智能視頻監(jiān)控技術(shù)在水利樞紐工程中的應(yīng)用

張 夏，張 洋

（海河水利委員會(huì)水利信息網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300170）

近年來，視頻監(jiān)控技術(shù)在水利樞紐上的普及應(yīng)用，為水利樞紐管理部門提供了直觀圖像，進(jìn)而提高了水利樞紐工程運(yùn)行維護(hù)的效率。目前，大多數(shù)水利樞紐的視頻監(jiān)控方式都是采用視頻攝像頭獲取被監(jiān)控場景信息，然后利用人工實(shí)時(shí)監(jiān)視或者軟件目的性監(jiān)測的方式進(jìn)行。這種監(jiān)控方式一是人為因素影響較大；二是絕大部分的數(shù)據(jù)只是作為事后證據(jù)記錄，很大程度上失去了監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具有的實(shí)時(shí)性和預(yù)防性；三是后期的查詢數(shù)據(jù)量大，提取歷史圖像需要大量的人力去瀏覽；四是原始數(shù)據(jù)未經(jīng)處理直接存儲(chǔ)，長時(shí)間的靜止監(jiān)視對象的視頻耗費(fèi)了大量的存儲(chǔ)資源，并沒有提供有效的參考價(jià)值；五是與監(jiān)視對象的周邊環(huán)境不能有效的聯(lián)動(dòng)。

水利管理部門要求工程精細(xì)化管理，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了更多的要求：在海量的數(shù)據(jù)中快速有效地查詢到有用的圖像；在樞紐的重點(diǎn)管理區(qū)域能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，提高預(yù)警能力，提醒和幫助監(jiān)控人員；在復(fù)雜的環(huán)境下（例如夜晚低照度下）要求攝像頭能夠基本還原閘門啟閉情況；避免人為因素，減少誤報(bào)漏報(bào)情況等等。結(jié)合上述需求，在北方海河流域某水閘工程中應(yīng)用了智能視頻監(jiān)控技術(shù)，有效地滿足了水利管理部門的要求。

1 智能視頻監(jiān)控技術(shù)概述

智能視頻（Intelligent Video）技術(shù)源自計(jì)算機(jī)視覺（Computer Vision）與人工智能（Artificial Intelligent）的研究。智能視頻監(jiān)控是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對視頻信號(hào)進(jìn)行處理、分析和理解，在不需要人為干預(yù)的情況下，通過序列圖像自動(dòng)分析對監(jiān)控場景中的變化進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，在異常情況發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)或提供有用信息，有效地協(xié)助有關(guān)人員進(jìn)行處理，并最大限度地降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。其工作的基本原理，如圖1 所示。用戶可以通過在不同攝像機(jī)的場景中預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控工作站自動(dòng)彈出報(bào)警信息并發(fā)出警示音，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的場景重組并采取相關(guān)措施。

圖1 智能視頻監(jiān)控原理

智能視頻監(jiān)控分為三類，具體為視頻分析類、視頻識(shí)別類和視頻優(yōu)化類。

智能視頻監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有前端嵌入式、后端軟件分析和前后端相結(jié)合的方式3種。

2 案例分析

2.1 北方海河流域某水閘工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)概況

某水閘工程位于北方海河流域內(nèi)的某河主槽上，由節(jié)制閘（9 孔閘）和船閘組成。其工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)共有22 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，前端設(shè)備采用720P 高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，設(shè)備選型為瑞典AXIS 公司P 系列攝像頭。所有攝像頭均采用POE 供電方式。前端攝像頭采集的視頻信息通過光纖傳輸?shù)街锌厥遥锌厥遗渲靡曨l服務(wù)器和硬盤錄像機(jī)，采用集中式IPSAN 存儲(chǔ)方式，通過DLP 屏顯示圖像。上級(jí)主管部門通過連接到中控室的微波通信傳輸通道調(diào)用圖像。

2.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)在樞紐中的應(yīng)用

北方海河流域某水閘工程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用DSP 嵌入方式和NVR 軟件算法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)的。其中，前端DSP嵌入攝像頭中，在監(jiān)控前端對視頻進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和聯(lián)動(dòng)；后臺(tái)NVR 軟件根據(jù)需要對傳送至工控機(jī)的圖像進(jìn)行算法處理。智能視頻分析的內(nèi)容很多，在該項(xiàng)目中主要應(yīng)用如下幾種。

2.2.1 視頻缺失、鏡頭遮擋檢測

該監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測因攝像機(jī)工作異常（損壞、遭人為惡意破壞）或視頻傳輸環(huán)節(jié)故障而引起的視頻缺失或者遮擋，并同步向管理人員發(fā)出聲音報(bào)警，并在報(bào)警數(shù)據(jù)庫中記錄時(shí)間標(biāo)簽。

2.2.2 區(qū)域入侵檢測

北方海河流域某水閘工程啟閉機(jī)房是重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，為防止無關(guān)人員進(jìn)入機(jī)房，并且查看啟閉機(jī)操作人員是否規(guī)范操作，利用了區(qū)域入侵檢測技術(shù)。入侵檢測技術(shù)是利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的智能視頻分析原理，首先在攝像機(jī)監(jiān)視的場景范圍內(nèi)按需設(shè)置警戒區(qū)域，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測入侵到警戒區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并根據(jù)設(shè)置規(guī)則條件啟動(dòng)報(bào)警。

一旦有人員進(jìn)入啟閉機(jī)房，系統(tǒng)會(huì)向管理人員發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)觸發(fā)錄像。由于該錄像是重要取證錄像，根據(jù)管理部門要求，通過設(shè)置攝像頭參數(shù)可以做到觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)前25 s開始錄像。入侵拌線設(shè)置，如圖2所示。

圖2 入侵拌線設(shè)置示意

2.2.3 移動(dòng)偵測

移動(dòng)偵測是通過攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像被處理器按照一定算法進(jìn)行計(jì)算和比較，當(dāng)畫面有變化時(shí)，計(jì)算比較結(jié)果得出的數(shù)字會(huì)超過閾值并指示系統(tǒng)能自動(dòng)作出相應(yīng)的處理。移動(dòng)偵測技術(shù)在北方海河流域某水閘工程應(yīng)用于監(jiān)視閘門的啟閉情況。一旦閘門處于上升或下降狀態(tài)，攝像頭會(huì)根據(jù)規(guī)則設(shè)置（攝像頭移動(dòng)偵測規(guī)則設(shè)置及示意如圖3 所示，白色框內(nèi)為移動(dòng)偵測區(qū)域）向NVR 發(fā)送報(bào)警信息，提醒管理人員進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)際上，閘門大多數(shù)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，長時(shí)間的靜止畫面的錄像沒有任何參考價(jià)值。因此，利用移動(dòng)偵測的規(guī)則可以同時(shí)觸發(fā)錄像，可以有效地節(jié)省錄像存儲(chǔ)空間。區(qū)域入侵和移動(dòng)偵測的錄像屬于報(bào)警錄像，錄像時(shí)長較短。

圖3 攝像頭移動(dòng)偵測規(guī)則設(shè)置及示意

2.2.4 移動(dòng)手機(jī)終端

為方便管理部門移動(dòng)查看的需要，定制了移動(dòng)手機(jī)客戶端，客戶端使用安卓2.0版本以上智能手機(jī)，通過3G訪問NVR。移動(dòng)客戶端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 移動(dòng)客戶端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客戶端軟件主要功能有：實(shí)時(shí)監(jiān)看，采用H.264和JPG 格式；回放任意攝像機(jī)錄像視頻；PTZ 控制；報(bào)警管理等。移動(dòng)客戶端截圖和設(shè)置截圖，如圖5所示。

圖5 移動(dòng)客戶端截圖和設(shè)置截圖

2.2.5 圖像可用性

通過對多個(gè)工程中的圖像效果分析，發(fā)現(xiàn)大多時(shí)候的視頻并沒有滿足管理部門的實(shí)際需要，往往在查看圖像時(shí)大失所望。因此，在本工程中特別提出了圖像的可用性，它是指攝像機(jī)能夠拍攝出滿足監(jiān)控需求的圖像。圖像的可用性也是圖像優(yōu)化的內(nèi)容。像素和鏡頭的選擇、安裝的位置、周邊的光線環(huán)境，季節(jié)變化下的不同場景等等都會(huì)影響到圖像的可用性。

在充分了解管理部門需求的基礎(chǔ)上，對該監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭監(jiān)控等級(jí)進(jìn)行細(xì)化。監(jiān)視閘室下游遠(yuǎn)景的攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別要求為認(rèn)識(shí)，監(jiān)視閘室、閘門狀況和出入口情況的攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別為識(shí)別，監(jiān)視辦公院內(nèi)攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別為偵測級(jí)別。監(jiān)控級(jí)別以偵測最低、識(shí)別最高，根據(jù)不同的監(jiān)控級(jí)別設(shè)置不同的規(guī)則。在工程中，為了確保圖像的可用性以及圖像的最優(yōu)化，采取以下主要措施。

（1）動(dòng)態(tài)帶寬。動(dòng)態(tài)帶寬是指攝像機(jī)根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化而自動(dòng)調(diào)整錄像圖像的幀數(shù)，以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)情況。該監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖傳輸，其理論傳輸帶寬足夠滿足攝像機(jī)錄像傳輸所需帶寬的要求。但是考慮到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的交換能力，在攝像頭前端依舊配置了動(dòng)態(tài)帶寬，這樣可以有效地保證控制室內(nèi)圖像連續(xù)穩(wěn)定。攝像機(jī)動(dòng)態(tài)帶寬配置，如圖6所示。

圖6 攝像機(jī)動(dòng)態(tài)帶寬配置示意

（2）寬動(dòng)態(tài)。寬動(dòng)態(tài)是當(dāng)場景過亮或過暗時(shí)，攝像機(jī)能夠?qū)鼍斑€原出清晰影像的一種技術(shù)。寬動(dòng)態(tài)主要用于攝像機(jī)監(jiān)視對象周邊的亮度比攝像機(jī)周邊強(qiáng)很多的情況。攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)配置如圖7 所示，寬動(dòng)態(tài)配置前后效果對比如圖8所示。

圖7 攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)配置

圖8 寬動(dòng)態(tài)配置前后效果對比

（3）低照度。該閘的攝像機(jī)有時(shí)需要在夜間也就是低照度環(huán)境下工作。根據(jù)有關(guān)資料，在滿月明凈的夜晚下光線指標(biāo)為0.25 Lux。大多時(shí)候，北方天氣的夜晚下的光線要比0.25 Lux 低很多。在工程中，采用了AXIS 中特有的“覓光者”技術(shù)，能夠在0.15 Lux 下正常工作。“覓光者”技術(shù)是通過鏡頭、背照式CMOS 傳感器（傳統(tǒng)的是正照式）、DSP 芯片計(jì)算以及抑噪處理來實(shí)現(xiàn)的。普通攝像機(jī)和“覓光者”攝像機(jī)圖像對比，如圖9所示。從圖9可以看出，“覓光者”攝像機(jī)可以有效地還原現(xiàn)場實(shí)際場景。

圖9 普通攝像機(jī)和覓光者攝像機(jī)圖像對比

但是，“覓光者”攝像機(jī)并不是萬能的，為獲得更好的畫面質(zhì)量，在使用“覓光者”攝像機(jī)時(shí)仍需要做大量的前期工作。在收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)后，與管理部門溝通，確認(rèn)攝像機(jī)夜晚工作的幾個(gè)要點(diǎn)：攝像機(jī)在夏天、秋天時(shí)工作的重要性要大于冬天和春天；在汛期調(diào)度時(shí)啟閉機(jī)房會(huì)給閘門攝像機(jī)提供微弱照明；辦公樓院內(nèi)值班室外晚上會(huì)提供20 W 節(jié)能燈照明；部分?jǐn)z像機(jī)需要在全黑狀況下工作。

根據(jù)以上要點(diǎn)，確定攝像頭需要遵循的幾個(gè)原則：安裝位置避免光線死角；盡量距離收集環(huán)境光特別是周邊路燈和監(jiān)控區(qū)域越近越好；盡量選擇F 值低的鏡頭；將曝光控制調(diào)節(jié)設(shè)置在75。

在完全黑暗情況下工作的攝像機(jī)，必須采用外部補(bǔ)光技術(shù)。常用的外部補(bǔ)光有紅外線和外部光源。由于紅外線補(bǔ)光對監(jiān)控對象的還原失去色彩，所以在工程中采用外部光源方式。為避免出現(xiàn)手電筒效應(yīng)，需要調(diào)整補(bǔ)光燈的角度，將燈光打到監(jiān)控對象旁邊具有漫散射性的物體上。

2.2.6 圖像存儲(chǔ)和檢索查詢

圖像的存儲(chǔ)和檢索查詢是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能。智能化的存儲(chǔ)和檢索查詢不但可以降低工程運(yùn)行成本，還可以有效地提高管理部門工作效率。

（1）圖像存儲(chǔ)。該樞紐視頻圖像采用集中存儲(chǔ)方式，圖像存儲(chǔ)時(shí)間為15 d。對管理部門和運(yùn)行維護(hù)人員來說，存儲(chǔ)資源和業(yè)務(wù)需求永遠(yuǎn)是相矛盾的，但兩者都希望能在有效的存儲(chǔ)空間內(nèi)存儲(chǔ)更多必需的、有效的信息。因此，選擇合適的存儲(chǔ)策略可以有效地提高存儲(chǔ)能力。

在該工程中，主要采用了以下存儲(chǔ)策略，有連續(xù)錄像、計(jì)劃錄像、移動(dòng)偵測錄像、報(bào)警事件錄像和變幀錄像。根據(jù)不同的監(jiān)控要求，采取不同的存儲(chǔ)策略。例如，出入口攝像機(jī)采取連續(xù)錄像和變幀錄像，閘門攝像機(jī)采取移動(dòng)偵測錄像和報(bào)警事件錄像等。

（2）檢索查詢。該工程中對圖像的檢索查詢，是指事件發(fā)生時(shí)管理人員可實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地通過事件發(fā)生地的攝像機(jī)對事件情況進(jìn)行關(guān)注。因此，將檢索查詢按需分為實(shí)時(shí)檢索查詢和錄像檢索查詢。

實(shí)時(shí)檢索查詢就是快速定位攝像機(jī)。首先將22 個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行編號(hào)和命名，然后按照區(qū)域管理原則，根據(jù)攝像機(jī)分類建立不同的管理區(qū)，如閘門區(qū)、辦公區(qū)、外景區(qū)等。這樣可以通過攝像機(jī)編號(hào)和命名、管理層級(jí)以及模糊查詢來快速定位攝像機(jī)。

錄像檢索查詢主要通過時(shí)間線、報(bào)警事件進(jìn)行檢索查詢。在時(shí)間點(diǎn)和報(bào)警事件不準(zhǔn)確的情況下，可以將一段時(shí)間的錄像等分切成幾十片，或從某個(gè)時(shí)刻開始以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行切片，生成數(shù)十張縮略圖，再通過縮略圖進(jìn)行畫面的快速檢索。

錄像回放是幫助管理人員對已經(jīng)發(fā)送的事件進(jìn)行確認(rèn)和查證。在錄像回放中，采用高效定位的時(shí)間線方式，錄像回放時(shí)間線示意如圖10所示。從圖10 可以看出，時(shí)間線上用不同的區(qū)域表示該時(shí)段內(nèi)不同的事件發(fā)生狀況，包括攝像機(jī)內(nèi)SD 卡斷線回補(bǔ)、圖像有動(dòng)態(tài)變化（以及動(dòng)態(tài)變化有無報(bào)警信息），圖像基本靜止不需太多關(guān)注。管理人員可以根據(jù)時(shí)間線的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速查詢。

圖10 錄像回放時(shí)間線示意

3 結(jié)語

隨著光電信息技術(shù)、視頻分析技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)庫、人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化視頻系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。由于智能視頻分析是基于監(jiān)控目標(biāo)和圖像的邏輯關(guān)系的，相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，智能監(jiān)控系統(tǒng)具有毫秒級(jí)的反應(yīng)時(shí)間，可以大大提高工作效率，同時(shí)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)檢索和分析功能等特點(diǎn)。智能視頻監(jiān)控技術(shù)在北方海河流域某水閘工程上的應(yīng)用，很好地滿足了水利管理部門的實(shí)際需求。實(shí)踐證明，這一技術(shù)在今后水利工程（含水閘和水庫）乃至流域管理中都具有很好的推廣價(jià)值。