智能高清视频监控技术及应用

　　随着社会和经济的快速发展，安防行业体现出越来越重要的影响和作用，尤其是平安城市、科技强警、校园安防等政府示范建设工程的推广和应用，以视频监控为主的安防产品呈现规模化、超常态化的发展势头。视频监控模式已从传统的模拟、模数混合监控逐步向全数字化、智能化的视频监控方向发展，图像分辨率从CIF、D1格式向数字电视中的高分辨率格式发展，百万高清的视频监控正在以一种高姿态、高要求方式进入我们视野。监控系统功能要求正在从传统的事后查证向智能预警方式转变。另外，各种高速的无线、移动传输方式也被逐渐应用到监控系统中。由此可见，智能、高清、无线、IP等技术在监控系统的应用将是安防行业发展的必然趋势，这些词汇也将成为未来监控技术和系统的关键词，以视频监控为特征的安防行业将迎来由市场需求和技术发展两者共同驱动的快速发展局面。

　　一、视频监控技术的发展历程

　　智能高清视频监控技术，是视频技术发展和安防市场需求双重驱动的必然结果。按照大家普遍认可的划分方法，视频监控技术发展历程经历了以下三个阶段。

　　第一阶段是从以模拟摄像机、录像机、视频分割器、多路切换器为代表的传统模拟视频监控，信号采集、处理、传输都是基于模拟信号的处理方式。其特点是：（1）由于模拟视频监控系统采用同轴电缆方式传输信号，传输距离受到限制，远程传输信号质量影响严重；（2）由于采用模拟录像带方式存储视频信息，录像视频质量较差，对大量的录像带视频资料很难进行方便的检索和查询。（3）监控场景的分析判断全部依赖人工进行，长时间的观察工作产生视觉疲劳，效率低下。（4）与报警系统的联动、对前端的控制较为困难，很难实现较大规模的远程视频监控系统。

　　第二阶段是以模数混合的视频处理与传输技术的视频监控，具有代表性的基于多路CIF格式的DVR监控系统，来自于模拟摄像机的视频信号通过同轴电缆连接到监控中心，通过视频采集卡将多路模拟视频信号数字化，并经数字压缩编码处理后，压缩存储到硬盘录像机或存储服务器中，视频信号通常采用M-JPEG/ H.263/ MPEG-1/MPEG-4格式的压缩标准。视频信号的数字化处理方式主要集中在后端或中心处，采用高性能的工控机或服务器来处理。其特点是：（1）视频信号经数字化后进行压缩编码，数据存储空间大大减少，可保存更长时间，数据更加稳定；（2）可以很方便实现对视频数据建立索引，从而实现快速检索和查询，回放操作大为简单；（3）视频流远程传输、分层管理的权限设置容易实现。

　　第三阶段是全数字化的多媒体监控时代，其代表是基于D1图像分辨率的一体化网络摄像机，视频和声音同时被记录。利用CCD或CMOS图像传感器、嵌入式处理器或高速DSP形成一体化网络摄像机，视频信号的采集无需经过模数转换，压缩编码及处理是全数字化方式，其输出是数字化的IP视频流。其特点：（1）采用了更高压缩比的视频编码H.264标准，能更有效地节省网络带宽资源和存储空间；（2）由于采用IP传输方式，远程监控、分级管理变得十分容易；（3）可进行无限扩展，组成包括无线传输在内的复杂监控网络，实现多级权限的远程控制和管理；（4）存储、传输、回放、检索等功能十分简单并且人性化。监控的区域化、规模化、远程化成为该阶段视频监控系统的特点。目前大多数的监控系统处于第二或第三阶段。

　　二、智能高清视频监控技术的研究现状

　　我们将要面对的是以智能高清为特征的视频监控技术发展新阶段，智能高清视频监控技术是信息（视频、语音）处理数字化、信号传输网络化、信息表现智能化，集通信、网络、处理等多种技术于一体的新一代监控系统。采用高清的CCD或CMOS图像传感器、具有视频行为分析功能、基于IP网络实现图像、声音及各种报警信号的远程采集、传输、储存和处理，提供便捷、经济、有效的远程视频监控解决方案。以智能、高清、无线为特征的视频监控系统将会在安防行业大放异彩。

　　智能是视频监控规模化发展的必然结果。首先从应用要求来说，众所周知，当人长时间面对枯燥的监控画面，其注意力会急剧下降，尤其是随着摄像机数目的快速增加，依靠人工方式盯看监控画面的监控模式将变得越来越低效甚至只变成了一种摆设。其次，许多恶劣环境、或高风险场合如化工厂、核电站、国境线等不适合人工长时间工作的应用场合迫切需要智能视频监控系统。另外，随着安防要求的提高，无数事实证明，事后追查是必须的，但事发前的预警提示更为重要，它可以把一些重大事件隐患抑制于萌芽之中，避免出现严重后果。由此可见，智能是监控市场快速规模发展必然的要求。

　　另一方面，从视频监控的技术发展来看，近几年智能视频监控技术已引起许多国家的高度重视，高校、科研院所、高新企业等各自开展了以智能视频监控系统为核心的应用技术研究。如1997年美国国防高级研究项目署（DARPA）设立了以卡内基梅隆大学(CMU)为首、麻省理工学院(MIT)等众多高校参与的视觉监控重大项目VSAM，该项目的视频分析图像理解技术被用于战场及普通民用监控场景；1999年美国马里兰大学的实时视觉监控系统W4系统不仅能够定位人并分割出人体的各大部分，而且通过建立外观模型来实现对多人的跟踪，并可以检测人是否携带物体等简单行为；麻省理工学院媒体实验室开发的人体运动跟踪系统Pfinder可以在静态复杂背景下对单个人的实现较为准确的实时用户跟踪，能够克服短暂关照变化和遮挡等因素的扰动。目前，美国、欧洲和其他一些国家已经将智能视频处理的实验室系统转向实用的监控系统。美国的ObjectVideo公司开发的视频分析系统可以用于边境安检和入侵检测，可疑人员逗留、物品遗留和异样物体检测等。以色列的NiceVision公司的视频分析仪对不同的威胁提供实时侦测功能，包括闯入者、车辆、被遗弃的行李和包裹、周边及设施保护，阻塞安全出入口及消防路线，盗窃侦测、防止安全设备被移动，车辆和其它其物件，显示人群聚集，人流计数等。具有代表性的Mate公司的主要产品Behave Watch可检测六种异常行为，包括路径检测、突然出现报警、定向运动检测等，提出三层防护概念。

　　国内在智能视频监控技术的研究刚开始起步，大多数仍然处在实验室的研究之中，能够应用到产品的关键技术很少。但是智能视频信号处理已经引起许多高校和科研院所的广泛关注。

　　视频监控中的“高清”概念和标准来自于广播电视业的高清数字电视，可理解为“高分辨率”图像。“高清”视频信号在给压缩编码带来较大压力之外，更重要的是提高智能视频分析的准确度，达到更好的效果。尤其是1080i以上分辨率的图像为监控系统的智能分析提供了更为可靠的保障。

　　三、智能高清视频监控系统的关键技术

　　3.1 高清视频信号压缩编码技术

　　数字化的视频监控，离不开视频信号的压缩编码，应用于视频监控的视频编码标准有H.263、MPEG-1/2、MPEG-4、H.264等，由于H.264的高压缩性能，目前作为主流的数字视频监控通常采用H.264标准。

　　上述由ITU-T或ISO/IEC标准化组织制定的视频压缩编码标准是一个规范了压缩码流数据结构的开放式标准，可以提供给研究和开发者更多关键技术的创新空间。如消除空间相关性的变换编码技术、帧内预测编码技术，消除时间相关性的帧间预测编码技术都被应用在这些标准中。在变换编码技术中采用离散余弦变换DCT技术，静止图像的压缩编码标准如JPEG2000，Motion-JPEG则改为以小波变换为主的分级视频编码技术。此外，H.264标准中采用帧内预测技术，更小块整数变换技术等。通过运动估计的帧间预测编码技术消除了时间冗余，前向、后向和双向预测技术解决了运动对象移动引起的遮挡、覆盖等问题，进一步提高压缩包。

　　由于高清视频信号具有比D1格式高达多倍的数据量，具有更高压缩性能的视频编码标准H.265被提上议事日程，多项关键技术和算法如离散小波变换DWT、自适应环路滤波ALF、扩展的宏块尺寸EMS、自适应量化矩阵选择AQMS等将被应用在H.265中。可以相信，H.265将会是继H.264之后又一项在视频监控领域得到广泛关注的标准。

 
　　3.2 智能视频行为分析技术

　　智能视频行为分析是在智能视频监控系统中最为核心的关键技术，其研究目标是利用计算机视觉技术、图像视频处理技术和人工智能技术对监控视频的内容对象进行描述、分析和理解，并根据理解的结果对视频监控系统进行控制，从而使视频监控系统达到具有较高层次的智能化水平。

　　智能视频行为分析的研究内容涉及到视频监控对象的多种不同行为，如目标检测和分类、目标动态跟踪、目标识别和理解、统计计数，另外还包括非法入侵、人物分离、逗留游荡、群体定向移动等异常行为。

　　（1）目标检测和分类：将输入的视频图像中变化剧烈的区域或者人们感兴趣的区域从图像背景中分离出来，是智能视频行为分析的基础，其检测的效果直接决定整个智能视频监控系统的性能。目标检测的算法主要包括光流法、相邻帧差法和背景差等诸多方法。进一步按照检测目标的空间特征和时间特征值值如目标轮廓、目标尺寸、目标纹理、运动速度等信息进行分类。

　　（2）目标动态跟踪：主要是对可疑的被锁定目标进行自动跟踪，尤其是结合GPS定位技术和多摄像机的协同工作实现动态跟踪。常用的跟踪算法包括：基于特征的跟踪算法，基于模型的跟踪，基于轮廓的跟踪算法等，目标动态跟踪难点是目标间或目标与背景物体存在遮挡、重叠如何实现跟踪。

　　（3）目标识别和理解：这是智能视频行为分析的较高阶段，如人脸识别，车辆识别，特定对象的识别等，识别是视频内容理解的基础。图像识别的算法包括颜色直方图法、特征匹配法等。

　　（4）统计计数：这是智能视频监控中的重要应用之一，在智能交通中的某个路段的车辆计数、商城中的客流量统计以及其他指定区域的人或物的数量信息统计。

　　在智能视频行为分析中，还包括其他各种典型的视频行为异常行为分析，如越界入侵判别、遗留物品判别、区域逗留提示、群体定向移动提醒等。使管理人员提前感知异常行为并关注相应监控领域、尽可能提前发现潜在的威胁并做出应对策略。

　　很重要的一点是，在智能视频监控系统中，还应该包括对视频监控系统的监控技术，如视频图像出现的雪花、滚屏、模糊、偏色、画面冻结、增益失衡和云台失控等常见摄像头故障做出准确判断并发出报警信息，对视频监控系统录像主机的网络状况、系统备份情况等各种信息进行监测。

　　3.3 多摄像机的协同工作技术

　　多摄像机协同工作技术最主要的利用多个摄像机对视野内出现的目标进行持续的跟踪。尤其是在规模化的视频监控系统，摄像机的数目大为增加，为摄像机传递提供条件。多摄像机协同工作可以扩展观测区域，增加观测角度，利用冗余信息增加系统的鲁棒性，如在单摄像机跟踪中出现的遮挡问题，在多摄像机条件下，可以较好地解决。

　　基于多摄像机的智能视频监控系统在众多领域存在广泛的应用前景，是国内外研究的热点之一。包括著名的美国马里兰大学的W4系统，福罗里达中央大学的Knight系统等。所涉及到的关键技术包括目标匹配、定位和标识等内容。

　　3.4 高速DSP或嵌入式处理技术

　　作为智能视频监控系统的前端设备，已经是一个集视频信号采集、压缩编码、信号处理、码流发送于一体的一体化设备，而目前一体化设备主要采用高速DSP或嵌入式处理技术来实现。因此，DSP或嵌入式处理技术性能已经成为网络摄像机性能的标志。在编码芯片上，一般有DSP、ASIC等可供选择。目前一些数字媒体处理器具有较高的主频，并携带有协处理器，提供H.264 HP@L4(1080p 30fps、1080i 60fps、720p 60fps)的同步多格式高清视频编码。由于DSP芯片的高速处理能力，一些简单的智能视频行为分析放置在编码端处理，减轻中心服务器的处理压缩，这种基于嵌入式技术的视频信号分布式处理将是智能视频监控系统采用的一种有效方式。

　　3.5 视频流的自适应流化和传输技术

　　视频流的稳定、可靠传输是智能视频监控系统的重要性能之一，当不同的用户终端如手机用户、PC机用户得到授权访问监控点时，系统需要提供不同分辨率的视频流信息。因手机用户显示屏较小，系统只需要提供QCIF格式的视频，而PC机用户所采用的显示屏较大，系统要提供D1格式的视频，如采用高清电视显示时，应该提供高清的视频信息。因此，如何使得同一监控点的视频流信息自适应不同的用户，实现多屏融合的自适应流化和传输技术是一个值得研究的课题。

　　四、智能高清视频监控的应用

　　尽管有些专家对“高清”在视频监控系统中应用的必要性存有不同看法之外，但总体来说，智能高清视频监控应用的发展趋势已经有目共睹，其应用领域已经覆盖到公安、国家安全、军队、武警、钢铁行业、环保行业、林业、煤矿业等。尤其是“高清”监控成本的下降，智能高清视频监控在“十二五”期间将呈现快速增长趋势。据CCW Research对智能视频监控的预测[7]，从2010年至2014年将增长570%。因为目前在交通、电力、石油石化、银行、商店超市及酒店等细分行业中部署有智能视频监控产品的只占23.1%、13.6%、5.3%、19.0%和21.7%。

　　由此可见，智能视频监控产品有着很大的应用发展空间。智能高清视频监控技术进入实用，极大提高视频信息的价值，体现出比目前常见视频监控更大的优点：

　　（1）提高存储视频的图像质量，确保回放图像的清晰度。在目前的许多大视野的视频监控中，采用D1格式的图像分辨率，许多细节包括人脸图像在回放的视频中不清楚，从而导致关键信息的不完整，监控的效果大大降低。此外，高清视频的图像质量，为智能视频行为分析提供保障。

　　（2）体现视频监控的有效性，将“事后取证”变为“事前预警”。最为智能和有效的视频监控不是等“事件”发生之后，再从视频数据库中寻找发生“事件”的场景，查找“事件”的当事人，而是在“事件”正在发生的时刻，提醒相关人员进行及时处置，避免更为严重的后果发生。另外，通过智能信号处理，大大降低人工观察的低效，把相关人员从单一枯燥的视频画面中真正“解放”出来。

　　（3）体现出更高的性价比，随着视频处理技术和芯片设计制造技术的快速发展，智能高清视频监控产品的价格呈现不断下降的趋势。摩尔定律指出，集成电路每隔18个月晶体管数目便会增加一倍，性能也将提升一倍。而实际上，一路高清的视频图像可以分解为四路D1格式的图像，在相同的图像质量条件下，具有较强的竞争力。

　　智能高清是视频监控发展的一种趋势，其性能会不断得到提高，但值得注意的是，也要避免进入智能可代替一切的误区，由于环境、条件、光照、人变化的高复杂性，智能视频监控并非是万能的视频监控。

　　五、结束语

　　随着用户要求不断提高的监控技术，智能高清监控正在快速地进入我们的视野，成为安防行业一颗璀璨的明星。结合无线、移动通信的快速发展，以视频技术为核心的无线多媒体传感网得到人们的普遍关注，智能视频监控系统结合RFID标识、各种不同传感器信号的输入成为物联网的核心内容之一。