張 夏，張 洋

（海河水利委員會(huì)水利信息網(wǎng)絡(luò)中心，天津 300170）

近年來(lái)，視頻監(jiān)控技術(shù)在水利樞紐上的普及應(yīng)用，為水利樞紐管理部門(mén)提供了直觀圖像，進(jìn)而提高了水利樞紐工程運(yùn)行維護(hù)的效率。目前，大多數(shù)水利樞紐的視頻監(jiān)控方式都是采用視頻攝像頭獲取被監(jiān)控場(chǎng)景信息，然后利用人工實(shí)時(shí)監(jiān)視或者軟件目的性監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行。這種監(jiān)控方式一是人為因素影響較大；二是絕大部分的數(shù)據(jù)只是作為事后證據(jù)記錄，很大程度上失去了監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具有的實(shí)時(shí)性和預(yù)防性；三是后期的查詢(xún)數(shù)據(jù)量大，提取歷史圖像需要大量的人力去瀏覽；四是原始數(shù)據(jù)未經(jīng)處理直接存儲(chǔ)，長(zhǎng)時(shí)間的靜止監(jiān)視對(duì)象的視頻耗費(fèi)了大量的存儲(chǔ)資源，并沒(méi)有提供有效的參考價(jià)值；五是與監(jiān)視對(duì)象的周邊環(huán)境不能有效的聯(lián)動(dòng)。

水利管理部門(mén)要求工程精細(xì)化管理，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了更多的要求：在海量的數(shù)據(jù)中快速有效地查詢(xún)到有用的圖像；在樞紐的重點(diǎn)管理區(qū)域能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，提高預(yù)警能力，提醒和幫助監(jiān)控人員；在復(fù)雜的環(huán)境下（例如夜晚低照度下）要求攝像頭能夠基本還原閘門(mén)啟閉情況；避免人為因素，減少誤報(bào)漏報(bào)情況等等。結(jié)合上述需求，在北方海河流域某水閘工程中應(yīng)用了智能視頻監(jiān)控技術(shù)，有效地滿(mǎn)足了水利管理部門(mén)的要求。

1 智能視頻監(jiān)控技術(shù)概述

智能視頻（Intelligent Video）技術(shù)源自計(jì)算機(jī)視覺(jué)（Computer Vision）與人工智能（Artificial Intelligent）的研究。智能視頻監(jiān)控是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理、分析和理解，在不需要人為干預(yù)的情況下，通過(guò)序列圖像自動(dòng)分析對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景中的變化進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤，并在此基礎(chǔ)上分析和判斷目標(biāo)的行為，在異常情況發(fā)生時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)或提供有用信息，有效地協(xié)助有關(guān)人員進(jìn)行處理，并最大限度地降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。其工作的基本原理，如圖1 所示。用戶(hù)可以通過(guò)在不同攝像機(jī)的場(chǎng)景中預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場(chǎng)景中出現(xiàn)了違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控工作站自動(dòng)彈出報(bào)警信息并發(fā)出警示音，實(shí)現(xiàn)報(bào)警的場(chǎng)景重組并采取相關(guān)措施。

圖1 智能視頻監(jiān)控原理

智能視頻監(jiān)控分為三類(lèi)，具體為視頻分析類(lèi)、視頻識(shí)別類(lèi)和視頻優(yōu)化類(lèi)。

智能視頻監(jiān)控技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式有前端嵌入式、后端軟件分析和前后端相結(jié)合的方式3種。

2 案例分析

2.1 北方海河流域某水閘工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)概況

某水閘工程位于北方海河流域內(nèi)的某河主槽上，由節(jié)制閘（9 孔閘）和船閘組成。其工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)共有22 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，前端設(shè)備采用720P 高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，設(shè)備選型為瑞典AXIS 公司P 系列攝像頭。所有攝像頭均采用POE 供電方式。前端攝像頭采集的視頻信息通過(guò)光纖傳輸?shù)街锌厥?，中控室配置視頻服務(wù)器和硬盤(pán)錄像機(jī)，采用集中式IPSAN 存儲(chǔ)方式，通過(guò)DLP 屏顯示圖像。上級(jí)主管部門(mén)通過(guò)連接到中控室的微波通信傳輸通道調(diào)用圖像。

2.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)在樞紐中的應(yīng)用

北方海河流域某水閘工程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用DSP 嵌入方式和NVR 軟件算法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)的。其中，前端DSP嵌入攝像頭中，在監(jiān)控前端對(duì)視頻進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和聯(lián)動(dòng)；后臺(tái)NVR 軟件根據(jù)需要對(duì)傳送至工控機(jī)的圖像進(jìn)行算法處理。智能視頻分析的內(nèi)容很多，在該項(xiàng)目中主要應(yīng)用如下幾種。

2.2.1 視頻缺失、鏡頭遮擋檢測(cè)

該監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)因攝像機(jī)工作異常（損壞、遭人為惡意破壞）或視頻傳輸環(huán)節(jié)故障而引起的視頻缺失或者遮擋，并同步向管理人員發(fā)出聲音報(bào)警，并在報(bào)警數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄時(shí)間標(biāo)簽。

2.2.2 區(qū)域入侵檢測(cè)

北方海河流域某水閘工程啟閉機(jī)房是重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，為防止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入機(jī)房，并且查看啟閉機(jī)操作人員是否規(guī)范操作，利用了區(qū)域入侵檢測(cè)技術(shù)。入侵檢測(cè)技術(shù)是利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的智能視頻分析原理，首先在攝像機(jī)監(jiān)視的場(chǎng)景范圍內(nèi)按需設(shè)置警戒區(qū)域，系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)入侵到警戒區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并根據(jù)設(shè)置規(guī)則條件啟動(dòng)報(bào)警。

一旦有人員進(jìn)入啟閉機(jī)房，系統(tǒng)會(huì)向管理人員發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)觸發(fā)錄像。由于該錄像是重要取證錄像，根據(jù)管理部門(mén)要求，通過(guò)設(shè)置攝像頭參數(shù)可以做到觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)前25 s開(kāi)始錄像。入侵拌線(xiàn)設(shè)置，如圖2所示。

圖2 入侵拌線(xiàn)設(shè)置示意

2.2.3 移動(dòng)偵測(cè)

移動(dòng)偵測(cè)是通過(guò)攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像被處理器按照一定算法進(jìn)行計(jì)算和比較，當(dāng)畫(huà)面有變化時(shí)，計(jì)算比較結(jié)果得出的數(shù)字會(huì)超過(guò)閾值并指示系統(tǒng)能自動(dòng)作出相應(yīng)的處理。移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)在北方海河流域某水閘工程應(yīng)用于監(jiān)視閘門(mén)的啟閉情況。一旦閘門(mén)處于上升或下降狀態(tài)，攝像頭會(huì)根據(jù)規(guī)則設(shè)置（攝像頭移動(dòng)偵測(cè)規(guī)則設(shè)置及示意如圖3 所示，白色框內(nèi)為移動(dòng)偵測(cè)區(qū)域）向NVR 發(fā)送報(bào)警信息，提醒管理人員進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)際上，閘門(mén)大多數(shù)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，長(zhǎng)時(shí)間的靜止畫(huà)面的錄像沒(méi)有任何參考價(jià)值。因此，利用移動(dòng)偵測(cè)的規(guī)則可以同時(shí)觸發(fā)錄像，可以有效地節(jié)省錄像存儲(chǔ)空間。區(qū)域入侵和移動(dòng)偵測(cè)的錄像屬于報(bào)警錄像，錄像時(shí)長(zhǎng)較短。

圖3 攝像頭移動(dòng)偵測(cè)規(guī)則設(shè)置及示意

2.2.4 移動(dòng)手機(jī)終端

為方便管理部門(mén)移動(dòng)查看的需要，定制了移動(dòng)手機(jī)客戶(hù)端，客戶(hù)端使用安卓2.0版本以上智能手機(jī)，通過(guò)3G訪(fǎng)問(wèn)NVR。移動(dòng)客戶(hù)端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 移動(dòng)客戶(hù)端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

客戶(hù)端軟件主要功能有：實(shí)時(shí)監(jiān)看，采用H.264和JPG 格式；回放任意攝像機(jī)錄像視頻；PTZ 控制；報(bào)警管理等。移動(dòng)客戶(hù)端截圖和設(shè)置截圖，如圖5所示。

圖5 移動(dòng)客戶(hù)端截圖和設(shè)置截圖

2.2.5 圖像可用性

通過(guò)對(duì)多個(gè)工程中的圖像效果分析，發(fā)現(xiàn)大多時(shí)候的視頻并沒(méi)有滿(mǎn)足管理部門(mén)的實(shí)際需要，往往在查看圖像時(shí)大失所望。因此，在本工程中特別提出了圖像的可用性，它是指攝像機(jī)能夠拍攝出滿(mǎn)足監(jiān)控需求的圖像。圖像的可用性也是圖像優(yōu)化的內(nèi)容。像素和鏡頭的選擇、安裝的位置、周邊的光線(xiàn)環(huán)境，季節(jié)變化下的不同場(chǎng)景等等都會(huì)影響到圖像的可用性。

在充分了解管理部門(mén)需求的基礎(chǔ)上，對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭監(jiān)控等級(jí)進(jìn)行細(xì)化。監(jiān)視閘室下游遠(yuǎn)景的攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別要求為認(rèn)識(shí)，監(jiān)視閘室、閘門(mén)狀況和出入口情況的攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別為識(shí)別，監(jiān)視辦公院內(nèi)攝像機(jī)監(jiān)控級(jí)別為偵測(cè)級(jí)別。監(jiān)控級(jí)別以偵測(cè)最低、識(shí)別最高，根據(jù)不同的監(jiān)控級(jí)別設(shè)置不同的規(guī)則。在工程中，為了確保圖像的可用性以及圖像的最優(yōu)化，采取以下主要措施。

（1）動(dòng)態(tài)帶寬。動(dòng)態(tài)帶寬是指攝像機(jī)根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化而自動(dòng)調(diào)整錄像圖像的幀數(shù)，以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)所在網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)情況。該監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用光纖傳輸，其理論傳輸帶寬足夠滿(mǎn)足攝像機(jī)錄像傳輸所需帶寬的要求。但是考慮到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的交換能力，在攝像頭前端依舊配置了動(dòng)態(tài)帶寬，這樣可以有效地保證控制室內(nèi)圖像連續(xù)穩(wěn)定。攝像機(jī)動(dòng)態(tài)帶寬配置，如圖6所示。

圖6 攝像機(jī)動(dòng)態(tài)帶寬配置示意

（2）寬動(dòng)態(tài)。寬動(dòng)態(tài)是當(dāng)場(chǎng)景過(guò)亮或過(guò)暗時(shí)，攝像機(jī)能夠?qū)?chǎng)景還原出清晰影像的一種技術(shù)。寬動(dòng)態(tài)主要用于攝像機(jī)監(jiān)視對(duì)象周邊的亮度比攝像機(jī)周邊強(qiáng)很多的情況。攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)配置如圖7 所示，寬動(dòng)態(tài)配置前后效果對(duì)比如圖8所示。

圖7 攝像機(jī)寬動(dòng)態(tài)配置

圖8 寬動(dòng)態(tài)配置前后效果對(duì)比

（3）低照度。該閘的攝像機(jī)有時(shí)需要在夜間也就是低照度環(huán)境下工作。根據(jù)有關(guān)資料，在滿(mǎn)月明凈的夜晚下光線(xiàn)指標(biāo)為0.25 Lux。大多時(shí)候，北方天氣的夜晚下的光線(xiàn)要比0.25 Lux 低很多。在工程中，采用了AXIS 中特有的“覓光者”技術(shù)，能夠在0.15 Lux 下正常工作。“覓光者”技術(shù)是通過(guò)鏡頭、背照式CMOS 傳感器（傳統(tǒng)的是正照式）、DSP 芯片計(jì)算以及抑噪處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。普通攝像機(jī)和“覓光者”攝像機(jī)圖像對(duì)比，如圖9所示。從圖9可以看出，“覓光者”攝像機(jī)可以有效地還原現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際場(chǎng)景。

圖9 普通攝像機(jī)和覓光者攝像機(jī)圖像對(duì)比

但是，“覓光者”攝像機(jī)并不是萬(wàn)能的，為獲得更好的畫(huà)面質(zhì)量，在使用“覓光者”攝像機(jī)時(shí)仍需要做大量的前期工作。在收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)后，與管理部門(mén)溝通，確認(rèn)攝像機(jī)夜晚工作的幾個(gè)要點(diǎn)：攝像機(jī)在夏天、秋天時(shí)工作的重要性要大于冬天和春天；在汛期調(diào)度時(shí)啟閉機(jī)房會(huì)給閘門(mén)攝像機(jī)提供微弱照明；辦公樓院內(nèi)值班室外晚上會(huì)提供20 W 節(jié)能燈照明；部分?jǐn)z像機(jī)需要在全黑狀況下工作。

根據(jù)以上要點(diǎn)，確定攝像頭需要遵循的幾個(gè)原則：安裝位置避免光線(xiàn)死角；盡量距離收集環(huán)境光特別是周邊路燈和監(jiān)控區(qū)域越近越好；盡量選擇F 值低的鏡頭；將曝光控制調(diào)節(jié)設(shè)置在75。

在完全黑暗情況下工作的攝像機(jī)，必須采用外部補(bǔ)光技術(shù)。常用的外部補(bǔ)光有紅外線(xiàn)和外部光源。由于紅外線(xiàn)補(bǔ)光對(duì)監(jiān)控對(duì)象的還原失去色彩，所以在工程中采用外部光源方式。為避免出現(xiàn)手電筒效應(yīng)，需要調(diào)整補(bǔ)光燈的角度，將燈光打到監(jiān)控對(duì)象旁邊具有漫散射性的物體上。

2.2.6 圖像存儲(chǔ)和檢索查詢(xún)

圖像的存儲(chǔ)和檢索查詢(xún)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能。智能化的存儲(chǔ)和檢索查詢(xún)不但可以降低工程運(yùn)行成本，還可以有效地提高管理部門(mén)工作效率。

（1）圖像存儲(chǔ)。該樞紐視頻圖像采用集中存儲(chǔ)方式，圖像存儲(chǔ)時(shí)間為15 d。對(duì)管理部門(mén)和運(yùn)行維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)資源和業(yè)務(wù)需求永遠(yuǎn)是相矛盾的，但兩者都希望能在有效的存儲(chǔ)空間內(nèi)存儲(chǔ)更多必需的、有效的信息。因此，選擇合適的存儲(chǔ)策略可以有效地提高存儲(chǔ)能力。

在該工程中，主要采用了以下存儲(chǔ)策略，有連續(xù)錄像、計(jì)劃錄像、移動(dòng)偵測(cè)錄像、報(bào)警事件錄像和變幀錄像。根據(jù)不同的監(jiān)控要求，采取不同的存儲(chǔ)策略。例如，出入口攝像機(jī)采取連續(xù)錄像和變幀錄像，閘門(mén)攝像機(jī)采取移動(dòng)偵測(cè)錄像和報(bào)警事件錄像等。

（2）檢索查詢(xún)。該工程中對(duì)圖像的檢索查詢(xún)，是指事件發(fā)生時(shí)管理人員可實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)地通過(guò)事件發(fā)生地的攝像機(jī)對(duì)事件情況進(jìn)行關(guān)注。因此，將檢索查詢(xún)按需分為實(shí)時(shí)檢索查詢(xún)和錄像檢索查詢(xún)。

實(shí)時(shí)檢索查詢(xún)就是快速定位攝像機(jī)。首先將22 個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行編號(hào)和命名，然后按照區(qū)域管理原則，根據(jù)攝像機(jī)分類(lèi)建立不同的管理區(qū)，如閘門(mén)區(qū)、辦公區(qū)、外景區(qū)等。這樣可以通過(guò)攝像機(jī)編號(hào)和命名、管理層級(jí)以及模糊查詢(xún)來(lái)快速定位攝像機(jī)。

錄像檢索查詢(xún)主要通過(guò)時(shí)間線(xiàn)、報(bào)警事件進(jìn)行檢索查詢(xún)。在時(shí)間點(diǎn)和報(bào)警事件不準(zhǔn)確的情況下，可以將一段時(shí)間的錄像等分切成幾十片，或從某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始以固定的時(shí)間間隔進(jìn)行切片，生成數(shù)十張縮略圖，再通過(guò)縮略圖進(jìn)行畫(huà)面的快速檢索。

錄像回放是幫助管理人員對(duì)已經(jīng)發(fā)送的事件進(jìn)行確認(rèn)和查證。在錄像回放中，采用高效定位的時(shí)間線(xiàn)方式，錄像回放時(shí)間線(xiàn)示意如圖10所示。從圖10 可以看出，時(shí)間線(xiàn)上用不同的區(qū)域表示該時(shí)段內(nèi)不同的事件發(fā)生狀況，包括攝像機(jī)內(nèi)SD 卡斷線(xiàn)回補(bǔ)、圖像有動(dòng)態(tài)變化（以及動(dòng)態(tài)變化有無(wú)報(bào)警信息），圖像基本靜止不需太多關(guān)注。管理人員可以根據(jù)時(shí)間線(xiàn)的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速查詢(xún)。

圖10 錄像回放時(shí)間線(xiàn)示意

3 結(jié)語(yǔ)

隨著光電信息技術(shù)、視頻分析技術(shù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化視頻系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。由于智能視頻分析是基于監(jiān)控目標(biāo)和圖像的邏輯關(guān)系的，相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，智能監(jiān)控系統(tǒng)具有毫秒級(jí)的反應(yīng)時(shí)間，可以大大提高工作效率，同時(shí)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)檢索和分析功能等特點(diǎn)。智能視頻監(jiān)控技術(shù)在北方海河流域某水閘工程上的應(yīng)用，很好地滿(mǎn)足了水利管理部門(mén)的實(shí)際需求。實(shí)踐證明，這一技術(shù)在今后水利工程（含水閘和水庫(kù)）乃至流域管理中都具有很好的推廣價(jià)值。