徐力鈞

（悉地國際設(shè)計(jì)顧問有限公司，上海200235）

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、芯片、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，從模擬系統(tǒng)到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，再到高清化、集成化，產(chǎn)品不斷升級、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷變化、功能不斷完善、應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)視覺的基礎(chǔ)上，利用模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能的方法，對采集到的視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或離線分析處理，從而達(dá)到目標(biāo)檢測和事件特性分析的目的。智能監(jiān)控系統(tǒng)有十分廣泛的應(yīng)用前景，目前已成為計(jì)算機(jī)視覺研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

1 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：前端設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心。

前端設(shè)備是系統(tǒng)的“視聽器官”，包括攝像機(jī)、鏡頭、拾音器、防護(hù)罩等；傳輸網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，必須保證系統(tǒng)上下通暢，不受或少受干擾；監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，包括視頻服務(wù)器（DVS）、網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)（NVR）、視頻內(nèi)容分析單元（VCA）、中央管理平臺（CMS）、存儲設(shè)備、解碼顯示設(shè)備等。

智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用全分布式結(jié)構(gòu)，不受空間的限制，并具有抗干擾能力。智能管理軟件能夠?qū)崿F(xiàn)視頻資源的管理、傳輸、調(diào)用、存儲、報(bào)警等功能。

2 前端設(shè)備選型設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集質(zhì)量要求

（1）能夠獲取并傳輸不同分辨率的實(shí)時(shí)視頻。針對光線不好的場景，通過紅外補(bǔ)光或星光級感光成像使圖像更加清晰。

（2）夜間監(jiān)控場景中，采用強(qiáng)光抑制技術(shù)來解決前照燈的照明問題，有效抑制強(qiáng)光點(diǎn)直接照射引起的視頻圖像模糊。

（3）可以動態(tài)調(diào)整采集參數(shù)，如亮度、對比度、飽和度、3D降噪和視頻的寬動態(tài)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)（IPC）

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)也叫IP攝像機(jī)，簡稱IPC，是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備，它采用嵌入式架構(gòu)，集成了各種功能，如視頻音頻采集、信號處理、編碼壓縮、智能分析、緩沖存儲及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?，是真正的即插即用設(shè)備。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與模擬攝像機(jī)之間存在一定的差異，對于模擬系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要在施工布線上，如矩陣位置、線纜敷設(shè)、供電方式等；對于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，通常只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。因此，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)不在于安裝，而是在網(wǎng)絡(luò)與存儲的設(shè)計(jì)上，要考慮存儲系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的位置，并需要考慮占用的帶寬。

2.3 前端攝像機(jī)選型

應(yīng)根據(jù)不同應(yīng)用場景的不同監(jiān)控要求，選擇不同類型或者不同的攝像機(jī)組合，如用戶需要監(jiān)控場景的智能分析功能，則可以選擇帶智能分析功能的攝像機(jī)，或者選擇可以與智能分析后端設(shè)備相結(jié)合的攝像機(jī)。室內(nèi)公共區(qū)域可以選擇半球型攝像機(jī)；室外可以選擇快球一體攝像機(jī)；大場景可以采用多攝像機(jī)協(xié)同監(jiān)控。在照度很低并需要24 h監(jiān)控的環(huán)境，需要選擇低照度攝像機(jī)；在高溫、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境，需要選擇溫度適應(yīng)范圍更寬的攝像機(jī)，并配備合適的防護(hù)罩。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通常包括表1中的目標(biāo)監(jiān)控要求。

不同場景的監(jiān)控要求 表1

3 傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)已朝著扁平化方向發(fā)展，中小型網(wǎng)絡(luò)采用核心層、接入層的二級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是無收斂節(jié)點(diǎn)、組網(wǎng)簡單、提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。大型網(wǎng)絡(luò)較多采用核心層、匯聚層、接入層的三級網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，能夠提供滿足相應(yīng)要求的傳輸帶寬，且具有路由冗余的能力。為了便于未來的擴(kuò)展和升級，需要根據(jù)模塊化、結(jié)構(gòu)化的原則設(shè)計(jì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

3.1 有線網(wǎng)絡(luò)

前端設(shè)備匯聚連接到交換機(jī)有三種方法：直接接入模式（距離100m以內(nèi)）、光纖收發(fā)器的點(diǎn)對點(diǎn)光纖接入模式，點(diǎn)對多點(diǎn)光纖PON接入方式。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，主要包括實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽及存儲數(shù)據(jù)流，音頻、控制數(shù)據(jù)流等其他數(shù)據(jù)流相對而言可以忽略，在規(guī)劃和計(jì)算帶寬時(shí)，主要考慮的就是兩類視頻數(shù)據(jù)流的路徑、大小及數(shù)量規(guī)模。

為確保視頻圖像的高質(zhì)量傳輸，在帶寬使用時(shí)需要充分考慮余量。核心交換機(jī)連接到接入交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)使用光模塊進(jìn)行傳輸，帶寬需要達(dá)到千兆以上，大型系統(tǒng)需要達(dá)到萬兆；光纖收發(fā)器到接入交換機(jī)之間的帶寬以及光纖收發(fā)器之間的帶寬都需要達(dá)到百兆。傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.2 無線網(wǎng)絡(luò)

圖1 傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境限制無法規(guī)劃有線傳輸設(shè)備時(shí)，可使用無線傳輸，此外，移動監(jiān)控設(shè)備也需要采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模式主要包括移動通信網(wǎng)絡(luò)、寬帶無線傳輸、微波傳輸?shù)龋筛鶕?jù)實(shí)際情況合理選擇。

（1）移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G／4G）傳輸方式

對于移動監(jiān)控、移動終端應(yīng)用和大規(guī)模覆蓋場景，目前可選擇3G／4G傳輸方式。系統(tǒng)設(shè)備主要包括無線IPC、無線NVR和交換機(jī)等。因網(wǎng)絡(luò)速度和流量費(fèi)用的原因，實(shí)際使用的項(xiàng)目還不多，期待即將到來的5G網(wǎng)絡(luò)，可以提供更高的帶寬和更低廉的資費(fèi)，從而更大程度的促進(jìn)視頻監(jiān)控的全域覆蓋。無線匯集接入方式如圖2所示。

圖2 無線匯集接入方式

（2）寬帶無線傳輸方式

寬帶無線傳輸主要采用WiFi技術(shù)，覆蓋范圍廣，室外傳輸距離約為300m，有障礙的室內(nèi)傳輸距離約為100m，室外的無線傳輸可采用無線網(wǎng)橋方案，當(dāng)兩個(gè)局域網(wǎng)之間存在障礙物時(shí)，使用無線中繼，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的無線橋接。

目前，很多安防設(shè)備都支持Wi-Fi接口，如網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、視頻服務(wù)器等，在WiFi網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，它可以實(shí)現(xiàn)車輛等移動物體的實(shí)時(shí)定位和移動視頻監(jiān)控等安防應(yīng)用。

4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互最多的地方，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了對所有視頻圖像資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理。大量的視頻瀏覽、回放視頻請求均由監(jiān)控中心發(fā)出。監(jiān)控中心通常由網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)、監(jiān)視器、客戶工作站等設(shè)備構(gòu)成。

4.1 網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)（NVR）

網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)簡稱NVR，是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)單元，與視頻編碼器或網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)配合工作，完成視頻的錄像、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)錄像機(jī)是真正的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的系統(tǒng)，具有良好的集成能力，無論在視頻的互聯(lián)互通方面，還是與其他的安防子系統(tǒng)的融合上，都比較靈活方便。

存儲空間計(jì)算：每路視頻存儲容量（TB）＝［視頻碼流（Mb）×60s×60min×24h×存儲天數(shù)／8 ］ ／1024／1024。

總存儲容量＝每路碼流大小×總路數(shù)×總存儲時(shí)間

表2為采用H.264算法編碼的視頻存儲空間需求舉例，近幾年已開始推廣應(yīng)用H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.265編碼標(biāo)準(zhǔn)極大緩解了高清視頻流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，同等的畫面質(zhì)量僅需要H.264編碼標(biāo)準(zhǔn)帶寬的一半，也節(jié)省了存儲空間。

存儲空間需求表（H.264算法編碼） 表2

4.2 視頻內(nèi)容分析單元（VCA）

VCA（Video Content Analysis）技術(shù)是一種基于目標(biāo)跟蹤技術(shù)的視頻分析技術(shù)，它使用背景分離技術(shù)來檢測圖像變化。視頻分析實(shí)質(zhì)是人工智能的一部分，可以在原始的成百上千的攝像機(jī)中提取出異常視頻，進(jìn)而自動報(bào)警、顯示及存儲錄像。

視頻分析技術(shù)目前有兩種主要的架構(gòu)方式：一種是基于后端的服務(wù)器方式，另一種是DSP方式。雖然架構(gòu)方式不同，其工作實(shí)質(zhì)還是各個(gè)廠家開發(fā)的核心算法，區(qū)別僅僅是算法運(yùn)行的平臺不同。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)模、用戶的需求、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等具體情況進(jìn)行選擇。

視頻分析產(chǎn)品的集成性很重要，只有當(dāng)其有效集成到整個(gè)監(jiān)控平臺上去，才能充分發(fā)揮其最大的效能，讓安保人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并快速處理。

4.3 視頻解碼與圖像顯示

在智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻的解碼與圖像顯示是最終的環(huán)節(jié)，所有的視頻圖像在經(jīng)歷了編碼、傳輸、存儲之后，解碼顯示才是用戶的最終應(yīng)用界面。

大屏幕拼接顯示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)整屏畫面任意分割、開窗漫游等拼控功能，目前已在大型項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。根據(jù)顯示單元的工作方式，主要有兩種類型：LCD、LED平板顯示單元拼接系統(tǒng)和DLP、激光等投影顯示系統(tǒng)。其中，激光投影顯示技術(shù)具有無拼接、更節(jié)能、色域?qū)挼忍攸c(diǎn)，將成為未來高端顯示的主流。幾種大屏幕拼接系統(tǒng)比較如表3所示。

5 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特色技術(shù)應(yīng)用

5.1 視覺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

視覺物聯(lián)網(wǎng)是指通過視覺傳感器（攝像機(jī)）獲取圖像、圖片信息，然后進(jìn)行視覺標(biāo)簽的提取，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸、信息處理、智能分析，建立起跨攝像機(jī)、時(shí)間、空間的視覺標(biāo)簽的提取與關(guān)系，進(jìn)而進(jìn)行管理與決策。視覺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概念見表4。

幾種大屏幕拼接系統(tǒng)比較 表3

視覺物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概念 表4

視覺物聯(lián)網(wǎng)目前已在天網(wǎng)工程、雪亮工程、智能交通、安全生產(chǎn)、金融財(cái)保等領(lǐng)域內(nèi)有了廣泛的應(yīng)用。安防技術(shù)已經(jīng)從事后查證向事前預(yù)警前移，人臉識別、異常行為分析、客流統(tǒng)計(jì)、物體特征識別等智能化應(yīng)用有效地防止各種事件的發(fā)生；視頻濃縮、視頻摘要檢索等技術(shù)也提高了事后處理的效率和質(zhì)量。此外，大數(shù)據(jù)應(yīng)用下的云存儲和云計(jì)算也為構(gòu)建新一代的安防系統(tǒng)提供有力的保障。

5.2 熱成像技術(shù)應(yīng)用

熱成像攝像機(jī)具有熱點(diǎn)檢測功能，當(dāng)其監(jiān)控的場景內(nèi)出現(xiàn)火點(diǎn)時(shí)，熱成像攝像機(jī)可以及時(shí)捕獲火點(diǎn)，快速報(bào)警，達(dá)到提前火災(zāi)報(bào)警防范的效果。熱成像攝像機(jī)的安裝不受任何光照環(huán)境的約束，方便且可靠。

熱成像攝像機(jī)將傳統(tǒng)的被動式防火模式升級成主動式報(bào)警模式，在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火源并且提示報(bào)警。測溫線熱成像設(shè)備更是可以在到達(dá)起火點(diǎn)前就觸發(fā)報(bào)警，在還未起火前即可通知相關(guān)人員進(jìn)行處理，防火效率極高。

5.3 鷹眼技術(shù)應(yīng)用

部分大區(qū)域場景會遇到監(jiān)控覆蓋不全的現(xiàn)象，用多個(gè)監(jiān)控也不能做到完全覆蓋并且多個(gè)監(jiān)控圖像不能進(jìn)行無縫拼接，星光級全景網(wǎng)絡(luò)高清智能攝像機(jī)（鷹眼攝像機(jī)）可同時(shí)提供全景與特寫畫面。

全景攝相機(jī)從產(chǎn)品形態(tài)上來說有采用超短焦鏡頭的單攝像機(jī)形態(tài)和基于多鏡頭組合的多攝像機(jī)組合形態(tài)。目前一般采用鏡頭拼接方式生成全景圖像，動態(tài)拼接需要滿足視頻觀看無延時(shí)的要求，因而對拼接算法的實(shí)時(shí)性要求很高。

全景球機(jī)集成了行人檢測技術(shù)和PTZ跟蹤技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，可采用槍球聯(lián)動系統(tǒng)，攝像頭采用一個(gè)廣角槍機(jī)（焦距固定）和一個(gè)PTZ球機(jī)（又稱主動攝像機(jī)），其中廣角槍機(jī)負(fù)責(zé)寬廣視野內(nèi)的目標(biāo)檢測，PTZ球機(jī)可以對關(guān)注目標(biāo)聚焦放大并持續(xù)跟蹤。

圖3 全景球機(jī)拍攝效果

6 結(jié)束語

GB 50348-2018《安全防范工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提出了風(fēng)險(xiǎn)防范規(guī)劃的理念，明確了安全防范工程應(yīng)針對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行攻防對抗設(shè)計(jì)。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有固定公式，這也是其有別于其他智能化系統(tǒng)的明顯的地方，為了達(dá)到項(xiàng)目的需求，可能有不同的實(shí)現(xiàn)方式，關(guān)鍵在于：在有效的成本限制條件下，對項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行分析，選擇配置合適的產(chǎn)品及架構(gòu)，并最大限度地發(fā)揮其效能。