現(xiàn)代安防系統(tǒng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用研究

袁亞哲

摘要：傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)入侵技術(shù)雖然在設(shè)備配置和維護(hù)要求上比較簡單，但整個(gè)安防系統(tǒng)的安全性有限，且傳統(tǒng)的探測器往往是被動(dòng)檢測的，無法對(duì)布防區(qū)域的狀態(tài)展開綜合分析。數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展使得整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部具有存儲(chǔ)機(jī)制，可以對(duì)每一幀圖像信息進(jìn)行處理和壓縮，完成異常檢測，并將異常信息保存為特定格式的數(shù)據(jù)記錄。文章基于現(xiàn)代安防系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用模式，發(fā)揮其應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代安防系統(tǒng)；數(shù)字圖像處理技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP39中圖分類號(hào)? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼

0 引言

當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)邁入了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的智能時(shí)代，很多智能化的產(chǎn)品和設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。在全民安防概念深入人心的同時(shí)，數(shù)字圖像處理技術(shù)作為一種非常有效的安防輔助手段，在各個(gè)行業(yè)當(dāng)中扮演了關(guān)鍵角色。時(shí)至今日，數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，朝著交互化和綜合化的趨勢不斷推進(jìn)。因此，需要提升整個(gè)系統(tǒng)的功能和監(jiān)控性能，提升安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

1 現(xiàn)代安防系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)需求

1.1 系統(tǒng)綜合分析

在應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)之前，需要對(duì)現(xiàn)代安防系統(tǒng)的布設(shè)方案展開整體評(píng)估。安防系統(tǒng)最為普遍的防范措施就是配置各種類型的報(bào)警探測器，這類探測器的靈敏度較高，布設(shè)技術(shù)要求簡單，但也有一定的問題和缺陷。例如，為了達(dá)到較好的安防效果，需要在各個(gè)防范區(qū)域同時(shí)安裝探測器，因此布網(wǎng)范圍會(huì)較大。另外，傳感器監(jiān)測只能被動(dòng)地在入侵產(chǎn)生之后才能發(fā)現(xiàn)和報(bào)警，鑒別能力有限，并不能發(fā)揮聯(lián)動(dòng)監(jiān)控功能，無法用數(shù)據(jù)手段存儲(chǔ)關(guān)鍵信息證據(jù)。

未來的安防系統(tǒng)應(yīng)以智能化為根本要求自動(dòng)監(jiān)測區(qū)域，當(dāng)環(huán)境存在異常后可以及時(shí)報(bào)警，將異常信息傳達(dá)給用戶端采取止損措施，而不需要額外部署種類較多的安防設(shè)備。此外，安防系統(tǒng)要基于圖像處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等準(zhǔn)確檢測出異常入侵和區(qū)域入侵信息，不產(chǎn)生過多的漏報(bào)和誤報(bào)問題。在功能定制和功能擴(kuò)展方面，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求全部應(yīng)由用戶端進(jìn)行定制，既可以在小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，又可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行大規(guī)模遙控，系統(tǒng)不受地理位置和區(qū)域的嚴(yán)格限制［1］。

雖然在數(shù)字圖像處理技術(shù)的幫助下，整個(gè)安防系統(tǒng)能夠發(fā)揮應(yīng)有的功能和價(jià)值，但也要考慮可能存在的局限性，例如區(qū)域監(jiān)控范圍、系統(tǒng)擴(kuò)展能力和系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等。未來的數(shù)字監(jiān)控圖像系統(tǒng)將以視頻錄像為核心，充分利用數(shù)字視頻壓縮編碼技術(shù)取代傳統(tǒng)的圖像分割，能夠具備多模塊處理能力，提升性能的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的范圍。在經(jīng)過整合數(shù)字和模擬后，可獲取兼容性較高的系統(tǒng)平臺(tái)，真正意義上實(shí)現(xiàn)開放式的數(shù)字圖像監(jiān)控，也可以進(jìn)行多級(jí)視頻管理。

1.2 系統(tǒng)方案選擇和技術(shù)要求

以企業(yè)的安防標(biāo)準(zhǔn)來說，企業(yè)的安防系統(tǒng)需要視頻監(jiān)控和基礎(chǔ)的防火防盜監(jiān)控。傳統(tǒng)的系統(tǒng)配置了專門的攝像頭探測器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯冉K端設(shè)備，雖然技術(shù)要求較低，但安裝過程比較復(fù)雜，且調(diào)試難度較大，機(jī)動(dòng)性不足。此時(shí)，如果能夠采用基于人工智能或數(shù)字圖像處理技術(shù)的視頻分析算法，就可以在視頻監(jiān)控的同時(shí)分析是否存在盜竊或異常入侵等事件。

與此同時(shí)，現(xiàn)代企業(yè)的安防系統(tǒng)內(nèi)部要配置對(duì)應(yīng)的報(bào)警模塊。常見的報(bào)警系統(tǒng)信息傳輸方式有4種類型，即有線網(wǎng)絡(luò)傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、專線網(wǎng)絡(luò)傳輸、公共網(wǎng)絡(luò)傳輸。其中，有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟季€比較復(fù)雜，系統(tǒng)管理和系統(tǒng)維護(hù)難度較大；無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸范圍有限；專線網(wǎng)絡(luò)一般應(yīng)用于某些大型企業(yè)或工廠的報(bào)警信號(hào)傳輸。相比而言，公共網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以寬帶網(wǎng)為主，組網(wǎng)可單獨(dú)使用，具有較高的網(wǎng)絡(luò)普及率，適合現(xiàn)代安防系統(tǒng)的信息傳輸和監(jiān)控要求。在現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)化媒體監(jiān)控系統(tǒng)中，安防系統(tǒng)不僅要有高性能的監(jiān)控終端支持，同時(shí)要合理配備數(shù)字圖像處理技術(shù)和多媒體信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各類視頻信息、音頻信息和數(shù)據(jù)信息的傳輸。在這一方面，國外的研究起步時(shí)間較早，已經(jīng)配置了成熟的嵌入式攝像設(shè)備端口，采用性能良好的小波壓縮方法。隨著嵌入式技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更多高性能的芯片能夠在數(shù)字圖像處理方面起到關(guān)鍵作用。

為了提升安防系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)層面，通常會(huì)選擇數(shù)字圖像處理技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行綜合分析。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺理論開始被提及，通過圖像處理和圖像識(shí)別的方式，以機(jī)器為主體進(jìn)行視覺分析［2］。整體來看，圖像處理的大多數(shù)方法適用性廣泛，例如點(diǎn)運(yùn)算彩色技術(shù)和鄰域增強(qiáng)都有各自的應(yīng)用范圍，很多情況下，數(shù)字圖像處理技術(shù)還會(huì)與機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行配合，使計(jì)算機(jī)具有一定的自主學(xué)習(xí)能力，利用數(shù)據(jù)規(guī)律對(duì)未知數(shù)據(jù)和后續(xù)的活動(dòng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)測，隨著預(yù)測工作的經(jīng)驗(yàn)積累，預(yù)測結(jié)果的質(zhì)量將不斷提升。

1.3 系統(tǒng)模塊概述

從系統(tǒng)的整體要求來看，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的安防系統(tǒng)采用的是分布式結(jié)構(gòu)和獨(dú)立系統(tǒng)，每個(gè)用戶都有專門的組網(wǎng)模塊，可以在后期進(jìn)行定制和拓展。另外，基于隱私層面的要求，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，系統(tǒng)雖然會(huì)將數(shù)據(jù)直接保存在本地的PC設(shè)備上，但也可以設(shè)計(jì)專門的客戶端來進(jìn)行個(gè)性化定制。應(yīng)用視頻數(shù)據(jù)采集模塊、算法處理模塊、報(bào)警模塊和異常數(shù)據(jù)模塊，安防系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有效的人機(jī)信息交互，通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提供的信息，可以了解到設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備功能配置、監(jiān)控參數(shù)、存儲(chǔ)功能等。為了降低模塊之間的耦合，提升系統(tǒng)的可拓展性，在數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用過程中，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的功能劃分和層次劃分，以數(shù)據(jù)管控的方式，避免程序大規(guī)模冗余和模塊相互調(diào)用。

例如，在管理員成功登錄系統(tǒng)后，可以提出視頻錄像請(qǐng)求，通過定時(shí)錄像或手動(dòng)錄像的方式，獲取安防系統(tǒng)范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)信息，視頻存儲(chǔ)對(duì)象接收到錄像請(qǐng)求后，就會(huì)調(diào)用對(duì)應(yīng)的傳輸設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)備迎合該請(qǐng)求，然后基于事件本身向?qū)ο蠓祷匦畔⑻幚斫Y(jié)果，管理組件繼續(xù)將處理的結(jié)果重新反饋給用戶端，完成安防循環(huán)。無論是手動(dòng)錄像還是自動(dòng)定時(shí)錄像，其圖像功能和圖像價(jià)值不會(huì)產(chǎn)生沖突。

2 現(xiàn)代安防系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

基于系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)分析，可以將整個(gè)系統(tǒng)劃分為不同的模塊。須注意的是，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可直接通過電腦設(shè)置開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。

2.1.1 圖像采集模塊

數(shù)字圖像處理工作涵蓋的基礎(chǔ)工作就是圖像采集。攝像設(shè)備可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，將監(jiān)控視頻通過交換機(jī)傳輸給后臺(tái)系統(tǒng)，如果系統(tǒng)只有一個(gè)監(jiān)控設(shè)備，交換機(jī)可以省略傳輸過程將信息直接接入PC端。后臺(tái)得到視頻流后，會(huì)將視頻解析為一幀幀的圖像數(shù)據(jù)再進(jìn)行算法處理，如果后臺(tái)無法正確獲取視頻信息，就會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，讓用戶端檢查監(jiān)控設(shè)備和圖像采集模塊是否保持正常工作狀態(tài)。假設(shè)系統(tǒng)有多個(gè)攝像設(shè)備同時(shí)工作，系統(tǒng)會(huì)提取每個(gè)攝像設(shè)備所采集的視頻流幀數(shù)等詳細(xì)屬性，從視頻流中解碼出圖像二進(jìn)制數(shù)據(jù)［3］。每個(gè)攝像設(shè)備采集模塊獲得的共享數(shù)據(jù)都可以進(jìn)行預(yù)處理，包括展開圖像、縮放圖像灰度處理等，從而降低運(yùn)算數(shù)據(jù)量，保障系統(tǒng)工作效率。圖像采集技術(shù)在應(yīng)用過程中，能精確識(shí)別物體，將灰度圖像看作是圖像強(qiáng)度信息?？紤]到某些同類物體會(huì)有不同的顏色，所以系統(tǒng)涉及的圖像算法都會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理。

人機(jī)交互模塊的主要工作區(qū)域是安防系統(tǒng)的軟硬件功能部分，人機(jī)交互可直接控制報(bào)警模塊或其他關(guān)鍵模塊，以各個(gè)模塊和數(shù)據(jù)庫交互的方式減少模塊的直接調(diào)用，降低耦合度。

2.1.2 算法模塊

智能算法模塊是整個(gè)數(shù)字圖像處理技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)從數(shù)據(jù)采集模塊中獲取數(shù)字圖像信息，然后對(duì)圖像信息或視頻進(jìn)行算法分析。例如，在安防系統(tǒng)檢測到有火災(zāi)等自然災(zāi)害時(shí)，就可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生過程的火焰形狀、火焰靜態(tài)特征、火焰動(dòng)態(tài)特征、火焰顏色信息等進(jìn)行算法分析，從而正確識(shí)別出火災(zāi)的產(chǎn)生原因，減少區(qū)域內(nèi)再發(fā)生火災(zāi)的可能性。又如，在火災(zāi)尚未完全形成時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的煙霧，基于數(shù)字圖像的火災(zāi)煙霧探測方案，可以直接從圖像序列中識(shí)別對(duì)應(yīng)的煙霧信息，獲取煙霧顏色特征、背景模糊特征和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征等，在融合煙霧擴(kuò)散情況、煙霧顏色以及背景區(qū)域紋理后，更加準(zhǔn)確地提升煙霧識(shí)別率，提前做好火災(zāi)預(yù)防［4］。一般情況下，室內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定，對(duì)煙霧檢測產(chǎn)生的干擾有限，無法有效驗(yàn)證某些算法對(duì)疑似煙霧的判定能力，對(duì)此，可以考慮進(jìn)行系統(tǒng)性能測試，確定系統(tǒng)的異常響應(yīng)時(shí)間和精確度，確定系統(tǒng)是否會(huì)產(chǎn)生誤解現(xiàn)象。

2.1.3 報(bào)警模塊

在數(shù)字圖像系統(tǒng)檢測到異常后，就會(huì)通過報(bào)警的方式提醒用戶端，即便用戶本身距離較遠(yuǎn)，也可以將報(bào)警信息或現(xiàn)場圖片發(fā)送到指定用戶端。例如，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常后，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的燈光設(shè)備或遠(yuǎn)程遙控報(bào)警，產(chǎn)生對(duì)象威懾，某些安防系統(tǒng)還會(huì)與本地的警務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)撥打119或110。

2.1.4 數(shù)據(jù)模塊

當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常后，會(huì)按照用戶的配置要求，將異常發(fā)生階段和異常發(fā)生過程中的現(xiàn)場畫面或視頻資料進(jìn)行保存，按照時(shí)間順序縮放處理。如果存儲(chǔ)空間已滿，新的數(shù)據(jù)會(huì)覆蓋舊的數(shù)據(jù)，保證存儲(chǔ)空間的可重復(fù)利用。系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)會(huì)獲取當(dāng)前的設(shè)備信息和設(shè)備配置參數(shù)信息，所以系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫會(huì)將所有的設(shè)備功能列表和設(shè)備參數(shù)列表包含在內(nèi)。原則上，并不需要開啟所有的設(shè)備功能，因?yàn)楣δ荛_啟越多，系統(tǒng)負(fù)荷就越大，在確定整個(gè)安防系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)要求和運(yùn)行時(shí)間要求后，可基于系統(tǒng)精確度需求，保障系統(tǒng)性能的性價(jià)比，關(guān)閉一些作用較小的功能［5］。如果系統(tǒng)檢測到數(shù)據(jù)異常，整個(gè)數(shù)字圖像處理會(huì)以算法分析為基礎(chǔ)提供兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，一種是按照既有的時(shí)間段設(shè)定存儲(chǔ)信息，另一種是自由設(shè)定分辨率完成智能存儲(chǔ)。

2.2 數(shù)字圖像用戶管理模塊

在管理人員成功進(jìn)入安防系統(tǒng)后，可以得到對(duì)應(yīng)的維護(hù)信息和修改信息，將需要的信息發(fā)送給申請(qǐng)信息的對(duì)象。整個(gè)數(shù)字圖像處理技術(shù)在應(yīng)用過程中，除了可以完成用戶權(quán)限設(shè)定外，還可以對(duì)相同權(quán)限的用戶進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，或是建立分組設(shè)定權(quán)限，讓具有權(quán)限的用戶完成對(duì)應(yīng)的權(quán)限訪問。同時(shí)，用戶管理模塊還可以設(shè)置某些用戶對(duì)某些設(shè)備的專門管理權(quán)限，可根據(jù)需要自行選擇。

2.3 監(jiān)控模塊與錄像存儲(chǔ)

監(jiān)控模塊會(huì)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求確定監(jiān)控范圍，在進(jìn)行視頻監(jiān)控后，可以完成監(jiān)控信息反饋，管理組件按照請(qǐng)求的信息類型把對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的對(duì)象。在整個(gè)數(shù)字監(jiān)控模塊的前臺(tái)界面，可以對(duì)錄像存儲(chǔ)要求進(jìn)行管理，隨時(shí)查看錄像信息并將其下載到本地。無論是手動(dòng)錄像還是定期錄像，都可以指定錄像路徑或錄像內(nèi)容，或是在系統(tǒng)中設(shè)置定時(shí)聯(lián)動(dòng)功能和觸發(fā)功能，勾選報(bào)警模塊或布防模塊?，F(xiàn)階段，很多安防系統(tǒng)還要設(shè)置專門的音頻服務(wù)或會(huì)議服務(wù)功能。由此可知，整個(gè)監(jiān)控模塊和錄像存儲(chǔ)要求當(dāng)中要做好人員和區(qū)域入侵檢測、本地報(bào)警或遠(yuǎn)程報(bào)警檢測、圖像采集和視頻存儲(chǔ)等，整個(gè)監(jiān)控模塊和錄像存儲(chǔ)在滿足高精度的同時(shí)具有非常短的響應(yīng)時(shí)間，可達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求［6］。需注意的是，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用都要滿足一般的配置需求，否則會(huì)導(dǎo)致某些常用PC端或設(shè)備無法發(fā)揮良好的監(jiān)控能力，影響到安防系統(tǒng)的工作性能和參數(shù)等。

3 結(jié)語

基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的安防系統(tǒng)可通過人工智能算法等多個(gè)技術(shù)模塊，配置人員和區(qū)域入侵檢測、智能報(bào)警檢測等多項(xiàng)功能，且系統(tǒng)的精度高、反應(yīng)速度快，各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)。在確定整個(gè)系統(tǒng)的功能與性能需求后，可利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提出人機(jī)交互和數(shù)據(jù)應(yīng)用層面的策略方案。在將來的工作中，可考慮借助數(shù)字圖像系統(tǒng)把安防系統(tǒng)打造成智能化反饋系統(tǒng)，例如基于手機(jī)App開發(fā)遠(yuǎn)程控制功能或遠(yuǎn)程數(shù)字處理模塊，在不影響算法檢測準(zhǔn)確度的同時(shí)讓系統(tǒng)具備良好的應(yīng)對(duì)能力。

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（編輯 沈 強(qiáng)）

Application research of digital image processing technology in modern security system

Yuan? Yazhe

（School of Information Engineering，Zhengzhou Technology and Business University， Zhengzhou 451400， China）

Abstract： Although the traditional security system intrusion technology is relatively simple in equipment configuration and maintenance requirements， the security of the entire security system is limited， and traditional detectors are often passive detection， can not be deployed in the region of the state of comprehensive analysis. With the development of digital image processing technology， the whole system has a storage mechanism， which can process and compress every frame of image information to complete anomaly detection， the exception information is then saved as a data record in a specific format. This research will also analyze the application mode of digital image processing technology based on the technical requirements of modern security system， and bring its due economic and social benefits into play.

Key words： modern security system; digital image processing technology; application