基于跨鏡追蹤（Re-ID）技術(shù)在警務(wù)實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用與思考

□ 文/李詩晴

引言

平安城市是一個(gè)覆蓋整座城市的大型綜合系統(tǒng)，包括治安、交通管理、消防、刑偵等多個(gè)領(lǐng)域，以及社會治安監(jiān)控系統(tǒng)、交通智能卡口系統(tǒng)、電子警察系統(tǒng)、社會重點(diǎn)防范單位監(jiān)控系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間既相互獨(dú)立又相互協(xié)作，與安防緊密相連。隨著公共安全信息化建設(shè)的深入開展，在將這些海量視頻數(shù)據(jù)運(yùn)用到業(yè)務(wù)實(shí)踐中時(shí)，一些困難和問題開始凸顯。

存儲傳輸難

已有的海量視頻數(shù)據(jù)直接占用大量存儲空間，從而造成數(shù)據(jù)管理上的高成本，隨之而來的備份難度加大也帶來數(shù)據(jù)管理的高風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，大量高清視頻的頻繁傳輸，向傳輸帶寬提出更高要求，也給傳輸線路帶來巨大壓力。而如果簡單地對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，又可能造成圖像模糊、數(shù)據(jù)失真等問題。

處理效率低

目前的視頻數(shù)據(jù)處理多依賴于人工瀏覽和人工值守方式，受制于人的生理特點(diǎn)，長時(shí)間觀看視頻容易產(chǎn)生視覺疲勞，甚至遺漏重要線索，效率低下。面對視頻數(shù)據(jù)的高速增長，人工處理方式根本無法應(yīng)對，急需自動化、無人值守式的視頻處理手段。

類型差異大

現(xiàn)有的視頻數(shù)據(jù)來源廣泛、類型多樣、標(biāo)準(zhǔn)不一，其結(jié)果是在業(yè)務(wù)實(shí)踐中無法采用信息化手段對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和存儲，進(jìn)而造成各個(gè)部門、各個(gè)行業(yè)之間信息共享困難，不同領(lǐng)域的信息數(shù)據(jù)彼此成為孤島，造成信息的極大浪費(fèi)和系統(tǒng)的重復(fù)建設(shè)。

應(yīng)用范圍窄

在安防領(lǐng)域，利用傳統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)所能解決的問題相當(dāng)有限，缺乏深層次的應(yīng)用，無法滿足現(xiàn)代安防數(shù)字化、信息化、智能化的要求。

針對存儲傳輸難、處理效率低、類型差異大、應(yīng)用范圍窄等諸多難點(diǎn)，如何在大數(shù)據(jù)、人工智能時(shí)代讓視頻系統(tǒng)更好地為平安城市建設(shè)服務(wù)，需要新型的視頻數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

Re-ID技術(shù)方案設(shè)計(jì)

隨著AI技術(shù)的興起，越來越多的開發(fā)者將精力投入到計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的研究，基于“以圖搜圖”技術(shù)的目標(biāo)檢索這一熱點(diǎn)主題被再次重點(diǎn)研究，解決了以往一部分視頻偵查中由于類別差異、視點(diǎn)變化、復(fù)雜背景等造成的搜圖難題。

從視頻偵查的角度來說，能產(chǎn)生戰(zhàn)果的應(yīng)用主要基于以下三種計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)：視頻結(jié)構(gòu)化技術(shù)、人臉識別技術(shù)、車輛識別技術(shù)。

Re-ID跨鏡追蹤是基于視頻結(jié)構(gòu)化進(jìn)行的深度應(yīng)用，通過把不同視頻內(nèi)的物體關(guān)聯(lián)起來，通過有效的方法把物體找出，保證整個(gè)監(jiān)控操作的完整性，掌握大局觀。

Re-ID技術(shù)難點(diǎn)現(xiàn)

目前，人臉卡口在整個(gè)基礎(chǔ)監(jiān)控資源中占比不足10%，80%以上的攝像頭均由普通監(jiān)控探頭組成，擁有光線暗、角度偏、遮擋率大、夜間清晰低和區(qū)分度不高等普遍缺陷，因此拍到的人臉都不夠清晰，甚至連人臉都無法抓拍到。

與此同時(shí)，Re-ID在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)難度很大：1、需要跨攝像頭采集；2、公開數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)規(guī)模非常小；3、數(shù)據(jù)一般都是視頻的連續(xù)截圖；4、同一個(gè)人需要有不同角度的全身照片；5、監(jiān)控大規(guī)模搜集涉及用戶隱私。數(shù)據(jù)采集難度大，將會對算法提出更高要求。

核心技術(shù)優(yōu)勢顯

考慮到行人非剛體的局面，目前有兩種基本算法：一是把人的身體劃分成不同部分，以不同的方法把這些部分檢測出來，并進(jìn)行局部特征提取。可是，無論怎樣劃分，某些部分依然會有一定程度上的非剛體特性，會對算法造成干擾；二是考慮對齊，也就是把兩張要比對的圖片，以某種方法先對齊好，例如相同頭部位置和腳步位置，并在匹配時(shí)只考慮有用的部分。當(dāng)然，做到這部分并不容易，因?yàn)檫@部分一般會內(nèi)嵌到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。除此之外，業(yè)界一般會附加一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)技巧再提高特征提取的準(zhǔn)確度。

行人Re-ID基于注意力架構(gòu)模型的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方案來實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的全局表征或設(shè)定好的局部分割不同，主軀干網(wǎng)絡(luò)不要求軀干位置的標(biāo)注，能夠從淺層視覺到高層語義的不同空間內(nèi)自動捕捉關(guān)鍵區(qū)域，挖掘多尺度的注意力特征，自動實(shí)現(xiàn)行人肢體（如面部，上身及下身）的特征融合，對于姿態(tài)改變以及空間變化有著很好的魯棒性，可有效完成行人搜索工作。

▲圖1 Re-ID原理圖

實(shí)際測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)即使不使用re-ranking，對于Market-1501數(shù)據(jù)庫，top-1準(zhǔn)確度也能達(dá)到90%，而不使用re-ranking也能達(dá)到這個(gè)水平，代表速度會快上很多，也同時(shí)減少計(jì)算資源的使用。原因是reranking（例如現(xiàn)今常用的k-recipical方法）即使再簡單，也需要消耗內(nèi)存把某范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)暫存，并進(jìn)行分析和對比。而現(xiàn)有不少算法是非常依賴reranking來達(dá)到高準(zhǔn)確度，去除該依賴性，使得算法在實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)勢。

Re-ID技術(shù)精準(zhǔn)搜

在實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中，對涉案視頻進(jìn)行分析排查，通過“即看-即辨”、“即辨-即追”、“即追-即控”的作戰(zhàn)模式，鍛煉一支專業(yè)化的實(shí)戰(zhàn)隊(duì)伍、形成一套科學(xué)化的業(yè)務(wù)機(jī)制、固化一系列的綜合技戰(zhàn)法，實(shí)現(xiàn)案件的迅速偵破。

“即看-即辨”，指的是通過視頻分析，在觀看視頻的同時(shí)便可直接對視頻目標(biāo)進(jìn)行截圖標(biāo)注、搜索、比對，迅速辨別嫌疑目標(biāo)。

“即辨-即追”，指的是在發(fā)現(xiàn)嫌疑目標(biāo)之后，結(jié)合圖上作戰(zhàn)、以圖搜圖，以跨鏡追蹤的方式，對嫌疑目標(biāo)在范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行追查，迅速發(fā)現(xiàn)其活動軌跡及落腳點(diǎn)相關(guān)信息。

“即追-即控”，指的是在確認(rèn)嫌疑人落腳地信息之后，再基于視頻結(jié)構(gòu)化、人臉識別、車輛識別等技術(shù)，對重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)場所進(jìn)行重點(diǎn)實(shí)時(shí)布控。當(dāng)布控目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)觸發(fā)報(bào)警，并及時(shí)對嫌疑目標(biāo)進(jìn)行控制。

▲圖2 以圖搜人

▲圖3 360°結(jié)構(gòu)化目標(biāo)跨境追蹤

實(shí)時(shí)圖蹤基于Re-ID技術(shù)，通過即時(shí)檢索和快速響應(yīng)，對后臺海量監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)化分析，將產(chǎn)生的快照進(jìn)行存儲，一旦案件發(fā)生，能夠在已生成的視圖庫中快速定位目標(biāo)的時(shí)空信息，形成軌跡。

▲圖4 實(shí)時(shí)圖蹤

Re-ID+人臉技術(shù)新助力

人臉識別技術(shù)在安防領(lǐng)域已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用，但在很多實(shí)際場景中，人臉識別技術(shù)作用并不突出，很多攝像頭根本無法準(zhǔn)確抓拍到行人清晰的正面照。Re-ID作為人臉識別的補(bǔ)充，可以有效解決實(shí)際應(yīng)用中跨設(shè)備、跨場景的問題。

受限于視頻監(jiān)控探頭的安裝高度及密度，實(shí)際情況中拍到更多的是行人的頭頂、后腦勺或者側(cè)臉。其次，即便拍到人臉，也可能模糊不清。于是，基于公安機(jī)關(guān)的實(shí)戰(zhàn)要求以及多年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，提出一種卡視聯(lián)動技戰(zhàn)法，結(jié)合人臉識別和跨鏡追蹤（Re-ID）各自的特點(diǎn)及優(yōu)勢，以少量的人臉卡口加大量的普通監(jiān)控探頭的部署，既可鎖定嫌疑人身份，又能重現(xiàn)嫌疑人軌跡，這種創(chuàng)新的綜合型技戰(zhàn)法可以較大概率對監(jiān)控范圍進(jìn)行覆蓋，實(shí)戰(zhàn)價(jià)值極強(qiáng)，對安防行業(yè)具有顛覆性意義。

圖5 卡視聯(lián)動結(jié)構(gòu)圖

實(shí)戰(zhàn)案例及成果

案件一：盜竊車內(nèi)財(cái)物案

▲圖5 案件一視頻截圖

轄區(qū)內(nèi)發(fā)生多起車內(nèi)財(cái)物被盜事件，經(jīng)偵查，都是兩個(gè)騎電動車的男子所為，且卡口抓拍到一張嫌疑人較為清晰的圖片，但依然看不清人臉。

案發(fā)后，民警使用人臉系統(tǒng)排查嫌疑人身份，可能由于前面的人戴了鴨舌帽遮擋臉部又或者光線不夠等原因，在此案件中，人臉系統(tǒng)并未發(fā)揮作用。考慮到人臉系統(tǒng)無法有效尋找到犯罪嫌疑人，辦案民警使用跨境追蹤技術(shù)開始疑犯追逃工作。

▲圖6 案件一視頻截圖

▲圖7 案件一視頻截圖

▲圖8 案件一視頻截圖

▲圖9 案件一視頻截圖

▲圖10 案件一視頻截圖

通過錄像結(jié)構(gòu)化，查找嫌疑人蹤跡：因?yàn)榘赴l(fā)地點(diǎn)四通八達(dá)，在GIS地圖上框選通往各個(gè)方向的周邊36個(gè)點(diǎn)位，分析在案發(fā)時(shí)間半小時(shí)左右的錄像，使用Re-ID技術(shù)進(jìn)行以圖搜圖，僅用20多分鐘，就找到了一張疑似嫌疑人圖片，然后，再在新出現(xiàn)的位置附近查找，又接連找到第2張、第3張……通過視頻接力追蹤的方式，追蹤目標(biāo)軌跡，共找到6張嫌疑目標(biāo)圖片，隨后在地圖自動刻畫其軌跡，進(jìn)一步鎖定了嫌疑人的疑似活動方向。

案件二：盜竊三輪車案

2017年8月25日，受害人王某某報(bào)警稱：自己家門口的一輛電動三輪車被盜。經(jīng)了解，被盜三輪車為灰色“金彭”牌電動三輪車，現(xiàn)在價(jià)值2000余元錢，被盜時(shí)間為當(dāng)日14時(shí)-17時(shí)許。雖然受害者家地處四通八達(dá)的居民區(qū)，但民警、輔警仍通過大量視頻偵查工作，發(fā)現(xiàn)一名可疑男子。

▲圖11 案件二視頻截圖

視頻偵查

中心民警通過大量視頻偵查工作，發(fā)現(xiàn)一名可疑男子。該嫌疑人作案前騎自行車到達(dá)該區(qū)域，并且作案后駕駛盜竊到的電動三輪車向北逃離。視頻在線結(jié)構(gòu)化，尋找嫌疑人蹤跡

通過現(xiàn)場周邊大量監(jiān)控查找，發(fā)現(xiàn)嫌疑人16:40-16:57的軌跡。通過視頻結(jié)構(gòu)化，將嫌疑人騎自行車圖片在庫中自動搜索，描繪出嫌疑人15:06-16:30（作案前）在縣城三處的活動軌跡。

關(guān)聯(lián)信息，未發(fā)現(xiàn)蹤跡

通過視頻結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)提取監(jiān)控畫面，倒查嫌疑人活動軌跡，掌握嫌疑人前一天晚上已到網(wǎng)吧。通過網(wǎng)監(jiān)部門研判嫌疑人為虛擬身份，并未獲取有效信息。

▲圖12 案件二視頻截圖

案件反復(fù)研判，終現(xiàn)馬腳

將嫌疑人頭像在本地人臉識別庫中檢索，也未獲取有效信息。但是，在通過對之前有線索的案件進(jìn)行重復(fù)研判時(shí)，再次將嫌疑人頭像在本地動態(tài)人臉庫中檢索，發(fā)現(xiàn)嫌疑人正面頭像，在省人像比對庫中比對，鎖定嫌疑人為臥龍區(qū)候某。

▲圖13 案件二視頻截圖

結(jié)束語

隨著公安業(yè)務(wù)的迅速增長，公安部門迫切需要實(shí)戰(zhàn)效果顯著的視頻監(jiān)控技術(shù)，以此適應(yīng)復(fù)雜多變且精細(xì)具體的公安環(huán)境。跨鏡追蹤（Re-ID）技術(shù)滿足這一實(shí)戰(zhàn)需求，讓AI系統(tǒng)即使不看臉，也能通過衣物、發(fā)型、體態(tài)等信息，跨攝像頭、跨場景下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識別與檢索，在人臉被遮擋、距離過遠(yuǎn)時(shí)依舊可以從不同攝像機(jī)鏡頭中追蹤行人，通過將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，落地為應(yīng)用，取得一些很好的實(shí)戰(zhàn)效果。隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展以及不斷革新，其必將在公安工作中取得更加廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮更加顯著的效果。