淺談視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)及其越江隧道中的應(yīng)用

傅明華

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海200065）

1 概述

隨著視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，其已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用于各類市政工程建設(shè)之中。作為上海城市快速道路重要的組成部分、并肩負(fù)著世博專用通道的西藏南路越江隧道，在浦東、浦西風(fēng)塔外場設(shè)置了此項全新的設(shè)施，以滿足隧道的日常運營及世博期間特殊的安防要求。

2 傳統(tǒng)隧道的風(fēng)塔監(jiān)控

由于隧道風(fēng)塔及工作井出入口處于人員流動極小區(qū)域，傳統(tǒng)隧道對其管理一般采用以下兩種方式：第一種為工作井內(nèi)人員值班，定時巡視的方式。此方法僅能在極為有限的條件下做最低程度的監(jiān)視，對于直接連通隧道以及其核心部位（配電室、弱電間等）的出入口存在很大的管理隱患。第二種為在出入口樓梯口設(shè)置傳統(tǒng)固定攝像機(jī)。此方法雖能實時了解出入井內(nèi)人員情況，也存在一定問題。一是無法兼顧到風(fēng)塔外圍及相關(guān)設(shè)施，二來由于實時監(jiān)控是無法實現(xiàn)對于突發(fā)事件具備記錄和查看的功能，因此在實際工作中也存在著管理缺陷。

3 視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)

所謂視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)是一套結(jié)合了實時監(jiān)控、智能抓拍以及歷史檢索為一體的綜合性視頻監(jiān)控系統(tǒng)（見圖1）。其功能除了對于受控區(qū)域的日常監(jiān)控、受限人員辨識外，還能通過智能視頻分析儀上的智能抓拍檢索系統(tǒng)，對外場進(jìn)出人員、車輛進(jìn)行錄像及抓拍，并根據(jù)系統(tǒng)提供的智能檢索的功能，快速、方便的提取出有用的圖像，以便更為方便、有效地進(jìn)行管理。以其作為隧道外場出入口不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理方式的不足，更能將相關(guān)信息系統(tǒng)化、集成化。

西藏南路越江隧道由于兩個風(fēng)塔外場均緊鄰世博主干道，相比傳統(tǒng)隧道人員、車輛流動十分頻繁；加之考慮到世博本身較高的安保需求，因此采用了這一新型系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、處理主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等幾抓拍識別單元和中心服務(wù)管理單元兩部分。

前端單元為布置于出入口外的各個人像抓拍識別單元（VCC-4798PCA彩色攝像機(jī)）、圖像數(shù)據(jù)傳輸單元及后臺管理單元組成。主要完成圖像的實時獲取、人像自動抓拍、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)自動上傳等功能。

中心服務(wù)管理單元主要由中心監(jiān)控單元組成，主要功能有可實時查看前端人像抓拍單元點的實時視頻信息，中心存儲前端各個抓拍單元上傳的人像圖片及24h視頻圖象，中心可根據(jù)時間查詢前端單元的視頻記錄，并可根據(jù)需要下載人像圖片的原始圖片和相關(guān)視頻記錄。其功能具體由放置于工作井弱電間內(nèi)的視頻分析儀實現(xiàn)。

圖1 視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.2 系統(tǒng)功能

（1）全自動高清人像抓拍、布控功能：根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)具有對出入口人員、車輛等進(jìn)行抓拍、錄像和報警等多種功能。

（2）實時巡檢及抓拍：根據(jù)連接到中心服務(wù)器的設(shè)備列表，可以任意選取一臺或多臺攝像機(jī)對于監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實時全方位視頻巡檢，并根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場抓拍。且巡檢完畢，云臺攝像機(jī)會在設(shè)定的未操作時間后，自動復(fù)位至預(yù)設(shè)布控區(qū)域（見圖2）。

（3）存儲抓拍點上傳的圖片：出于系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)帶寬高效使用的考慮，中心只存儲各個抓拍點實時上傳的圖片，包括識別出的人像圖片和原始圖片。用戶可以根據(jù)需要選擇存儲重要圖片和關(guān)聯(lián)視頻。

（4）查詢和下載視頻：每一張人像圖片都有與之關(guān)聯(lián)的視頻片段，也可根據(jù)時間段去人像抓拍點查詢視頻，視頻可選擇在線觀看，也可選擇下載到本地后播放。

3.3 工作原理

3.3.1基本原理

視頻分析方法主要有兩類，一類是背景減除方法。是利用當(dāng)前圖象和背景圖象的差分（SAD）來檢測出運動區(qū)域的一種方法。可以提供比較完整的運動目標(biāo)特征數(shù)據(jù)。精確度和靈敏度比較高，具有良好的性能表現(xiàn)。背景的建模是背景減除法的技術(shù)關(guān)鍵。一般采用在系統(tǒng)設(shè)置時期設(shè)置系統(tǒng)自適應(yīng)學(xué)習(xí)時間來建模，根據(jù)背景實際 “熱鬧程度”選取3～5min的學(xué)習(xí)時間。一般系統(tǒng)建模完成后，隨著時間的變化，背景會有一些改變，系統(tǒng)具有“背景維護(hù)”能力，即可以將一些后來融入背景的圖象，如云等自動加為背景。

另一類是時間差分方法，時間差分也就是通常說的高級的VMD,又稱相鄰幀差法，就是利用視頻圖象特征，從連續(xù)得到的視頻流中提取所需要的動態(tài)目標(biāo)信息。時間差分方法實質(zhì)就是利用相鄰幀圖象相減來提取前景目標(biāo)移動的信息。此方法不能完全提取所有相關(guān)特征象素點，在運動實體內(nèi)部可能產(chǎn)生空洞，智能檢測出目標(biāo)的邊緣。

3.3.2視頻分析過程

視頻分析的過程（背景減除方法）：首先系統(tǒng)進(jìn)行背景學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)時間根據(jù)背景熱鬧程度有所不同，期間系統(tǒng)自動建立背景模型。之后系統(tǒng)進(jìn)入“分析”狀態(tài)，如果前景出現(xiàn)移動物體，并在設(shè)置的范圍區(qū)域內(nèi)且目標(biāo)物體大小滿足設(shè)置，系統(tǒng)將會把該目標(biāo)進(jìn)行提取并跟蹤，并根據(jù)預(yù)先的算法（入侵、遺留、盜竊等）觸發(fā)報警。（期間如果背景出現(xiàn)雨雪，中云，波浪，攝像機(jī)抖動，搖擺的柳樹等，系統(tǒng)將啟動預(yù)處理功能，來過濾掉這些動態(tài)背景）。在觸發(fā)報警之前，系統(tǒng)具有目標(biāo)識別的功能，即將提取的目標(biāo)與已經(jīng)建立的模型進(jìn)行比對，并選擇最佳的匹配。

現(xiàn)今采用的視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)是綜合了以上兩種方法，優(yōu)化后能更為準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行視頻分析。

實現(xiàn)方式：

第一，系統(tǒng)將高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機(jī)捕獲的高畫質(zhì)圖象同時以錄像和圖片的方式記錄 （其中錄像采用H.264壓縮格式保存的高分辨率下每秒25幀視頻；圖象采用視頻流實時處理的方式，自動對每個出入人員記錄一張高清晰圖片）。

第二，利用人像優(yōu)選技術(shù)以及人像索引圖片提取技術(shù)對高清相機(jī)進(jìn)來的每一幀視頻進(jìn)行分析，每當(dāng)有人通過攝像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)會對高清相機(jī)進(jìn)來的視頻圖像進(jìn)行實時分析，迅速定位場景內(nèi)單人或者多人的正面人臉，再經(jīng)過優(yōu)選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標(biāo)準(zhǔn)照保存，同時對該監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實時錄像，實現(xiàn)錄像和圖片的關(guān)聯(lián)。

第三，抓拍及存儲：

（1）無人通行時：

沒有人出現(xiàn)時，不會保存無用圖片，提高了系統(tǒng)的存儲效率。但該情況下視頻依然保存，以備用戶全視頻檢索。

（2）有人通行時：

每當(dāng)有人通過攝像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)會對高清相機(jī)進(jìn)來的視頻圖像進(jìn)行實時分析，迅速定位場景內(nèi)單人或者多人的正面人臉，再經(jīng)過優(yōu)選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標(biāo)準(zhǔn)照保存，同時對該監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實時錄像，實現(xiàn)錄像和圖片的關(guān)聯(lián)。

圖2 西藏南路隧道實際抓拍效果圖

（3）所有拍攝到的照片和視頻，目前選擇的方式都是直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饺讼褡ヅ膯卧苯颖４妫加脦捴挥?M左右。抓拍圖片的存儲方式上有兩種方式：其一：本機(jī)存儲，系統(tǒng)捕捉到通行人員圖片后，通過視頻分析儀內(nèi)置的硬盤可以以JPEG或H.264壓縮格式對圖片文件進(jìn)行存儲；其二：網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)捕捉到相應(yīng)的圖片后，通過網(wǎng)絡(luò)將圖片傳送至后臺指定的數(shù)據(jù)中心，在中心進(jìn)行存儲和相應(yīng)的處理。傳輸網(wǎng)絡(luò)可以是光纖、ADSL或其他有線/無線網(wǎng)絡(luò)。

第四，利用其圖象對重要崗位和重要設(shè)備的操作人員定義，非相關(guān)人員上崗操作和重要崗位脫崗智能識別系統(tǒng)將實施報警，可以避免不必要的事故發(fā)生；或者對于重點區(qū)域內(nèi)的障礙物滯留，可疑人員的進(jìn)入、停留，系統(tǒng)可以按照設(shè)定好的報警模式向值班人員發(fā)出報警信息，起到預(yù)防非正常事件的發(fā)生。

3.4 系統(tǒng)特點

3.4.1設(shè)備一體化，實現(xiàn)高性價比

產(chǎn)品體積小、外形美觀、操作靈活、安裝簡便、自成體系，集網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、控制軟件（TCP/UDP）等功能于一體，成功實現(xiàn)前端采集、圖片存儲及傳輸、設(shè)備動態(tài)化管理一體化。

3.4.2 響應(yīng)迅速，實時捕捉、有效查詢

每當(dāng)有人通過攝像機(jī)的監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)會對高清相機(jī)進(jìn)來的視頻圖像進(jìn)行實時分析，迅速定位場景內(nèi)單人或者多人的正面人臉，再經(jīng)過優(yōu)選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標(biāo)準(zhǔn)照保存。同時對該監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實時錄像，實現(xiàn)錄像和圖片的關(guān)聯(lián)，每段錄像的時間基本單位是1 min，也可以由客戶自定義，大大提高了用戶的查詢效率，不會因為查看無效錄像浪費時間。

3.4.3重點目標(biāo)對象布控，人臉識別

用戶可以在重點區(qū)域進(jìn)行重要目標(biāo)對象布控，對通過區(qū)域的人群進(jìn)行實時比對，不需要限定環(huán)境或者要求通過人員規(guī)定姿勢獲取肖像。一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)出現(xiàn)，通知相關(guān)人員布控。

3.4.4高性能網(wǎng)絡(luò)特色

全網(wǎng)絡(luò)方案，通過中心服務(wù)器軟件可以監(jiān)控任意點位的實時監(jiān)控畫面和出入人員情況，并可以在中心完成設(shè)置、布控等操作，方便維護(hù)。并且高效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)開銷，用戶可以根據(jù)實際情況選擇是否聯(lián)網(wǎng)。

3.4.5攝像機(jī)自適應(yīng)感光調(diào)控

通過完全自主開發(fā)硬件調(diào)控模塊進(jìn)行自適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)和補(bǔ)光設(shè)備的應(yīng)用，當(dāng)背景環(huán)境的光亮度情況發(fā)生變化時，系統(tǒng)能夠自動對相機(jī)的相關(guān)參數(shù)做出及時調(diào)整，從而保證相機(jī)采集到的人臉圖像清晰可靠。

3.4.6實時動態(tài)維護(hù)管理

通過產(chǎn)品內(nèi)置調(diào)試頁面，只需使用IE或Netscape瀏覽器登陸進(jìn)入，便可以對聯(lián)網(wǎng)的任何一臺視頻監(jiān)控相機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和相關(guān)操作。所有設(shè)備都可以通過后臺進(jìn)行實時管理，及時了解設(shè)備當(dāng)前運行情況、及時排除故障。

3.5 實際應(yīng)用

西藏南路越江隧道風(fēng)塔外場由風(fēng)塔、工作井出口、風(fēng)塔出口、綠化等構(gòu)成，周邊圍墻設(shè)有一個出入口作為應(yīng)急出入及檢修使用。考慮到圍墻設(shè)有電子圍欄，故前端設(shè)備布置時主要考慮2個直接進(jìn)入工作井的入口以及整個外場出入口，在此基礎(chǔ)上對周邊進(jìn)行盡可能大范圍監(jiān)控；而控制單元的布置主要考慮到值班人員便于管理以及未來拓展介入等因素（見圖 3～圖 5）。

圖3 西藏南路隧道浦東風(fēng)塔外場布置圖

圖4 西藏南路隧道浦東風(fēng)塔外場布控位置圖（一）

3.5.1設(shè)備布置

（1)前端攝像機(jī)：放置于鄰近風(fēng)塔出口的風(fēng)塔外墻上，考慮視野及照度等因素，實際安裝高度離地3 m。由于抓拍系統(tǒng)對于亮度有一定要求，故攝像機(jī)上方增設(shè)補(bǔ)光燈。

圖5 西藏南路隧道浦風(fēng)塔外場布控效果圖（二）

（2)控制單元相關(guān)所有設(shè)施：全部置于工作井弱電機(jī)房內(nèi)，并配置相應(yīng)的監(jiān)視、控制設(shè)備，預(yù)留以太網(wǎng)接口以備未來接入綜合監(jiān)控系統(tǒng)或廣域網(wǎng)。

3.5.2系統(tǒng)設(shè)置

考慮人員巡檢及日常抓拍的實際需要，主要設(shè)置為：

（1）考慮對于內(nèi)部入口及大門的無人管理，抓拍區(qū)域選擇為大門向內(nèi)側(cè)8 m范圍內(nèi)（圖3中斜線標(biāo)出區(qū)域）。

（2）考慮到遠(yuǎn)程巡檢的間隔時間將自動復(fù)位功能的復(fù)位時間設(shè)定為10 min。

（3）定義巡檢人員，當(dāng)抓拍區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)非定義人員則系統(tǒng)報警，提醒工作井值班人員。

4 實施效果

該套視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)的使用不僅最大程度的加強(qiáng)了風(fēng)塔區(qū)域的安全保障；并且便于對進(jìn)出風(fēng)塔區(qū)域情況的歷史查詢，加強(qiáng)了隧道整體管理的效力。加之，該系統(tǒng)預(yù)留豐富的擴(kuò)展接口，不僅可以根據(jù)實際情況，接入整個隧道綜合監(jiān)控系統(tǒng)，或者連入市政管理系統(tǒng)；也可以隨時對指定區(qū)域進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容。憑借其在安全性、可靠性及自動化上的優(yōu)勢，必將在未來隧道監(jiān)控系統(tǒng)中起到更為廣泛的作用。

[1]鄭進(jìn)寶.智能視頻監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2009，33（1）.

[2]呂金剛，楊建全，文代明，等.智能視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].通信電源技術(shù)，2006，（5）.

[3]萬衛(wèi)兵，霍宏，趙宇明.智能視頻監(jiān)控中目標(biāo)檢測與識別[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2010.