羅萬杰， 曾昭龍， 李培岳， 劉 建

(1.中國人民公安大學安全防范系，北京 102600;2.石家莊市新華區(qū)檢察院，河北石家莊 050051)

0 引言

隨著“平安城市”、“智慧城市”建設(shè)的快速推進，很多省市都在構(gòu)建以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為核心的治安防控指揮平臺，每個城市的重點地域都安裝了監(jiān)控攝像機，積攢了豐厚的視頻監(jiān)控資源。但這些資源的利用率較為低下是目前實際應(yīng)用中普遍存在的問題，主要表現(xiàn)在無法對由多個監(jiān)控攝像機所覆蓋的場景及周邊環(huán)境進行整體的全景實時監(jiān)控，從而無法獲取目標在全場景中的行為軌跡［1］。

全時空立體智能監(jiān)控平臺是利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控圖像資源，整合重點區(qū)域的圖像、圖紙、安全防范等級等信息，基于視頻信息的目標行為模式智能感知、計算機視覺、三維建模與虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，構(gòu)建滿足社會安全防范需求的可視化平臺。此平臺可將部署在重點區(qū)域的前端攝像機作為視頻傳感器，超越依賴分鏡頭監(jiān)控的傳統(tǒng)管理和指揮模式，直觀地將處在不同位置、具有不同視點視角的分鏡頭監(jiān)控圖像實時智能地拼接到三維復雜真實場景中，在一個畫面中實現(xiàn)對整體監(jiān)控范圍的實時全局監(jiān)控，從而實現(xiàn)對重點地區(qū)或重點區(qū)域大場景的全局監(jiān)控和智能分析，具有全方位、全空間的安全態(tài)勢感知和應(yīng)急反應(yīng)協(xié)調(diào)功能，目前正逐漸在各行業(yè)的安全防范、大型綜合交通樞紐的智能監(jiān)控、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域展開應(yīng)用，將會成為新一代智能監(jiān)控的重要工具［2］?；谖倚－h(huán)境構(gòu)建全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)并開發(fā)相關(guān)實訓項目，可使學生在熟悉的環(huán)境中快速掌握全時空立體智能監(jiān)控的功能，學習智能視頻監(jiān)控技術(shù)，提高現(xiàn)場指揮調(diào)度能力。

1 全時空立體智能監(jiān)控實訓教學系統(tǒng)的構(gòu)建

以監(jiān)控場景及建筑物的全方位三維立體模型為基礎(chǔ)，利用已有前端監(jiān)控點，通過在后臺監(jiān)控中心設(shè)置高性能集群式立體監(jiān)控控制器，并輔以定制開發(fā)立體監(jiān)控專用軟件系統(tǒng)，全時空立體智能監(jiān)控平臺可將現(xiàn)實世界中的監(jiān)控視頻無縫融合在數(shù)字三維全真模型中。通過將部署在重點區(qū)域的前端網(wǎng)絡(luò)攝像機作為視頻傳感器進行實時拼接融合，從而超越依賴分鏡頭監(jiān)控的傳統(tǒng)管理和指揮模式，真正實現(xiàn)全場景時空融合環(huán)境下實時立體智能監(jiān)控。

1.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

目前基于我校環(huán)境構(gòu)建的全時空立體智能監(jiān)控平臺是一個驗證性質(zhì)的演示平臺，三維全真模型可離線生成，所以平臺的硬件構(gòu)架相對比較簡單，由管理主機、前端攝像機、集成監(jiān)控中心、千兆以太網(wǎng)交換機和顯示屏組成，如圖1所示。

前端攝像機為日夜型高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，可滿足24小時監(jiān)控需要，并輸出實時數(shù)字視頻，保證全景實時拼接能在清晰度較高的數(shù)字圖像基礎(chǔ)上進行。所有前端攝像機通過千兆以太網(wǎng)交換機接入系統(tǒng)主干網(wǎng)，集成監(jiān)控中心把各前端攝像機的實時視頻流匯聚到中心監(jiān)控矩陣，實現(xiàn)場景視頻拼接的整體實時效果。管理主機中的圖形工作站是視頻圖像管理系統(tǒng)，具有集中接收和發(fā)送、備份和存儲視頻圖像的功能。

圖1 全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)拓撲圖

1.2 前端攝像機的部署

全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)前端攝像機的部署是以校園內(nèi)已建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸路由和安全防范系指揮中心實驗室為基礎(chǔ)，以便于圖像能夠?qū)崟r拼接并融合成為大場景監(jiān)控為原則，在東配樓頂外圍將5臺720P HD高清網(wǎng)絡(luò)攝像機呈U型設(shè)計部署，如圖2所示，構(gòu)成如圖3所示的實際防范區(qū)域，主要包括:1號監(jiān)控點位于東配樓頂西側(cè)偏南，防范區(qū)域為主樓門前及主樓前東西馬路;2號監(jiān)控點位于東配樓頂西南角，防范區(qū)域為學校大門及大門外馬路，實現(xiàn)與1號監(jiān)控點防范區(qū)域有限重合;3號監(jiān)控點位于東配樓頂南側(cè)中間稍偏西位置，防范區(qū)域為東配樓南側(cè)東西向馬路，實現(xiàn)與2號監(jiān)控點防范區(qū)域的有限重合;4號監(jiān)控點位于東配樓頂東南角偏南，防范區(qū)域東配樓南側(cè)東西向馬路，實現(xiàn)與3號監(jiān)控點防范區(qū)域的有限重合;5號監(jiān)控點位于東配樓頂東北角，防范區(qū)域為東配樓東側(cè)南北向馬路，實現(xiàn)與4號監(jiān)控點防范區(qū)域的有限重合。

1.3 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

一個基本的全時空立體智能視頻監(jiān)控平臺由三維全真建模服務(wù)、視頻接入、立體全息監(jiān)控基礎(chǔ)服務(wù)、立體全息監(jiān)控應(yīng)用、全景智能分析等5個子系統(tǒng)組成。平臺為模塊化設(shè)計，5個子系統(tǒng)即是5個獨立的功能模塊，每個模塊實現(xiàn)各自的功能任務(wù)，各模塊之間的操作連接就可構(gòu)成完整的平臺。各模塊功能如下［3］:

圖2 攝像機部署及防范區(qū)域示意圖

圖3 實際防范區(qū)域示意圖

1)三維全真建模服務(wù):該部分實現(xiàn)對所布控區(qū)域附近自動三維全真重建，重建得到的三維全真場景模型是實現(xiàn)后續(xù)立體全息監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2)視頻接入系統(tǒng):該系統(tǒng)實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)攝像機數(shù)據(jù)的接入控制、解碼、壓縮和轉(zhuǎn)發(fā)功能，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)攝像機型號做定制開發(fā)，并將其轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的TS流格式，方便后續(xù)處理。

3)立體全息監(jiān)控基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng):實現(xiàn)全景式三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺的基本控制與管理，用于驅(qū)動立體監(jiān)控場景及動態(tài)視頻，為實現(xiàn)平臺可視化功能和視頻存儲提供基礎(chǔ)服務(wù)。

4)立體全息監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng):實現(xiàn)用戶資源管理、平臺立體全息的漫游、巡航、地圖、反向關(guān)聯(lián)和歷史回溯等主要功能。

5)全景智能分析系統(tǒng):根據(jù)實際的業(yè)務(wù)需求，定制開發(fā)針對監(jiān)控全場景的智能分析功能，如跨鏡頭追蹤、人流車流統(tǒng)計、對特定區(qū)域的目標異常行為進行基本檢測。

全時空立體智能監(jiān)控平臺將處在不同位置、具有不同視點視角的分鏡頭監(jiān)控視頻實時動態(tài)的拼接融合到三維模型中，在一個畫面中實現(xiàn)對整體監(jiān)控范圍實時全局監(jiān)控。圖4的右上角為4路前端攝像機采集的視頻圖像用傳統(tǒng)4畫面顯示的效果;右下角則是將這一區(qū)域內(nèi)安裝的多個攝像畫面實時動態(tài)的拼接融合到三維模型中，實現(xiàn)了這一區(qū)域的整個場景的實時全局監(jiān)控。操作人員無須了解具體監(jiān)控攝像機位置及其覆蓋區(qū)域，也無需進行畫面切換操作，即可在整體區(qū)域內(nèi)完成跨鏡頭多區(qū)域?qū)崟r跟蹤可疑目標，進而達到及時發(fā)布報警信息、根據(jù)事態(tài)發(fā)展推演預(yù)案、及時處置各種突發(fā)事件的目的。

圖4 全時空立體智能監(jiān)控顯示

1.4 系統(tǒng)的主要功能及優(yōu)勢

1.4.1 全局漫游

系統(tǒng)提供在全時空立體智能監(jiān)控環(huán)境里自由漫游的功能。全景圖像顯示為監(jiān)控場景的三維立體模型和嵌入的監(jiān)控圖像，通過視點移動，可實現(xiàn)在各種視點視角監(jiān)看場景內(nèi)的實時動態(tài)圖像，及時準確的判斷可疑目標的位置以及目標周邊場景的狀況。這樣就很好的解決了原有分鏡頭視頻監(jiān)控模式下的諸多弊端，如:只能從鏡頭所在的視點監(jiān)看圖像，任何兩路視頻圖像之間沒有任何聯(lián)系，只有對周圍環(huán)境十分熟悉的值機人員才能知道所拍攝的位置等。

圖5 目標檢測與跟蹤

1.4.2 路徑巡航

系統(tǒng)提供自定義巡航路線功能。系統(tǒng)可自動按照事先定義好的路徑、視角監(jiān)看全場景，也可以隨機調(diào)整線路和視角來監(jiān)看全場景中的任意局部場景。

在分鏡頭視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由矩陣完成不同視頻圖像的切換顯示，連續(xù)切換的視頻圖像在實際環(huán)境中并沒有地理位置的關(guān)聯(lián)與聯(lián)系，這有可能造成顯示遺漏，同時還要求監(jiān)看人員熟記每一個攝像機的位置信息及其覆蓋范圍，以快速反應(yīng)看到的圖像場景與實際的環(huán)境場景的對應(yīng)關(guān)系。而全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)可以自動地按照路徑巡視，不需要進行任何人為切換，只要攝像機的監(jiān)控范圍相對場景覆蓋完整，則不會造成遺漏，因而攝像機的位置信息及其覆蓋范圍對操作人員來說是透明的。

1.4.3 檢測與跟蹤

系統(tǒng)可在全場景中跨鏡頭自動跟蹤目標?；谶\動檢測，通過識別目標的獨立特征，由系統(tǒng)對鎖定目標進行視覺效果判選，系統(tǒng)將自動調(diào)用顯示最佳可視化信息，在三維整體大場景下跨鏡頭鎖定目標，實現(xiàn)可疑目標的自動連續(xù)跟蹤(如圖5所示)。

1.4.4 歷史回溯

系統(tǒng)在支持三維場景實時可視化的同時，保存的分鏡頭歷史視頻也可重建到三維場景里，形成三維場景的歷史視頻可視化，從而實現(xiàn)三維場景的全景還原回溯，可方便地對歷史事件進行全時空正向或反向播放搜索。

在分鏡頭監(jiān)控系統(tǒng)中，還原可疑目標案發(fā)前的運動軌跡是件極其耗時而艱難的工作，需要以發(fā)現(xiàn)可疑目標的監(jiān)控圖像為原點，以可能的活動半徑為范圍，全方位反向反復查看所有的視頻資料，尋找可疑目標的運動軌跡，這是難以估量的工作量。在本系統(tǒng)中，只要前端攝像機的監(jiān)控范圍對全場景覆蓋良好，那么通過時空的關(guān)聯(lián)對比，系統(tǒng)自動將拼好的圖像反向播放，可以直接顯示出可疑目標的行動軌跡并進行軌跡跟蹤。

2 基于全時空立體智能監(jiān)控平臺的實訓教學設(shè)計

2.1 實訓教學的目的

基于全時空立體智能監(jiān)控平臺進行實訓教學，意在使學生能夠全面了解全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成、軟件平臺的操作方法，基本掌握如何將前端攝像機監(jiān)控范圍進行全景融合、如何找到視頻信息之間的聯(lián)系、如何提取真正有價值的視頻圖像信息，從而實現(xiàn)視頻監(jiān)控從“看得清”到“看得懂”的理念提升;掌握全時空智能視頻分析技術(shù)，實時感知態(tài)勢進程、分析威脅程度，最終達到具備實戰(zhàn)決策指揮能力的目的。

2.2 實訓項目及實現(xiàn)方法

2.2.1 平臺基本功能實現(xiàn)及操作訓練項目

1)實訓目的。本實訓項目的設(shè)計目的是:了解全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)、了解全時空立體智能監(jiān)控平臺各模塊的功能，熟悉實現(xiàn)平臺基本功能的操作方法并能進行基本功能的演示。

2)實訓步驟。首先，點擊全時空立體智能監(jiān)控平臺的圖標進入該系統(tǒng)，顯示屏出現(xiàn)預(yù)設(shè)視點、沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)、全景式導航區(qū)、監(jiān)控視頻源、動態(tài)視頻顯示區(qū)5大區(qū)域，如圖6所示。然后等待沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)的加載完畢，顯示三維模擬圖像，用鼠標右鍵點擊系統(tǒng)左上方的按鈕點擊擴展全屏，在擴展屏顯示沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)的三維模擬圖像。

圖6 系統(tǒng)操作界面

①場景漫游中鼠標與鍵盤操作規(guī)定練習(略)

②基本功能實現(xiàn)的操作方法

進入網(wǎng)絡(luò)攝像機監(jiān)控區(qū)域有兩種方法。第一種是從沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)內(nèi)初始位置或者圖像所在任意位置直接雙擊你所要觀看的網(wǎng)絡(luò)攝像機，沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)會從你所在位置漫游到該網(wǎng)絡(luò)攝像機所在區(qū)域，這種方式耗時較長，可以觀測從漫游起始位置到所選擇網(wǎng)絡(luò)攝像機路徑上的各個區(qū)域的影像。第二種是雙擊網(wǎng)絡(luò)攝像機附近的一點，沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)的視角將直接切換到該指定位置，再雙擊你所要觀看的網(wǎng)絡(luò)攝像機，視角也會漫游至所選定的攝像機，這種方式耗時較短，可以迅速地捕捉到想看到的影像。動態(tài)視頻顯示器在你的圖像到達攝像機時便會顯示監(jiān)控區(qū)域的實時圖像。點擊沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)內(nèi)Modelcoat按鈕，該網(wǎng)絡(luò)攝像機及該視野范圍內(nèi)能映射圖像的攝像機的監(jiān)控圖像便會加載到沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)上的三維模擬場景上，這樣便能以三維模擬場景為空間看到實時的映射到模擬場景內(nèi)部的更直觀的監(jiān)控攝像。

雙擊預(yù)設(shè)視點區(qū)域視頻列表的下級選項，便可以以圖像漫游的方式漫游到該設(shè)定場景。比如雙擊預(yù)設(shè)視點區(qū)域視頻列表內(nèi)的“大門”選項，沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)的初始圖像將開始漫游，漫游到已設(shè)定的“大門”(中國人民公安大學團河校區(qū)南門)位置停止，對“大門”區(qū)域進行實時監(jiān)控。

雙擊預(yù)設(shè)視點區(qū)域路徑列表的“場景瀏覽”選項，沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)便可進行學校的三維漫游，網(wǎng)絡(luò)攝像機所捕捉的圖像將映射到途經(jīng)的攝像機覆蓋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)實時全時空的校園動態(tài)場景瀏覽。

雙擊預(yù)設(shè)視點區(qū)域路徑列表的“視頻預(yù)覽”選項，全景導航區(qū)的網(wǎng)絡(luò)攝像機圖標便會出現(xiàn)在1號網(wǎng)絡(luò)攝像機處，以從1號到5號的攝像機順序進行漫游，動態(tài)視頻顯示區(qū)顯示漫游途徑的網(wǎng)絡(luò)攝像機監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控攝像，沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)將直觀地顯示1到5號監(jiān)控攝像實時智能拼接后映射在三維模擬場景的全時空場景圖。

用鼠標右鍵單擊系統(tǒng)主界面左上方的藍綠色圖標，單擊退出選項后確定，便可安全退出全時空立體智能監(jiān)控平臺。

2.2.2 可疑目標跟蹤訓練項目

1)實訓目的。本實訓項目的設(shè)計目的是:通過利用全時空立體智能監(jiān)控平臺進行人員跟蹤的實訓，使學生們更好的了解與運用人員跟蹤的功能。

2)實訓步驟。進入全時空立體智能監(jiān)控平臺，通過漫游的方式，瀏覽到2號3號網(wǎng)絡(luò)攝像機所覆蓋的區(qū)域。當在這兩個攝像機所布控的區(qū)域內(nèi)有移動物體(如:人、車輛等)經(jīng)過時，動態(tài)視頻顯示區(qū)中的移動物體將被自動捕捉，用紅色方框?qū)⑵浒鼑?，突出顯示。鼠標點擊沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)，并按鍵盤F9鍵后，鼠標單擊所選定的跟蹤對象(可以多選)，則在沉浸式監(jiān)控巡視區(qū)，被選定跟蹤的對象將被淺紅色條框覆蓋，對象運動時并留下藍色的行蹤軌跡。

實訓時，可將人員分成兩部分并相互交替展開實訓，一部分學生在控制中心對系統(tǒng)進行操作，另一部分學生在攝像機監(jiān)控區(qū)域內(nèi)自由活動，自由活動包括隨意走動、搭載交通工具運動等，以測試人員跟蹤的效率和速度。

2.2.3 利用監(jiān)控錄像信息完成歷史回溯訓練項目

1)實訓目的。本實訓項目的設(shè)計目的是:通過錄制實時的動態(tài)監(jiān)控視頻，更加熟悉全時空立體智能監(jiān)控平臺的基本操作，并利用錄制的視頻進行歷史回溯。

2)實訓步驟。打開TsRecord應(yīng)用程序，通過狀態(tài)欄可看到各個網(wǎng)絡(luò)攝像機的實時錄像狀態(tài)，在未進行錄像時，網(wǎng)絡(luò)攝像機將呈現(xiàn)"已停止"狀態(tài)。用左鍵單擊選擇要進行錄像的攝像機(可選擇多個網(wǎng)絡(luò)攝像機)，點擊“開始選中”按鈕，所選中的網(wǎng)絡(luò)攝像機在狀態(tài)欄里顯示為“錄制中”，在大小(Mb)和時間狀態(tài)欄里會顯示你所錄制的監(jiān)控錄像的大小和時間長度。在文件路徑欄中，會顯示所錄制的監(jiān)控錄像保存的位置。如顯示路徑為“D:公安大學TSRoad ecordCH012012-9-16”，說明錄像保存在D盤公安大學TSRoad中的record文件夾中的CH01文件夾中，視頻錄像保存格式為.avi格式。按照路徑尋找到所拍攝的監(jiān)控錄像，在頁面中點擊全部停止便可觀看所拍攝的錄像，并加載到系統(tǒng)中進行視頻回放，完成歷史回溯功能。

2.3 實訓教學的組織實施

全時空立體智能監(jiān)控平臺的主控終端工作站空間面積有限，放置的設(shè)備較多，所以可容納的人數(shù)有限，在組織實訓教學時，建議采用分組的形式。實訓組織以小組為單位，每組10人左右為宜，每組設(shè)一名負責人，負責本組實訓時的紀律以及室內(nèi)的清潔衛(wèi)生、設(shè)備安全。這樣每區(qū)隊可設(shè)4組，在實訓前區(qū)隊長應(yīng)將4組名單以及負責人名單上報給任課教師。實訓時，一組在室外監(jiān)控區(qū)域作為被監(jiān)控對象，由負責人帶領(lǐng)組員進行單兵活動、散亂活動及快速活動;另一組則在室內(nèi)對全時空立體智能監(jiān)控平臺進行操控，觀察并記錄相關(guān)監(jiān)控現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，分析系統(tǒng)目標跟蹤的能力;隨后兩組互換，進行相同實訓內(nèi)容。

3 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)，全時空立體智能監(jiān)控系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯示分鏡頭視頻畫面的局限，實現(xiàn)了對整個監(jiān)控區(qū)域整體大場景全時空的實時立體展示，可以以任意視點對整體場景的動態(tài)目標進行實時監(jiān)控;同時可實現(xiàn)二維GIS地圖與立體監(jiān)控的結(jié)合，攝像機的安裝位置和監(jiān)控覆蓋區(qū)域以及用戶當前視點可同步顯示在二維地圖及三維場景中。以此技術(shù)應(yīng)用展開實訓教學可配合我校安全防范工程專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生更好地了解智能監(jiān)控領(lǐng)域的前沿技術(shù)，掌握全景智能監(jiān)控的要領(lǐng)，進一步鞏固學生知識體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學生的自主學習能力，充分調(diào)動學生的主觀能動性，并通過各實訓環(huán)節(jié)，加深對智能監(jiān)控技術(shù)的理解，提高學生實踐應(yīng)用水平。

目前實訓課程使用的系統(tǒng)平臺為演示版本，還有部分功能尚未安裝在本實訓平臺中，如反向關(guān)聯(lián)功能。隨著安全防范技術(shù)與風險評估公安部重點實驗室的建設(shè)，系統(tǒng)功能將不斷完善，屆時將根據(jù)系統(tǒng)功能的逐步完善，陸續(xù)增加相應(yīng)的實訓項目，充分發(fā)揮該系統(tǒng)在教學實踐中的作用。

［1］ 中國安防網(wǎng).城市監(jiān)控存在安全漏洞出現(xiàn)高投資低回報現(xiàn)象［EB/OL］.［2012-08-20］.http:∥cn.made-inchina.com/info/article-377654.html.

［2］ 洪衛(wèi)軍.安全防范系統(tǒng)與工程［M］.北京:中國人民公安大學出版社，2006.

［3］ 北京正安融翰技術(shù)有限公司.產(chǎn)品與解決方案［EB/OL］.［2012-08-20］.http:∥www.innovisgroup.com.