多傳感器視頻集成技術(shù)及應用淺析

　　多傳感器彌補了純視頻監控的不足，對多個(gè)環(huán)境量進(jìn)行跟蹤，能夠實(shí)現對目標區域的多方位立體監控;同時(shí)，運用多傳感器信息整合技術(shù)，系統能夠有效提高對檢測區域或目標報警、智能分析、智能跟蹤的準確度;此外，大規模的傳感器集成系統能夠獲得比單個(gè)或少量傳感器集成系統更多信息，對這些大數據進(jìn)行有效的綜合應用，能夠實(shí)現更加復雜和高階的功能，產(chǎn)生巨大的行業(yè)與社會(huì )價(jià)值。

　　何謂多傳器視頻集成

　　多傳感器信息融合是用于包含處于不同位置的多個(gè)或者多種傳感器的信息處理技術(shù)。隨著(zhù)傳感器應用技術(shù)、數據處理技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)和工業(yè)化控制技術(shù)的發(fā)展成熟，多傳感器信息融合技術(shù)已形成一門(mén)熱門(mén)新興學(xué)科和技術(shù)。多傳感器信息融合技術(shù)應用到視頻監控領(lǐng)域，能夠實(shí)現更加精細化、智能化的安防監控目標。

　　多傳感器視頻集成技術(shù)的基本原理有如人的大腦對身體各種感覺(jué)(視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等)信息進(jìn)行綜合處理，將包括攝像頭在內的各種傳感器進(jìn)行多層次、多時(shí)間、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對觀(guān)測環(huán)境的一致性解釋。在這個(gè)過(guò)程中要充分地利用多源數據進(jìn)行合理支配與使用，基于各傳感器獲得的分離觀(guān)測信息，通過(guò)對信息多級別、多方面組合導出更多有用信息。多傳感器彌補了純視頻監控的不足，對多個(gè)環(huán)境量進(jìn)行跟蹤，能夠實(shí)現對目標區域的多方位立體監控;同時(shí)，運用多傳感器信息整合技術(shù)，系統能夠有效提高對檢測區域或目標報警、智能分析、智能跟蹤的準確度;此外，大規模的傳感器集成系統能夠獲得比單個(gè)或少量傳感器集成系統更多信息，對這些大數據進(jìn)行有效的綜合應用，能夠實(shí)現更加復雜和高階的功能，產(chǎn)生巨大的行業(yè)與社會(huì )價(jià)值。

　　多傳感器視頻集成的概念，僅從字面上來(lái)看，不難理解。“多”有兩種含義，一是“多類(lèi)型”，就是系統中集成了多種類(lèi)型的傳感器;二是“多數量”，多個(gè)同類(lèi)型的傳感器也能稱(chēng)之為多傳感器集成。如，組合了一路音視頻采集的攝像機可以看作多傳感器集成，一臺接入了16路視頻信號的DVR也可以認為是多傳感器集成，這是廣義上的多傳感器視頻集成概念。但從嚴格意義上講，上述這些案例通常不被認為使用了多傳感器集成技術(shù)，因為它們只是將多源傳感器信息進(jìn)行簡(jiǎn)單羅列收集，并沒(méi)有對其融合分析和處理而達成某種決策，產(chǎn)生進(jìn)一步的行為(見(jiàn)圖1所示)。

　　嚴格意義上的多傳感器視頻集成強調多傳感器信息的融合運用，而這種信息整合技術(shù)在實(shí)際應用中可能非常簡(jiǎn)單，也可能極為復雜。筆者并不打算在此文中描述多傳感器信息融合技術(shù)的相關(guān)內容，而是介紹一些多傳感器視頻集成的相關(guān)產(chǎn)品或者方案，使大家能夠對這種技術(shù)形成一種感觀(guān)上認識。(點(diǎn)擊下頁(yè))

　　多傳感器集方式及應用在視頻監控領(lǐng)域，有三種類(lèi)型或層次上的多傳感器集成方式及應用：傳感器內部集成傳統的傳感器，存在功能單一、使用環(huán)境受限、安裝不便等多種局限。如傳統的紅外報警器，掉落的樹(shù)葉或飛過(guò)的小鳥(niǎo)都可能引起系統誤報，通常只適宜安裝在室內而不能應用于室外。隨著(zhù)傳感器技術(shù)的發(fā)展，出現了一些集成多種傳感單元的傳感器產(chǎn)品，用來(lái)解決傳統傳感器的弊端。

　　一種集成技術(shù)是多功能傳感器，這類(lèi)傳感器中集成了多種用途不同的傳感單元，用于解決傳統傳感器功能單一、安裝不便等問(wèn)題，并降低系統集成成本。如將溫度、濕度傳感單元集成到一起的溫濕度傳感器，再如集成多種氣體檢測單元的多氣體傳感器。這類(lèi)傳感器將一個(gè)系統需要的幾種相關(guān)的傳感器集成到一起，便于使用，是未來(lái)傳感器發(fā)展的一個(gè)方向。

　　另一種集成技術(shù)是雙監、多監傳感器，這種傳感器同樣集成了多個(gè)傳感器單元，但目的不是為了擴充傳感器的功能，而是綜合多個(gè)傳感單元的信息進(jìn)行運算，來(lái)減少誤報，提高傳感器的識別率。如傳統的單紅外報警器，這幾年逐漸發(fā)展成了集主動(dòng)、被動(dòng)、微波檢測的三鑒探測器，當三個(gè)探測單元綜合判定探測目標為人時(shí)，才產(chǎn)生報警，能夠有效排除環(huán)境因素(如風(fēng)、光照、小動(dòng)物)的干擾，大大降低誤報率，使得紅外報警器也能很好地被應用到室外。集成多傳感單元的傳感器集成技術(shù)是未來(lái)安防傳感器應用的一種趨勢。

　　監控產(chǎn)品集成為了提高視頻效果或者提升產(chǎn)品對環(huán)境的適應性，一些視頻監控產(chǎn)品自身也會(huì )集成或者支持接入圖像傳感器之外的傳感器，增強視頻監控產(chǎn)品的功能。

　　如紅外攝像機、紅外球等產(chǎn)品，在晚上或光線(xiàn)比較暗的環(huán)境中，會(huì )啟動(dòng)紅外攝像模式，使圖像傳感器依然能夠取獲清晰的黑白視頻，在光線(xiàn)充足的情況下又自動(dòng)切換到正常模式，使所攝視頻恢復色彩，實(shí)現圖像高保真。通常情況下，這種光線(xiàn)的變化由設備自身體通過(guò)分析視頻圖像來(lái)計算，但這種計算比較復雜，而且效果不理想環(huán)境適應性不強，因此，某些此類(lèi)產(chǎn)品在結構允許的情況下，會(huì )在自身集成一個(gè)光敏傳感器，來(lái)直接感知和處理環(huán)境光的變化，將設備切換到正確的工作模式。

　　激光夜視產(chǎn)品也使在了同樣集成了光敏傳感器在實(shí)現白天黑夜工作的切換。一些高級的設備甚至集成了更多的傳感器，如配置兩個(gè)圖像傳感器，一個(gè)用于可見(jiàn)光成像，負責視頻圖像采集，另一個(gè)用于紅外熱成像，用于識別和發(fā)現目標，做精細化定位和跟蹤。同時(shí)，一些夜視儀中還配備了雷達信號接收接口，實(shí)現自動(dòng)跟蹤。多種傳感器的集成，使得夜視儀能夠在各種環(huán)境下獲得清晰的視頻圖像，并實(shí)現對目標的精準跟蹤。

　　卡口攝像機等交通產(chǎn)品在車(chē)輛測速功能中也應用了多傳感器集成技術(shù)。車(chē)輛在公路上運行，速度通常比較快，通過(guò)分析圖像傳感器的視頻數據來(lái)測量車(chē)速，運算量巨大，時(shí)效性差，車(chē)速越高越不準確。因此，這類(lèi)產(chǎn)品通常會(huì )配置線(xiàn)圈或雷達等傳感器接入接口，用外置的傳感器來(lái)測量車(chē)速。

　　線(xiàn)圈和雷達，對車(chē)速的測試準確度比較高，但也有一些無(wú)法應對的情況，如車(chē)輛相連，雷達測速有時(shí)候在沒(méi)有車(chē)輛的情況下甚至會(huì )誤報，影響測量結果作為違法證據的有效性。因此，智能的卡口攝像機會(huì )同時(shí)評估來(lái)自圖像傳感器與外接測速傳感器的信息，來(lái)降低誤報和提高準確率。如當雷達上報車(chē)速信息時(shí)，設備同時(shí)對當前視頻圖像進(jìn)行智能分析，確定圖像中有車(chē)輛，雷達測速信息才有效，否則，不采信雷達數據，有效地避免了誤報率。

　　監控系統集成

　　無(wú)論是傳感器內部集成還是監控產(chǎn)品多傳感器集成，其涉及的傳感器個(gè)數都比較有限，解決的只是一些比較原始的問(wèn)題，如多監探頭，解決的只是傳感器自身的準確率和環(huán)境適應性。更加嚴格意義上的多傳感器視頻集成是在監控系統這個(gè)級別上運用多傳感器融合技術(shù)，來(lái)解決更加復雜的問(wèn)題，產(chǎn)生更大的應用價(jià)值。如單個(gè)卡口攝像機能夠進(jìn)行車(chē)牌識別和車(chē)速度測量，但無(wú)法確定某個(gè)車(chē)輛某段時(shí)間內的運行軌跡，但智能交通系統則集成了這種成千上萬(wàn)的攝像頭，每個(gè)攝像頭可以認為是系統中的一個(gè)圖像傳感器，通過(guò)整合和分析所有攝像頭的車(chē)牌檢出與車(chē)速測量等信息，查獲某輛車(chē)當前位置和運行路徑甚至預測其未來(lái)的軌跡，立刻變得輕而易舉，這正是多傳感器視頻集成技術(shù)強大威力的體現。

　　家庭監控系統是一個(gè)小型的多傳感器視頻集成監控系統。該系統利用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將安裝在家內的視頻、音頻、報警器、等監控設備和傳感器連接起來(lái)，通過(guò)中控電腦或設備的處理將有用信息存儲、傳輸和處理，實(shí)現對家庭安全的全方位監控。典型的家庭監控系統構成如下圖所示(見(jiàn)圖2)。

　　其中，音頻視頻攝像機用存采集家中實(shí)時(shí)的音視頻數據;門(mén)磁感應器、紅外傳感器與能夠檢測到門(mén)的關(guān)閉以及人的進(jìn)出;煙霧傳感器與煤氣能夠檢測家中其他的異常。這些傳感器的信息統一匯集到監控主機上，關(guān)聯(lián)這些信息，監控系統不僅能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)查看家中情況的基本需求，還可以檢測到家中異常，如著(zhù)火、煤氣泄露、小偷侵入等，并采取進(jìn)一步的操作，如發(fā)送警報、保存證據等。該系統對多個(gè)傳感器信息的關(guān)聯(lián)處理可能比較簡(jiǎn)單，也可以做到復雜，如紅外傳感與門(mén)磁感應到有人侵入后，來(lái)自攝像頭的視頻信息甚至還能夠運用人臉識別技術(shù)確定進(jìn)入的是主人還是陌生人，減少家人進(jìn)出門(mén)的系統誤報。

　　動(dòng)力環(huán)節監測系統應用在機房、基部站等無(wú)人值守的環(huán)境中，對局站內的通訊電源、蓄電池組、UPS、發(fā)電機、空調等智能、非智能設備以及溫濕度、煙霧、地水、門(mén)禁等環(huán)境量實(shí)現“遙測、遙信、遙控、遙調”等功能。為了實(shí)現對多個(gè)量的監測，動(dòng)環(huán)系統集成了各種類(lèi)的傳感器，是多傳感器集成系統傳感器“多類(lèi)型”的一個(gè)經(jīng)典案例。同時(shí)，此監控系統充分利用了通訊傳輸設備所能提供的各種傳輸信道資源，可以實(shí)現多級網(wǎng)管，能夠對所有局站的全參數、全方位的監控，這又很好體現了多傳感器集成系統傳感器“多數量”的一面。動(dòng)環(huán)監測系統的組成如下所示(見(jiàn)圖3)。

　　智能交通系統(ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個(gè)交通運輸管理體系而建立起的一種在大范圍內、全方位發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準確、高效的綜合的運輸和管理系統。

　　ITS可以看作是多傳感器視頻集成技術(shù)的大型應用。在這個(gè)系統中，集成了包括交通攝像機、光學(xué)檢測儀、線(xiàn)圈檢測器、雷達檢測器、移動(dòng)測速儀、射頻感應器、GPS等多類(lèi)傳感器，而且各類(lèi)傳感器數量非常巨大。透過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，這些傳感器分級接入系統并上報數據，經(jīng)過(guò)信息處理系統，這些來(lái)自不同地點(diǎn)、不同時(shí)間的傳感器數據被有效組織和運用，實(shí)現各類(lèi)交通管理功能，如識別違章車(chē)輛并在卡口攔截，評估和預測交通狀況實(shí)現有效的交通疏導和交通控制避免交通擁堵，跟蹤車(chē)輛運行軌跡組織貨物運輸提高物流效率，監控和識別交通事故提供快速救援等。

　　結束語(yǔ)

　　通過(guò)上述案例的介紹，我們不難看成，多傳感器視頻集成技術(shù)并不神秘，在各種監控領(lǐng)域都能看到應用。該技術(shù)以多傳感器信息融合技術(shù)為理論基礎，但由于視頻監控需求的多樣性，實(shí)際應用中傳感器集成度有高有低，所涉及的融合技術(shù)有繁有簡(jiǎn)，此形成了幾種不同的層次的集成方向，代表著(zhù)不同需求下的多傳感視頻集成的趨勢。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無(wú)論是對小到多監探頭，還是對大到如智慧城市這類(lèi)復雜系統，都會(huì )在多傳感器集成上提出越來(lái)越多的需求，推出多傳感器視頻集成技術(shù)的完善與發(fā)展，使多傳感器視頻集成成為視頻監控的主流方案。