)有著(zhù)自身難以克服的弱點(diǎn)，比如：

　　（1）人力有限，人的反應與處理速度有限，導致我們在指定的時(shí)間內能夠進(jìn)行監視的地點(diǎn)有限。這也就意味著(zhù)各個(gè)被監控點(diǎn)并非每時(shí)每刻都處于監控當中。

　　（2）人并非一個(gè)可以完全信賴(lài)的觀(guān)察者，無(wú)論是在觀(guān)看實(shí)時(shí)的視頻流還是在觀(guān)看錄像回放的時(shí)候，由于自身生理上的弱點(diǎn)，我們經(jīng)常無(wú)法察覺(jué)安全威脅，從而導致漏報現象的發(fā)生。

　　從上述分析來(lái)看，當開(kāi)展大規模視頻監控以后，智能監控實(shí)際上已不是可有可無(wú)的裝飾品，而是系統所必備的一種能力。否則，巨大的投資將由于缺乏人力資源的跟進(jìn)以及人類(lèi)自身的弱點(diǎn)，而有可能變?yōu)橐环N浪費。

　　智能視頻技術(shù)可以在很多地方得到應用。比如：

　　高級視頻移動(dòng)偵測：在復雜的天氣環(huán)境中（例如雨雪、大霧、大風(fēng)等）精確地偵測和識別單個(gè)物體或多個(gè)物體的運動(dòng)情況，包括運動(dòng)方向、運動(dòng)特征等。

　　物體追蹤：偵測到移動(dòng)物體之后，根據物體的運動(dòng)情況，自動(dòng)發(fā)送PTZ控制指令，使攝像機能夠自動(dòng)跟蹤物體，在物體超出該攝像機監控范圍之后，自動(dòng)通知物體所在區域的攝像機繼續進(jìn)行追蹤。

　　人物面部識別：自動(dòng)識別人物的臉部特征，并通過(guò)與數據庫檔案進(jìn)行比較來(lái)識別或驗證人物的身份。此類(lèi)應用又可以細分為“合作型”和“非合作型”兩大類(lèi)。“合作型”應用需要被監控者在攝像機前停留一段時(shí)間，通常與門(mén)禁系統配合使用。 “非合作型”則可以在人群中識別出特定的個(gè)體，此類(lèi)應用可以在機場(chǎng)、火車(chē)站、體育場(chǎng)館等安防應用場(chǎng)景中發(fā)揮很大的作用。

　　車(chē)輛識別：識別車(chē)輛的形狀、顏色、車(chē)牌號碼等特征，并反饋給監控者。此類(lèi)應用可以用在被盜車(chē)輛追蹤等場(chǎng)景中。

　　非法滯留：當一個(gè)物體（如箱子、包裹、車(chē)輛、人物等）在敏感區域停留的時(shí)間過(guò)長(cháng)，或超過(guò)了預定義的時(shí)間長(cháng)度就產(chǎn)生報警。典型應用場(chǎng)景包括機場(chǎng)、火車(chē)站、地鐵站等。

　　交通流量控制：用于在公路上監視交通情況，例如統計通過(guò)的車(chē)數、平均車(chē)速、是否有非法停靠、是否有故障車(chē)輛等等。

五、無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

　　如果被監控點(diǎn)和中央控制中心相距較遠且位置較分散，利用傳統網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的方式不但成本非常高，而且一旦遇到河流山脈等障礙時(shí)，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )更是束手無(wú)策。此時(shí)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢就能體現出來(lái)。利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋技術(shù)，可以將多個(gè)被監測點(diǎn)與中央控制中心連接起來(lái)，且搭建迅速，可以在最短的時(shí)間內迅速建立起無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )鏈路。

　　在無(wú)線(xiàn)監控系統中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要扮演連接被監控點(diǎn)和監控中心數據傳輸鏈路的角色。通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以將遠程的多個(gè)監控點(diǎn)設備連接起來(lái)，進(jìn)行視頻傳輸；同時(shí)，由于監控系統對視頻質(zhì)量要求較高，如何在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中傳輸穩定高質(zhì)量的視頻信息也是無(wú)線(xiàn)數字監控系統中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一；此外，從工程實(shí)現的角度考慮，橋接設備往往安裝在室外，如何對這些設備進(jìn)行遠距離供電以及設備管理也是值得關(guān)注的問(wèn)題。

六、紅外熱成像技術(shù)

　　人眼能夠感受到的可見(jiàn)光波長(cháng)為0.38～0.78微米。紅外線(xiàn)屬于波長(cháng)大于0.78微米的電磁波。自然界中，一切物體都會(huì )輻射不同波長(cháng)的紅外線(xiàn)，因此能夠利用特制的探測設備分別檢測出監控目標本身和背景之間的紅外線(xiàn)波長(cháng)，從而可以得到不同的紅外圖像，這紅外圖像稱(chēng)為熱圖像。

　　采用紅外熱成像技術(shù)，探測目標物體的紅外輻射，并通過(guò)光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備被稱(chēng)為紅外熱成像儀。

　　紅外熱成像儀在視頻監控中的應用舉例：

　　1．夜間及惡劣氣候條件下的目標監控

　　夜晚，需可見(jiàn)光工作的設備已經(jīng)不能正常工作，如果采用人工照明，則容易暴露目標。若采用微光夜視設備，它同樣也工作在可見(jiàn)光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的紅外熱輻射，無(wú)論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會(huì )暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見(jiàn)光的波長(cháng)短，克服障礙的能力差，因而觀(guān)測效果差，但紅外線(xiàn)的波長(cháng)較長(cháng)，特別是工作在8～14um的熱成像儀，穿透雨、霧的能力較強，因此在夜間以及惡劣氣候條件，采用紅外熱成像監控設備仍可以正常地對各種目標進(jìn)行監控。

　　2．防火監控

　　由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備，因此除了夜間可以作為現場(chǎng)監控使用外，還可以作為有效的防火報警設備。很多火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現有的普通方法，很難發(fā)現這種隱性火災苗頭。而應用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現這些隱火，并且可以準確判定火災的地點(diǎn)和范圍，透過(guò)煙霧發(fā)現著(zhù)火點(diǎn)，做到早知道、早預防、早撲滅。

　　3．偽裝及隱蔽目標的識別

　　偽裝是以防可見(jiàn)光觀(guān)測為主，犯罪分子作案時(shí)通常會(huì )隱蔽在草叢及樹(shù)林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺(jué)錯覺(jué)，容易產(chǎn)生錯誤判斷。紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的熱輻射，人體和車(chē)輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此不易偽裝，也不容易產(chǎn)生錯誤判斷。

七、結束語(yǔ)

　　視頻監控實(shí)際上是一個(gè)非常龐大復雜的通信系統，涉及到方方面面的各種技術(shù)。以上列舉的是筆者認為相對比較重要的一些技術(shù)。所有這些技術(shù)都在不斷發(fā)展之中，它們的發(fā)展直接推動(dòng)著(zhù)視頻監控技術(shù)的發(fā)展。

《中國多媒體通信》