■陳文明

智能高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中智能分析的發(fā)展探索

■陳文明

智能高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的技術(shù)主要包括六部分，其中智能分析系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為系統(tǒng)的靈魂，并在未來主導(dǎo)智能高清攝像機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展。

瘋狂的市場(chǎng)，激情的市場(chǎng)，是創(chuàng)新改變了需求，還是需求贏得了市場(chǎng)，部分企業(yè)早在2006年前就已經(jīng)看到安防數(shù)字化這一趨勢(shì)，并致力于高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的研究與開發(fā)，逐漸引導(dǎo)行業(yè)高清智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)發(fā)展趨勢(shì)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，安防以及其它視頻應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)也不斷升級(jí)進(jìn)步，許多大型的、高端的視頻監(jiān)控項(xiàng)目，都選擇了高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，傳統(tǒng)的模擬攝像機(jī)的銷售急劇下滑，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的銷售份額卻快速增長(zhǎng)。從IT技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)來看，數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)是不可逆轉(zhuǎn)的?，F(xiàn)在的數(shù)字電視已經(jīng)完全取代了模擬電視成為主流，廣電部已經(jīng)宣布將在近期停播模擬電視，使得模擬電視將徹底消失。數(shù)字相機(jī)也取代模擬相機(jī)成為主流，并且數(shù)字相機(jī)幾乎人手一部，在短短的幾年時(shí)間里就完成了升級(jí)換代……

目前中國(guó)安防市場(chǎng)上的高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控市場(chǎng)，基本上還處于初級(jí)階段，各類芯片商、產(chǎn)品商、系統(tǒng)集成商、系統(tǒng)平臺(tái)商在高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控市場(chǎng)上的銷量還屬試水階段，高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的技術(shù)、系統(tǒng)都還處在不斷磨合完善時(shí)期。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)似乎與高清成了一對(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手的組合，在世界的安防市場(chǎng)上嶄露頭角并閃亮登場(chǎng)。作為高清視頻監(jiān)控最前端設(shè)備，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是提供視頻監(jiān)控的信源，將視頻進(jìn)行高清編碼和IP封裝，通過IP網(wǎng)絡(luò)來承載高清圖像，可實(shí)現(xiàn)高清監(jiān)視、錄像等監(jiān)控功能。從三網(wǎng)合一的下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGN）技術(shù)來看，廣播電視、電訊、互聯(lián)網(wǎng)、以及移動(dòng)寬帶等無線網(wǎng)絡(luò)將融合成下一代的互聯(lián)網(wǎng)。以包交換為特征的IP網(wǎng)絡(luò)，取代原有的以線路獨(dú)占式的傳輸網(wǎng)絡(luò)。它將是更加全面的覆蓋、并且無所不在。有線方面，將以光纖入戶（光進(jìn)銅退）為主，無線方面，則以WIFI+4G自動(dòng)切換為主。有線和無線的寬帶為視頻的傳輸提供了極大的便利條件，這是視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)。視頻監(jiān)控作為以視頻傳輸為核心的系統(tǒng)，也將融入這一大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，信息孤島必將被消除。這是因?yàn)椋瑥闹腔鄣厍颍ǔ鞘校┑挠^點(diǎn)來看，所有的信息都需要互聯(lián)互通，才能做出智慧的決策，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，不僅公安需要，應(yīng)急指揮需要，政府領(lǐng)導(dǎo)需要，相關(guān)單位如城管、消防、環(huán)保、水利等等都需要。當(dāng)然，訪問權(quán)限和安全性需要得到保障，但這不是信息孤島存在的理由借口?，F(xiàn)在，國(guó)家正在大力的推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，其基本的思想是“物物相連、感知中國(guó)”，也就是“更加全面的透徹的感知、更加全面的互聯(lián)互通、更加智慧的決策”。視頻以及將其直接接入互聯(lián)網(wǎng)的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，將作為人類信息的第一來源，必將在物聯(lián)網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中發(fā)揮更加宏大的作用。

智能高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)分析

智能高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)技術(shù)是一個(gè)高度技術(shù)密集型的技術(shù)，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展可以從清晰度和傳輸速度以及應(yīng)用情況等多個(gè)方面綜合來看，涉及到眾多的核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，要掌握這些核心技術(shù)、需要企業(yè)投入大量的人力、物力、時(shí)間和資金，需要積淀和積累，因此它也提高了行業(yè)進(jìn)入和競(jìng)爭(zhēng)的門檻。

它主要包括以下模塊：

圖像處理ISP（Image Signal Processing）

編解碼Codec（Video Coding and Decoding）

流媒體Streaming Media（如Iive555等）

網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)NVR

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)Video.Net

智能分析系統(tǒng)IVS（Intelligent Video Surveillance）

首先，最前端光學(xué)圖像信息的采集，涉及到光學(xué)、圖像傳感器（Optical Sensor）, 有CCD（Charge Couple Device）, CMOS（Complementary Metal-Dioxid Semi-Conductor）兩種主要類型，以及前端圖像處理，所謂的3A算法，自動(dòng)曝光（Auto-Exposure）、自動(dòng)白平衡（Auto-White-Balance）、自動(dòng)聚焦（Auto-Focus）等算法，以及一些色彩處理的算法、這些核心算法主要掌握在日本企業(yè)如Sony、日立、佳倫、Sharp等企業(yè)手中，一直對(duì)其他國(guó)家封鎖?！耙环N自動(dòng)聚焦方法及裝置、數(shù)碼攝像裝置”（國(guó)家發(fā)明專利，200910107998.4），研發(fā)出具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全系列前端傳感器、包括1080P的低照度、寬動(dòng)態(tài)等性能，取得重大突破，其效果直逼國(guó)外同類產(chǎn)品，并獲得了國(guó)內(nèi)、外的技術(shù)專家的高度關(guān)注。

在編解碼方面，國(guó)際上最新的標(biāo)準(zhǔn)目前是H.264, 它是視頻系統(tǒng)中核心部分，因?yàn)橐曨l，尤其是高清視頻，一秒鐘的視頻數(shù)據(jù)量可以達(dá)到幾個(gè)Gigabytes的級(jí)別，即使經(jīng)過精細(xì)的壓縮，它也占據(jù)了系統(tǒng)中絕大數(shù)的計(jì)算量、帶寬和存儲(chǔ)，因此，視頻壓縮技術(shù)是數(shù)字多媒體系統(tǒng)的核心技術(shù)。在H.264的基礎(chǔ)上，部分企業(yè)逐漸開展H.265（新的正在發(fā)展的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前已有初步的測(cè)試代碼），以及On2 Technoloyies的VPx 系列算法，以期獲得更高的解碼率。為適應(yīng)未來的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和窄帶的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上提出基于頻譜分級(jí)編碼算法（“基于頻譜的圖像分層編碼方法及系統(tǒng)”，發(fā)明專利，ZL200810062928）。

在應(yīng)用系統(tǒng)上， 更多的產(chǎn)品需要實(shí)現(xiàn)ONVIF協(xié)議，并可以與國(guó)外的一些主流平臺(tái)如Milestone、AXXONITV、DIGFORT、SEENERGY等實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，需要與主流的NVR，如國(guó)產(chǎn)?？?、威乾、臺(tái)灣的Nuuo、QNAP、ONSSI等NVR的對(duì)接，同時(shí)，與互信互通、華賽、科達(dá)等平臺(tái)的對(duì)接也很重要。

視頻智能分析技術(shù)分析

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的視頻智能分析技術(shù)。視頻分析作為高清監(jiān)控系統(tǒng)中智能功能實(shí)現(xiàn)的重要媒介，在高清監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中具備非常重要的地位，高清攝像機(jī)由于提供足夠的像素、從而提供更多的細(xì)節(jié)和特征，使得目標(biāo)的分類、甚至是識(shí)別成為可能。在用于監(jiān)控目的（非專業(yè)抓拍的）的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的抓拍圖片中，可以識(shí)別出比如人臉、車牌、行為等等。

現(xiàn)有的智能分析主要包括以下環(huán)節(jié)：

目標(biāo)檢測(cè)：目前的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)主要是采用基于高斯（或多高斯模型的）背景估計(jì)和背景減除的方法，這種方法在光線變化劇烈的環(huán)境（如繁華的街道，霓虹燈路口）等場(chǎng)合下，就會(huì)失效，這時(shí)采用基于特征的檢測(cè)方法才有可能工作。高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)就可提供足夠的像素和字節(jié)特征，可抵御光線變化帶來的干擾。目前的視頻分析技術(shù)，與傳統(tǒng)的移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)相比，主要進(jìn)步在于對(duì)一些規(guī)則運(yùn)動(dòng)的過濾，如樹的搖動(dòng)，水波浪的運(yùn)動(dòng)、噴泉等等，以及緩慢的光線變化等等。

目標(biāo)跟蹤：通過對(duì)連續(xù)視頻的目標(biāo)檢測(cè)，建立移動(dòng)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤，和辨識(shí)（建立目標(biāo)ID），才能進(jìn)行有效的行為分析。在目標(biāo)的跟蹤過程中，還要采用預(yù)測(cè)的方法，如線性預(yù)測(cè)、卡爾曼濾波、離子濾波，Mean-Shift等方法，才能建立較好的跟蹤，并解決目標(biāo)重疊和遮擋的問題。較高的像素特征，對(duì)于跟蹤效果也有大幅的提升

目標(biāo)的行為分析：在建立了目標(biāo)跟蹤的基礎(chǔ)上，才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的行為分析，如跨線，越界、進(jìn)入?yún)^(qū)域，退出區(qū)域、在區(qū)域內(nèi)徘徊、逆行、計(jì)數(shù)（流量統(tǒng)計(jì)）、物品消失、遺留物等等進(jìn)行檢測(cè)。

目前，視頻分析技術(shù)尚未得到廣泛的應(yīng)用，主要有以下原因：

用戶缺乏對(duì)視頻分析功能的理解，很多用戶并非專業(yè)人員，對(duì)視頻分析，甚至是安防產(chǎn)品的使用方法缺乏足夠的理解，不知道如何用好視頻分析來減輕用戶監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)擔(dān)。而智能分析技術(shù)的研發(fā)人員，則對(duì)用戶的實(shí)際需求不了解，從而造成智能分析技術(shù)與應(yīng)用需求的脫節(jié)。

目前缺乏低成本的產(chǎn)品與方案，雖然帶智能分析功能的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)已經(jīng)面市，但價(jià)格依然偏高，獨(dú)立的視頻分析盒會(huì)增加很多成本，后端的視頻分析軟件，只能對(duì)少數(shù)的攝像頭進(jìn)行分析，很難起到全面預(yù)警的作用。因此，智能分析將會(huì)集成在高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上面，這已經(jīng)沒有懸念。這將會(huì)大大降低視頻分析技術(shù)的成本，使得智能分析技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和普及。

智能分析技術(shù)應(yīng)用趨勢(shì)分析

隨著視頻分析技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品逐漸集成化，出現(xiàn)智能前置與智能后置兩種發(fā)展趨勢(shì)？我們認(rèn)為智能前置是主要的趨勢(shì)，因?yàn)?，在后端進(jìn)行分析，畢竟計(jì)算量有限，傳輸?shù)膸捰邢?，分析的視頻路數(shù)也有限，而現(xiàn)在的安防工程中，有大量的，數(shù)以幾千、幾萬、甚至幾十萬的攝像頭，是不可能用人力進(jìn)行監(jiān)視的。對(duì)于眾多現(xiàn)有的沒有智能分析功能的監(jiān)控系統(tǒng)，也可以將智能中置，也就是在前端的DVR、或NVR實(shí)現(xiàn)智能分析的功能。后端可根據(jù)前置、或中置的分析結(jié)果，作出一些宏觀的統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)測(cè)?？傊悄芊治龅哪康?，是減輕人類用眼睛監(jiān)視的負(fù)擔(dān)，過濾掉一些例行的、無關(guān)的視頻，提取值得關(guān)注的視頻場(chǎng)景，因此，智能前置應(yīng)該是必然的趨勢(shì)。

從應(yīng)用的場(chǎng)合來看，智能分析不僅用于安防監(jiān)控，同時(shí)，也可以用于企業(yè)或行業(yè)的管理。例如車牌識(shí)別，和人臉識(shí)別，可以用于卡口、門禁控制，特定的人或車進(jìn)出某個(gè)特定區(qū)域的統(tǒng)計(jì)。零售或業(yè)務(wù)處理的排隊(duì)長(zhǎng)度估計(jì)，辦事大廳人員密度的估計(jì)，以及商場(chǎng)、或倉庫的各時(shí)段、各區(qū)域顧客密度的統(tǒng)計(jì)等等，都可以讓管理人員及時(shí)做出相應(yīng)的管理調(diào)整。視頻分析需要在常規(guī)的智能分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)特定的應(yīng)用，甚至特定場(chǎng)合進(jìn)行特別的開發(fā)，而這些針對(duì)特定應(yīng)用的開發(fā)，從算法原理上，都會(huì)與通用的智能分析方法有根本的不同。例如，在指定的位置上，監(jiān)測(cè)是否有車輛通過，相當(dāng)于地感線圈的功能，也被稱為“虛擬線圈”，就不能用智能分析中跨線功能，其檢測(cè)率是達(dá)不到地感線圈的要求。北京大學(xué)深圳研究生院開發(fā)的“虛擬線圈”技術(shù)，就是采用的基于特征的檢測(cè)技術(shù)，經(jīng)過在安徽銅陵等地進(jìn)行的實(shí)況測(cè)試，達(dá)到甲方所期望的技術(shù)要求，并誕生了多項(xiàng)的專利技術(shù)，甚至包括了基礎(chǔ)的圖像處理的一些算法專利。再例如北京大學(xué)深圳研究生院與香港生產(chǎn)力促進(jìn)局合作開發(fā)的車載行人檢測(cè)算法，采用了HOG和HAAR特征相結(jié)合，在快速移動(dòng)和變化的背景下、完成對(duì)行人的準(zhǔn)確檢測(cè)與預(yù)警、并成功進(jìn)行了車載實(shí)驗(yàn)，得到香港創(chuàng)新署的高度認(rèn)可。

其實(shí)，智能分析的算法早在其它的領(lǐng)域，如工業(yè)制造中，就有許多的應(yīng)用，例如，加工零件的檢測(cè)、定位、以及位置的校準(zhǔn)，零件的識(shí)別與分揀、零件與產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)等等，屬于工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域，算法開發(fā)人員在專業(yè)的圖像處理平臺(tái)（提供基本的一些圖像分析的功能模塊）上，根據(jù)不同的應(yīng)用開發(fā)不同的智能分析算法，這對(duì)于智能高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的應(yīng)用來講，也許是一種啟示。德州儀器公司就提供這種圖像處理的芯片，提供基本的圖像處理功能，如目標(biāo)的提取、跟蹤、人臉檢測(cè)等等，具體的應(yīng)用算法將根據(jù)具體應(yīng)用來開發(fā)。這也將造就無窮無盡的個(gè)性化的產(chǎn)品，來服務(wù)不同的應(yīng)用需求。另外，智能檢索其實(shí)是一個(gè)非常重要的技術(shù)，盡管實(shí)時(shí)的智能分析可以起到某些預(yù)警的作用，但大多數(shù)情況下，都是事后調(diào)閱大量的錄像，這一工作量十分巨大。有時(shí)為了查閱這些錄像資料，公安部門不得不雇傭大量的人工來查詢，據(jù)報(bào)道、某市公安部門曾經(jīng)為搜索某個(gè)重大的案件、花了數(shù)月的時(shí)間，和大量的人力，來查閱相關(guān)視頻錄像，最后還是一無所獲。因此，在對(duì)視頻進(jìn)行壓縮和分析同時(shí)，就把某些智能分析所需要的特征存儲(chǔ)起來，并進(jìn)行一定程度的索引，采用如K-D樹等搜索技術(shù)，然后，可以根據(jù)不同的情況設(shè)置不同的搜索條件，對(duì)已經(jīng)儲(chǔ)存的特征進(jìn)行搜索，可以大大加快檢索的速度，同時(shí)提高檢索到相關(guān)事件的檢索率。還可以進(jìn)行多種設(shè)置條件下的組合檢索，多個(gè)攝像頭的組合檢索等等，由此可見智能檢索在智能分析中的重要性。

結(jié)束語

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，作為智能分析平臺(tái)的前端，使智能分析得到更加廣泛的應(yīng)用的和推廣，同時(shí)也進(jìn)一步促進(jìn)高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的發(fā)展，成為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)相對(duì)于模擬攝像機(jī)的一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。從近一兩年的趨勢(shì)來看，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的性能會(huì)進(jìn)一步提高，成本會(huì)進(jìn)一步降低，智能分析的技術(shù)會(huì)越來越成熟、應(yīng)用越來越廣泛、加之三網(wǎng)合一、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越來越成熟，從而使高清智能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)占據(jù)越來越多的市場(chǎng)份額。因此，我們將會(huì)看到，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的迅速崛起，必將導(dǎo)致又一次的從模擬到數(shù)字技術(shù)的升級(jí)與換代。

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