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視頻監控技術(shù)的智能化趨勢

朱秀昌 2010/12/22

　　摘要:文章分析了視頻技術(shù)的3個(gè)發(fā)展階段，回顧了視頻監控技術(shù)近年來(lái)發(fā)展情況，在此基礎上，提出視頻監控中智能化趨勢是仿生學(xué)引領(lǐng)的自然產(chǎn)物；并例舉部分智能視頻監控的具體應用模式和應用場(chǎng)合，認為智能化是視頻監控技術(shù)眾多發(fā)展趨勢中的最為重要也是最艱難的一步；最后探討智能視頻監控產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)及其發(fā)展對策。

　　智能化視頻監控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，仍然是仿生學(xué)引導的結果
　　智能化是視頻監控的亮點(diǎn)，但又是視頻監控技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)
　　智能視頻監控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要采用新的符合智能監控要求的體系結構

　　基金項目：國家自然科學(xué)基金(60672134、61071091)

　　視頻監控是視頻工程中重要的技術(shù)和應用領(lǐng)域，支撐其發(fā)展的視頻技術(shù)在不到一個(gè)世紀的發(fā)展過(guò)程中，大致經(jīng)歷了3個(gè)跨越式的發(fā)展階段。20世紀30年代，以電視廣播為代表的視頻技術(shù)走出了實(shí)驗室，進(jìn)入廣播電視臺和千萬(wàn)家庭，實(shí)現了從靜止圖像傳輸到活動(dòng)圖像傳輸的跨越；20世紀80年代末，以會(huì )議電視、視頻監控等為代表的視頻技術(shù)走出了實(shí)驗室，進(jìn)入眾多的電視會(huì )議室、安防系統，實(shí)現了從模擬視頻通信到數字視頻通信的跨越；如今，以智能視頻監控(IVS)為代表的視頻技術(shù)，正處在走出實(shí)驗室、進(jìn)入到各行各業(yè)的應用階段，將要實(shí)現從“機械”的視頻信息處理向智能化視頻信息處理的跨越。當前中國正處在這一跨越的關(guān)鍵時(shí)段。智能視頻監控只是智能視頻技術(shù)的一個(gè)部分，一個(gè)將視頻技術(shù)引入智能時(shí)代的部分。

1.IVS的發(fā)展歷程

　　和人類(lèi)許多技術(shù)一樣，視頻技術(shù)也是仿生學(xué)引導的結果。視頻技術(shù)模仿人類(lèi)眼睛的功能，把眼睛“拉”到實(shí)際難以到達的時(shí)空。電視廣播提供了大量有聲有色的娛樂(lè )節目，豐富了人們的文化生活；而視頻監控的出現，不僅提供了栩栩如生的現場(chǎng)信息，更解決了安全和生產(chǎn)方面的問(wèn)題，使人們深切感受到視頻技術(shù)的應用范圍之廣和所起的重要作用。

　　視頻監控已有三四十年的發(fā)展，最早安裝在銀行營(yíng)業(yè)廳的模擬視頻監控設備，采用的是攝像頭加磁帶錄像機；后來(lái)發(fā)展為數字監控，實(shí)際上是數字視頻記錄(DVR)，采用的是攝像頭、采集卡加計算機（主要用于壓縮、存儲）；近幾年的網(wǎng)絡(luò )視頻監控裝置，主要是由嵌入式攝像機、傳輸網(wǎng)絡(luò )和計算機構成。

　　智能視頻監控經(jīng)過(guò)近四、五年的發(fā)展，已由簡(jiǎn)單的視頻監控發(fā)展到具有人工智能的視頻監控。視頻監控的由來(lái)很簡(jiǎn)單，從需求層面來(lái)看：人們一直需要擴大眼睛的功能，希望在必要的地方“掛上”一只“眼睛”進(jìn)行不間斷的監控；從技術(shù)可行性的層面來(lái)看：傳感器技術(shù)從單點(diǎn)傳感器發(fā)展到多點(diǎn)，從一維傳感器，發(fā)展到二維、三維傳感器（圖像、視頻傳感器），快速的發(fā)展為實(shí)現以看為主的監控提供了可能。實(shí)際上這一過(guò)程再次體現了仿生學(xué)對技術(shù)發(fā)展的巨大影響力：監控技術(shù)即智能化視頻監控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，仍然是仿生學(xué)引導的結果。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，各種傳感器的出現均模仿人類(lèi)的各種感覺(jué)的結果，從觸覺(jué)、嗅覺(jué)到聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)，如模仿人耳的麥克風(fēng)和模仿人眼的攝像機。最近，如何在模仿視覺(jué)的基礎上模仿人腦功能，使現有的監控設備具有一定的智能并、成為研究的焦點(diǎn)。智能的匯入使傳感的內容、含義具有了主觀(guān)“感覺(jué)”，能夠給出分析、判斷和結論，而并非只對傳感對象的物理量作忠實(shí)的記錄。

　　早期的傳感器往往比較簡(jiǎn)單，傳感的是一維、單義的物理量，且易于分析、便于結論，如溫度傳感器，當所獲得溫度超過(guò)某一閾值時(shí)，說(shuō)明發(fā)生了異常情況。以攝像機為代表的視覺(jué)傳感器是一種多維、多義的傳感器：面對記錄的圖像難以判斷其內容的含義，如難以判斷攝像機所面對的場(chǎng)景到底“發(fā)生”了什么事。現階段該問(wèn)題的解決主要靠人工完成：值班人員用眼睛對成百上千的攝像機信息進(jìn)行屏幕“監視”，對存儲的海量信息進(jìn)行回放“檢索”，對可疑信息進(jìn)行人工對比、分析。但人（尤其是人的眼睛和大腦）是很容易疲勞的，有數據表明：如值班人員緊盯屏幕十幾分鐘后將會(huì )不自覺(jué)丟掉大部份信息。再如在倫敦地鐵案中，安保人員為找到一點(diǎn)有價(jià)值的信息，往往要花幾十小時(shí)查看大量的存儲磁帶。尋找不會(huì )疲勞的眼睛和大腦，分析所監控的內容，減輕負擔，提高監控效率，這就是視頻監控智能化的目標。

　　監控智能化并不僅僅可以幫助我們緊盯屏幕，提高效率，還可以通過(guò)“智能”承擔并實(shí)現更多工作。目前最典型的“智能”主要集中在以下4個(gè)方面：

　　(1) 攝像機保護。這是首要任務(wù)，如果攝像機得不到保護，其它的一切都免談。因此對攝像機被遮擋、被移動(dòng)、模糊等情況能及時(shí)自動(dòng)轉移、報警并通知維護人員。

　　(2) 入侵檢測和運動(dòng)目標跟蹤。對非正常進(jìn)入監視區域的可疑目標及時(shí)檢測，能夠識別單個(gè)或多個(gè)目標的運動(dòng)情況（如運動(dòng)方向、運動(dòng)速度等）。在檢測到可疑目標后，發(fā)送控制指令使攝像機自動(dòng)跟蹤目標，在物體超出該攝像機監控范圍之后，自動(dòng)通知鄰近的攝像機協(xié)同工作，繼續進(jìn)行跟蹤并發(fā)出報警信號。

　　(3) 滯留物和搬移物報警。當場(chǎng)景中（如候機室、會(huì )議室等）某一物體(如包裹、手提箱等)在敏感區域停留的時(shí)間過(guò)長(cháng)，或原場(chǎng)景中存在的物體（如手提電腦、貴重儀表）被無(wú)故搬移時(shí)，系統就發(fā)出報警信號，同時(shí)自動(dòng)在前面的視頻畫(huà)面中查找放置滯留物或搬走原有物品的可疑人。

　　(4) 群體行為分析。包含對人群、車(chē)流等目標的正常行為和異常行為分析。能夠對場(chǎng)景中群體的正常行為進(jìn)行分析，如統計穿越出入口或指定區域的人或車(chē)的數量、高速公路交通流量，識別人群的整體運動(dòng)特征，包括速度、方向等。也能夠對場(chǎng)景中群體的異常行為進(jìn)行分析和判斷，如檢測、分類(lèi)、跟蹤和記錄過(guò)往行人、車(chē)輛及其他可疑物體，判斷公路上是否有車(chē)輛非法停靠、是否有故障車(chē)輛，是否有行人及車(chē)輛在禁區內發(fā)生長(cháng)時(shí)間徘徊、停留、逆行等行為，檢測公共場(chǎng)所是否有人員的集聚、奔跑、斗毆等異常行為。

　　當然，智能視頻監控能夠做到的事不只如此。今后它可以幫我們做更多的事，但前提是我們要有足夠的智能來(lái)設計并實(shí)現這樣的智能視頻監控系統。

2.IVS的技術(shù)難點(diǎn)

　　IVS的前景十分美好，但仍面臨漫長(cháng)的探索路程。智能視頻監控和普通視頻監控本質(zhì)的區別在于：普通監控視頻只是幫助我們“看”；而智能視頻監控不僅要“看”，而且能“看見(jiàn)”、能“理解”，能夠搜尋目標，分析視頻內容，處理視頻監控的結果。

　　這樣的目標在技術(shù)實(shí)現上有很大難度，首先面臨的問(wèn)題是圖像分割：把關(guān)注的目標從圖像中分離出來(lái)。這是一個(gè)基本和圖像處理同時(shí)誕生的老問(wèn)題，但至今仍得不到很好的解決。在圖像分割領(lǐng)域，各種方法層出不窮，基本是一個(gè)問(wèn)題一種方法，或多種方法，但結果仍差強人意。

　　除圖像分割外仍有接踵而至的難題，如特征提取、目標匹配、目標描述、目標跟蹤、多攝像機協(xié)同等。這些問(wèn)題正是當前圖像處理、視頻分析的熱點(diǎn)問(wèn)題，雖然已取得一些成果，但距離人們的期望還相當遙遠。總體上說(shuō)，智能化是視頻監控的亮點(diǎn)，但同時(shí)又是視頻監控技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。智能視頻監控技術(shù)的研究和應用仍處在萌芽狀態(tài)，剛剛步入初級階段[1-4]。

3.IVS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，視頻監控已成長(cháng)為一個(gè)新興的IT產(chǎn)業(yè)，以6 000萬(wàn)人口的英國為例，已在全國范圍內設置約420萬(wàn)個(gè)攝像機監控點(diǎn)。據統計和預測，全球安全市場(chǎng)2011年的產(chǎn)值，將從2001年的802億美元，增長(cháng)到2 658億美元，成為全球重要產(chǎn)業(yè)之一[5]。

　　作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，或者一類(lèi)產(chǎn)品，必須滿(mǎn)足人類(lèi)所需或為人類(lèi)增加效益才可能得到迅速的發(fā)展，如提供物品、文化或服務(wù)，替代人的工作，提高工作效率等。移動(dòng)通信正是滿(mǎn)足這樣條件的產(chǎn)業(yè)，由視頻通信和移動(dòng)通信的發(fā)展情況可以看出：視頻通信起步早，但發(fā)展較慢，而移動(dòng)通信發(fā)展速度快、普及廣。因為移動(dòng)通信提供的是一種方便的通信方式，解除了通信終端對固定位置電線(xiàn)的束縛，不僅為人們提供了隨處通信的自由，還增加了可觀(guān)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。因此，它的飛速發(fā)展在情理之中。相比之下，圖像通信主要提供的是不同的通信內容，且至今還沒(méi)有解決圖像傳送的暢通問(wèn)題，在很大程度上仍屬于“錦上添花”的應用，其發(fā)展的內在動(dòng)力遠遠不足，因此發(fā)展速度滯后。如果視頻傳輸能夠暢通，且系統能夠為人提供足夠的智能服務(wù)，視頻監控產(chǎn)業(yè)也會(huì )得到迅速的發(fā)展[6]。

　　作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，視頻監控屬于視頻通信的一部分。要加快視頻監控的發(fā)展速度，首先需要了解并分析目前視頻監控產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)和問(wèn)題：

　　(1) 個(gè)性大于共性。不同的用戶(hù)對視頻監控有不同的需求，如個(gè)人和企業(yè)、室內和室外、公開(kāi)與隱蔽、大場(chǎng)景和小范圍、移動(dòng)和固定等，導致產(chǎn)品品種繁多難以擴大規模，大批量生產(chǎn)難以統一標準。

　　(2) “運營(yíng)”重于“生產(chǎn)”。監控產(chǎn)品的服務(wù)成分很大，并非只限于幫用戶(hù)安裝完成（如消費電子類(lèi)產(chǎn)品）的環(huán)節。至少還應像通信運營(yíng)商那樣經(jīng)營(yíng)、維護、更新，為用戶(hù)提供持續的服務(wù)，服務(wù)的復雜程度甚至要超運營(yíng)商。例如，由于通信運營(yíng)商建立面向社會(huì )的通用視頻監控系統，建立面向特定部門(mén)的專(zhuān)用監控平臺，開(kāi)展運營(yíng)級視頻監控服務(wù)，就是一個(gè)很好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式。有數據統計，受運營(yíng)級視頻監控市場(chǎng)影響，從2006年開(kāi)始，全球網(wǎng)絡(luò )攝像終端市場(chǎng)的年增長(cháng)速度達到70%以上。

　　(3) 有效服務(wù)時(shí)間短。絕大部分的視頻監控所感興趣的是小概率事件，獲得的有效數據占總數據的比例小，“備用”時(shí)間長(cháng)。因此，需要具備海量數據存儲能力、對無(wú)效數據的判斷和丟棄能力，并同時(shí)在有效服務(wù)時(shí)間內確保有效服務(wù)，不允許輕易失誤（如民用通信中用戶(hù)信息有時(shí)會(huì )被無(wú)故中斷）。

　　(4) 涉及范圍廣。一是潛在用戶(hù)涉及范圍廣，幾乎沒(méi)有單位和家庭不需要視頻監控，只是需求的程度有所不同，以及現有的視頻監控功能能否滿(mǎn)足客戶(hù)需要；二是配合單位涉及范圍廣，某一場(chǎng)景的監控常常涉及報警，報警又必然要涉及公安部門(mén)；監控大多涉及傳輸，傳輸必然涉及通信部門(mén)；環(huán)境監控必然涉及環(huán)保部門(mén)；交通監控當然要涉及公安和保險等部門(mén)等。沒(méi)有多部門(mén)的配合，監控的作用將會(huì )大大縮減。

　　智能視頻監控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須針對這些特點(diǎn)采用新的符合智能監控要求的體系結構，如采用新的經(jīng)營(yíng)方式和服務(wù)方式，建立靈活的模塊化的硬件平臺和軟件平臺，具有多重保護的信息安全機制等。

4.IVS的發(fā)展前景

　　視頻監控技術(shù)正值蓬勃發(fā)展階段，主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢[7-8]：

　　一是視頻質(zhì)量向高清化發(fā)展。這和整個(gè)數字視頻高清化發(fā)展趨勢是一致的。隨著(zhù)視頻的采集、處理和顯示器件的快速發(fā)展，隨著(zhù)傳輸帶寬的增加和視頻壓縮技術(shù)的進(jìn)步，高清晰度的視頻監控，如720p、1080i、1080p甚至更高分辨率的視頻質(zhì)量，也將逐步實(shí)現。

　　二是傳輸方式向網(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化發(fā)展。這和整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )的IP、無(wú)線(xiàn)、寬帶化的發(fā)展趨勢相一致。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )和通信技術(shù)的發(fā)展，為視頻監控提供靈活的IP傳輸方式、方便的無(wú)線(xiàn)連接和足夠的傳輸帶寬等問(wèn)題有望逐步得到解決，如基于3G網(wǎng)絡(luò )、WiFi的視頻監控系統等。

　　三是視頻監控技術(shù)向標準化發(fā)展。盡管這項工作在視頻監控領(lǐng)域有相當大的困難，至今仍缺少統一的國際和國內標準，但是視頻監控的標準化工作目前已在艱難中啟動(dòng)。在中國國內如中國電信“全球眼”和中國聯(lián)通“寬視界”監控標準，國際上如安訊士、博世、索尼等企業(yè)聯(lián)合推出的開(kāi)放型網(wǎng)絡(luò )視頻接口論壇(ONVIF)，思科、IBM、ObjectVideo、松下等企業(yè)推出的實(shí)體安防互通聯(lián)盟(PSIA)面向全球的標準。

　　從總體上說(shuō)，智能視頻監控技術(shù)還處在發(fā)展的初級階段。隨著(zhù)世界范圍內對安全防范的重視，隨著(zhù)中國“國家應急體系”、“平安城市”、“科技強警”、“全球眼”、“寬視界”、“智慧小區”等重大工程項目的不斷推進(jìn)，以及亞運會(huì )、世博會(huì )等重要國際活動(dòng)的開(kāi)展，智能視頻監控技術(shù)必然會(huì )加速發(fā)展。只要智能化程度足夠高、足夠可靠，其產(chǎn)品的市場(chǎng)前景會(huì )越來(lái)越好。IVS是一個(gè)充滿(mǎn)技術(shù)瓶頸的產(chǎn)業(yè)，是一個(gè)充滿(mǎn)變數的產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)也是一個(gè)充滿(mǎn)憧憬的產(chǎn)業(yè)。

5.參考文獻

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　　朱秀昌，南京郵電大學(xué)教授、博導、“圖像處理與圖像通信江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗室”主任、電子學(xué)會(huì )廣播電視分會(huì )理事、“中國多媒體通信”雜志編委；長(cháng)期從事圖像與多媒體通信方面的研究與教學(xué)工作；曾獲國家政府特殊津貼，國家科技進(jìn)步3等獎和原郵電部科技進(jìn)步1等獎；編著(zhù)出版了“數字圖像通信”等教材或著(zhù)作9本，發(fā)表專(zhuān)業(yè)技術(shù)論文60余篇。

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