毛曉東

(上海市公安局科技處，上海 200042)

責(zé)任編輯:任健男

公共安全是國家安全的重要組成部分，是人民安居樂業(yè)、是建設(shè)和諧社會(huì)的基本保證。公共安全的信息化是實(shí)現(xiàn)公共安全的基礎(chǔ)保障，是中國未來科技發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。多年來，公安機(jī)關(guān)借助社會(huì)信息化的發(fā)展，通過實(shí)施“金盾工程”、“平安城市”等一系列安防信息化的建設(shè)，在完善社會(huì)公共安全管理、維護(hù)社會(huì)安定團(tuán)結(jié)、健全社會(huì)治安防控體系、提高警務(wù)指揮等方面發(fā)揮了重要作用，特別是在視頻圖像的建設(shè)和應(yīng)用方面，全國各地的監(jiān)控探頭如雨后春筍般佇立起來，公安機(jī)關(guān)與社會(huì)單位監(jiān)控資源紛紛聯(lián)網(wǎng)，初步形成了遍布全國重要場(chǎng)所、道路交通、重點(diǎn)區(qū)域、敏感地帶等視頻防控信息系統(tǒng)，在進(jìn)行重大活動(dòng)、日常警務(wù)工作、公共安全管理、社會(huì)治安管理、突發(fā)事件處置、反恐處突等方面發(fā)揮了不可替代的重要作用，治安防控體系已具備雛形。

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會(huì)安全的危險(xiǎn)性和人民的安全意識(shí)也逐步提高。社會(huì)的公共安全形勢(shì)也變得越來越嚴(yán)峻。社會(huì)矛盾凸顯，影響社會(huì)和諧穩(wěn)定的各種因素日趨復(fù)雜多樣，社會(huì)公共安全領(lǐng)域中人流、車流、物流、信息流和意識(shí)流速度加快，對(duì)公共安全管理充分利用視頻防控信息技術(shù)維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、治安管理、打擊犯罪、反恐處突等工作提出了新要求、新挑戰(zhàn)、新思考［1］。

充分研究、應(yīng)用智能化的視頻防控信息技術(shù)，為增強(qiáng)公共安全管理工作的預(yù)見性、前瞻性、統(tǒng)籌分析判斷、科學(xué)動(dòng)態(tài)指揮、快速反應(yīng)處置，切實(shí)提高維護(hù)國家安全的能力、駕馭社會(huì)治安局勢(shì)的能力、處置突發(fā)事件的能力、為經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展服務(wù)的能力，提供強(qiáng)有力的視頻分析信息應(yīng)用技術(shù)支撐，已經(jīng)成為時(shí)代的要求和社會(huì)公共安全管理的實(shí)戰(zhàn)需要。

1 上海城市公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過改革開放30年，特別是近10年圍繞重大公共活動(dòng)(如奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)、世游賽等)安全保衛(wèi)的建設(shè)，上海市的政府部門、企事業(yè)單位，如金融、文化、商業(yè)、教育、醫(yī)院、化工、食品生產(chǎn)、居民小區(qū)以及報(bào)警服務(wù)企業(yè)等，陸續(xù)開展圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。尤其為確保2010年上海世博會(huì)的安全舉行，政府各委辦局根據(jù)各自業(yè)務(wù)需要，增加建設(shè)了大量監(jiān)控探頭，有效提高了公共區(qū)域和重點(diǎn)目標(biāo)的監(jiān)控覆蓋。在探頭數(shù)量與聯(lián)網(wǎng)規(guī)模上，上海城市圖像監(jiān)控系統(tǒng)的整體水平處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

盡管上海公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)已處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，但是與國際發(fā)達(dá)城市的水平相比、與迅速增長的平安城市安保要求相比，已有設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用還有一定距離和主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1)被動(dòng)式的人工監(jiān)看與分析。目前，公安專用監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)普遍采用人工重點(diǎn)實(shí)施觀看和突發(fā)應(yīng)急綜合指揮兩種基本的運(yùn)行模式。監(jiān)看人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況對(duì)重點(diǎn)部位的視頻進(jìn)行重點(diǎn)觀看，如果發(fā)現(xiàn)異常會(huì)及時(shí)通知、調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)周圍的民警進(jìn)行干預(yù)和處置。遇到重大突發(fā)事件或者重大社會(huì)活動(dòng)時(shí)，通過視頻監(jiān)控室了解現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)的重要手段。各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)在指揮中心進(jìn)行集中指揮，通過視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)全局事態(tài)直觀掌控。此外，公安實(shí)戰(zhàn)部門的視頻應(yīng)用模式還比較原始，基本依靠人工分析。在這種應(yīng)用模式下，無論是視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行人員還是一線的辦案民警，他們的工作量都非常大，不但視頻數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率非常低，而且案件辦理的成本非常高。

2)圖像分辨力較低，感興趣目標(biāo)的信息量不足。前端攝像機(jī)和后端的顯示設(shè)備以支持標(biāo)清為主，基本像素僅40萬左右(水平解析度約480線)，很難獲得感興趣區(qū)域的細(xì)節(jié)信息，例如犯罪嫌疑人面部特征、犯罪現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)和車牌等信息。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)的帶寬和存儲(chǔ)資源有限，錄像格式的分辨力通常較低，導(dǎo)致監(jiān)控視頻中大部分目標(biāo)圖像的分辨力較低，很難達(dá)到事后取證的要求。

3)缺乏智能應(yīng)用模式的探索?，F(xiàn)代城市呈現(xiàn)出的人口高度密集和流動(dòng)，車輛等交通運(yùn)輸系統(tǒng)繁忙，重大活動(dòng)多且參與人員廣泛，恐怖事件、突發(fā)事件和惡性案件復(fù)雜且頻發(fā)，犯罪行為和手段高明且隱蔽，城市范圍越來越大、城鄉(xiāng)滲透互動(dòng)發(fā)展迅速，信息傳播高度發(fā)達(dá)，科技發(fā)展速度快等特點(diǎn)，“異常事件”的發(fā)生和定義不斷發(fā)生變化，從而使得智能應(yīng)用的模式也要不斷變化和更新。目前帶有智能視頻分析的前端系統(tǒng)大多針對(duì)某種特定事件進(jìn)行探測(cè)，缺乏一種對(duì)異常事件的結(jié)構(gòu)化的描述及快速響應(yīng)的應(yīng)用模式。

4)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)混亂。目前，配備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，TC100標(biāo)委會(huì)、公安部等部門出臺(tái)了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，例如《城市監(jiān)控報(bào)警聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等十多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中的技術(shù)指標(biāo)、驗(yàn)收指標(biāo)等做出了較為系統(tǒng)的規(guī)定，構(gòu)成了有關(guān)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體系。但是對(duì)于視頻監(jiān)控設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只有數(shù)項(xiàng)，沒有構(gòu)成一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，使得目前監(jiān)控設(shè)備的研發(fā)和市場(chǎng)狀態(tài)較為混亂，設(shè)備兼容性差，建設(shè)單位在視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中研發(fā)設(shè)備原型的壓力和風(fēng)險(xiǎn)都很大。另外，目前對(duì)監(jiān)控設(shè)備的配備、操作和系統(tǒng)運(yùn)行等事關(guān)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和數(shù)據(jù)應(yīng)用效率等重要方面缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

因此，提高圖像質(zhì)量與帶有檢測(cè)識(shí)別預(yù)/報(bào)警功能的視頻監(jiān)控前端系統(tǒng)成為公安一線對(duì)圖像監(jiān)控技術(shù)升級(jí)的現(xiàn)實(shí)需求，有望推動(dòng)公安視頻信息化應(yīng)用的深度變革。

2 圖像監(jiān)控智能前端系統(tǒng)應(yīng)用模式分析

監(jiān)控前端作為視頻信息處理的第一個(gè)加工廠，在整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。目前大部分基于圖像的智能化分析多集中在后端的監(jiān)控中心，很少有前端系統(tǒng)帶有主動(dòng)感知異常的功能或者只針對(duì)簡(jiǎn)單場(chǎng)景，集成越線、區(qū)域入侵等簡(jiǎn)單的分析功能，這樣不僅響應(yīng)速度慢，而且不能有效緩解當(dāng)非異常情況發(fā)生也要進(jìn)行編碼傳輸?shù)牟僮?，造成了很大處理資源及網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。因此采用智能前端系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景，目前其主要的應(yīng)用模式主要分為4種，如圖1所示。

圖1 智能前端4種應(yīng)用模式

模式1的系統(tǒng)是在原有的非智能的監(jiān)控系統(tǒng)框架下增加智能視頻分析及主動(dòng)感知的功能，采用串行連接的方式，在探頭和編碼器之間增加一個(gè)智能視頻分析服務(wù)設(shè)備，使得智能視頻分析與編碼系統(tǒng)和探頭相對(duì)獨(dú)立，信號(hào)串行處理，這不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也造成了多設(shè)備交互的處理及響應(yīng)的延時(shí)。

模式2的系統(tǒng)從設(shè)備角度采用并行聯(lián)接的方式，攝像機(jī)探頭與智能圖像處理服務(wù)器和編碼器分開，并用某種硬件接口互聯(lián)，智能圖像處理服務(wù)器和編碼器對(duì)攝像機(jī)采集的圖像并行處理，相對(duì)獨(dú)立，大大阻礙了探頭、智能感知分析、編碼這3個(gè)部分的高效協(xié)同的工作機(jī)制。

模式3則將編碼和行為分析模塊結(jié)合在一起，減少了設(shè)備之間的交互操作，既節(jié)約系統(tǒng)處理時(shí)間，減低了成本，同時(shí)方便系統(tǒng)維護(hù);另一方面將兩個(gè)處理模塊結(jié)合在一起有利于智能感知分析、編碼兩部分高效協(xié)同的工作。

從技術(shù)角度而言，模式3也較為成熟，具有在實(shí)際場(chǎng)景中使用的能力。

模式4是一體化的智能前端模式，高度集成了視頻采集、分析、編碼和傳輸?shù)墓δ?，是智能前端未來發(fā)展的一個(gè)方向。目前受到硬件平臺(tái)處理能力的限制，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的智能分析功能。

智能前端編碼和行為分析模塊目前都有多種算法可以應(yīng)用，在選擇算法方案時(shí)，主要基于以下方面:

1)算法性能的評(píng)估。即編碼算法的壓縮效率和圖像質(zhì)量，行為分析算法的檢測(cè)準(zhǔn)確率。僅考慮算法性能，則編碼質(zhì)量和行為分析檢測(cè)率越高越好，但一般會(huì)造成算法復(fù)雜度的上升，進(jìn)而影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析性能，從而也需對(duì)算法復(fù)雜度進(jìn)行評(píng)估。

2)算法復(fù)雜度的評(píng)估。簡(jiǎn)單來說，即是算法的耗時(shí)和存儲(chǔ)單元的使用情況，對(duì)于智能前端來說，算法的復(fù)雜度不能影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析，一般而言算法復(fù)雜度的降低往往會(huì)帶來性能的下降。

因而在選擇算法方案時(shí)，要對(duì)性能和復(fù)雜度進(jìn)行折中，既要使算法性能滿足智能前端系統(tǒng)的需求，同時(shí)算法復(fù)雜度不能影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。定義代價(jià)比為，選擇的算法能使得λ越大越好，公式為

綜上所述，實(shí)際應(yīng)用中針對(duì)不同場(chǎng)景和目標(biāo)類型應(yīng)該選擇性能復(fù)雜度代價(jià)比高的方法。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析和挑戰(zhàn)

面向公安行業(yè)應(yīng)用的智能前端監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)和應(yīng)用上面臨著許多挑戰(zhàn)。需要解決以下幾個(gè)難點(diǎn)問題:

1)高準(zhǔn)確率、高穩(wěn)健性的信息提取。面對(duì)公安行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)，大多數(shù)的探頭將安裝在室外的公共場(chǎng)所，監(jiān)控的區(qū)域包括道路、多類重點(diǎn)目標(biāo)等。對(duì)這些場(chǎng)景的視頻分析面臨著各種實(shí)際的環(huán)境適應(yīng)性的挑戰(zhàn)，包括雨雪天氣變化、光照變化、樹木擾動(dòng)以及電器設(shè)備噪聲的影響，如何克服這些環(huán)境的干擾，高準(zhǔn)確率地提取信息是本系統(tǒng)要解決的一個(gè)難題［2］。

2)多種類型目標(biāo)的檢測(cè)。在城市公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)中，需要關(guān)注的目標(biāo)很多，類型也各不相同。例如目標(biāo)包括車輛(機(jī)動(dòng)車包括小型車、貨車、公交車，非機(jī)動(dòng)車包括自行車、三輪車、電動(dòng)車)，行人個(gè)體和群體(大尺度、中尺度、小尺度)等，如何在復(fù)雜環(huán)境中有效提取多種類型目標(biāo)的信息也是本項(xiàng)目要面臨的挑戰(zhàn)［3］。

3)高效、內(nèi)容自適應(yīng)的視頻編碼和傳輸。視頻編碼技術(shù)的進(jìn)步給高清監(jiān)控帶來了新的發(fā)展，有效緩解了高清視頻監(jiān)控在網(wǎng)絡(luò)帶寬、解碼顯示能力、存儲(chǔ)資源上遇到的瓶頸，成為了監(jiān)控行業(yè)全面高清化最有力的助推力量。

上海公安自建的探頭以固定探頭為主，尤其是今后“十二五”期間高清建設(shè)中也將保留這種前端固定探頭為主的模式。這樣視頻場(chǎng)景比較固定，大部分時(shí)間的視頻信息不需要重點(diǎn)關(guān)注，尤其是在夜間或非忙時(shí)階段，如何利用數(shù)字視頻智能分析的結(jié)果，有效地篩選感興趣目標(biāo)和區(qū)域并進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整碼率分配策略，達(dá)到高效編碼、傳輸和存儲(chǔ)的目的，是本項(xiàng)目要面臨的挑戰(zhàn)之一。

4)穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)備及實(shí)時(shí)的處理性能。本項(xiàng)目的智能前端系統(tǒng)設(shè)備需要安裝在被監(jiān)控目標(biāo)附近，通常在室外的配電設(shè)備箱中面臨著環(huán)境溫度、濕度變化、灰塵等惡劣條件。設(shè)備運(yùn)行時(shí)需要7×24 h不間斷工作，需要設(shè)備具有遠(yuǎn)程升級(jí)、自檢的功能以及工業(yè)級(jí)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性設(shè)計(jì)。另外，面向公安實(shí)時(shí)高清應(yīng)用的需求，設(shè)備需要具有高效快速的軟硬件處理能力。環(huán)境的適應(yīng)性需要比較復(fù)雜的智能分析算法來補(bǔ)償，而復(fù)雜的算法需要強(qiáng)大的處理能力，如何權(quán)衡現(xiàn)有的軟硬件處理能力和優(yōu)化算法的性能是本項(xiàng)目面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)。

5)符合公安實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的工作模式。上海公安擔(dān)負(fù)著上海國際化大都市的城市安全管理、治安防范等工作，其相關(guān)的業(yè)務(wù)要求圖像監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有圖像清晰、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠、易于管理和維護(hù)等特點(diǎn)。智能前端設(shè)備如何與探頭數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、應(yīng)用等系統(tǒng)協(xié)同工作的機(jī)制和模式是本項(xiàng)目需要解決的關(guān)鍵問題。

4 應(yīng)用前景分析

4.1 應(yīng)用條件

智能監(jiān)控在過去幾年一直未能真正實(shí)現(xiàn)普遍性商用，主要停留在小范圍，在特定行業(yè)的試用，分析其應(yīng)用受限的原因和條件，可以從圖像清晰度、算法的高效性和穩(wěn)健性、軟硬件平臺(tái)及應(yīng)用模式幾個(gè)方面進(jìn)行。

1)圖像高清晰度是實(shí)現(xiàn)智能前端應(yīng)用的前提條件。視頻圖像質(zhì)量低下而無法為智能分析提供基本素材，但這兩年隨著高清技術(shù)的逐漸普及，使得基于高清晰圖像實(shí)現(xiàn)智能分析成為可能且技術(shù)不斷成熟，大大提高了智能信息識(shí)別的精度。

2)算法的高效性和穩(wěn)健性是智能前端應(yīng)用的首要條件。智能前端編碼和行為分析模塊目前都有多種算法可以應(yīng)用，在選擇算法方案時(shí)，主要需要權(quán)衡算法的性能(包括檢測(cè)識(shí)別的準(zhǔn)確度和環(huán)境的適應(yīng)性)和算法的效率(實(shí)時(shí)性)。即選擇的算法方案既要使算法性能滿足智能前端系統(tǒng)的需求，同時(shí)算法復(fù)雜度不能影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3)嵌入式軟硬件系統(tǒng)的性能提升是智能前端應(yīng)用的必要條件。由于智能分析算法通常采用計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的知識(shí)，通常算法復(fù)雜度較高，采用高清視頻后，復(fù)雜度也將曾指數(shù)增長，所以嵌入式系統(tǒng)為主要設(shè)備形態(tài)的智能前端監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用也受到軟硬件平臺(tái)性能的限制。

4)行業(yè)的應(yīng)用模式是智能前端應(yīng)用的決定性條件。無論是何種技術(shù)，必須能在實(shí)際中面向應(yīng)用才能在市場(chǎng)上普及應(yīng)用。智能前端的商業(yè)應(yīng)用需要深入研究市場(chǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，以市場(chǎng)為導(dǎo)向，促進(jìn)智能前端技術(shù)的不斷推廣。

4.2 應(yīng)用前景

智能前端系統(tǒng)的研究可以對(duì)面向上海城市公共安全的智能監(jiān)控應(yīng)用提供必要的算法創(chuàng)新和技術(shù)儲(chǔ)備，同時(shí)為新型智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考方案。隨著智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)及嵌入式智能前端設(shè)備的市場(chǎng)推廣、大規(guī)模商業(yè)化進(jìn)程，可以促進(jìn)新的業(yè)務(wù)鏈的形成，有著廣闊的市場(chǎng)前景，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 總結(jié)

當(dāng)前，上海公安工作面臨的形勢(shì)發(fā)生了許多新變化，呈現(xiàn)出許多新特點(diǎn)。同時(shí)，科學(xué)技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速。結(jié)合上海公安工作的發(fā)展特點(diǎn)和科技與信息化工作的實(shí)際情況，充分發(fā)揮世博后續(xù)效應(yīng)，深入推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)、通信手段、圖像信息、數(shù)據(jù)共享、信息采集和安全等信息通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，滿足各類實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用對(duì)于信息通信基礎(chǔ)的需求。力求“十二五”期間把上海建設(shè)成以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主要特征的“智慧城市”，并努力使上海成為最安全的大都市之一。

［1］周立.關(guān)于社會(huì)公共安全視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)、管理及應(yīng)用的幾點(diǎn)思考［J］. 中國安防，2009(10):18－20.

［2］曾令卉.城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決方案［J］.電視技術(shù)，2012，36(5):131－133.

［3］尹曉華.智能監(jiān)控系統(tǒng)多目標(biāo)檢測(cè)跟蹤技術(shù)研究［D］.西安:西安交通大學(xué)，2006.