智能高清網絡攝像機中智能分析的發展探索

■陳文明

智能高清網絡攝像機中智能分析的發展探索

■陳文明

智能高清網絡攝像機的技術主要包括六部分，其中智能分析系統已經逐漸成為系統的靈魂，并在未來主導智能高清攝像機的應用與發展。

瘋狂的市場，激情的市場，是創新改變了需求，還是需求贏得了市場，部分企業早在2006年前就已經看到安防數字化這一趨勢，并致力于高清網絡攝像機的研究與開發，逐漸引導行業高清智能網絡攝像機發展趨勢。

隨著社會經濟的快速發展，安防以及其它視頻應用系統的技術也不斷升級進步，許多大型的、高端的視頻監控項目，都選擇了高清網絡攝像機，傳統的模擬攝像機的銷售急劇下滑，高清網絡攝像機的銷售份額卻快速增長。從IT技術發展的趨勢來看，數字技術取代模擬技術是不可逆轉的。現在的數字電視已經完全取代了模擬電視成為主流，廣電部已經宣布將在近期停播模擬電視，使得模擬電視將徹底消失。數字相機也取代模擬相機成為主流，并且數字相機幾乎人手一部，在短短的幾年時間里就完成了升級換代……

目前中國安防市場上的高清網絡監控市場，基本上還處于初級階段，各類芯片商、產品商、系統集成商、系統平臺商在高清網絡監控市場上的銷量還屬試水階段，高清網絡監控的技術、系統都還處在不斷磨合完善時期。網絡攝像機似乎與高清成了一對強強聯手的組合，在世界的安防市場上嶄露頭角并閃亮登場。作為高清視頻監控最前端設備，高清網絡攝像機是提供視頻監控的信源，將視頻進行高清編碼和IP封裝，通過IP網絡來承載高清圖像，可實現高清監視、錄像等監控功能。從三網合一的下一代互聯網（NGN）技術來看，廣播電視、電訊、互聯網、以及移動寬帶等無線網絡將融合成下一代的互聯網。以包交換為特征的IP網絡，取代原有的以線路獨占式的傳輸網絡。它將是更加全面的覆蓋、并且無所不在。有線方面，將以光纖入戶（光進銅退）為主，無線方面，則以WIFI+4G自動切換為主。有線和無線的寬帶為視頻的傳輸提供了極大的便利條件，這是視頻監控網絡化的基礎。視頻監控作為以視頻傳輸為核心的系統，也將融入這一大的網絡系統，信息孤島必將被消除。這是因為，從智慧地球（城市）的觀點來看，所有的信息都需要互聯互通，才能做出智慧的決策，視頻監控系統，不僅公安需要，應急指揮需要，政府領導需要，相關單位如城管、消防、環保、水利等等都需要。當然，訪問權限和安全性需要得到保障，但這不是信息孤島存在的理由借口。現在，國家正在大力的推進物聯網技術的應用和發展，其基本的思想是“物物相連、感知中國”，也就是“更加全面的透徹的感知、更加全面的互聯互通、更加智慧的決策”。視頻以及將其直接接入互聯網的高清網絡攝像機，將作為人類信息的第一來源，必將在物聯網、下一代互聯網的應用中發揮更加宏大的作用。

智能高清網絡攝像機技術分析

智能高清網絡攝像機技術是一個高度技術密集型的技術，高清網絡攝像機的發展可以從清晰度和傳輸速度以及應用情況等多個方面綜合來看，涉及到眾多的核心技術和知識產權，要掌握這些核心技術、需要企業投入大量的人力、物力、時間和資金，需要積淀和積累，因此它也提高了行業進入和競爭的門檻。

它主要包括以下模塊：

圖像處理ISP（Image Signal Processing）

編解碼Codec（Video Coding and Decoding）

流媒體Streaming Media（如Iive555等）

網絡存儲NVR

網絡應用系統Video.Net

智能分析系統IVS（Intelligent Video Surveillance）

首先，最前端光學圖像信息的采集，涉及到光學、圖像傳感器（Optical Sensor）, 有CCD（Charge Couple Device）, CMOS（Complementary Metal-Dioxid Semi-Conductor）兩種主要類型，以及前端圖像處理，所謂的3A算法，自動曝光（Auto-Exposure）、自動白平衡（Auto-White-Balance）、自動聚焦（Auto-Focus）等算法，以及一些色彩處理的算法、這些核心算法主要掌握在日本企業如Sony、日立、佳倫、Sharp等企業手中，一直對其他國家封鎖。“一種自動聚焦方法及裝置、數碼攝像裝置”（國家發明專利，200910107998.4），研發出具備自主知識產權的全系列前端傳感器、包括1080P的低照度、寬動態等性能，取得重大突破，其效果直逼國外同類產品，并獲得了國內、外的技術專家的高度關注。

在編解碼方面，國際上最新的標準目前是H.264, 它是視頻系統中核心部分，因為視頻，尤其是高清視頻，一秒鐘的視頻數據量可以達到幾個Gigabytes的級別，即使經過精細的壓縮，它也占據了系統中絕大數的計算量、帶寬和存儲，因此，視頻壓縮技術是數字多媒體系統的核心技術。在H.264的基礎上，部分企業逐漸開展H.265（新的正在發展的國際標準，目前已有初步的測試代碼），以及On2 Technoloyies的VPx 系列算法，以期獲得更高的解碼率。為適應未來的移動網絡和窄帶的網絡環境，在此基礎上提出基于頻譜分級編碼算法（“基于頻譜的圖像分層編碼方法及系統”，發明專利，ZL200810062928）。

在應用系統上， 更多的產品需要實現ONVIF協議，并可以與國外的一些主流平臺如Milestone、AXXONITV、DIGFORT、SEENERGY等實現無縫對接，需要與主流的NVR，如國產海康、威乾、臺灣的Nuuo、QNAP、ONSSI等NVR的對接，同時，與互信互通、華賽、科達等平臺的對接也很重要。

視頻智能分析技術分析

高清網絡攝像機最大的優勢是可以實現強大的視頻智能分析技術。視頻分析作為高清監控系統中智能功能實現的重要媒介，在高清監控系統應用中具備非常重要的地位，高清攝像機由于提供足夠的像素、從而提供更多的細節和特征，使得目標的分類、甚至是識別成為可能。在用于監控目的（非專業抓拍的）的高清網絡攝像機的抓拍圖片中，可以識別出比如人臉、車牌、行為等等。

現有的智能分析主要包括以下環節：

目標檢測：目前的目標檢測技術主要是采用基于高斯（或多高斯模型的）背景估計和背景減除的方法，這種方法在光線變化劇烈的環境（如繁華的街道，霓虹燈路口）等場合下，就會失效，這時采用基于特征的檢測方法才有可能工作。高清網絡攝像機就可提供足夠的像素和字節特征，可抵御光線變化帶來的干擾。目前的視頻分析技術，與傳統的移動偵測技術相比，主要進步在于對一些規則運動的過濾，如樹的搖動，水波浪的運動、噴泉等等，以及緩慢的光線變化等等。

目標跟蹤：通過對連續視頻的目標檢測，建立移動目標的關聯，從而實現對目標的跟蹤，和辨識（建立目標ID），才能進行有效的行為分析。在目標的跟蹤過程中，還要采用預測的方法，如線性預測、卡爾曼濾波、離子濾波，Mean-Shift等方法，才能建立較好的跟蹤，并解決目標重疊和遮擋的問題。較高的像素特征，對于跟蹤效果也有大幅的提升

目標的行為分析：在建立了目標跟蹤的基礎上，才能對目標進行有效的行為分析，如跨線，越界、進入區域，退出區域、在區域內徘徊、逆行、計數（流量統計）、物品消失、遺留物等等進行檢測。

目前，視頻分析技術尚未得到廣泛的應用，主要有以下原因：

用戶缺乏對視頻分析功能的理解，很多用戶并非專業人員，對視頻分析，甚至是安防產品的使用方法缺乏足夠的理解，不知道如何用好視頻分析來減輕用戶監測現場的負擔。而智能分析技術的研發人員，則對用戶的實際需求不了解，從而造成智能分析技術與應用需求的脫節。

目前缺乏低成本的產品與方案，雖然帶智能分析功能的網絡攝像機已經面市，但價格依然偏高，獨立的視頻分析盒會增加很多成本，后端的視頻分析軟件，只能對少數的攝像頭進行分析，很難起到全面預警的作用。因此，智能分析將會集成在高清網絡攝像機上面，這已經沒有懸念。這將會大大降低視頻分析技術的成本，使得智能分析技術得到廣泛的應用和普及。

智能分析技術應用趨勢分析

隨著視頻分析技術的發展，產品逐漸集成化，出現智能前置與智能后置兩種發展趨勢？我們認為智能前置是主要的趨勢，因為，在后端進行分析，畢竟計算量有限，傳輸的帶寬有限，分析的視頻路數也有限，而現在的安防工程中，有大量的，數以幾千、幾萬、甚至幾十萬的攝像頭，是不可能用人力進行監視的。對于眾多現有的沒有智能分析功能的監控系統，也可以將智能中置，也就是在前端的DVR、或NVR實現智能分析的功能。后端可根據前置、或中置的分析結果，作出一些宏觀的統計分析、數據挖掘和預測。總之，智能分析的目的，是減輕人類用眼睛監視的負擔，過濾掉一些例行的、無關的視頻，提取值得關注的視頻場景，因此，智能前置應該是必然的趨勢。

從應用的場合來看，智能分析不僅用于安防監控，同時，也可以用于企業或行業的管理。例如車牌識別，和人臉識別，可以用于卡口、門禁控制，特定的人或車進出某個特定區域的統計。零售或業務處理的排隊長度估計，辦事大廳人員密度的估計，以及商場、或倉庫的各時段、各區域顧客密度的統計等等，都可以讓管理人員及時做出相應的管理調整。視頻分析需要在常規的智能分析的基礎上，針對特定的應用，甚至特定場合進行特別的開發，而這些針對特定應用的開發，從算法原理上，都會與通用的智能分析方法有根本的不同。例如，在指定的位置上，監測是否有車輛通過，相當于地感線圈的功能，也被稱為“虛擬線圈”，就不能用智能分析中跨線功能，其檢測率是達不到地感線圈的要求。北京大學深圳研究生院開發的“虛擬線圈”技術，就是采用的基于特征的檢測技術，經過在安徽銅陵等地進行的實況測試，達到甲方所期望的技術要求，并誕生了多項的專利技術，甚至包括了基礎的圖像處理的一些算法專利。再例如北京大學深圳研究生院與香港生產力促進局合作開發的車載行人檢測算法，采用了HOG和HAAR特征相結合，在快速移動和變化的背景下、完成對行人的準確檢測與預警、并成功進行了車載實驗，得到香港創新署的高度認可。

其實，智能分析的算法早在其它的領域，如工業制造中，就有許多的應用，例如，加工零件的檢測、定位、以及位置的校準，零件的識別與分揀、零件與產品的缺陷檢測等等，屬于工業自動化的領域，算法開發人員在專業的圖像處理平臺（提供基本的一些圖像分析的功能模塊）上，根據不同的應用開發不同的智能分析算法，這對于智能高清網絡攝像機的應用來講，也許是一種啟示。德州儀器公司就提供這種圖像處理的芯片，提供基本的圖像處理功能，如目標的提取、跟蹤、人臉檢測等等，具體的應用算法將根據具體應用來開發。這也將造就無窮無盡的個性化的產品，來服務不同的應用需求。另外，智能檢索其實是一個非常重要的技術，盡管實時的智能分析可以起到某些預警的作用，但大多數情況下，都是事后調閱大量的錄像，這一工作量十分巨大。有時為了查閱這些錄像資料，公安部門不得不雇傭大量的人工來查詢，據報道、某市公安部門曾經為搜索某個重大的案件、花了數月的時間，和大量的人力，來查閱相關視頻錄像，最后還是一無所獲。因此，在對視頻進行壓縮和分析同時，就把某些智能分析所需要的特征存儲起來，并進行一定程度的索引，采用如K-D樹等搜索技術，然后，可以根據不同的情況設置不同的搜索條件，對已經儲存的特征進行搜索，可以大大加快檢索的速度，同時提高檢索到相關事件的檢索率。還可以進行多種設置條件下的組合檢索，多個攝像頭的組合檢索等等，由此可見智能檢索在智能分析中的重要性。

結束語

高清網絡攝像機，作為智能分析平臺的前端，使智能分析得到更加廣泛的應用的和推廣，同時也進一步促進高清網絡攝像機的發展，成為網絡攝像機相對于模擬攝像機的一個重要的優勢。從近一兩年的趨勢來看，高清網絡攝像機的性能會進一步提高，成本會進一步降低，智能分析的技術會越來越成熟、應用越來越廣泛、加之三網合一、物聯網等網絡建設越來越成熟，從而使高清智能網絡攝像機占據越來越多的市場份額。因此，我們將會看到，高清網絡攝像機的迅速崛起，必將導致又一次的從模擬到數字技術的升級與換代。

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