高端视频监控解决方案

本方讨论的对象是对保安要求特别高的特殊区域(如军事管制区、核电站、监狱等)的视频监视。这些特殊区域的视频监控的特殊要求是:快速的响应能力(有别于普通安防的事后查证);不留监控死角。针对不同的监控对象,有不同的与要求相适应的视频监控方案,所以视频监控方案多种多样,因此,本文仅仅分析和讨论适合与这种对保安要求特别高的特殊区域的视频监控所使用的解决方案。
全文分三个部分:
首先,我们介绍了目前国内外流行的针对这些特殊区域的视频监控方案,分析了这些视频监控方案应用于这些特殊区域的视频监控存在的优点和不足。
然后,综述了目前在国内外一些高端视频监控系统已经获得应用的一些新技术,这些新技术包括了图像处理和系统架构等技术。
最后,给出了一种适合于这些特殊区域的视频监控高端解决方案。这种方案的最大特点是:
  • 充分利用这些特殊区域摄像机布置不留死角的特点,将所有摄像机(也可用根据地理位置来对摄像机进行分组)的视频画面实时地无缝拼接成这个区域的整体画面,这样给监控人员以直观的全局感和清晰的方向感,同时系统又提供对局部细节的清晰观察能力;
  • 视频跟踪和视频智能分析等自动化视频监视技术的应用,大大提高了系统对事件的快速响应能力;
  • 多光谱图像融合技术和图像增强技术大大提高了在恶劣条件下操作人员对态势的感知能力;
  • 全双工交换式网络结构使得系统具备了很高的实时性、稳定性和可靠性。

1.目前流行的视频监控解决方案
这一节中,我们综述目前国内外流行的针对特殊区域所采用的集中视频监控方案。

?1.1基于视频切换矩阵的视频监控方案
这个方案的基本结构如图1所示,其核心设备为视频切换矩阵。
视频切换矩阵有多输入多输出 ,输入和输出之间可以按指令和编程任意切换 ,一般如32路入8路出 ,或64路入16路出等。多个视频切换矩阵可以通过级联方式来工作以实现更多的输入和输出切换,从而构建更为庞大的系统。矩阵作为经典的视频监控设备,迄今并没有被淘汰,其具备极强生命力的主要原因如下:
  • 快速响应能力。因为视频信号仅是通过模拟电子开关进行切换,因此输入和输出之间不存在延迟,具备快速的响应能力。
  • 丰富的可编程切换模式:
    • 单台监视器循切:循切摄像机序列可以由操作人员在任意一台显示器上定义。每个摄像机画面的停留时间可以定义,同一台摄像机可以多次进入循切
    • 分组切换:摄像机可按分区,同时切换给相当的1组监视器。
    • 分组循切:在多台监视器上定义相当的一组摄像机,切换时间间隔可定义。
    • 定时调用:可以按时间编程切换方式,定时时间到的时候,自动启动。
    • 自动报警调用:可以按照报警探头编程切换方式,报警出现时自动启动。
图1 基于矩阵切换的视频监控系统
系统的操作是通过专门设计的控制键盘,操作简单快捷,符合快速响应的要求。
但是这种系统也有些缺点:操作人员不能对整个区域有直观的全局感和方位感。仅仅靠画面上叠加的字符去联想所看画面的实际位置。
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为了弥补这个缺点,在系统中使用了PC机,通过PC机来生成电子地图,在电子地图上可以直接调用摄像机,这样操作比较直观。在这种系统中,PC机仅作为人机操作平台,并不处理任何视频信号,仅通过串口向矩阵切换器发布切换等控制命令。系统如下图:
图2 视频监控系统的电子地图

1.2基于PC的视频监控方案
这个方案是在数字硬盘录像机的基础上,增加了解压卡,通过解压卡将压缩后的视频解压送给电视墙显示,从而使得硬盘录像机具备了模拟矩阵的多路输出及切换等功能。
图3 基于PC的数字视频监控系统

优点是:

  • 是数字硬盘录像机的功能扩充。通过增加解压卡,增加了输出的显示的路数,支持了模拟矩阵的一些功能,对小型系统比较合适,性价比较高。

缺点是:

  • 显示输出的延迟比较大(需要经过:视频数字化与捕捉、压缩、传输、解压、显示输出及形成模拟视频输出),一般输入输出之间的延迟在0.4秒以上,远比模拟矩阵的延迟大。所以,快速响应能力不如模拟矩阵强,太适合需要快速响应处置能力的系统。
  • 由于采用的是PC机,PC机内部PCI总线插槽数目的限制,使得系统视频输入的路数在一般在16路以下,很难做到输入路数超过32路,输出一般不会超过8路;且扩展不易,不太适合规模稍大的系统。

1.3网络视频监控方案
如图4所示,网路视频的解决方案是通过在前端将视频数字化压缩,然后通过网路传输到控制中心监视、存储、转发传输。前端设备设备可以是摄像机 + 视频编码器、或网络摄像机(其本质不过是把视频编码器与摄像机集成在一起而已)。在监控中心,可以通过视频解码器将网络接收到的视频转换为模拟视频上电视墙。
优点:

  • 系统组态灵活。
  • 方便构建规模庞大的监视系统。

缺点:

  • 由于数据的传输还是基于普通的非实时的延迟不确定的网络通讯协议,所以,延迟很大(数秒级甚至更大,取决于网络的状况及视频质量)。所以很难适应要求实时监控的应用场合。
基于常规的网络架构,系统的稳定性和可靠性难以保证。
图4 基于网络的视频监控系统

1.4 小结
综上所述,我们认为:
  • 基于视频矩阵切换的系统适合这种要求很高的实时性和快速响应能力的视频监控场合。主要原因:
    • 输入输出之间几乎无延迟。
    • 操作简单方便实用,具备很好的快速响应能力。
    • 系统结构简单,易于扩展。
    • 系统因为结构简单,因而具备很高的可靠性和可维护性。
随着高清及数字摄像机等数字接口的摄像机的普及,矩阵切换逐渐具备了数字视频快速切换功能。
基于网络的视频监控系统具备系统组态灵活、数据交换方便等特点。其架构具备天生的易扩展性。但其致命缺点是系统信息传输延迟大且不确定、稳定性和可靠性差。

2.高端视频监控系统应用的一些新技术
这一节中,我们综述了目前国内外在一些高端视频监控系统中已经获得应用的一些新技术。这些新的技术主要目的有两方面:
  1. 提高人机功效:视频拼接及跟踪技术、图像融合与增强技术、视频智能分析技术。
  2. 提高系统网络传输实时性稳定性可靠性:全双工交换式网络架构。

2.1视频拼接及视频追踪技术
如图5是8个摄像机的画面,通过图像处理技术,将这8个独立的画面拼接后拼接成一个整体如图6所示。很显然,拼接之后,给安防人员的视觉空间感觉更为整体,便于其快速做出正确的判断和操作。
图5 八个独立摄像机画面
图6 图5中8个独立摄像机拼接后的画面
通过对所有摄像机画面进行拼接(一般是低分辨率的),形成实时实景电子地图,实时实景地图具备下面一些功能和特点:
  • 是被监视区域的整体得实时视频。如同一个超分辨率的摄像机实时画面。
  • 作为地图,还具有坐标参考功能,可以作为PTZ摄像机操作的参考。如图7所示。
图7 全景画面???????????????????                                  PTZ观察细节
操作人员可以选择任意区域,查看高清晰的画面。这种功能又称“电子PTZ”。如图8所示。
图8 电子PTZ
视频拼接技术,把多个关联的摄像机,通过图像处理技术形成一个巨型分辨率的虚拟摄像机,对安防人员来说如同视作一个摄像机,使得安防人员既可以有明晰的全局感和方向感,又可以方便地获得任意局部区域高清晰度的视频。人机交互更加友好,安防人员对视频的解读理解判断能力大大提高。彻底摒弃了传统的视频矩阵切换概念。
基于实景电子地图,可实现对目标的跟踪监视,视频跟踪实现方式有两种,这两种方式可以同时并存于系统中:
  1. 基于构成实景电子地图的固定摄像机视频的自动跟踪。通过人工选定或自动检测出跟踪对象(人或车辆等),在另外一个显示窗口或监视器上高清显示被跟踪的对象,并锁定目标 ,显示窗口随目标移动而穿梭于多个摄像机之间 ,始终清晰地显示出被跟踪的目标,以实行不间断地跟踪目标运动轨迹,保持跟踪的连续性。
  2. 基于PTZ摄像机的自动跟踪:在实景电子地图上人工选定区域 ,或自动检测出可疑区域(如自动检测出移动的人或车辆),然后自动控制PTZ摄像机转向该区域,在PTZ摄像机画面上选定跟踪的目标,于是PTZ摄像机自动锁定目标并跟随目标运动而运动。可以以这种方式控制多个PTZ摄像机,实现自动监视。

2.2多光谱融合及图像增强技术
多光谱图像融合是用特定的算法将两幅或多幅从多光谱探测器获取的图像综合生成一幅新的图像。融合结果能利用两幅(或多幅)图像在时空的相关性及信息上的互补性,使得融合后得到的图像对场景有更全面、清晰的描述,更有利于人眼的识别和机器的自动探测。比如:可见光图像:纹理细节丰富、色彩鲜明。红外图像温差成像,目标背景对比明显、云雾条件下穿透能力强。如下图:
图9 多光谱融合
在恶劣气候条件下,如雨、雪、雾、尘、霾、强光、光线昏暗等,视频往往对比度或清晰度不够,这种视觉效果不佳的视频给监视人员判定目标带来一定困难,可以用图像处理算法来改善图像的对比度、去除云雾以及消除不均匀光照等问题,可以取得较好的效果。如下图:
图10 雪天视频增强效果对比
图11 雾天视频增强效果对比
图12 低光照下视频的增强效果对比
图13 雨天视频增强效果对比

2.3 视频分析
安防监视人员面对大量的视频,往往很难精确而快速地判断出真正重要的事件及发生地,对视频进行自动分析并加以提示,增强了安防人员对态势的感知能力,使得他们不用再人工地扫描监视视频,而使其重点聚焦于处理这些被自动检测出来的事件,使得安防人员能够做出快速而准确的判断并采取有效的行动及时防止和处理违章违法等行为。另外,这些事件与视频同步记录下来,也有助于事后对录像资料的快速检索。
如图6所示。
图14 视频分析
  • 摄像机的状态异常检测:自动检测如下状态:摄像机发生了失效、移动、遮盖等情况,这样使得安防人员迅速纠正摄像机的工作状态。
  • 周界入侵检测:在摄像机视场范围内划分出周界,并对周界情况进行自动监测,自动判断是否出现入侵行为。这可以减少工作人员巡视的工作量。
  • 逗留检测:在设定的区域内出现人或车辆的逗留,且逗留的时间超过的设定的值,则报警,以提高对可疑行为的快速反应能力。
  • 遗留物检测:自动标记并提示出被遗留下来的物品。
  • 安全区域监视:自动检测在设定的敏感而重要的区域是否出现了人或车辆。
  • 错误行走方向检测:自动检测以错误的方向移动的人和车辆,提供更主动地逼近对威胁和管理。
  • 设备移出检测:自动检测一个目标从一个处于监视区域中消失的事件。

2.4 全双工交换式以太网
我们前面分析了基于网络的视频监控系统的诸多优点,视频监控系统的网络化符合当今技术发展的潮流。目前大部分网络监控系统都是基于常规的广泛使用的半双工方式的结构,这种结构没有中央控制计算机,从理论上讲,信息包的重复传输中的碰撞是不可避免的,而碰撞导致延迟,严重时导致信息包无法传输出去,这种延迟很大且延迟不确定的缺点很显然会使监控系统的实时相应能力大大降低 ,在高端监控系统中这是不可接受的。为此 ,一种全双工交换式网络应运而生,它借鉴了成熟的商业以太网的技术,最大程度地降低了开发周期和开发费用,并针对实时传输系统的特殊要求提出了相应的约束和要求:使用双余度网络,并引入虚拟链路、带宽分配策略等技术,以满足实时性和可靠性的要求。网络由终端系统(End System,简称ES)和交换机(Switch)组成,各终端系统之间通过交换机进行通信。
虚拟链路(Virtual Link:简称VL):每个VL都代表了一个源终端到一个或多个目的终端的单向通信路径,并且每个VL都分配了固定的带宽。不同的VL之间必须互相隔离,即一个VL不会影响或占用其它VL的带宽。
BAG(Bandwidth Allocation Gap):定义了在jitter为0的时候,一个VL上两个连续帧之间的最小时间。
全双工交换式网络的确定性由两个方面来保证:一个是给每个VL分配固定的最大带宽,二是端到端数据传输的最大延迟。
网络拓扑结构如下:
图15 全双工交换式以太网拓扑结构(图中没有画出冗余部分)
图16 全双工交换式网络的冗余结构

3.高端视频监控解决方案
系统结构框图如图17所示。

图17 高端视频监控系统架构

从图17中我们看出,该系统仍然采用了基于网络的视频监控系统架构,但是,由于采用了如下一些新的技术,使得系统在人机交互、系统可靠性、实时性、稳定性方面都有本质的变化。具体如下:
  • 采用了全双工交换式网络结构:其双冗余度网络,虚拟链路技术及带宽分配策略,相比与传统的商业网络,全双工交换式网络满足了系统的实时性、稳定性和可靠性要求。
  • 视频前端处理器:主要负责视频的前端图像处理,如:
    • 兼容标清模拟视频信号、高清模拟视频、高清数字视频等输入信号。
    • 为后端拼接而进行的图像预处理:图像的投影变换、矫正处理
    • 视频分析
    • 图像融合和图像增强等处理
    • 视频压缩
    • 网络通信与管理
  • 显示处理器:接收来自网络的视频数据流,进行:
    • 压缩的视频数据流的解码
    • 图像拼接显示、多窗口显示、局部细节显示、报警显示等
    • 目标的视频跟踪。
  • 网络存储设备:存储来自网络的视频等数据。
  • 流媒体转发:向上一级转发视频数据
  • 视频工作站:人机交互接口。
系统特点:
  • 采用全双工交换式网络来取代传统的网络 ,使得系统与常规的网络系统相比 ,具备了很高的实时性、稳定性和可靠性。
  • 采用视频拼接技术取代了传统的视频切换器,使得操作人员具备了更好的全局感、空间感 、方向感 ,大大提升了操作人员对监控视频的理解、判断、操作能力。
  • 视频分析和视频自动跟踪技术等的应用,大大提升了自动化视频监视的水平,这种自动化智能监视 ,大大提高了系统对事件的快速响应能力 。彻底解决了因网络系统固有延迟所带来的视频画面延迟而造成的操作人员响应过慢的缺点,因为对各种潜在的可能事件的检测与响应是由机器自动完成 ,操作人员现在需要做的只是专注于对事件的处理,而不是面对大量视频画面进行观察判断分析切换了。
  • 多光谱图像融合技术及图像增强技术,大大提升了恶劣环境下(雨雪雾霾烟尘低照度等)系统的探测能力,提高了安防监视人员对现场态势的感知能力。
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