■ 文/公安部檢測中心 張雙雙

關(guān)鍵字：高空拋物 智能算法 高清 全彩 低照度

1 引言

隨著中國城市建設(shè)及配套設(shè)施的逐步完善，高層建筑不斷增多，在給人們生活帶來便利的同時，也給城市增加了一個懸在頭頂?shù)耐?-高空拋物事件。盡管很多住宅小區(qū)、學校及人員密集場所通過樹立標語、警示牌等方式提醒人們禁止高空拋物并廣泛宣傳其社會危害性，但現(xiàn)實中一個個血淋淋的沉痛教訓(xùn)卻層出不窮。例如，2020年發(fā)生在上海閔行區(qū)的某女子高空拋物致他人車輛受損事件，以及發(fā)生在深圳的玻璃高空掉落致使8歲男童被砸身亡事件，還有2021年發(fā)生在河南鄭州的男童被砸身亡事件等等。高空拋物行為輕則造成財力物力損失，重則對公民生命安全造成嚴重威脅。為此，我國陸續(xù)出臺了系列法律法規(guī)，《中華人民共和國侵權(quán)責任法》《民法典》《物權(quán)法》均對高空拋物行為和責任進行了明確規(guī)定,更為重要的是，自2021年3月1日起高空拋物正式入刑，最新的《中華人民共和國刑法修正案（十一）》第三十三條明確規(guī)定：從住宅樓、辦公樓、商業(yè)樓等高層拋擲物品造成嚴重后果的，處一年以下有期徒刑、拘役或者管制，并處或者單處罰金。高空拋物行為正式入刑是對肇事者強有力的警示和打擊。高空拋物監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)成為小區(qū)、物業(yè)及公安系統(tǒng)管控此類事件強有力的工具。隨著智能識別技術(shù)的發(fā)展進步，高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備的作用日益突出。本文以高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備在公共安全防范領(lǐng)域應(yīng)用的重要性為出發(fā)點，深入分析此類設(shè)備在實際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)指標。

2 具備智能識別的高空拋物監(jiān)控設(shè)備

監(jiān)控技術(shù)對高空拋物事件的取證和阻止起到了關(guān)鍵作用。隨著智能識別技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，根據(jù)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)分析判定責任人權(quán)責已成為維護受害人權(quán)利的主要手段，對公安執(zhí)法人員維護公民人身財產(chǎn)安全、依法取證起到了積極作用。新刑法實施后，對高空拋物事件責任人量刑已成為不爭的事實。如何快速確定責任人、鎖定拋物者、還原拋物事件已成為亟需解決的問題。在這種需求背景下，高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備也如雨后春筍般出現(xiàn)在小區(qū)、學校及人員密集場所。相對于以往監(jiān)控設(shè)備的不足，高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備通過內(nèi)置智能圖像識別、目標跟蹤、距離建模及其他特有算法可對高空拋物事件進行圖像信息提取、數(shù)字化計算，并可自適應(yīng)復(fù)雜場景模式快速還原高空拋物事件，實現(xiàn)一體化平臺監(jiān)控預(yù)警。

2.1設(shè)備形態(tài)

高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備分為兩類：一類是在前端攝像機集成了智能AI特殊算法。這類產(chǎn)品的特點是設(shè)備集成度高，采集和分析一體化設(shè)計。前端采集到的圖像經(jīng)過算法分析得到高空拋物事件的關(guān)鍵因素，再把分析后得到的圖像通過無線或有線傳輸?shù)娇刂破脚_。該類產(chǎn)品操作簡單，可快速還原整個高空拋物事件的始末；另外一類是前端采集設(shè)備+后端智能分析系統(tǒng)。此類設(shè)備能夠彌補集成設(shè)備不夠靈活的缺點，可適配不同采集終端，適應(yīng)不同市場需求。但由于目前編解碼能力受限，此類設(shè)備在后端分析系統(tǒng)對圖像進行解碼后，圖像質(zhì)量相對損失較大，前端采集設(shè)備需具備更高的圖像質(zhì)量才能預(yù)防夜間目標無法檢出的缺陷。高空拋物監(jiān)控設(shè)備與普通的圖像采集攝像機相比具有如下優(yōu)點：一是高空拋物監(jiān)控設(shè)備采用了先進的智能圖像識別算法，可以實時記錄、預(yù)警高空拋物事件；二是高空拋物監(jiān)控設(shè)備對采集到的圖像清晰度、最低照度及外殼防護等提出了更高的要求；三是高空拋物監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用于高樓層、人員密度大的生活小區(qū)及辦公樓，對鏡頭參數(shù)及圖像傳感器選取也有特殊要求。

2.2 高空拋物智能識別算法

目前高空拋物監(jiān)控設(shè)備的主要特點是內(nèi)置了智能識別算法。在監(jiān)控過程中，智能圖像識別技術(shù)是現(xiàn)代安防監(jiān)控的核心技術(shù)，具備智能識別的監(jiān)控設(shè)備可自動捕捉快速下落物品的圖像，通過智能算法對采集到的圖像進行建模和分析，還原高空拋物事件的過程軌跡。高空拋物智能圖像識別是對圖像中的移動物體進行檢測、檢出并跟蹤的過程，也是對圖像進行數(shù)字化解釋、提取有用信息、建模運算的過程。高空拋物智能算法具有多樣性，如幀差法、背景差分法、光流法等。但傳統(tǒng)的高空拋物智能算法有一定的局限性，如幀差法對樹葉、衣物等存在一定的誤檢率，光流法也有同樣的問題，檢測準確率尚不足?，F(xiàn)代智能拋物圖像算法在原有算法的基礎(chǔ)上對其進行創(chuàng)新改進已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，有些算法通過采用背景差分+目標移動距離并結(jié)合特定的跟蹤算法實現(xiàn)對拋物事件的有效檢出，有些算法則對圖像智能識別、聚類分析、特征選取與提取、人工智能深度學習等方面進行挖掘，彌補了原有算法的不足，對提取到的有效圖像信息進行智能算法分析和統(tǒng)籌運算，包括計算下落物體大小、下落速度、并發(fā)高拋物體數(shù)量等，大大提高了對高空拋物類事件的捕獲率和檢出率，可提取并排除高空拋物干擾事件，包括雨、雪、飛鳥、樹葉、衣物或其他飛行物等，從而有效甄別拋物事件和常規(guī)類似拋物事件。

2.3事件追蹤、智能抓拍、報警推送

高空拋物監(jiān)控設(shè)備可以實時追蹤從高層建筑拋出的墜落物軌跡。普通視頻監(jiān)控系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)量大，提取高空拋物事件信息記錄工作繁瑣，無法實時對事件進行追蹤鎖定。為了方便后期對錄像文件進行檢索，可以當采集終端檢測到有物體下落時自動打上標簽，通過此功能可實現(xiàn)快速檢索目標錄像文件，避免后期翻看大量錄像文件。高空拋物監(jiān)控設(shè)備可對高空拋物事件進行抓拍并可將視頻圖像存儲于云端，同時可根據(jù)事件的發(fā)生時間、地點等屬性進行分類，并將相關(guān)告警信息推送至后臺監(jiān)控平臺或WEB端，監(jiān)控平臺可通過記錄標簽找到對應(yīng)的視頻圖像、回放墜落物軌跡圖并判斷墜落事發(fā)處和墜落地點，使相關(guān)人員可以實時處理高空拋物事件，及時鎖定拋物點及拋物肇事者。

2.4定位功能

實際應(yīng)用中，監(jiān)控后臺會接入不止一臺高空拋物監(jiān)控采集終端，例如小區(qū)管控拋物監(jiān)控平臺不僅只是針對一棟居民樓進行監(jiān)控，若小區(qū)較大，需要安裝幾臺甚至幾十臺視頻采集終端且安裝位置分散，若在高空拋物監(jiān)控采集終端集成了設(shè)備定位功能，則可大大方便監(jiān)控中心快速鎖定拋物監(jiān)控地點，及時做出應(yīng)對措施。管控平臺如圖1所示。

圖1 智慧社區(qū)高空拋物管控平臺

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1高分辨率、高幀率

高分辨率是保證圖像清晰度的重要前提。標準清晰度攝像機對遠距離、高速下落、像素占比小的物體拍攝時清晰度不足，當放大監(jiān)控畫面之后，畫面則變得非常模糊。因此，高空拋物監(jiān)控設(shè)備多采用分辨率不小于1080P的高清晰度攝像機。另外，高空墜落物的下落速度很快，普通的低幀率攝像機無法捕捉目標變化趨勢、不能進行圖像建模計算，嚴重影響高空拋物事件的檢出率，因此高空拋物監(jiān)控設(shè)備通常選用幀率不小于25fps的攝像機。

3.2 圖像傳感器尺寸

圖像傳感器是通過內(nèi)置光感應(yīng)器采集光信號并對采集信號進行光電轉(zhuǎn)換的一種處理模塊。這種模塊有兩種類型：CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。CCD圖像傳感器的主要優(yōu)點是可配置較高分辨率、圖像動態(tài)范圍廣、靈敏度強且兼具高信噪比。CMOS圖像傳感器的主要優(yōu)點是具有很好的影像控制能力，包括自動增益控制、自動亮度、自動白平衡，圖像對比度、圖像邊緣增強技術(shù)以及伽馬矯正技術(shù)等。根據(jù)不同場景和需求可以選擇適合的圖像傳感器類型。傳感器靶面尺寸大小有多種格式，如果兩臺攝像機具有相同的像素，則比較其內(nèi)置傳感器靶面尺寸，尺寸大小與感光面積成正比，尺寸越大，處理光線能力越強，圖像內(nèi)容則更加層次化、更豐富、圖像質(zhì)量更高。由于高空拋物監(jiān)控區(qū)域范圍大，對光線敏感度高，因此，為得到較大的視場角度和較高的圖像清晰度，一般選用較大尺寸的圖像傳感器。

3.3鏡頭

鏡頭按結(jié)構(gòu)分類，有自動光圈、手動光圈等多種類型。高空拋物攝像機的鏡頭一般選用自動光圈變焦鏡頭。高空拋物使用的視頻采集終端多在室外安裝，室外光線的動態(tài)范圍變化較大，夏天陽光充足時環(huán)境照度可達10000Lx-100000Lx，夜間環(huán)境照度低于50Lx，自動光圈鏡頭在環(huán)境光線變化時能適應(yīng)光線明暗需求自動調(diào)整通光量，很好地呈現(xiàn)當時畫面。鏡頭按焦距分類，有短焦距、中焦距、長焦距和變焦距等不同類型，高空拋物事件監(jiān)控樓層高度不固定、監(jiān)控物體持續(xù)運動位置不固定，所以應(yīng)使用變焦鏡頭。

3.4 最低照度

照度是攝像機對光照強度的反應(yīng)能力。在一定光照條件下，攝像機剛好能看到物體時測試得到的照度值，我們稱之為最低照度，它可以反映攝像機在環(huán)境光足夠低時能夠呈現(xiàn)物體圖像的能力。

可通過測量攝像機的最低照度，對攝像機進行等級評價：

1)普通級：最低照度≥0.1Lux；

2)低照度級：最低照度≤0.1Lux且≥0.01Lux；

3)月光級：最低照度≤0.01Lux且≥0.001Lux；

4)星光級：最低照度≤0.001Lux。

小區(qū)的夜間光照通常不足，實際生活中為保證業(yè)主休息，不能通過補光等方式來提高環(huán)境照度，但普通的紅外監(jiān)控設(shè)備無法拍攝到墜落物的顏色、大小和特征，因此無法很好地呈現(xiàn)下落物體的顏色及顯著特征。為在夜間也能采集到清晰可用的拋物視頻圖像，需要使用低照度視頻采集終端。隨著圖像傳感技術(shù)的提高，以及圖像降噪算法的應(yīng)用，月光級、星光級以及黑光等低照度攝像機不僅白天拍攝畫面清晰，夜晚也可借助周圍的輔助光源、憑借其出色的低照度效果和柔光補光效果獲得全彩色實時視頻圖像，顯示彩色監(jiān)控畫面。普通低照度攝像機在光線不足環(huán)境下會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而月光級、星光級攝像機具有超靈敏度圖像傳感器，運用了獨有的噪點控制技術(shù)和電子放大技術(shù)，極大地提高了圖像質(zhì)量，可在白天和夜間呈現(xiàn)全彩色實時圖像，滿足了夜間圖像視頻采集需求，對高空拋物視頻監(jiān)控具有重要意義。

3.5 寬動態(tài)

當拍攝畫面出現(xiàn)強逆光照射或其他原因引起畫面過暗時，圖像會出現(xiàn)人眼無法辨別的暗區(qū)域，當在超強光源下拍攝畫面時，畫面會出現(xiàn)過曝光的亮區(qū)域，如果一副圖像兼具暗區(qū)域和亮區(qū)域則無法獲取圖像細節(jié)，在高空拋物視頻采集時會形成無效圖像，無法還原拋物過程。要解決這一問題，寬動態(tài)技術(shù)必不可少。具備寬動態(tài)的攝像機可以解決輸出圖像因為亮區(qū)域過曝光成為白色和暗區(qū)域曝光不足成為黑色的現(xiàn)象。如圖2所示，圖(a)為未開啟寬動態(tài)功能拍攝的圖片，存在明顯的明暗對比區(qū)域，而圖(b)為開啟了寬動態(tài)功能拍攝的圖片，圖像質(zhì)量明顯高于前者。

圖2 寬動態(tài)功能對比

3.6 透霧

冬季有霧霾時，攝像機會因為霧霾阻擋看不清拍攝圖像，抓拍及錄像視頻也會因為霧霾覆蓋而丟失畫面的關(guān)鍵信息和細節(jié)圖像。當監(jiān)控畫面中發(fā)生高空拋物事件時，將會缺失有效數(shù)據(jù)信息，降低視頻監(jiān)控采集圖像的實用性，因此越來越多的高空拋物監(jiān)控設(shè)備內(nèi)置了透霧功能。光學透霧是利用近紅外波能夠繞射微小顆粒的原理，使攝像機在監(jiān)控過程中避免霧霾煙塵等干擾，呈現(xiàn)高品質(zhì)畫面。算法透霧則是通過算法加強圖像中的有用特征、抑制無用信號，改善圖像質(zhì)量。隨著技術(shù)的進步，有些攝像機已經(jīng)集成了光學透霧和算法透霧功能，可以通過設(shè)置透霧級別等方式實現(xiàn)最佳區(qū)域透霧效果。

3.7 防水防塵性能

因高空拋物監(jiān)控設(shè)備均安裝在室外，室外環(huán)境常伴隨風、霜、雨、雪等不確定因素及雨雪等長期侵蝕會對視頻采集終端設(shè)備造成損壞。因此，高空拋物設(shè)備必須具備高防水高防塵的性能要求。通常對高空拋物視頻采集終端的外殼防護需要滿足不低于GB/T 4208-2017外殼防護等級（IP代碼）中IP66的要求。

3.8 防雷保護

高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備安裝位置較高，因此防雷是必備的功能。特別是雷雨頻繁的地區(qū)，若不具備防雷功能，不僅設(shè)備容易損壞，而且有可能引發(fā)火災(zāi)。因此，高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備應(yīng)具有防雷擊保護裝置。

3.9 智能識別算法指標

高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備的智能化指標主要是檢出率和誤報率。新刑法落地后，高空拋物監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)了百花齊放、百家爭鳴的局面，各個廠家研發(fā)投入及技術(shù)能力各不相同，內(nèi)置智能化算法也各有不同，不同廠家生產(chǎn)的高空拋物監(jiān)控設(shè)備的智能化指標能力參差不齊。因此，規(guī)范檢測高空拋物事件的檢出率和誤報率具有重要意義。高空拋物事件的檢出率=（抓拍到的高空拋物事件/實際發(fā)生的高空拋物事件）*100%，高空拋物事件的誤報率=｛抓拍到的疑似高空拋物事件/（抓拍到的疑似高空拋物事件+抓拍到的實際發(fā)生的高空拋物事件）｝*100%。

同時，高空拋物監(jiān)控設(shè)備后臺控制平臺需具備智能報警推送、異常畫面自動彈出、一鍵回放、高空拋物事件記錄、事件查詢等功能。當前端檢測到有高空拋物事件發(fā)生時，能夠自動抓拍拋物圖像或視頻，并在后臺控制平臺彈出圖像或者視頻，及時提醒監(jiān)控中心值守人員。當需要查詢指定高空拋物事件時，可通過關(guān)鍵字檢索或自動標簽索引查看指定視頻或圖像，從而大大降低監(jiān)控中心值守人員的工作量，提高工作效率。

4 結(jié)語

高空拋物事件的有效預(yù)警是公安執(zhí)法人員辦案取證的重中之重。隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的蓬勃發(fā)展及智能算法的不斷迭代，對高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備的質(zhì)量監(jiān)管也在逐步提升。公安部檢測中心秉持公平、公開、公正的態(tài)度，深入了解高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備的基本功能及性能要點，對此類設(shè)備的檢測能力不斷提升，對小區(qū)物業(yè)監(jiān)管、公安取證、企業(yè)提高設(shè)備能力方面都起到了有效的助推作用。

本文以新刑法的實施為基礎(chǔ)，探討了智能圖像識別算法的發(fā)展趨勢，結(jié)合高空拋物視頻監(jiān)控的特點對高空拋物智能識別監(jiān)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進行了描述，對規(guī)范安防領(lǐng)域內(nèi)高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備的性能、生產(chǎn)企業(yè)進行此類設(shè)備開發(fā)、小區(qū)物業(yè)按需求采購以及保護人民生命財產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。