探討安防系統(tǒng)中的關(guān)鍵視頻技術(shù)應(yīng)用

視頻監(jiān)控作為一種傳統(tǒng)視頻技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用，目前在國內(nèi)外已引起了越來越多的關(guān)注。近年來，隨著寬帶的普及，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控正越來越廣泛地廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域，是協(xié)助公共安全部門打擊犯罪、維持社會安定的重要手段。

視頻監(jiān)控的基本業(yè)務(wù)功能是提供實(shí)時(shí)監(jiān)視的手段，并對被監(jiān)視的畫面進(jìn)行錄像存儲，以便事后回放。在此基礎(chǔ)上，高級的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對監(jiān)控裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能接收報(bào)警信號，進(jìn)行報(bào)警觸發(fā)與聯(lián)動。最早的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是全模擬的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，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(yuǎn)，主要應(yīng)用于小范圍內(nèi)的監(jiān)控，監(jiān)控圖像一般只能在控制中心查看。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)，以數(shù)字控制的視頻矩陣替代原來的模擬視頻矩陣，以數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR替代原來的長延時(shí)模擬錄像機(jī)，將原來的磁帶存儲模式轉(zhuǎn)變成數(shù)字存儲錄像，實(shí)現(xiàn)了將模擬視頻轉(zhuǎn)為數(shù)字錄像。DVR集合了錄像機(jī)、畫面分割器等功能，跨出數(shù)字監(jiān)控的第一步。在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了全數(shù)字的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以基于PC機(jī)或嵌入式設(shè)備構(gòu)成監(jiān)控系統(tǒng)，并進(jìn)行多媒體管理，這類系統(tǒng)是目前視頻監(jiān)控市場的主流。

隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及，視頻監(jiān)控逐漸從本地監(jiān)控向遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展，出現(xiàn)了以網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為代表的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器解決了視頻流在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸問題，從圖像采集開始進(jìn)行數(shù)字化處理、傳輸，這樣使得傳輸線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?shù)目赡堋?/p>

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使視頻監(jiān)控技術(shù)更加智能化，通過在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計(jì)算機(jī)能夠通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內(nèi)容。視頻監(jiān)控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、智能化的基礎(chǔ)是數(shù)字化。而智能化是“三化”的最高境界。系統(tǒng)由目視解釋轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器自動解釋是視頻監(jiān)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)方面簡要探討一下安防系統(tǒng)中的關(guān)鍵視頻技術(shù)

一、圖像傳感器技術(shù)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分就是圖像傳感技術(shù)，目前，監(jiān)控?cái)z像機(jī)的圖像傳感器正逐漸從傳統(tǒng)的CCD向CMOS轉(zhuǎn)變。這兩種傳感器各有長短，但一直以來，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?yàn)镃MOS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(tǒng)來看，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”，以百萬像素為單位。數(shù)碼相機(jī)規(guī)格中的多少百萬像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一種感光半導(dǎo)體芯片，用于捕捉圖形，廣泛運(yùn)用于掃描儀、復(fù)印機(jī)以及無膠片相機(jī)等設(shè)備。與膠卷的原理相似，光線穿過一個(gè)鏡頭，將圖形信息投射到CCD上。但與膠卷不同的是，CCD既沒有能力記錄圖形數(shù)據(jù)，也沒有能力永久保存下來，甚至不具備“曝光”能力。所有圖形數(shù)據(jù)都會不停留地送入一個(gè)“模-數(shù)”轉(zhuǎn)換器，一個(gè)信號處理器以及一個(gè)存儲設(shè)備(比如內(nèi)存芯片或內(nèi)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(yàn)室發(fā)明了CCD。二十年后，人們利用這一技術(shù)制造了數(shù)碼相機(jī)，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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)所需的大量資料。有人發(fā)現(xiàn)，將CMOS加工也可以作為數(shù)碼相機(jī)中的感光傳感器，其便于大規(guī)模生產(chǎn)和成本低廉的特性是商家們夢寐以求的。

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(zhuǎn)移后讀取，電荷信息轉(zhuǎn)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(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流(或電壓)信號，信號讀取十分簡單。

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(jié)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(jié)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(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大，使CMOS光電傳感器很長一段時(shí)間無法進(jìn)入實(shí)用。近年，隨著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、奧林巴斯等幾大廠商手中。主流的數(shù)碼相機(jī)均采用CCD作為光敏傳感器件，像素?cái)?shù)一般為三百萬左右。其制造工藝復(fù)雜，功耗大，成本較高。未來，采用CCD傳感器的數(shù)碼相機(jī)將繼續(xù)朝著提高像素?cái)?shù)，增加拍攝功能，提高照片質(zhì)量的方向發(fā)展，力爭在各項(xiàng)指標(biāo)上早日達(dá)到傳統(tǒng)相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

采用CMOS傳感器的數(shù)碼相機(jī)一般低于130萬像素，主要面向以家庭、個(gè)人用戶為主的低端市場。其時(shí)尚化、多功能、價(jià)格低的優(yōu)勢受到了普通消費(fèi)者的歡迎。國內(nèi)的數(shù)碼相機(jī)廠商對CMOS數(shù)碼相機(jī)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(yīng)產(chǎn)品。CMOS可塑性較高，未來除了數(shù)碼相機(jī)之外，將在傳真機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、安全偵測系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。目前市場上CMOS產(chǎn)品不多，但在美國，包括Intel、ATI在內(nèi)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(dú)立半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)IMEC公布了兩個(gè)有關(guān)CMOS的研發(fā)項(xiàng)目，其中探索CMOS技術(shù)極限的“AdvancedDeviceImplementationProgram”，其目標(biāo)是確立國際半導(dǎo)體技術(shù)規(guī)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(jiān)視與錄像回放是視頻監(jiān)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(shù)據(jù)傳送到視頻接收端。實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視要求完成視頻的實(shí)時(shí)傳輸，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性;錄像回放則類似于VOD業(yè)務(wù)，具有一定的實(shí)時(shí)性(但并非很強(qiáng))，要求畫面清晰流暢，并且能完成各種播放控制操作。

我們可以將前端的攝像機(jī)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，那么目前解決此類問題的一個(gè)很好的辦法便是運(yùn)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)性問題而開發(fā)的。流式傳輸主要指通過網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體(如音頻、視頻等)的技術(shù)總稱，其特定含義為通過網(wǎng)絡(luò)將音視頻等信息傳輸?shù)接脩艚K端播放時(shí)，無須等全部文件下載完畢才可播放，而是將連續(xù)的音視頻信息壓縮后放于服務(wù)器，用戶終端播放時(shí)只要將開始部分的內(nèi)容存入其內(nèi)存，其余數(shù)據(jù)流由用戶終端在后臺繼續(xù)接收并播放，直至播放完畢或用戶中止操作。這樣，用戶播放媒體的等待時(shí)間將顯著減少，且無須太大緩存。流媒體指使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時(shí)基媒體。

流式傳輸主要是為了區(qū)別于下載傳輸而提出的。傳統(tǒng)的下載轉(zhuǎn)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(jiān)視而言，不存在文件的概念，因此無法用“下載”的方式實(shí)現(xiàn)。對于錄像業(yè)務(wù)，錄像數(shù)據(jù)可以以文件形式存在，但是，如果錄像數(shù)據(jù)如果必須等完全下載后才能播放的話，會帶來很大的時(shí)延，用戶無法忍受。所以，比較理想的方式是采用流式傳輸。

實(shí)現(xiàn)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(jiān)控業(yè)務(wù)主要采用實(shí)時(shí)流式傳輸。

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以看成是一臺提供實(shí)時(shí)A/V源的服務(wù)器，當(dāng)用戶請求進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視時(shí)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用實(shí)時(shí)流式傳輸方式向用戶終端傳送監(jiān)控畫面?？紤]到多個(gè)用戶同時(shí)訪問網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將帶來流量瓶頸等問題，可以使用視頻服務(wù)器來進(jìn)行中轉(zhuǎn)，讓視頻服務(wù)器來提供強(qiáng)大的負(fù)載能力。

以上只是原理性的簡要說明。上述方案可以滿足小型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但在大型的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控前端設(shè)備與用戶終端的數(shù)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(diào)度機(jī)制來保證媒體的高效傳送。在這方面，目前尚無現(xiàn)成的成熟方案，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(CCSA)正對此展開積極研究，以便為未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的媒體傳送機(jī)制。

三、紅外熱成像技術(shù)

人眼能夠感受到的可見光波長為0.38～0.78微米。紅外線屬于波長大于0.78微米的電磁波。自然界中，一切物體都會輻射不同波長的紅外線，因此能夠利用特制的探測設(shè)備分別檢測出監(jiān)控目標(biāo)本身和背景之間的紅外線波長，從而可以得到不同的紅外圖像，這紅外圖像稱為熱圖像。

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

紅外熱成像儀在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用舉例：

1.夜間及惡劣氣候條件下的目標(biāo)監(jiān)控

夜晚，需可見光工作的設(shè)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(biāo)。若采用微光夜視設(shè)備，它同樣也工作在可見光波段，依然需要外界光照明。而紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，無論白天黑夜均可以正常工作，并且也不會暴露自己。同樣在雨、霧等惡劣的氣候條件下，由于可見光的波長短，克服障礙的能力差，因而觀測效果差，但紅外線的波長較長，特別是工作在8～14um的熱成像儀，穿透雨、霧的能力較強(qiáng)，因此在夜間以及惡劣氣候條件，采用紅外熱成像監(jiān)控設(shè)備仍可以正常地對各種目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。

2.防火監(jiān)控

由于紅外熱成像儀是反映物體表面溫度而成像的設(shè)備，因此除了夜間可以作為現(xiàn)場監(jiān)控使用外，還可以作為有效的防火報(bào)警設(shè)備。很多火災(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的。用現(xiàn)有的普通方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而應(yīng)用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點(diǎn)和范圍，透過煙霧發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)，做到早知道、早預(yù)防、早撲滅。

3.偽裝及隱蔽目標(biāo)的識別

偽裝是以防可見光觀測為主，犯罪分子作案時(shí)通常會隱蔽在草叢及樹林中，由于野外環(huán)境的惡劣及人的視覺錯(cuò)覺，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。紅外熱成像儀是被動接受目標(biāo)自身的熱輻射，人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠(yuǎn)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(cuò)誤判斷。

四、智能視頻監(jiān)控技術(shù)

智能視頻(IV，IntelligentVideo)源自計(jì)算機(jī)視覺(CV，ComputerVision)技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺技術(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(jì)算能夠通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內(nèi)容。

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

建造視頻監(jiān)控系統(tǒng)的目的，一是為了視覺上的延伸--把處于別地的畫面通過網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備“拉近”到眼前，因此有了遠(yuǎn)程監(jiān)控;二是為了智力上的延伸--讓系統(tǒng)自動為我們分析問題并解決問題，于是有了智能監(jiān)控。當(dāng)然，后者是更高層次上的要求，但也是視頻監(jiān)控今后發(fā)展的必然要求。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)缺乏智能，在很大程度上依賴于人的判斷。然而，人類有著自身難以克服的弱點(diǎn)，比如：(1)人力有限，人的反應(yīng)與處理速度有限，導(dǎo)致我們在指定的時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行監(jiān)視的地點(diǎn)有限。這也就意味著各個(gè)被監(jiān)控點(diǎn)并非每時(shí)每刻都處于監(jiān)控當(dāng)中。(2)人并非一個(gè)可以完全信賴的觀察者，無論是在觀看實(shí)時(shí)的視頻流還是在觀看錄像回放的時(shí)候，由于自身生理上的弱點(diǎn)，我們經(jīng)常無法察覺安全威脅，從而導(dǎo)致漏報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。

從上述分析來看，當(dāng)開展大規(guī)模視頻監(jiān)控以后，智能監(jiān)控實(shí)際上已不是可有可無的裝飾品，而是系統(tǒng)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)以及人類自身的弱點(diǎn)，而有可能變?yōu)橐环N浪費(fèi)。

智能視頻技術(shù)可以在很多地方得到應(yīng)用。比如：

(1)高級視頻移動偵測：在復(fù)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(yùn)動情況，包括運(yùn)動方向、運(yùn)動特征等。

(2)物體追蹤：偵測到移動物體之后，根據(jù)物體的運(yùn)動情況，自動發(fā)送PTZ控制指令，使攝像機(jī)能夠自動跟蹤物體，在物體超出該攝像機(jī)監(jiān)控范圍之后，自動通知物體所在區(qū)域的攝像機(jī)繼續(xù)進(jìn)行追蹤。

(3)人物面部識別：自動識別人物的臉部特征，并通過與數(shù)據(jù)庫檔案進(jìn)行比較來識別或驗(yàn)證人物的身份。此類應(yīng)用又可以細(xì)分為“合作型”和“非合作型”兩大類。“合作型”應(yīng)用需要被監(jiān)控者在攝像機(jī)前停留一段時(shí)間，通常與門禁系統(tǒng)配合使用。“非合作型”則可以在人群中識別出特定的個(gè)體，此類應(yīng)用可以在機(jī)場、火車站、體育場館等安防應(yīng)用場景中發(fā)揮很大的作用。

(4)車輛識別：識別車輛的形狀、顏色、車牌號碼等特征，并反饋給監(jiān)控者。此類應(yīng)用可以用在被盜車輛追蹤等場景中。

(5)非法滯留：當(dāng)一個(gè)物體(如箱子、包裹、車輛、人物等)在敏感區(qū)域停留的時(shí)間過長，或超過了預(yù)定義的時(shí)間長度就產(chǎn)生報(bào)警。典型應(yīng)用場景包括機(jī)場、火車站、地鐵站等。

(6)交通流量控制：用于在公路上監(jiān)視交通情況，例如統(tǒng)計(jì)通過的車數(shù)、平均車速、是否有非法?？?、是否有故障車輛等等。

從以前的模擬監(jiān)控到現(xiàn)在的數(shù)字監(jiān)控;從落后的現(xiàn)場監(jiān)控到先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控;從有人值守監(jiān)控到現(xiàn)在的無人值守監(jiān)控，視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向蓬勃發(fā)展。無論從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展角度，還是技術(shù)的發(fā)展角度，視頻監(jiān)控行業(yè)都將會有更廣闊的市場和更大的發(fā)展空間。