淺談視頻智能監控系統及其越江隧道中的應用

傅明華

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065）

1 概述

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

2 傳統隧道的風塔監控

由于隧道風塔及工作井出入口處于人員流動極小區域，傳統隧道對其管理一般采用以下兩種方式：第一種為工作井內人員值班，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置傳統固定攝像機。此方法雖能實時了解出入井內人員情況，也存在一定問題。一是無法兼顧到風塔外圍及相關設施，二來由于實時監控是無法實現對于突發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 視頻智能監控系統

所謂視頻智能監控系統是一套結合了實時監控、智能抓拍以及歷史檢索為一體的綜合性視頻監控系統（見圖1）。其功能除了對于受控區域的日常監控、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，對外場進出人員、車輛進行錄像及抓拍，并根據系統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、有效地進行管理。以其作為隧道外場出入口不僅能彌補傳統管理方式的不足，更能將相關信息系統化、集成化。

西藏南路越江隧道由于兩個風塔外場均緊鄰世博主干道，相比傳統隧道人員、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。

3.1 系統結構

整個系統主要由攝像機、處理主機和網絡等幾抓拍識別單元和中心服務管理單元兩部分。

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）、圖像數據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、數據存儲及數據自動上傳等功能。

中心服務管理單元主要由中心監控單元組成，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，中心可根據時間查詢前端單元的視頻記錄，并可根據需要下載人像圖片的原始圖片和相關視頻記錄。其功能具體由放置于工作井弱電間內的視頻分析儀實現。

圖1 視頻智能監控系統網絡拓撲圖

3.2 系統功能

（1）全自動高清人像抓拍、布控功能：根據系統預設具有對出入口人員、車輛等進行抓拍、錄像和報警等多種功能。

（2）實時巡檢及抓拍：根據連接到中心服務器的設備列表，可以任意選取一臺或多臺攝像機對于監控區域進行實時全方位視頻巡檢，并根據需要進行現場抓拍。且巡檢完畢，云臺攝像機會在設定的未操作時間后，自動復位至預設布控區域（見圖2）。

（3）存儲抓拍點上傳的圖片：出于系統容量和網絡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。用戶可以根據需要選擇存儲重要圖片和關聯視頻。

（4）查詢和下載視頻：每一張人像圖片都有與之關聯的視頻片段，也可根據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。是利用當前圖象和背景圖象的差分（SAD）來檢測出運動區域的一種方法。可以提供比較完整的運動目標特征數據。精確度和靈敏度比較高，具有良好的性能表現。背景的建模是背景減除法的技術關鍵。一般采用在系統設置時期設置系統自適應學習時間來建模，根據背景實際 “熱鬧程度”選取3～5min的學習時間。一般系統建模完成后，隨著時間的變化，背景會有一些改變，系統具有“背景維護”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，從連續得到的視頻流中提取所需要的動態目標信息。時間差分方法實質就是利用相鄰幀圖象相減來提取前景目標移動的信息。此方法不能完全提取所有相關特征象素點，在運動實體內部可能產生空洞，智能檢測出目標的邊緣。

3.3.2視頻分析過程

視頻分析的過程（背景減除方法）：首先系統進行背景學習，學習時間根據背景熱鬧程度有所不同，期間系統自動建立背景模型。之后系統進入“分析”狀態，如果前景出現移動物體，并在設置的范圍區域內且目標物體大小滿足設置，系統將會把該目標進行提取并跟蹤，并根據預先的算法（入侵、遺留、盜竊等）觸發報警。（期間如果背景出現雨雪，中云，波浪，攝像機抖動，搖擺的柳樹等，系統將啟動預處理功能，來過濾掉這些動態背景）。在觸發報警之前，系統具有目標識別的功能，即將提取的目標與已經建立的模型進行比對，并選擇最佳的匹配。

現今采用的視頻智能監控系統是綜合了以上兩種方法，優化后能更為準確、有效地進行視頻分析。

實現方式：

第一，系統將高分辨率數字攝像機捕獲的高畫質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，利用人像優選技術以及人像索引圖片提取技術對高清相機進來的每一幀視頻進行分析，每當有人通過攝像機的監控區域，系統會對高清相機進來的視頻圖像進行實時分析，迅速定位場景內單人或者多人的正面人臉，再經過優選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標準照保存，同時對該監控區域進行實時錄像，實現錄像和圖片的關聯。

第三，抓拍及存儲：

（1）無人通行時：

沒有人出現時，不會保存無用圖片，提高了系統的存儲效率。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：

每當有人通過攝像機的監控區域，系統會對高清相機進來的視頻圖像進行實時分析，迅速定位場景內單人或者多人的正面人臉，再經過優選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標準照保存，同時對該監控區域進行實時錄像，實現錄像和圖片的關聯。

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絡傳輸到人像抓拍單元直接保存，占用帶寬只有3M左右。抓拍圖片的存儲方式上有兩種方式：其一：本機存儲，系統捕捉到通行人員圖片后，通過視頻分析儀內置的硬盤可以以JPEG或H.264壓縮格式對圖片文件進行存儲；其二：網絡傳輸，系統捕捉到相應的圖片后，通過網絡將圖片傳送至后臺指定的數據中心，在中心進行存儲和相應的處理。傳輸網絡可以是光纖、ADSL或其他有線/無線網絡。

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

3.4 系統特點

3.4.1設備一體化，實現高性價比

產品體積小、外形美觀、操作靈活、安裝簡便、自成體系，集網絡服務器、控制軟件（TCP/UDP）等功能于一體，成功實現前端采集、圖片存儲及傳輸、設備動態化管理一體化。

3.4.2 響應迅速，實時捕捉、有效查詢

每當有人通過攝像機的監控區域，系統會對高清相機進來的視頻圖像進行實時分析，迅速定位場景內單人或者多人的正面人臉，再經過優選獲取最佳的人臉圖片并且截取成標準照保存。同時對該監控區域進行實時錄像，實現錄像和圖片的關聯，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重點目標對象布控，人臉識別

用戶可以在重點區域進行重要目標對象布控，對通過區域的人群進行實時比對，不需要限定環境或者要求通過人員規定姿勢獲取肖像。一旦發現目標出現，通知相關人員布控。

3.4.4高性能網絡特色

全網絡方案，通過中心服務器軟件可以監控任意點位的實時監控畫面和出入人員情況，并可以在中心完成設置、布控等操作，方便維護。并且高效節省網絡開銷，用戶可以根據實際情況選擇是否聯網。

3.4.5攝像機自適應感光調控

通過完全自主開發硬件調控模塊進行自適應環境調節和補光設備的應用，當背景環境的光亮度情況發生變化時，系統能夠自動對相機的相關參數做出及時調整，從而保證相機采集到的人臉圖像清晰可靠。

3.4.6實時動態維護管理

通過產品內置調試頁面，只需使用IE或Netscape瀏覽器登陸進入，便可以對聯網的任何一臺視頻監控相機進行參數設置和相關操作。所有設備都可以通過后臺進行實時管理，及時了解設備當前運行情況、及時排除故障。

3.5 實際應用

西藏南路越江隧道風塔外場由風塔、工作井出口、風塔出口、綠化等構成，周邊圍墻設有一個出入口作為應急出入及檢修使用。考慮到圍墻設有電子圍欄，故前端設備布置時主要考慮2個直接進入工作井的入口以及整個外場出入口，在此基礎上對周邊進行盡可能大范圍監控；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塔外場布置圖

圖4 西藏南路隧道浦東風塔外場布控位置圖（一）

3.5.1設備布置

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

圖5 西藏南路隧道浦風塔外場布控效果圖（二）

（2)控制單元相關所有設施：全部置于工作井弱電機房內，并配置相應的監視、控制設備，預留以太網接口以備未來接入綜合監控系統或廣域網。

3.5.2系統設置

考慮人員巡檢及日常抓拍的實際需要，主要設置為：

（1）考慮對于內部入口及大門的無人管理，抓拍區域選擇為大門向內側8 m范圍內（圖3中斜線標出區域）。

（2）考慮到遠程巡檢的間隔時間將自動復位功能的復位時間設定為10 min。

（3）定義巡檢人員，當抓拍區域內出現非定義人員則系統報警，提醒工作井值班人員。

4 實施效果

該套視頻智能監控系統的使用不僅最大程度的加強了風塔區域的安全保障；并且便于對進出風塔區域情況的歷史查詢，加強了隧道整體管理的效力。加之，該系統預留豐富的擴展接口，不僅可以根據實際情況，接入整個隧道綜合監控系統，或者連入市政管理系統；也可以隨時對指定區域進行系統擴容。憑借其在安全性、可靠性及自動化上的優勢，必將在未來隧道監控系統中起到更為廣泛的作用。

[1]鄭進寶.智能視頻監控技術與應用[J].電視技術，2009，33（1）.

[2]呂金剛，楊建全，文代明，等.智能視頻監控技術的應用與發展[J].通信電源技術，2006，（5）.

[3]萬衛兵，霍宏，趙宇明.智能視頻監控中目標檢測與識別[M].上海：上海交通大學出版社，2010.