城市公共安全圖像監控技術的發展論述

陳 平，鄭世寶，張重陽，楊 華

（1.上海市公安局 科技處，上海200042；2.上海交通大學 圖像通信與信息處理研究所，上海 200240）

1 城市公共安全圖像監控系統發展概述

作為人類文明的集中體現，城市的飛速發展，共享著人類的資源，創造著人類的未來，為提高人們生活水平打下了堅實的基礎，美好的城市生活成為了全社會為之共同努力的愿景。然而，美好的城市生活需要強有力的城市公共安全體系的保證。隨著科技的發展以及公共范圍的日益擴大，城市公共安全圖像監控系統在城市公共安全常態管理、重大活動及突發事件應急指揮中發揮著越來越重要的作用。城市公共安全涉及范圍很寬，包括公共環境監控（環境污染、水污染、火警）、公共安全監控（重點保護單位、學校、商店、銀行、居民生活小區等）、公共交通監控（交通卡口、道口、線路監控、公共交通車輛、軌道交通監控、車流檢測、車牌識別、交通違章和肇事）、安全生產監控（電廠、水廠、化工廠、食品等）以及重大活動保衛和重大突發事件監控及應急指揮、反恐等。城市公共安全監控在上述領域中發揮越來越重要的作用[1-3]。

然而，城市公共安全圖像監控系統的建設和發展仍面臨諸多挑戰：1）人口高度密集、流動，這給圖像監控系統的準確監控帶來了很大的不確定性；2）各種交通運輸系統繁忙，監控系統的負擔日益增大；3）重大活動頻繁，參與廣泛，監控系統必須能夠有效而迅速地檢測異常事件并作出反應；4）恐怖事件、突發事件和惡性案件頻發、復雜，公共空間對于監控系統，特別是新型智能監控系統的要求日趨提升；5）犯罪行為和手段越來越高明、隱蔽，對于監控系統的準確性和穩健性有了新的要求；6）城市范圍越來越大，城鄉滲透互動發展迅速，監控系統網絡發展以及監控系統之間信息的互通都成為了新的技術焦點；7）信息傳播高度發達，對監控系統信息的傳播以及其傳播方式提出了更加多樣化，同時也更加苛刻的要求。

2 城市公共安全圖像監控系統簡介

城市公共安全圖像監控是指綜合利用各專業委辦局、各區縣政府及社會單位的圖像監控資源，包括視音頻監視設備和存儲數據、報警探測設備和數據、多媒體通信網絡等技術和設施，在城市范圍內構建的能夠對設防區域進行實時圖像監控，歷史圖像查閱以及報警聯動的電子信息系統[4]。

城市公共安全圖像監控應該包含“監”、“控”、“查”以及其他方面，如表1所示。

表1 圖像監控系統的主要功能

城市公共安全圖像監控體系以公安圖像監控系統為核心，有效整合和利用各委辦局、區縣和社會單位的圖像監控資源，構成較完整的監控體系，該體系應包括地面、地下（含室內）和空中三位一體，滿足全覆蓋、全行業的公共安全監控要求，具有視頻、圖像、音頻及各類電光傳感器數據在內的綜合圖像監控與報警信息系統，并輔以GPS和GIS信息系統。

典型的城市圖像監控系統組成如圖1所示，主要包括：1）城市監控傳感器接入網（視頻、圖像、音頻及其他報警數據傳感器）；2）用戶接入網（大屏、桌面、移動用戶）；3）3級或4級監控中心及其核心骨干網絡（市和市局級、區縣和分局級、街道或鄉鎮和派出所級）；4）運維管理系統及其網絡。

城市公共安全圖像監控體系主要指標：1）覆蓋度。要求“看得見”；2）有效度。要求“看得清”；3）智能度。要求“看明白”；4）反應度。要求“效率高”。

3 國內外發展現狀和趨勢

自2001年美國發生“9.11”事件之后，反恐成為國際社會的一種責任，各國政府均以反恐為目的投入大量資金建設城市圖像監控系統[5-6]。來自身邊的威脅讓公眾對于公共安全的需求空前高漲，公共安全圖像監控系統的覆蓋率和監控效率成為人們日益關注的重要城市指標。世界幾大強國，如美國、英國、日本、俄羅斯都成為這次公共安全圖像監控系統潮流的代表性國家。

1）美國擁有世界上最發達的安防監控體系，其建設投入占世界安防產業的20%左右，成立了SIA和GSIA以及美國安防標委會（UL）。

2）英國目前世界上攝像頭安裝密度最大的國家之一，至2007年已具有超過2000萬個，其中僅倫敦市內的監控點超過50萬個，其監控密度達每平方英里500個以上，以本地錄像存儲技術為主。

3）日本針對自然災害多發的主要特點，建立了“全天候、全時段、全方位、立體覆蓋”的圖像監控系統，利用在地面、高層建筑和直升機上安裝的性能各異的監控攝像機和城市的無線監控網絡，組成大范圍立體覆蓋圖像監控網絡。

4）俄羅斯國土巨大，全國的圖像監控規模并不大，主要在莫斯科等大城市進行了大規模的城市圖像監控系統建設。由于其要求監控覆蓋范圍廣，莫斯科主要采用地面和空中相結合的圖像監控建設方案，建立3個系留氣球空中監測站，并配備了2艘飛艇進行空中巡邏，實施大范圍動態圖像監控，以彌補地面固定監控點的不足。

而在國內，城市公共安全圖像監控系統也隨著經濟發展的需要而廣泛地被應用，占據著公共安全中越來越重要的一環[2-3]。隨著中國經濟和社會的高速發展以及國家對反恐等重大突發應急聯動指揮系統建設的投入，城市公共安全圖像監控系統進入高速發展期。北京奧運、上海世博等重大活動安保帶動了北京、上海的城市圖像監控建設水平，而天津、重慶、深圳等大城市以及廣東、黑龍江、江蘇、浙江、新疆等省市均已投入巨資，建設以公共安全常態管理和重大突發事件應急指揮為目的的公共安全圖像監控系統。

城市圖像監控系統與技術，經過近30年的發展，已經歷了3代系統的發展，目前正步入第4代視頻監控的時代，如圖2所示。

1）20世紀80年代，第1代系統主要采用模擬電纜電視配合VHS錄像帶的監控方式，這種方式的特征是以VHS磁帶進行錄像，其監控范圍非常有限。

2）20世紀90年代，隨著視頻壓縮技術和微電子技術的發展，出現了數字編碼監控系統和DVR硬盤存儲技術，是數模混合的監控方式。

3）進入21世紀，隨著互聯網技術、流媒體技術的迅速發展，出現了基于IP的網絡攝像機和大容量網絡存儲技術，稱之為IP網絡監控方式。

隨著監控系統的普及，形成了大量分布的監控探頭和海量視頻監控數據，對監控中心的實時監控和海量歷史視頻數據的查找帶來了前所未有的壓力。一方面，能夠獲得的監控資源越來越多；另一方面，大量的監控信息導致值班人員和案件偵破人員嚴重陷入“漏看”和“?？础钡睦Ь持小Ｒ蚨?，智能監控被譽為下一代的視頻監控方式。

4 城市公共安全圖像監控系統發展面臨的主要問題研究

城市公共安全圖像監控系統發展迅速，但也面臨著不小的挑戰[2]。

4.1 科學布局問題

“看得見”要求覆蓋度高。那么到底怎樣的覆蓋度才能滿足這個指標要求？這就是要解決布局問題，即科學布局。布局問題就是密度問題，即城市需要布設多少個監控探頭才能滿足“平安”的要求。

覆蓋度不僅涉及如何定義“平安城市”的科學評價指標，還與關心的監控對象、監控任務屬性有關。與面積分布密度（即面積全覆蓋）相比，提出了目標有效全覆蓋指標，并用于科學布點布局的目標指標。

布局問題中涉及監控探頭的覆蓋參數和監控點的分布類型，依據不同類型探頭的覆蓋參數和分布特點，可以設計出科學布點的模型，并依次進行科學的布局。

4.1.1 監控探頭的有效覆蓋參數

攝像頭按照動作的方式可以大致分為固定探頭和活動探頭。若把攝像頭架設在高為h的地方，覆蓋距離或面積是攝像頭能夠照射到的最小可分辨目標的一個扇形（固定）、圓環形（方位360°）或矩形范圍（俯仰180°），則可以得到探頭的有效覆蓋距離或有效覆蓋面積參數，其幾何模型如圖3所示。

由此，則可以簡單地針對實際應用環境對所需要的攝像頭類型進行判斷。

通過這個模型，可以得到2個重要的覆蓋參數：有效覆蓋距離D和有效覆蓋面積S。

針對固定探頭和活動探頭的覆蓋特點，計算D的公式如式（1）和（2），計算S的公式如式（3）和（4）

4.1.2 點、線、面、立體目標覆蓋模型

實際監控布點的布局可以將一個復雜的覆蓋范圍劃分為點、線、面和立體等4類基本覆蓋模型。另外，根據實際情況，還需要增加機動布點，如行動警察、巡邏車、公交車、輪船、飛行目標等，如圖4所示。

根據以上模型分析和計算，可以獲得某城市、某區域的科學布點結果（探頭數量和分布密度）。另外，還要綜合考慮案發率、重要性、可重用性及經濟性因素，進行科學優化。歸納起來，科學布點布局的步驟如下：1）采集所轄區域的重點監控目標數據信息，進行目標類型和特性的分析，得到各類模型計算所需的輸入參數（地理幾何參數和監控點類型）。2）分別進行立體、面、線和點等不同目標類型的布點模型計算，得出基本覆蓋布點的結果。3）根據目標有效全覆蓋要求，考慮機動點的布設，得到有效全覆蓋的布點數量。4）綜合考慮案發率、重要性、可重用、經濟指標性等影響因素，進行布局結果的調整和優化，最終得到科學的布點布局結果。5）統計布點結果，并在GIS圖上給出監控點的分布情況，計算各種覆蓋密度指標等。

4.2 資源整合與利用問題

以上海市為例，到2009年底，公安、交警等部門自建的監控資源（探頭）和其他委辦局和社會單位擁有的監控資源相比，比例在1：20左右[2]。可見，社會監控資源非常豐富，對其有效的利用是值得重視和研究的問題。資源整合與利用同時牽涉到公共安全監控體系結構、聯網標準、立法、無線接入、科學管理等問題。針對社會資源整合架構和科學管理體系，提出相關模型。如圖5所示。

建議設立市圖像監控管理中心，并依托公安系統3級圖像監控管理體系，分別設立市級、區級、鄉鎮或街道級圖像資源服務中心及設備維修服務中心，利用社會第三方公司提供的服務，實現資源的有效整合與利用，實現監控資源及設備的科學管理，針對網際聯網問題，制訂了上海市地方標準《城市圖像監控系統網際聯網技術規范》。

4.3 新技術應用問題

要實現所提出的“看得清”、“看明白”、“看得見”以及“效率高”等要求，則需要進一步考慮如何將無線技術、高清晰度技術、智能化技術、內容安全技術以及多元信息融合技術等應用到實際的圖像監控系統中[2，4，7]。

盡管很多的新技術已經被提出，但是仍然缺乏成熟的運用能力，以上海為例，當前與圖像監控系統相關的技術仍存在以下不足：1）實時監控系統主要采用非壓縮的光纖傳輸模式，部分采用IP方式。圖像格式多、編碼標準多，互連互通難。2）歷史視頻保存主要采用DVR硬盤存儲，聯網少，部分采用IPSAN等流媒體模式。3）分辨力不高，在夜間或惡劣天氣情況下，大范圍監控下的圖像質量難以保證。4）無線監控尚未得到很好應用。5）面對探頭數量的劇增，缺乏異常事件感知的被動式監控系統，監控中心人員無法及時發現現場案情，漏報和反應速度慢成為主要缺陷。6）面對海量的監控圖像數據，缺乏有效的智能檢索機制。7）后臺圖像分析和智能應用不多，信息融合少，報警監控聯動和應急預案決策等還很不夠。

應用同樣遇到了瓶頸問題：面對監控數量的迅速增長，監控中心的值班人員難以及時發現現場出現的危險事件，要求增加人、監視器、網絡帶寬或主動報警；面對海量存儲的視頻數據，案件分析和查找人員需要花費更多的時間來調閱和查找關心的事件或證據，要求增加智能檢索；面對重大保衛和突發事件的應急聯動指揮，指揮人員需要連續跟蹤事件的進展軌跡，要求具有可視化的連續跟蹤智能監控系統、科學決策系統；面對復雜、頻發的高科技犯罪事件，偵破人員需要高科技的智能識別、視頻分析、社會計算技術手段；面對全天候、24 h的安防要求，需要有高清晰度、環境自適應、圖像自動增強等技術。

為了解決這些問題，超越這些瓶頸，無線技術、高清晰度技術、智能化技術、內容安全技術以及多源信息融合技術應得到足夠的重視。

4.3.1 高清晰度技術的應用

目前公安高清晰度技術的應用，包括采用了無失真壓縮或淺壓縮的光纖傳輸技術，如無壓縮數字光纖傳輸和矩陣切換技術；雙流存儲技術，如采用D1分辨力的JPEG 2k格式進行抽幀存儲，采用CIF格式的H.264格式實現快速播放和查閱；采用高清晰度攝像機，如采用HDTV格式，分辨力達1920×1080，實現高清晰度采集；采用圖像增強處理技術，如各種預處理和后處理圖像增強技術，例如防抖動、去云霧、降噪、補光、圖像修復或增強、尺寸上變換等。

未來的高清晰度技術應采用具有異常事件敏感的壓縮編碼技術，如基于異常事件自動檢測技術，并對異常事件發生時的圖像進行高質量編碼，或對感興趣目標的區域進行高質量編碼，而其他情況，采用抽幀或低分辨力的編碼，以提高效率和有效性，并非簡單追求高清晰度設施。

4.3.2 智能化技術

智能化技術主要指具有智能視頻分析的系統和設備，其應用主要包括：1）采用具有異常感知的主動前端采集與編碼技術，比如在攝像機或網絡編碼器中嵌入“異常事件感知”模塊，并對異常事件予以報警，根據此報警指示能夠進行編碼器或存儲器中編碼類型的選擇。2）基于內容或事件特征的視頻存儲與海量視頻檢索技術，即在存儲服務器里首先進行內容或事件特征信息的提取，然后，進行特征信息和原始信息的編碼和存儲，用戶即可利用此特征信息進行海量視頻檢索。3）采用具有自動生命周期管理的網絡存儲技術，即利用ILM自動生命周期管理技術，可以永久性地保留監控視頻的關鍵信息。4）采用基于事件的連續自動跟蹤監控技術，例如警衛車隊、汽車肇事逃逸或其他逃逸，進行連續自動跟蹤監控。5）采用基于計算機視覺技術的各種視頻分析技術，例如在交通管理中檢測交通違章、肇事事件，進行車輛與車牌識別以及流量統計。6）在人群分析中，進行人流密度與人數估計，群體惡性事件預警以及個體疑似危險行為檢測。7）在人防安保中，進行越界報警、火警檢測、環境污染、生物識別等。在生產管理中，對生產過程以及生產環境進行監控。

4.3.3 多源信息融合技術

多源信息融合技術的應用包括采用3D或多視點編碼的立體監控技術；采用GPS/GIS等城市地圖信息、監控目標定位信息的應用；采用3G等個人移動電話信息和移動通信網絡進行的監控；采用Internet收集以及傳播互聯網信息；采用NGB，即下一代廣播網信息，對特定人群網絡進行信息廣播；采用聲音信息，即對環境進行錄音，并實現話音對講；采用其他電子傳感信息，包括微波或紅外電子圍欄傳感信息，煙霧、氣體、溫度、震動等傳感信息，以及生物傳感信息等。

4.4 安全問題

安全問題主要有以下兩方面：1）系統本身的安全性問題。身份的管理問題，由網絡物理結構引起的網絡自身的安全問題，及傳輸內容本身的安全性問題。2）外界反安全技術的威脅。犯罪分子有意圖的反偵察，惡意破壞物理設施，甚至對內容進行篡改或冒警等。

這些問題都是在構建城市公共安全圖像監控系統時所必須要考慮的部分。

5 總結

城市公共安全圖像監控業務已經成為繼廣播電視和電影、互聯網多媒體視頻之后的第3大視頻應用業務。盡管城市公共安全圖像監控系統正迅速發展，但仍面臨布局、資源整合與利用、新技術應用以及安全等多方面問題，科學布局與管理、社會資源整合與利用、新技術應用及安全性是城市公共安全圖像監控系統發展的核心問題，也是建設新型監控系統的關鍵。

在現階段，必須大力發展圖像監控新技術，堅持智能化和高清晰度的發展方向。同時加強基礎工作，使之成為城市公共安全圖像監控系統的有力支撐，推進法律法規的完善、技術的標準化、新技術的開發以及城市監控基礎數據庫的建立。

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