幾種技術在視頻監(jiān)控中的應用

盧秋波 魏凱 2008/10/13

圖1 采用流媒體技術的視頻監(jiān)控示意圖

　　圖1 為采用流媒體技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構示意圖。網(wǎng)絡攝像機可以看成是一臺提供實時A/V源的服務器，當用戶請求進行實時監(jiān)視時，網(wǎng)絡攝像機采用實時流式傳輸方式向用戶終端傳送監(jiān)控畫面�？紤]到多個用戶同時訪問網(wǎng)絡攝像機將帶來流量瓶頸等問題，可以使用視頻服務器來進行中轉，讓視頻服務器來提供強大的負載能力。

　　以上只是原理性的簡要說明。上述方案可以滿足小型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但在大型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控前端設備與用戶終端的數(shù)目都非常龐大，除了增加考慮組播、廣播等方案外，更需要一套完善的媒體分發(fā)、調度機制來保證媒體的高效傳送。在這方面，目前尚無現(xiàn)成的成熟方案，中國通信標準化組織（CCSA）正對此展開積極研究，以便為未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供標準的媒體傳送機制。

三、Presence技術

　　提到Presence，大家首先想到的肯定是即時通信（IM）。而Presence技術與視頻監(jiān)控的結合似乎是一個比較新的提法。以傳統(tǒng)方式來思考，似乎兩者沒有太大瓜葛。其實不然，Presence可以很好地為服務于視頻監(jiān)控。

　　Presence，也作“Presence Information”，中文一般譯為“呈現(xiàn)”，用以傳達用戶狀態(tài)以及用戶通過一組設備進行通信的能力。Presence最常用于即時通信工具中，比如，在很多IM軟件中有：聯(lián)機、忙碌、離開、顯示為脫機等狀態(tài)。這些便稱為“Presence狀態(tài)”，它們表征了用戶當前所處的某種狀態(tài)。同時，這些狀態(tài)還反映出與該用戶與其他用戶進行通信的能力，比如若用戶處于“脫機”狀態(tài)的話，別的用戶便不能用即時消息與之通信。

　　一個最簡單的Presence過程如下：一個用戶（稱為Watcher）訂閱（SUBSCRIBE）他感興趣的另一用戶（Presentity）的Presence狀態(tài)，Presentity接受訂閱請求。以后Presentity的狀態(tài)發(fā)生變化之后他會發(fā)布（PUBLISH）自己的新狀態(tài)，這個新狀態(tài)會通知（NOTIFY）給Watcher。下圖給出的是RFC2778提出的Presence模型。

圖2 RFC2778 Presence模型

　　從系統(tǒng)的角度來看，視頻監(jiān)控中的各個監(jiān)控前端設備與IM系統(tǒng)中的用戶有很多相似之處，比如說，系統(tǒng)應時刻了解各監(jiān)控前端設備：

　�。�1）是否已登錄到系統(tǒng)；

　�。�2）具備什么樣的能力集（比如支持何種編碼方式，是否支持加密，是否支持遠程PTZ控制）；

　　（3）是否正在被用戶訪問，以及被哪些用戶訪問等等。

　　不難發(fā)現(xiàn)，以上這些“狀態(tài)”的維護正是Presence技術的擅長之處�？梢姡�如果能將Presence的技術成果運用到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，將會帶來很大的方便。

四、智能視頻技術

　　智能視頻監(jiān)控是網(wǎng)絡化視頻監(jiān)控領域最前沿的應用模式之一。

　　智能視頻（IV，Intelligent Video）源自計算機視覺（CV，Computer Vision）技術。計算機視覺技術是人工智能（AI，Artificial Intelligent）研究的分支之一，它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關系，從而使計算能夠通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內容。

　　視頻監(jiān)控中所提到的智能視頻技術主要是指：“自動的分析和抽取視頻源中的關鍵信息。”如果把攝像機看作人的眼睛，而智能視頻系統(tǒng)或設備則可以看作人的大腦。

　　建造視頻監(jiān)控系統(tǒng)的目的，一是為了視覺上的延伸——把處于別地的畫面通過網(wǎng)絡與設備“拉近”到眼前，因此有了遠程監(jiān)控；二是為了智力上的延伸——讓系統(tǒng)自動為我們分析問題并解決問題，于是有了智能監(jiān)控。當然，后者是更高層次上的要求，但也是視頻監(jiān)控今后發(fā)展的必然要求。

　　傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏智能，在很大程度上依賴于人的判斷。然而，人類有著自身難以克服的弱點，比如：

　　（1）人力有限，人的反應與處理速度有限，導致我們在指定的時間內能夠進行監(jiān)視的地點有限。這也就意味著各個被監(jiān)控點并非每時每刻都處于監(jiān)控當中。

　�。�2）人并非一個可以完全信賴的觀察者，無論是在觀看實時的視頻流還是在觀看錄像回放的時候，由于自身生理上的弱點，我們經(jīng)常無法察覺安全威脅，從而導致漏報現(xiàn)象的發(fā)生。

　　從上述分析來看，當開展大規(guī)模視頻監(jiān)控以后，智能監(jiān)控實際上已不是可有可無的裝飾品，而是系統(tǒng)所必備的一種能力。否則，巨大的投資將由于缺乏人力資源的跟進以及人類自身的弱點，而有可能變?yōu)橐环N浪費。

　　智能視頻技術可以在很多地方得到應用。比如：

　　高級視頻移動偵測：在復雜的天氣環(huán)境中（例如雨雪、大霧、大風等）精確地偵測和識別單個物體或多個物體的運動情況，包括運動方向、運動特征等。

　　物體追蹤：偵測到移動物體之后，根據(jù)物體的運動情況，自動發(fā)送PTZ控制指令，使攝像機能夠自動跟蹤物體，在物體超出該攝像機監(jiān)控范圍之后，自動通知物體所在區(qū)域的攝像機繼續(xù)進行追蹤。

　　人物面部識別：自動識別人物的臉部特征，并通過與數(shù)據(jù)庫檔案進行比較來識別或驗證人物的身份。此類應用又可以細分為“合作型”和“非合作型”兩大類�！昂献餍汀睉�用需要被監(jiān)控者在攝像機前停留一段時間，通常與門禁系統(tǒng)配合使用。 “非合作型”則可以在人群中識別出特定的個體，此類應用可以在機場、火車站、體育場館等安防應用場景中發(fā)揮很大的作用。

　　車輛識別：識別車輛的形狀、顏色、車牌號碼等特征，并反饋給監(jiān)控者。此類應用可以用在被盜車輛追蹤等場景中。

　　非法滯留：當一個物體（如箱子、包裹、車輛、人物等）在敏感區(qū)域停留的時間過長，或超過了預定義的時間長度就產(chǎn)生報警。典型應用場景包括機場、火車站、地鐵站等。

　　交通流量控制：用于在公路上監(jiān)視交通情況，例如統(tǒng)計通過的車數(shù)、平均車速、是否有非法�？�、是否有故障車輛等等。

五、無線傳輸技術

　　如果被監(jiān)控點和中央控制中心相距較遠且位置較分散，利用傳統(tǒng)網(wǎng)絡布線的方式不但成本非常高，而且一旦遇到河流山脈等障礙時，有線網(wǎng)絡更是束手無策。此時，無線網(wǎng)絡的優(yōu)勢就能體現(xiàn)出來。利用無線網(wǎng)橋技術，可以將多個被監(jiān)測點與中央控制中心連接起來，且搭建迅速，可以在最短的時間內迅速建立起無線網(wǎng)絡鏈路。

　　在無線監(jiān)控系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡主要扮演連接被監(jiān)控點和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸鏈路的角色。通過無線網(wǎng)絡可以將遠程的多個監(jiān)控點設備連接起來，進行視頻傳輸；同時，由于監(jiān)控系統(tǒng)對視頻質量要求較高，如何在無線網(wǎng)絡中傳輸穩(wěn)定高質量的視頻信息也是無線數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)中需要解決的關鍵技術之一；此外，從工程實現(xiàn)的角度考慮，橋接設備往往安裝在室外，如何對這些設備進行遠距離供電以及設備管理也是值得關注的問題。

六、紅外熱成像技術

　　人眼能夠感受到的可見光波長為0.38～0.78微米。紅外線屬于波長大于0.78微米的電磁波。自然界中，一切物體都會輻射不同波長的紅外線，因此能夠利用特制的探測設備分別檢測出監(jiān)控目標本身和背景之間的紅外線波長，從而可以得到不同的紅外圖像，這紅外圖像稱為熱圖像。

　　采用紅外熱成像技術，探測目標物體的紅外輻射，并通過光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備被稱為紅外熱成像儀。

　　紅外熱成像儀在視頻監(jiān)控中的應用舉例：

　　1．夜間及惡劣氣候條件下的目標監(jiān)控

　　夜晚，需可見光工作的設備已經(jīng)不能正常工作，如果采用人工照明，則容易暴露目標。若采用微光夜視設備，它同樣也工作在可見光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動接受目標自身的紅外熱輻射，無論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，因而觀測效果差，但紅外線的波長較長，特別是工作在8～14um的熱成像儀，穿透雨、霧的能力較強，因此在夜間以及惡劣氣候條件，采用紅外熱成像監(jiān)控設備仍可以正常地對各種目標進行監(jiān)控。

　　2．防火監(jiān)控

　　由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備，因此除了夜間可以作為現(xiàn)場監(jiān)控使用外，還可以作為有效的防火報警設備。很多火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現(xiàn)有的普通方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災苗頭。而應用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準確判定火災的地點和范圍，透過煙霧發(fā)現(xiàn)著火點，做到早知道、早預防、早撲滅。

　　3．偽裝及隱蔽目標的識別

　　偽裝是以防可見光觀測為主，犯罪分子作案時通常會隱蔽在草叢及樹林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺錯覺，容易產(chǎn)生錯誤判斷。紅外熱成像儀是被動接受目標自身的熱輻射，人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此不易偽裝，也不容易產(chǎn)生錯誤判斷。

七、結束語

　　視頻監(jiān)控實際上是一個非常龐大復雜的通信系統(tǒng)，涉及到方方面面的各種技術。以上列舉的是筆者認為相對比較重要的一些技術。所有這些技術都在不斷發(fā)展之中，它們的發(fā)展直接推動著視頻監(jiān)控技術的發(fā)展。

《中國多媒體通信》