移動(dòng)視頻監(jiān)控的預(yù)警區(qū)域劃分方法

孔小紅，柏倉(cāng)，唐蓉，陳銀

1.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京 210019

2.南京開(kāi)悅科技有限公司質(zhì)量技術(shù)部，江蘇南京 211800

移動(dòng)視頻監(jiān)控的預(yù)警區(qū)域劃分方法

孔小紅1，柏倉(cāng)1，唐蓉2，陳銀2

1.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京 210019

2.南京開(kāi)悅科技有限公司質(zhì)量技術(shù)部，江蘇南京 211800

隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，視頻監(jiān)控已拓展到智能移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域，使得傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)脫離了時(shí)間和空間的限制。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中預(yù)警區(qū)域劃分方法的分析，結(jié)合移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出2種適用于移動(dòng)視頻監(jiān)控的預(yù)警區(qū)域劃分方法。九宮格預(yù)警區(qū)域劃分方法，利用布局文件實(shí)現(xiàn)，用M行N列的單元格填充整個(gè)監(jiān)控畫(huà)面，選擇合適的單元格，即可確定預(yù)警區(qū)域。曲線擬合式預(yù)警區(qū)域劃分方法，選取N個(gè)離散點(diǎn)，通過(guò)貝塞爾曲線分段擬合或者最小二乘法整體擬合形成封閉區(qū)域，監(jiān)控畫(huà)面內(nèi)，封閉區(qū)域內(nèi)部或者外部即為預(yù)警區(qū)域。這2種方法操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)，有效地提高了圖像傳輸速率。

移動(dòng)視頻監(jiān)控；預(yù)警區(qū)域；九宮格；曲線擬合；最小二乘法

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)［1］，主要由監(jiān)控前端、服務(wù)器以及客戶(hù)端組成，其中客戶(hù)端是指安裝于個(gè)人計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用程序。隨著智能手機(jī)和平板電腦的大規(guī)模推廣，第三代移動(dòng)通信技術(shù)的成熟應(yīng)用，真正的移動(dòng)計(jì)算時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，以前只能在電腦上做到的事情，現(xiàn)在在智能移動(dòng)設(shè)備上就能完成。因此，開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)設(shè)備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的移動(dòng)化、智能化意義重大。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求監(jiān)控人員一直監(jiān)控屏幕，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行把握分析判斷；而智能型移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［2］由監(jiān)控前端對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行算法分析，提取出特定的報(bào)警事件，將報(bào)警信息發(fā)送給移動(dòng)設(shè)備，在沒(méi)有或者少量人為干預(yù)的情況下，代替人完成特定目標(biāo)的監(jiān)控和檢測(cè)任務(wù)。當(dāng)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，移動(dòng)客戶(hù)端自動(dòng)報(bào)警，責(zé)任人就能第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，提高了處理速度。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能分析的前提是確定監(jiān)控場(chǎng)景的重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。文中研究了目前市面上常見(jiàn)的重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域的實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)，依據(jù)移動(dòng)視頻監(jiān)控的特點(diǎn)以及我國(guó)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信帶寬的限制，提出了適合于移動(dòng)視頻監(jiān)控的預(yù)警區(qū)域確定方法，為后續(xù)智能分析預(yù)警打下基礎(chǔ)。

1 常見(jiàn)的重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域?qū)崿F(xiàn)方法

監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種。靜態(tài)是指監(jiān)控場(chǎng)景固定，基本不發(fā)生變動(dòng)。動(dòng)態(tài)是指整個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景大部分時(shí)間處于變動(dòng)當(dāng)中。目前的算法對(duì)于靜態(tài)的場(chǎng)景具有更好的表現(xiàn)，因此，文中只考慮監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)為靜態(tài)的情況。

對(duì)于需要進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警的監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控場(chǎng)景中通常只有很小的一部分是需要重點(diǎn)監(jiān)控的。當(dāng)有物體進(jìn)入該監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域時(shí)，需要系統(tǒng)智能地做出危險(xiǎn)判斷并預(yù)警。重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域劃定的越合理，系統(tǒng)的處理速度就會(huì)越快，這關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

劃定重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，目前常用的方法有設(shè)置警戒線以及矩形框框選重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。

1.1 設(shè)置警戒線

警戒線分為2種，一種由硬件設(shè)施形成，另一種在軟件中設(shè)置。紅外對(duì)射探測(cè)頭及電子圍欄等會(huì)形成警戒線，一旦有目標(biāo)通過(guò)其警戒線，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息。

1.1.1 硬件設(shè)置警戒線

紅外對(duì)射探頭設(shè)置警戒線［3］。安防監(jiān)控系統(tǒng)，前端安裝有紅外對(duì)射探測(cè)器，在監(jiān)控中心值班室（監(jiān)控室）安裝報(bào)警主機(jī)，一旦某處有目標(biāo)侵入，探頭即自動(dòng)感應(yīng)，觸發(fā)報(bào)警，主機(jī)顯示報(bào)警部位，同時(shí)聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的探照燈和攝像機(jī)，并在主機(jī)上自動(dòng)切換成報(bào)警攝像畫(huà)面，報(bào)警中心監(jiān)控用計(jì)算機(jī)彈出電子地圖并作報(bào)警記錄，提示值班人員處理。

電子圍欄設(shè)置警戒線［4］。在外圍安裝電子圍欄，電子圍欄是目前最先進(jìn)的周界防盜報(bào)警系統(tǒng)，它由高壓電子脈沖主機(jī)和前端探測(cè)圍欄組成。高壓電子脈沖主機(jī)產(chǎn)生和接收高壓脈沖信號(hào)，并在前端探測(cè)圍欄處于觸網(wǎng)、短路、斷路狀態(tài)時(shí)能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并把入侵信號(hào)發(fā)送到安全報(bào)警中心；前端探測(cè)圍欄由桿及金屬導(dǎo)線等構(gòu)件組成的有形周界。電子圍欄是一種主動(dòng)入侵防越圍欄，可對(duì)入侵目標(biāo)做出反擊，擊退入侵者，延遲入侵時(shí)間，并且不威脅人的性命，同時(shí)能把入侵信號(hào)發(fā)送到安全部門(mén)監(jiān)控設(shè)備上，以保證管理人員能及時(shí)了解報(bào)警區(qū)域的情況，快速的處理危險(xiǎn)情況。

1.1.2 軟件設(shè)置警戒線

軟件設(shè)置警戒線是［5-6］在監(jiān)控區(qū)域中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在視頻畫(huà)面中畫(huà)一條虛擬警戒線，一旦監(jiān)控視頻畫(huà)面中有人、車(chē)輛或者其他物體穿越這條警戒線，視頻智能處理器可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并產(chǎn)生報(bào)警。還可以通過(guò)多條警戒線，形成獨(dú)立的警戒區(qū)域，判斷外力穿越警戒線的方向，分析其行為。

1.2 矩形框

確定重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象，畫(huà)矩形框［7］，將重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象包括在內(nèi)，矩形框的大小可以自由設(shè)定。對(duì)矩形框內(nèi)的圖像進(jìn)行分析處理，判斷危險(xiǎn)情況。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)劃分預(yù)警區(qū)域方法的綜合分析，可以看到：

1）現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基本都是對(duì)整個(gè)監(jiān)控場(chǎng)景進(jìn)行圖像分析和處理，相對(duì)而言，這就需要更快的傳輸速度以及更多的處理時(shí)間，同時(shí)還降低了預(yù)警的速度以及準(zhǔn)確度。

2）包含有預(yù)警或者告警功能的監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的變化來(lái)進(jìn)行報(bào)警操作，其主要是通過(guò)在視頻監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)置警戒線來(lái)劃定重點(diǎn)監(jiān)控領(lǐng)域。

3）通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)的無(wú)形的警戒線過(guò)于簡(jiǎn)單，誤報(bào)率較高。

2 九宮格劃分重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域

目前，我國(guó)的4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始推行，但是4G手機(jī)以及4G網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)等還未全面普及。因此，在移動(dòng)設(shè)備端，使用的最多的還是3G網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于某些監(jiān)控前端采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的系統(tǒng)，前端通常也是采用3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。由于3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，大的數(shù)據(jù)量如視頻流的傳輸困難，且具有較長(zhǎng)的延時(shí)。

智能移動(dòng)設(shè)備的硬件性能很好，但是由于其自身的某些特點(diǎn)所限（比如電量以及不同系統(tǒng)的處理能力等），并不能性能最大化。為了提高響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且數(shù)據(jù)量小的移動(dòng)端監(jiān)控區(qū)域劃分方法意義重大。

2.1 九宮格劃分預(yù)警區(qū)域

將監(jiān)控區(qū)域等分成M行N列的矩形框，每個(gè)矩形框?yàn)橐粋€(gè)單元格。對(duì)于智能移動(dòng)設(shè)備，屏幕上的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)坐標(biāo)（X，Y），每個(gè)單元格都有一個(gè)坐標(biāo)范圍，確定每個(gè)單元格的4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)，就可以判定某個(gè)點(diǎn)是否屬于該單元格。在啟動(dòng)劃分重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域功能后，選取需要的單元格，選中的單元格以另一種顏色呈現(xiàn)，如圖1（a）所示。被選中的所有單元格構(gòu)成的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)僅處理重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)現(xiàn)方式

基于移動(dòng)視頻監(jiān)控的九宮格劃分預(yù)警區(qū)域方法，按如下步驟實(shí)現(xiàn)：

1）移動(dòng)客戶(hù)端先從監(jiān)控端獲取監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控圖像；

2）移動(dòng)客戶(hù)端以監(jiān)控圖像為背景建立M×N的單元格，其中M為小于圖像水平分辨率的正整數(shù)，N為小于圖像垂直分辨率的正整數(shù)；

3）移動(dòng)客戶(hù)端從監(jiān)控端獲取每個(gè)單元格當(dāng)前的預(yù)警級(jí)別，預(yù)警級(jí)別分成警戒區(qū)和非警戒區(qū)；

4）移動(dòng)客戶(hù)端根據(jù)單元格的預(yù)警級(jí)別對(duì)每個(gè)單元格進(jìn)行著色，其中預(yù)警級(jí)別相同的單元格，著色相同；

5）用戶(hù)通過(guò)移動(dòng)客戶(hù)端調(diào)整單元格的預(yù)警級(jí)別，并將其預(yù)警級(jí)別反饋至監(jiān)控端；

6）監(jiān)控端根據(jù)監(jiān)控圖像的每個(gè)單元格的預(yù)警級(jí)別生成預(yù)警圖像。實(shí)現(xiàn)效果如圖1（b）所示。

圖1 九宮格預(yù)警區(qū)域劃分方法

編碼實(shí)現(xiàn)具體的流程圖如圖2所示。

圖2 九宮格劃分預(yù)警區(qū)域方法流程

進(jìn)行預(yù)警區(qū)域劃分時(shí)，設(shè)置為警戒區(qū)的區(qū)域賦值1，設(shè)置為非警戒區(qū)的區(qū)域賦值0，完成設(shè)置后，僅需要傳輸長(zhǎng)度為M×N的字符串到服務(wù)器即可在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)相同的設(shè)置。

3 曲線擬合式劃分重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域

曲線擬合式預(yù)警區(qū)域劃分方法，利用封閉曲線繪制預(yù)警區(qū)域，在數(shù)據(jù)傳輸以及圖像處理過(guò)程中，最大程度地去除冗余信息，大大地提高了預(yù)警的速度和準(zhǔn)確度。曲線擬合分為分段擬合和整體擬合2種。每一種可選的擬合曲線種類(lèi)很多，從實(shí)際操作的角度考慮，在分段擬合中，選擇貝塞爾曲線［8］進(jìn)行擬合；在整體擬合中，選擇最小二乘法［9，10］進(jìn)行擬合。

3.1 分段擬合曲線－貝塞爾曲線

根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)控目標(biāo)的大小以及形狀，可以在監(jiān)控范圍內(nèi)框選M（M≥1）個(gè)重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域。在每一個(gè)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域附近的合理位置選取Ni（Ni≥2，1≤i≤M）個(gè)離散的點(diǎn)，記錄這些點(diǎn)的坐標(biāo)Di（X）（0≤X≤Ni－1，1≤i≤M），相鄰的兩點(diǎn)間用Ci（X）擬合，形成一個(gè)封閉的擬合曲線，其內(nèi)部構(gòu)成一個(gè)區(qū)域。M個(gè)閉合曲線將監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)分為內(nèi)部和外部2個(gè)區(qū)域，這2個(gè)區(qū)域之一即為監(jiān)控預(yù)警區(qū)域。對(duì)于在服務(wù)器端處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，M個(gè)監(jiān)控區(qū)域繪制完成之后，點(diǎn)擊確定功能按鍵，記錄所有拐點(diǎn)坐標(biāo)、擬合曲線的特征點(diǎn)坐標(biāo)以及擬合曲線的函數(shù)，傳回服務(wù)器，服務(wù)器端進(jìn)行同樣的監(jiān)控區(qū)域劃定操作。

曲線Ci（X）采用貝塞爾曲線進(jìn)行擬合，如圖3所示，擬合形成2個(gè)相互獨(dú)立的預(yù)警區(qū)域。

圖3 貝塞爾曲線－分段擬合

3.2 整體曲線擬合－最小二乘法

根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)控目標(biāo)大小以及形狀，可以在監(jiān)控范圍內(nèi)框選M（M≥1）個(gè)重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域。在每一個(gè)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域附近的合理位置選取Ni（Ni≥2，1≤i≤M）個(gè)離散點(diǎn)，記錄這些點(diǎn)的坐標(biāo)Di（X）（0≤X≤Ni－1，1≤i≤M）。每一個(gè)監(jiān)控區(qū)域的所有點(diǎn)用最小二乘法擬合成封閉的曲線Ci（X）。

給定數(shù)據(jù)點(diǎn)pi（xi，yi）（pi表示第i個(gè)點(diǎn)，0≤i≤Ni－1），求近似曲線y＝φ（x）。并且使得近似曲線與y＝f（x）的偏差最小。近似曲線在點(diǎn)pi處的偏差δi＝φ（xi）－y。按偏差平方和最小的原則選取擬合曲線，并且采取二項(xiàng)式方程為擬合曲線的方法，稱(chēng)為最小二乘法。

最小二乘法原理，公式如下：

設(shè)擬合多項(xiàng)式為

通過(guò)一系列的數(shù)學(xué)變換，可以得到矩陣：

上式簡(jiǎn)化為

可得

求得系數(shù)矩陣A，也就得到了擬合曲線y＝φ（x），即C（X）。

曲線擬合式重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域劃分方法的優(yōu)點(diǎn)有以下幾方面：

1）操作簡(jiǎn)單，只需要選取合理的點(diǎn)即可，其余所有操作由算法實(shí)現(xiàn)。

2）傳輸?shù)囊曨l流較小，不查看監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，只需要傳輸預(yù)警區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。

3）處理的數(shù)據(jù)量變小，處理速度更快。當(dāng)有外力進(jìn)入重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域時(shí)，只需要處理預(yù)警區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)即可。摒棄了許多冗余數(shù)據(jù)，大大地提高了圖像的處理速度。

4）可應(yīng)用于多種設(shè)備，如市面上常見(jiàn)的智能手機(jī)、平板電腦，也可用于各類(lèi)計(jì)算機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是響應(yīng)速度，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，因此，減少冗余數(shù)據(jù)。提高傳輸速率就非常重要。九宮格預(yù)警區(qū)域劃定方法將監(jiān)控區(qū)域劃分為M×N個(gè)單元格，通過(guò)點(diǎn)擊手機(jī)屏幕上的單元格即可對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，提高了操控的效率，有良好的用戶(hù)體驗(yàn)。曲線擬合式劃分重點(diǎn)監(jiān)控預(yù)警區(qū)域，冗余數(shù)據(jù)相對(duì)較少，操作簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)較容易。兩種方法相比較，曲線擬合方法的冗余數(shù)據(jù)更少，但是算法相對(duì)復(fù)雜一些。

對(duì)于曲線擬合，本文從分段擬合和整體擬合兩種角度給出了實(shí)現(xiàn)的算法。實(shí)際上，可選取的算法非常多，因此，需要進(jìn)一步研究各算法之間的優(yōu)劣，根據(jù)實(shí)際情況選取適用于當(dāng)前場(chǎng)景的算法。

［1］馬昕.視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和今后發(fā)展趨勢(shì)［J］.金卡工程，2005（3）：71-73.

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Partition method of early-warning areas based on mobile video monitoring

KONG Xiaohong1，BO Cang1，TANG Rong2，CHEN Yin2
1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China
2.Nanjing Carvedge Technology Co.，Ltd，Quality and Technology Department.Nanjing 211800，China

With the popularity of mobile devices，video monitoring has been extended to the field of smart mobile devices，beyond the limit of space and time.In this paper，two kinds of early-warning regional patition methods suitable for mobile video monitoring are proposed.It combines the analysis of the existing warning area patition method for video monitoring system and the characteristics of mobile video monitoring system.The nine-grid early-warning areas partition method is achieved by layout files.The entire monitor screen was filled with M rows and N columns of cells.The early-warning zone is determined by selecting appropriate cells.N discrete points are selected using the curve fitting warning region division method.Then，a closed region is formed using Bessel curve fitting method or least squares fitting.In the video monitor screen，either internal or external closed region is the warning area.These two methods，which are simple and easy to be implemented，improve the transmission speed efficiently.

mobile video monitoring；early-warning area；nine-grid method；curve fitting；least squares method

TP391

A

1009-671X（2014）05-044-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201311017

2013-11-13.

日期：2014-09-24.

孔小紅（1966-），男，高級(jí)工程師；

柏倉(cāng)（1984-），男，工程師.

唐蓉，女，E-mail：evetang.nuaa＠gmail.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201311017.html