智能視頻監控系統的設計與應用

徐力鈞

（悉地國際設計顧問有限公司，上海200235）

0 引言

視頻監控技術隨著計算機、網絡、芯片、物聯網、云計算、大數據等技術的發展而飛速發展，從模擬系統到數字化、網絡化，再到高清化、集成化，產品不斷升級、系統結構不斷變化、功能不斷完善、應用領域也不斷擴展。

智能視頻監控系統是在計算機視覺的基礎上，利用模式識別和機器學習等人工智能的方法，對采集到的視頻進行實時處理或離線分析處理，從而達到目標檢測和事件特性分析的目的。智能監控系統有十分廣泛的應用前景，目前已成為計算機視覺研究領域的熱點。

1 智能視頻監控系統的架構

智能視頻監控系統主要由三部分組成：前端設備、傳輸網絡和監控中心。

前端設備是系統的“視聽器官”，包括攝像機、鏡頭、拾音器、防護罩等；傳輸網絡是系統的“神經網絡”，必須保證系統上下通暢，不受或少受干擾；監控中心是整個系統的“大腦”，包括視頻服務器（DVS）、網絡錄像機（NVR）、視頻內容分析單元（VCA）、中央管理平臺（CMS）、存儲設備、解碼顯示設備等。

智能視頻監控系統采用全分布式結構，不受空間的限制，并具有抗干擾能力。智能管理軟件能夠實現視頻資源的管理、傳輸、調用、存儲、報警等功能。

2 前端設備選型設計

2.1 視頻采集質量要求

（1）能夠獲取并傳輸不同分辨率的實時視頻。針對光線不好的場景，通過紅外補光或星光級感光成像使圖像更加清晰。

（2）夜間監控場景中，采用強光抑制技術來解決前照燈的照明問題，有效抑制強光點直接照射引起的視頻圖像模糊。

（3）可以動態調整采集參數，如亮度、對比度、飽和度、3D降噪和視頻的寬動態。

2.2 網絡攝像機（IPC）

網絡攝像機也叫IP攝像機，簡稱IPC，是智能視頻監控系統的核心硬件設備，它采用嵌入式架構，集成了各種功能，如視頻音頻采集、信號處理、編碼壓縮、智能分析、緩沖存儲及網絡傳輸等，是真正的即插即用設備。

網絡攝像機與模擬攝像機之間存在一定的差異，對于模擬系統，設計的重點主要在施工布線上，如矩陣位置、線纜敷設、供電方式等；對于網絡攝像機，通常只需要一個網絡接口。因此，設計的重點不在于安裝，而是在網絡與存儲的設計上，要考慮存儲系統在網絡架構中的位置，并需要考慮占用的帶寬。

2.3 前端攝像機選型

應根據不同應用場景的不同監控要求，選擇不同類型或者不同的攝像機組合，如用戶需要監控場景的智能分析功能，則可以選擇帶智能分析功能的攝像機，或者選擇可以與智能分析后端設備相結合的攝像機。室內公共區域可以選擇半球型攝像機；室外可以選擇快球一體攝像機；大場景可以采用多攝像機協同監控。在照度很低并需要24 h監控的環境，需要選擇低照度攝像機；在高溫、嚴寒等惡劣環境，需要選擇溫度適應范圍更寬的攝像機，并配備合適的防護罩。

視頻監控系統通常包括表1中的目標監控要求。

不同場景的監控要求 表1

3 傳輸網絡設計

隨著網絡管理技術的不斷進步和發展，網絡設計已朝著扁平化方向發展，中小型網絡采用核心層、接入層的二級網絡設計，其優點是無收斂節點、組網簡單、提升網絡傳輸效率。大型網絡較多采用核心層、匯聚層、接入層的三級網絡設計，能夠提供滿足相應要求的傳輸帶寬，且具有路由冗余的能力。為了便于未來的擴展和升級，需要根據模塊化、結構化的原則設計監控網絡。

3.1 有線網絡

前端設備匯聚連接到交換機有三種方法：直接接入模式（距離100m以內）、光纖收發器的點對點光纖接入模式，點對多點光纖PON接入方式。

網絡視頻監控系統的數據流，主要包括實時視頻預覽及存儲數據流，音頻、控制數據流等其他數據流相對而言可以忽略，在規劃和計算帶寬時，主要考慮的就是兩類視頻數據流的路徑、大小及數量規模。

為確保視頻圖像的高質量傳輸，在帶寬使用時需要充分考慮余量。核心交換機連接到接入交換機的網絡使用光模塊進行傳輸，帶寬需要達到千兆以上，大型系統需要達到萬兆；光纖收發器到接入交換機之間的帶寬以及光纖收發器之間的帶寬都需要達到百兆。傳輸網絡結構示意圖如圖1所示。

3.2 無線網絡

圖1 傳輸網絡結構示意圖

當實際應用環境限制無法規劃有線傳輸設備時，可使用無線傳輸，此外，移動監控設備也需要采用無線網絡進行數據回傳。無線網絡傳輸模式主要包括移動通信網絡、寬帶無線傳輸、微波傳輸等，可根據實際情況合理選擇。

（1）移動通信網絡（3G／4G）傳輸方式

對于移動監控、移動終端應用和大規模覆蓋場景，目前可選擇3G／4G傳輸方式。系統設備主要包括無線IPC、無線NVR和交換機等。因網絡速度和流量費用的原因，實際使用的項目還不多，期待即將到來的5G網絡，可以提供更高的帶寬和更低廉的資費，從而更大程度的促進視頻監控的全域覆蓋。無線匯集接入方式如圖2所示。

圖2 無線匯集接入方式

（2）寬帶無線傳輸方式

寬帶無線傳輸主要采用WiFi技術，覆蓋范圍廣，室外傳輸距離約為300m，有障礙的室內傳輸距離約為100m，室外的無線傳輸可采用無線網橋方案，當兩個局域網之間存在障礙物時，使用無線中繼，實現兩點之間的無線橋接。

目前，很多安防設備都支持Wi-Fi接口，如網絡攝像機、視頻服務器等，在WiFi網絡的覆蓋區域內，它可以實現車輛等移動物體的實時定位和移動視頻監控等安防應用。

4 監控中心設計

監控中心是整個視頻監控系統人機交互最多的地方，是整個系統的核心，實現了對所有視頻圖像資源的統一調度和管理。大量的視頻瀏覽、回放視頻請求均由監控中心發出。監控中心通常由網絡錄像機、監視器、客戶工作站等設備構成。

4.1 網絡錄像機（NVR）

網絡錄像機簡稱NVR，是智能視頻監控系統的存儲轉發單元，與視頻編碼器或網絡攝像機配合工作，完成視頻的錄像、存儲與轉發。網絡錄像機是真正的數字化、網絡化的系統，具有良好的集成能力，無論在視頻的互聯互通方面，還是與其他的安防子系統的融合上，都比較靈活方便。

存儲空間計算：每路視頻存儲容量（TB）＝［視頻碼流（Mb）×60s×60min×24h×存儲天數／8 ］ ／1024／1024。

總存儲容量＝每路碼流大小×總路數×總存儲時間

表2為采用H.264算法編碼的視頻存儲空間需求舉例，近幾年已開始推廣應用H.265編碼標準，H.265編碼標準極大緩解了高清視頻流傳輸的網絡帶寬壓力，同等的畫面質量僅需要H.264編碼標準帶寬的一半，也節省了存儲空間。

存儲空間需求表（H.264算法編碼） 表2

4.2 視頻內容分析單元（VCA）

VCA（Video Content Analysis）技術是一種基于目標跟蹤技術的視頻分析技術，它使用背景分離技術來檢測圖像變化。視頻分析實質是人工智能的一部分，可以在原始的成百上千的攝像機中提取出異常視頻，進而自動報警、顯示及存儲錄像。

視頻分析技術目前有兩種主要的架構方式：一種是基于后端的服務器方式，另一種是DSP方式。雖然架構方式不同，其工作實質還是各個廠家開發的核心算法，區別僅僅是算法運行的平臺不同。實際應用中應根據項目的規模、用戶的需求、網絡建設等具體情況進行選擇。

視頻分析產品的集成性很重要，只有當其有效集成到整個監控平臺上去，才能充分發揮其最大的效能，讓安保人員及時發現異常情況并快速處理。

4.3 視頻解碼與圖像顯示

在智能視頻監控系統中，視頻的解碼與圖像顯示是最終的環節，所有的視頻圖像在經歷了編碼、傳輸、存儲之后，解碼顯示才是用戶的最終應用界面。

大屏幕拼接顯示系統，可以實現整屏畫面任意分割、開窗漫游等拼控功能，目前已在大型項目中廣泛應用。根據顯示單元的工作方式，主要有兩種類型：LCD、LED平板顯示單元拼接系統和DLP、激光等投影顯示系統。其中，激光投影顯示技術具有無拼接、更節能、色域寬等特點，將成為未來高端顯示的主流。幾種大屏幕拼接系統比較如表3所示。

5 智能視頻監控系統的特色技術應用

5.1 視覺物聯網應用

視覺物聯網是指通過視覺傳感器（攝像機）獲取圖像、圖片信息，然后進行視覺標簽的提取，通過網絡傳輸、信息處理、智能分析，建立起跨攝像機、時間、空間的視覺標簽的提取與關系，進而進行管理與決策。視覺物聯網應用概念見表4。

幾種大屏幕拼接系統比較 表3

視覺物聯網應用概念 表4

視覺物聯網目前已在天網工程、雪亮工程、智能交通、安全生產、金融財保等領域內有了廣泛的應用。安防技術已經從事后查證向事前預警前移，人臉識別、異常行為分析、客流統計、物體特征識別等智能化應用有效地防止各種事件的發生；視頻濃縮、視頻摘要檢索等技術也提高了事后處理的效率和質量。此外，大數據應用下的云存儲和云計算也為構建新一代的安防系統提供有力的保障。

5.2 熱成像技術應用

熱成像攝像機具有熱點檢測功能，當其監控的場景內出現火點時，熱成像攝像機可以及時捕獲火點，快速報警，達到提前火災報警防范的效果。熱成像攝像機的安裝不受任何光照環境的約束，方便且可靠。

熱成像攝像機將傳統的被動式防火模式升級成主動式報警模式，在第一時間發現火源并且提示報警。測溫線熱成像設備更是可以在到達起火點前就觸發報警，在還未起火前即可通知相關人員進行處理，防火效率極高。

5.3 鷹眼技術應用

部分大區域場景會遇到監控覆蓋不全的現象，用多個監控也不能做到完全覆蓋并且多個監控圖像不能進行無縫拼接，星光級全景網絡高清智能攝像機（鷹眼攝像機）可同時提供全景與特寫畫面。

全景攝相機從產品形態上來說有采用超短焦鏡頭的單攝像機形態和基于多鏡頭組合的多攝像機組合形態。目前一般采用鏡頭拼接方式生成全景圖像，動態拼接需要滿足視頻觀看無延時的要求，因而對拼接算法的實時性要求很高。

全景球機集成了行人檢測技術和PTZ跟蹤技術。實際應用中，可采用槍球聯動系統，攝像頭采用一個廣角槍機（焦距固定）和一個PTZ球機（又稱主動攝像機），其中廣角槍機負責寬廣視野內的目標檢測，PTZ球機可以對關注目標聚焦放大并持續跟蹤。

圖3 全景球機拍攝效果

6 結束語

GB 50348-2018《安全防范工程技術標準》提出了風險防范規劃的理念，明確了安全防范工程應針對風險進行攻防對抗設計。智能視頻監控系統的設計沒有固定公式，這也是其有別于其他智能化系統的明顯的地方，為了達到項目的需求，可能有不同的實現方式，關鍵在于：在有效的成本限制條件下，對項目的具體情況進行分析，選擇配置合適的產品及架構，并最大限度地發揮其效能。