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智能视频分析技术在视频监控中的应用
2014/1/7 9:47:00      来源:《中国安防》    作者:张凡忠
    在视频监控飞速发展的今天,视频监控画面的海量信息已经超过了人力有效处理的范围已经成为客观事实。而智能视频分析技术是是一种滤除大量冗余的有效手段,是目前中国安防行业最为关注的图像处理技术,简而言之,该技术就是发现图像中运动的物体,并对其进行跟踪、分析,及时发现异常行为,触发报警并采取其他措施进行干预。

  引言
  视频监控是安全防范系统的重要组成部分,是一种防范能力较强的综合系统。目前,随着社会经济的飞速发展和科学技术的进步,视频监控系统以其直观、准确、及时和内容丰富而广泛应用于许多场合,然而视频监控的规模化应用致使通过人的因素去辨别很难做到万无一失。计算机技术的飞速发展为视频监控的应用提供了更大的展示舞台,智能化在数字安全防范领域也得到越来越多的应用。如果在视频监控中加入视频的智能分析,可以对所关注的视频源实时分析,有效避免信息遗漏,使各种高风险行为在发生之初就被发现,并提醒值班人员,从而避免危险发生。这不但能大大提高视频监控的效果和质量,有力降低监控工作人员的工作强度,同时使也使整个监控系统得到很好的融合。
  一、智能视频分析在视频监控中的必要性
  传统的视频监控系统通常是通过人员监控和录像来实现安全防护,实际上并不能主动有效地保障安全,尤其是监控点过多的时候,人员监控根本无法顾及所有监控场景;同时,监控人员的注意力很难保证二十四小时都能准确高效地监控所有监控场景;此外,"被动录像"通常只能在"事件"发生之后通过调用录像进行回放取证,一方面损失已经产生不可能挽回,另一方面,通过人工回放录像取证的方式效率十分低下。
  智能分析视频监控则可以有效地解决以上问题。智能监控的主要特征是采用计算机视觉方式,在几乎不需要人为干预的情况下,通过对摄像机拍录的图像序列进行定位、识别和跟踪,并在此基础上分析和判断目标的行为,从而做到既能完成日常管理又能在异常情况发生的时候及时作出反应,如图1所示。智能监控的主要优势有:群体行为分析、入侵检测和运动目标跟踪、有效扩展视频资源的用途、滞留物和搬移物报警、对摄像机保护、降低人力成本。
  


  图1 视频智能分析的必要性


  二、智能视频分析的实现原理
  视频智能分析是计算机图像视觉技术在安防领域应用的一个分支,是一种基于目标行为的智能监控技术。区别于传统的移动侦测技术,智能视频分析首先将场景中的背景和目标分离,识别出真正的目标,去除背景干扰(如树叶抖动、水面波浪、灯光变化),进而分析并追踪在摄像机场景内出现的目标行为。
   智能视频分析与移动侦测的本质区别是前者可以准确识别出视频中真正活动的目标,而后者只能判断出画面变化的内容,无法区分目标和背景干扰。所以智能视频分析相对于移动侦测,其抗干扰能力有了质的提高。视频分析技术通常采用背景减除技术来进行图像变化的检测(如入侵、丢包、逆行等都是一种模式的图像变化),即将视频帧与基准背景图像进行比较,相同位置的像素(区域)变化则认为是变化了的区域,对这些区域进一步处理、识别、跟踪,得到包括目标位置、尺寸、形状、速度、停留时间等基本形态信息和动态信息,完成目标的跟踪和行为理解之后,也就完成了图像与图像描述之间的映射关系,从而使系统进一步进行规则判定,直到触发报警。
  三、智能视频分析技术的分类
  从广义上来说,智能视频分析技术主要包括以下三类:
  (1)视频分析类
  该类主要是在监控图像中找出目标,并检测目标的运动特征属性(如目标相对的像素点位置,目标的移动方向及相对像素点移动速度,目标本身在画面中的形状及其改变),根据以上的基本功能,视频分析可分为以下几个功能模块:周界入侵检测、目标移动方向检测、目标运动、停止状态改变检测、目标出现与消失检测、人流量、车流量统计、PTZ自动追踪系统、系统智能自检功能等。
  (2)视频识别类
  该类包括人脸识别、步态识别与车牌识别,其主要技术是在视频图像中找出局部中一些画面的共性,如人脸必然有两个眼睛,如果可以找到双目的位置,那么就可以定性人脸的位置及尺寸。
  (3)视频改善类
  该类主要是针对一些不可视、模糊不清,或者是对振动的图像进行部分优化处理,以增加视频的可监控性能。具体包括:红外夜视图像增强处理、车牌识别影像消模糊处理、光变与阴影抑制处理、潮汐与物体尺寸过滤处理、视频图像稳定系统等。
   从实现方式来看,智能视频分析技术目前有两种常用方式:第一种是基于智能视频处理器的前端解决方案;第二种是基于监控的后端智能视频分析解决方案。
    基于视频处理器的前端解决方案:所有的目标跟踪、行为判断、报警触发都是由前端智能分析设备完成,只将报警信息通过网络传输至监控中心。优点是:视频分析设备被放置在IP摄像机之后,这样可以有效地节约视频流占用的带宽;缺点是:价格昂贵,安装复杂;前端设备分散、易损率高;报警记录与视频监控分开。
    基于监控的后端智能视频分析解决方案:所有的前端摄像机仅仅具备基本的视频采集功能,而所有的视频分析都必须汇集到后端或者关键节点处由计算机统一处理,如图2所示。优点是:无需红外传感器等前端检测设备、可有效与现有监控系统融合、针对不同需求规则改变灵活、可扩展性强;缺点是只能控制若干关键的监控点,并且对计算机性能和网络带宽要求比较高。
  

 
  图2  基于监控的后端智能视频分析


  四、智能视频分析系统的架构设计
  智能视频分析系统的设计是集安全防范技术、计算机应用技术、网络通信技术、视频传输技术、访问控制技术、云存储、云计算等高新技术为一体的综合管理系统。现在大部分的智能监控可以实现目标识别、徘徊检测、物品遗留、区域入侵、丢失检测、车流量统计及人流量统计等功能。
  智能视频分析系统的架构设计主要基于三层架构:即前端设备接入层、媒体处理层和用户表示层。前端接入层主要由视频采集单元、编码单元、智能分析单元、报警单元等组成,主要负责对前端视频信息、报警信息进行获取,同时通过智能分析单元和编码单元进行信息处理,最终接入业务中心;媒体处理层由中心业务平台、媒体处理分发和网络存储单元组成,主要负责业务处理控制、视频音频传送、存储以及系统管理;作为整个智能视频分析监控的核心,中心业务平台实现了用户和前端设备的接入认证、设备综合管理、媒体分发转发及业务功能控制等功能,网络存储单元则需要实现网络媒体数据的数字化录像、存储、检索、回放以及管理,如图3所示。
  


    图3  智能视频分析系统架构示意图


  图3说明:
  标示 名称 功能描述
  CAM 摄像头 最前端设备,完成视频采集
  IVAS 智能网络视频分析服务器 接入前端设备,完成实时视频分析计算,并进行实时告警,可支持本地录像、支持云台操作。
  VMS 视频分析管理服务器 系统的数据中心、指令中心,具有处理各种指令分发、数据请求的服务。
  EMS 电子地图系统 全景地图,可以显示整个监控区域全貌,并且显示所有监控设备位置、实时状态、检测到的目标物体在全局地图中的位置等。
  ISCA 智能视频监控客户端应用 智能视频监控的终端应用程序,独立运行。
  ISCC 智能视频监控Web客户端 智能视频监控的终端应用,嵌入网络浏览器(如IE)运行。
  HS Web页面系统 利用服务器端脚本,提供HTTP服务。
  NVRS 网络视频存储服务器 处理指定的视频数据存储业务,可保证重要通道的视频数据安全。
  SDU 信号及数据管理服务单元 进行系统内各种辅助信号和数据的处理和管理。
  DBS 数据库服务器 利用数据库管理系统进行数据关系化存储。
  (1)智能网络视频分析服务器IVAS
  IVAS是前端运行性态的运算单元设备,运行有智能视频分析服务程序,带有视频信号输入接口、串行通信接口(RS485/232)。从而可以完成视频信号采集、分析、编码、传输,前端设备协同控制,其他数字设备控制等工作。
  (2)视频分析管理服务器VMS
  VMS是系统的管理中心,通过VMS管理和配置多个IVAS,并可以通过访问Web页面管理整个系统。通过VMS可以实现视频的集中存储和管理,实现随时、随地通过网络调取任意视频的功能,并与系统的其他组件如地图服务器配合等。
  (3)电子地图系统EMS
  可以显示整个监控区域全貌,并且显示所有监控设备位置、实时状态、检测到的目标物体在全局地图中的位置、设置所需标注的设备(如摄像机等)的位置信息等。
  (4)智能视频监控客户端应用ISCA
  智能视频监控客户端应用是进行系统设置与管理的终端用户界面软件,可以接入本地IVAS进行管理、远程接入IVAS进行管理。
  (5)Web页面系统HS与智能视频监控Web客户端ISCC
  提供远程Web访问,可以完全在IE中实现独立的智能视频监控客户端应用ISCA的各项功能。
  (6)网络视频存储服务器NVRS
  NVRS通过接入网络来承担所指定的视频数据存储业务,可减轻承担本地录像任务的IVAS的负荷,可以保证重要通道的视频信息安全。
  (7)信号及数据管理服务单元SDU
  SDU进行系统内的各种辅助信号和数据的处理和管理。在某些情况下,系统需要集成多种数据采集仪器、信号指示设备的管理,前者如温湿度的定时采集、玻璃破裂传感器、振动传感器等的监测,后者如门禁开关的日志查询、开关管理、警铃的启停等,如图4所示。
  


  图4  信号及数据管理服务单元连接示意图


  (8)数据库服务器DBAS
  DBAS可采用MySQL或Microsoft SQL Server等数据库管理系统进行各种数据的关系存储。提供接口供Web系统和数据管理系统DMS服务。
  五、智能分析系统功能说明
  智能视频分析首先要求用户指定一个检测区域,该检测区域可以是不规则的任意形状,然后在该区域中启用各种检测功能。智能视频分析支持的检测功能主要有:
  (1)运动目标的检测轨迹追踪
  在摄像机监视的场景范围内,对出现的运动目标进行监测、分类识别(人、动物和车辆等)及轨迹的追踪。可根据需要设置各种警戒要求,一旦系统监测到的运动目标及其行为符合预先设定的警戒条件,则自动产生报警信息,如图5所示。
  


  图5  运动目标的检测轨迹追踪


  (2)周界警戒及入侵检测
  在摄像机监视的场景范围内,可根据监控需要和目的设置警戒区域,系统可以自动检测入侵到警戒区域内的运动目标及其行为,一旦发现有满足预设警戒信息,并用告警框标示出进入警戒区的目标,同时标识出其运动轨迹。
  入侵检测可以根据环境设置多种检测方式,可以设置进入某一划定的区域就报警;可以穿越划定的某条绊线就报警。而且绊线还可以带有方向性,如可以设置为出绊线内的区域不报警,进入绊线内区域时报警。
    绊线(警戒线)穿越
  在摄像机监视的视场范围内,可以设置多条警戒线并规定其禁止穿越方向。一旦有移动目标按照禁止穿越方向穿越警戒线即产生告警,并用告警框标识出该移动目标及其运动轨迹。提醒相关人员注意有人或车穿越警戒线。如果移动目标没有按照设定方向穿越警戒线,则不会产生任何告警,如图6所示。

  
  图6  绊线(警戒线)穿越示意图


    双绊线(警戒线)穿越
  使用绊线检测时,在树枝晃动、多汽车灯光的区域容易形成误报。为了解决这些区域的误报问题,将绊线改成双绊线,只有检测物体穿越两根绊线后才会报警,这样能大大降低误报的可能性,更好地提高检测准确率,如图7所示。
  

 
  图7  双绊线(警戒线)穿越


    区域入侵
  在一些不方便设置绊线,或者在没有明确边界但需要警戒的区域设置区域入侵检测功能。在需要警戒的区域架设监控摄像机,在摄像机监视的视场范围内,可根据需要设置任意形状、任意数量的警戒区域。一旦有满足预设条件的目标进入警戒区域,则自动产生告警,并用告警框标识出进入警戒区域的目标,同时标识出其运动轨迹,提醒相关人员注意有移动目标入侵,如图8所示。
  


  图8  区域入侵


  (3)物品状态检测
  在监视场景中,当警戒区域内特定位置的某件或多件物品的状态发生变化(突然消失或突然出现)进行检测分析,并自动发出报警信息,提醒相关人员。可以分为:物品消失或移动检测、滞留物检测等。
    滞留物检测
  对监控区域内发现有可疑遗弃物时可发生报警,拍照并录像,如图9所示。
  


  图9  滞留物检测


    物品消失或移动检测
  在摄像机监控范围内,重要物品一旦被遮挡、移动时系统立即发出告警,通知安保人员查看处理该事件,同时拍照、录像,以方便事后回查、取证,如图10所示。
  

 
  图10  物品消失或移动检测


  (4)视频异常检测
  自动、实时监测视频异常及环境突变,对视频遮挡/移动/中断、各种干扰、画面质量进行实时监测,保障视频监控系统有效工作。图11所示即为图像质量诊断实例:
  
  


  
  图11  视频异常检测


  六、应用现状与发展方向
  1. 应用现状
  视频智能分析技术近几年一直得到广泛关注,按理说这一技术的大规模应用对于提高安全防范系统的利用效率会起到很大的作用,但实际上却没有得到有效的推广。造成这一现象的主要原因有:现在视频智能分析的应用主要在特定的行业中,如看守所、监狱、博物馆、仓库、厂区、地铁站等特定的场景,而在社会或民用监控领域的诸多应用上仍存在一定问题,如环境复杂度的增加会使得误报率上升,从而难以达到预定的分析目的和应用效果;二是针对实际应用中需监视数量比较大的项目,智能分析系统的构架无论从实际经验上,还是技术上都显得比较缺乏,无法完全消除误报的影响,行为判断能力弱,画面难以达到特征识别技术要求以及CPU的处理瓶颈问题仍是智能视频分析的"短板"。
  2. 发展方向
  不同的行业对于视频监控的需求一般有着非常明显的差异,特别是对于智能视频分析技术的应用需求,由此也决定了不同行业间检测行为类型与异常事件的特殊性。随着各行业应用的不断深入以及安全级别控制要求的进一步提升,各安防领域将面临越来越多不同的挑战,其对视频监控的需求也日益多样化和复杂化。如何能够识别与分析更多的行为已成为了智能视频分析技术在深化行业应用过程中不得不面临的问题。只有结合行业应用实际,深入了解各不同行业的具体要求,才能更好地抓住用户的需求,将智能视频分析得到深入的应用。
  七、结束语
  随着我国经济的发展,未来视频监控的发展将会是以智能化、网络化为发展核心,让视频监控像人眼一样可以识别事件并报警。各行各业的安全防范也将得到持续的发展,政府部门监管力度也在不断加大,智能视频分析的应用随着视频监控市场规模的不断发展而发展,将从相对集中的应用领域向各行各业深层次大幅度延伸。

编辑:王兴钊
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