安防系統中的關(guān)鍵視頻技術(shù)應用

　　近年來(lái)，隨著(zhù)寬帶的普及，計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的提高，視頻監控正越來(lái)越廣泛地廣泛應用于安防領(lǐng)域，是協(xié)助公共安全部門(mén)打擊犯罪、維持社會(huì )安定的重要手段。

　　視頻監控的基本業(yè)務(wù)功能是提供實(shí)時(shí)監視的手段，并對被監視的畫(huà)面進(jìn)行錄像存儲，以便事后回放。在此基礎上，高級的視頻監控系統可以對監控裝置進(jìn)行遠程控制，并能接收報警信號，進(jìn)行報警觸發(fā)與聯(lián)動(dòng)。最早的視頻監控系統是全模擬的視頻監控系統，圖像信息采用視頻電纜，以模擬方式傳輸，一般傳輸距離不能太遠，主要應用于小范圍內的監控，監控圖像一般只能在控制中心查看。

　　隨著(zhù)數字技術(shù)的發(fā)展，數字視頻監控系統從20世紀90年代中期開(kāi)始出現，以數字控制的視頻矩陣替代原來(lái)的模擬視頻矩陣，以數字硬盤(pán)錄像機DVR替代原來(lái)的長(cháng)延時(shí)模擬錄像機，將原來(lái)的磁帶存儲模式轉變成數字存儲錄像，實(shí)現了將模擬視頻轉為數字錄像。DVR集合了錄像機、畫(huà)面分割器等功能，跨出數字監控的第一步。在此基礎上產(chǎn)生了全數字的視頻監控系統，可以基于PC機或嵌入式設備構成監控系統，并進(jìn)行多媒體管理，這類(lèi)系統是目前視頻監控市場(chǎng)的主流。

　　隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的普及，視頻監控逐漸從本地監控向遠程監控發(fā)展，出現了以網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器為代表的遠程網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統。網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器解決了視頻流在網(wǎng)絡(luò )上的傳輸問(wèn)題，從圖像采集開(kāi)始進(jìn)行數字化處理、傳輸，這樣使得傳輸線(xiàn)路的選擇更加多樣性，只要有網(wǎng)絡(luò )的地方，就提供了圖像傳輸的可能。

　　計算機技術(shù)的發(fā)展使視頻監控技術(shù)更加智能化，通過(guò)在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計算機能夠通過(guò)數字圖像處理和分析來(lái)理解視頻畫(huà)面中的內容。視頻監控技術(shù)網(wǎng)絡(luò )化、智能化的基礎是數字化。而智能化是“三化”的最高境界。系統由目視解釋轉變?yōu)闄C器自動(dòng)解釋是視頻監控技術(shù)的飛躍，是安防技術(shù)的發(fā)展的必然。下面從四個(gè)方面簡(jiǎn)要探討一下安防系統中的關(guān)鍵視頻技術(shù)

　　一、圖像傳感器技術(shù)

　　視頻監控系統的核心部分就是圖像傳感技術(shù)，目前，監控攝像機的圖像傳感器正逐漸從傳統的CCD向CMOS轉變。這兩種傳感器各有長(cháng)短，但一直以來(lái)，CMOS傳感器的缺點(diǎn)漸漸減少。CMOS圖像傳感器低成本、高集成度為其主要特點(diǎn)，圖像質(zhì)量已不輸于CCD。與基于CCD的探頭相比，CMOS探頭的集成度更高，因為CMOS傳感器集成了許多外圍處理功能，所需器件比CCD探頭少，且CMOS探頭的功耗要低得多。從整個(gè)系統來(lái)看，CMOS傳感器可將成本大大降低。

　　CMOS傳感器與CCD傳感器的比較CCD(ChargeCoupledDevice)，即“電荷耦合器件”，以百萬(wàn)像素為單位。數碼相機規格中的多少百萬(wàn)像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運用于掃描儀、復印機以及無(wú)膠片相機等設備。與膠卷的原理相似，光線(xiàn)穿過(guò)一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒(méi)有能力記錄圖形數據，也沒(méi)有能力永久保存下來(lái)，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數據都會(huì )不停留地送入一個(gè)“模-數”轉換器，一個(gè)信號處理器以及一個(gè)存儲設備(比如內存芯片或內存卡)。CCD有各式各樣的尺寸和形狀，最大的有2×2平方英寸。1970美國貝爾實(shí)驗室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數碼相機，將影像處理行業(yè)推進(jìn)到一個(gè)全新領(lǐng)域。

　　CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)，即“互補金屬氧化物半導體”。它是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導所需的大量資料。有人發(fā)現，將CMOS加工也可以作為數碼相機中的感光傳感器，其便于大規模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢(mèng)寐以求的。

　　從技術(shù)的角度比較，CCD與CMOS有如下四個(gè)方面的不同：

　　1.信息讀取方式：CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實(shí)施轉移后讀取，電荷信息轉移和讀取輸出需要有時(shí)鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個(gè)電路較為復雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡(jiǎn)單。

　　2.速度：CCD電荷耦合器需在同步時(shí)鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢;而CMOS光電傳感器采集光信號的同時(shí)就可以取出電信號，還能同時(shí)處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。

　　3.電源及耗電量：CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電，耗電量較大;CMOS光電傳感器只需使用一個(gè)電源，耗電量非常小，僅為CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節能方面具有很大優(yōu)勢。

　　4.成像質(zhì)量：CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結或二氧化硅(SiO2)隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長(cháng)一段時(shí)間無(wú)法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著(zhù)CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

　　目前，CCD技術(shù)主要掌握在索尼、佳能、奧林巴斯等幾大廠(chǎng)商手中。主流的數碼相機均采用CCD作為光敏傳感器件，像素數一般為三百萬(wàn)左右。其制造工藝復雜，功耗大，成本較高。未來(lái)，采用CCD傳感器的數碼相機將繼續朝著(zhù)提高像素數，增加拍攝功能，提高照片質(zhì)量的方向發(fā)展，力爭在各項指標上早日達到傳統相機的標準。

　　采用CMOS傳感器的數碼相機一般低于130萬(wàn)像素，主要面向以家庭、個(gè)人用戶(hù)為主的低端市場(chǎng)。其時(shí)尚化、多功能、價(jià)格低的優(yōu)勢受到了普通消費者的歡迎。國內的數碼相機廠(chǎng)商對CMOS數碼相機傾注了極高的熱情，包括海鷗、先科、喜馬拉雅等先后推出了相應產(chǎn)品。CMOS可塑性較高，未來(lái)除了數碼相機之外，將在傳真機、掃描儀、數字攝像機、安全偵測系統等方面得到廣泛應用。目前市場(chǎng)上CMOS產(chǎn)品不多，但在美國，包括Intel、ATI在內的多家公司都在積極研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。今年7月，歐洲的獨立半導體研究機構IMEC公布了兩個(gè)有關(guān)CMOS的研發(fā)項目，其中探索CMOS技術(shù)極限的“AdvancedDeviceImplementationProgram”，其目標是確立國際半導體技術(shù)規劃(ITRS)的最新版本，并提出面向60nm～30nm的技術(shù)。

　　二、流媒體技術(shù)

　　實(shí)時(shí)視頻監視與錄像回放是視頻監控的兩大重要基本業(yè)務(wù)，其本質(zhì)是將視頻源上的多媒體數據傳送到視頻接收端。實(shí)時(shí)視頻監視要求完成視頻的實(shí)時(shí)傳輸，具有很強的實(shí)時(shí)性;錄像回放則類(lèi)似于VOD業(yè)務(wù)，具有一定的實(shí)時(shí)性(但并非很強)，要求畫(huà)面清晰流暢，并且能完成各種播放控制操作。

　　我們可以將前端的攝像機看成是實(shí)時(shí)的A/V源，而將錄像文件看成是存儲的A/V文件，那么目前解決此類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)很好的辦法便是運用流媒體技術(shù)。

　　我們知道，流式傳輸及流媒體(StreamingMedia)是為了解決信息傳輸實(shí)時(shí)性問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的。流式傳輸主要指通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸媒體(如音頻、視頻等)的技術(shù)總稱(chēng)，其特定含義為通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將音視頻等信息傳輸到用戶(hù)終端播放時(shí)，無(wú)須等全部文件下載完畢才可播放，而是將連續的音視頻信息壓縮后放于服務(wù)器，用戶(hù)終端播放時(shí)只要將開(kāi)始部分的內容存入其內存，其余數據流由用戶(hù)終端在后臺繼續接收并播放，直至播放完畢或用戶(hù)中止操作。這樣，用戶(hù)播放媒體的等待時(shí)間將顯著(zhù)減少，且無(wú)須太大緩存。流媒體指使用流式傳輸技術(shù)的連續時(shí)基媒體。

　　流式傳輸主要是為了區別于下載傳輸而提出的。傳統的下載轉輸方式有兩個(gè)基本條件，一是基于文件操作，二是文件要全部下載后才能使用(播放)。對于實(shí)時(shí)視頻監視而言，不存在文件的概念，因此無(wú)法用“下載”的方式實(shí)現。對于錄像業(yè)務(wù)，錄像數據可以以文件形式存在，但是，如果錄像數據如果必須等完全下載后才能播放的話(huà)，會(huì )帶來(lái)很大的時(shí)延，用戶(hù)無(wú)法忍受。所以，比較理想的方式是采用流式傳輸。

　　實(shí)現流式傳輸有順序流式傳輸(ProgressiveStreaming)和實(shí)時(shí)流式傳輸(RealtimeStreaming)兩種方法。視頻監控業(yè)務(wù)主要采用實(shí)時(shí)流式傳輸。

　　網(wǎng)絡(luò )攝像機可以看成是一臺提供實(shí)時(shí)A/V源的服務(wù)器，當用戶(hù)請求進(jìn)行實(shí)時(shí)監視時(shí)，網(wǎng)絡(luò )攝像機采用實(shí)時(shí)流式傳輸方式向用戶(hù)終端傳送監控畫(huà)面?？紤]到多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )攝像機將帶來(lái)流量瓶頸等問(wèn)題，可以使用視頻服務(wù)器來(lái)進(jìn)行中轉，讓視頻服務(wù)器來(lái)提供強大的負載能力。

　　以上只是原理性的簡(jiǎn)要說(shuō)明。上述方案可以滿(mǎn)足小型的視頻監控系統，但在大型的視頻監控系統中，監控前端設備與用戶(hù)終端的數目都非常龐大，除了增加考慮組播、廣播等方案外，更需要一套完善的媒體分發(fā)、調度機制來(lái)保證媒體的高效傳送。在這方面，目前尚無(wú)現成的成熟方案，中國通信標準化組織(CCSA)正對此展開(kāi)積極研究，以便為未來(lái)的視頻監控系統提供標準的媒體傳送機制。

　　三、紅外熱成像技術(shù)

　　人眼能夠感受到的可見(jiàn)光波長(cháng)為0.38～0.78微米。紅外線(xiàn)屬于波長(cháng)大于0.78微米的電磁波。自然界中，一切物體都會(huì )輻射不同波長(cháng)的紅外線(xiàn)，因此能夠利用特制的探測設備分別檢測出監控目標本身和背景之間的紅外線(xiàn)波長(cháng)，從而可以得到不同的紅外圖像，這紅外圖像稱(chēng)為熱圖像。

　　采用紅外熱成像技術(shù)，探測目標物體的紅外輻射，并通過(guò)光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的設備被稱(chēng)為紅外熱成像儀。

　　紅外熱成像儀在視頻監控中的應用舉例：

　　1.夜間及惡劣氣候條件下的目標監控

　　夜晚，需可見(jiàn)光工作的設備已經(jīng)不能正常工作，如果采用人工照明，則容易暴露目標。若采用微光夜視設備，它同樣也工作在可見(jiàn)光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的紅外熱輻射，無(wú)論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會(huì )暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見(jiàn)光的波長(cháng)短，克服障礙的能力差，因而觀(guān)測效果差，但紅外線(xiàn)的波長(cháng)較長(cháng)，特別是工作在8～14um的熱成像儀，穿透雨、霧的能力較強，因此在夜間以及惡劣氣候條件，采用紅外熱成像監控設備仍可以正常地對各種目標進(jìn)行監控。

　　2.防火監控

　　由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設備，因此除了夜間可以作為現場(chǎng)監控使用外，還可以作為有效的防火報警設備。很多火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現有的普通方法，很難發(fā)現這種隱性火災苗頭。而應用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現這些隱火，并且可以準確判定火災的地點(diǎn)和范圍，透過(guò)煙霧發(fā)現著(zhù)火點(diǎn)，做到早知道、早預防、早撲滅。

　　3.偽裝及隱蔽目標的識別

　　偽裝是以防可見(jiàn)光觀(guān)測為主，犯罪分子作案時(shí)通常會(huì )隱蔽在草叢及樹(shù)林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺(jué)錯覺(jué)，容易產(chǎn)生錯誤判斷。紅外熱成像儀是被動(dòng)接受目標自身的熱輻射，人體和車(chē)輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射，因此不易偽裝，也不容易產(chǎn)生錯誤判斷。

　　四、智能視頻監控技術(shù)

　　智能視頻(IV，IntelligentVideo)源自計算機視覺(jué)(CV，ComputerVision)技術(shù)。計算機視覺(jué)技術(shù)是人工智能(AI，ArtificialIntelligent)研究的分支之一，它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計算能夠通過(guò)數字圖像處理和分析來(lái)理解視頻畫(huà)面中的內容。

　　視頻監控中所提到的智能視頻技術(shù)主要是指：“自動(dòng)的分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵信息。”如果把攝像機看作人的眼睛，而智能視頻系統或設備則可以看作人的大腦。

　　建造視頻監控系統的目的，一是為了視覺(jué)上的延伸--把處于別地的畫(huà)面通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與設備“拉近”到眼前，因此有了遠程監控;二是為了智力上的延伸--讓系統自動(dòng)為我們分析問(wèn)題并解決問(wèn)題，于是有了智能監控。當然，后者是更高層次上的要求，但也是視頻監控今后發(fā)展的必然要求。

　　傳統的視頻監控系統缺乏智能，在很大程度上依賴(lài)于人的判斷。然而，人類(lèi)有著(zhù)自身難以克服的弱點(diǎn)，比如：(1)人力有限，人的反應與處理速度有限，導致我們在指定的時(shí)間內能夠進(jìn)行監視的地點(diǎn)有限。這也就意味著(zhù)各個(gè)被監控點(diǎn)并非每時(shí)每刻都處于監控當中。(2)人并非一個(gè)可以完全信賴(lài)的觀(guān)察者，無(wú)論是在觀(guān)看實(shí)時(shí)的視頻流還是在觀(guān)看錄像回放的時(shí)候，由于自身生理上的弱點(diǎn)，我們經(jīng)常無(wú)法察覺(jué)安全威脅，從而導致漏報現象的發(fā)生。

　　從上述分析來(lái)看，當開(kāi)展大規模視頻監控以后，智能監控實(shí)際上已不是可有可無(wú)的裝飾品，而是系統所必備的一種能力。

　　否則，巨大的投資將由于缺乏人力資源的跟進(jìn)以及人類(lèi)自身的弱點(diǎn)，而有可能變?yōu)橐环N浪費。

　　智能視頻技術(shù)可以在很多地方得到應用。比如：

　　(1)高級視頻移動(dòng)偵測：在復雜的天氣環(huán)境中(例如雨雪、大霧、大風(fēng)等)精確地偵測和識別單個(gè)物體或多個(gè)物體的運動(dòng)情況，包括運動(dòng)方向、運動(dòng)特征等。

　　(2)物體追蹤：偵測到移動(dòng)物體之后，根據物體的運動(dòng)情況，自動(dòng)發(fā)送PTZ控制指令，使攝像機能夠自動(dòng)跟蹤物體，在物體超出該攝像機監控范圍之后，自動(dòng)通知物體所在區域的攝像機繼續進(jìn)行追蹤。

　　(3)人物面部識別：自動(dòng)識別人物的臉部特征，并通過(guò)與數據庫檔案進(jìn)行比較來(lái)識別或驗證人物的身份。此類(lèi)應用又可以細分為“合作型”和“非合作型”兩大類(lèi)。“合作型”應用需要被監控者在攝像機前停留一段時(shí)間，通常與門(mén)禁系統配合使用。“非合作型”則可以在人群中識別出特定的個(gè)體，此類(lèi)應用可以在機場(chǎng)、火車(chē)站、體育場(chǎng)館等安防應用場(chǎng)景中發(fā)揮很大的作用。

　　(4)車(chē)輛識別：識別車(chē)輛的形狀、顏色、車(chē)牌號碼等特征，并反饋給監控者。此類(lèi)應用可以用在被盜車(chē)輛追蹤等場(chǎng)景中。

　　(5)非法滯留：當一個(gè)物體(如箱子、包裹、車(chē)輛、人物等)在敏感區域停留的時(shí)間過(guò)長(cháng)，或超過(guò)了預定義的時(shí)間長(cháng)度就產(chǎn)生報警。典型應用場(chǎng)景包括機場(chǎng)、火車(chē)站、地鐵站等。

　　(6)交通流量控制：用于在公路上監視交通情況，例如統計通過(guò)的車(chē)數、平均車(chē)速、是否有非法?？?、是否有故障車(chē)輛等等。

　　從以前的模擬監控到現在的數字監控;從落后的現場(chǎng)監控到先進(jìn)的遠程監控;從有人值守監控到現在的無(wú)人值守監控，視頻監控正朝著(zhù)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化方向蓬勃發(fā)展。無(wú)論從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展角度，還是技術(shù)的發(fā)展角度，視頻監控行業(yè)都將會(huì )有更廣闊的市場(chǎng)和更大的發(fā)展空間。