基于ＲＦＩＤ時間戳的智能視覺監控系統

摘要：針對僅僅依靠模式識別的監控系統存在難以確定判定事件發生時間點的問題，引入射頻身份識別（RFID）技術，討論了一種融入RFID時間戳的分布式智能視覺監控系統。應用XML消息-代理機制屏幕前端設備差異，通過時間戳進行精確視頻探測，對目標進行監視控制和信息記錄，提高倉儲管理的自動化，智能化。

關鍵詞：智能視覺監控；RFID；分布式；存儲管理

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2009)05-1134-02

Intelligent Visual Surveillance with RFID Timestamp

LING Wen-jian1，2，ZHAO Wei-dong1，2

(1.The Engineering Research Center for Enterprise Digital Technology， Shanghai 200092， China; 2.CAD research centre of Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract: Simply relying on pattern identification is difficult for the monitoring system to determine the time of event. After integrated of radio frequency identification (RFID) technology， RFID timestamp was used to construct Distributed Intelligent RFID visual monitoring system. Using Message-Agent model screen difference between various front-end equipment. Through the timestamp for accurate video detection， surveillance on the target， it makes storage management automatic and intelligent.

Key words: intelligent visual surveillance; radio frequency identification(RFID); distributed system; storage management

1 引言

計算機網絡技術的飛速發展，促使基于電路交換的閉路電視監控系統逐漸被IP寬帶化，數字高清化的新一代視頻監控技術所取代，其中，智能視頻監控技術尤其得到各國的重視與關注。它與傳統監控技術有本質的區別，其主要特點是使用計算機圖形圖像等模式識別技術，通過對攝像機拍錄到的視頻流進行模式識別，分析和判斷出目標及其行為，從而做到既能完成日常管理又能在異常情況發生時實時告警。

然而，智能視覺監控所使用的模式識別方法卻不能滿足客觀復雜場合的應用，例如當監控對象布局密集，物流進出狀況多樣，室外氣象變化復雜等情況下，僅僅使用計算機模式識別方法，很難把握監控目標進入攝像機視野的時間節點，從而造成漏判誤判的情況發生[1]。面對對監控對象進行定位、跟蹤和復現、數量統計、運動趨勢估計、流量疏導等方面的需求，和減少監控服務器處理連續視頻數據的要求，開發一種將RFID（Radio Frequency Identification，射頻身份識別）技術與視覺監控技術相結合的新型分布式架構會起到良好的作用。使用RFID電子標簽數據作為視頻數據的時間戳，可以提高視頻監控的智能化，減少無效視頻處理量，同時降低了網絡上海量數據傳輸的負擔。利用RFID技術可以批量、快速和非接觸式讀取的特性，新系統尤其適用于對大批量實時監控應用。

本文介紹一種全新的結合視頻監控的RFID系統的分布式體系架構，應用該架構的智能視覺監控系統，已經在某石化企業實驗性部署。

2 使用RFID時間戳的智能監控系統

2.1 RFID環境部署

全世界最大的25家倉儲公司都利用RFID技術來追蹤管理他們的貨物，以達到在倉儲過程中對貨物的數量、狀態和運輸情況得到充分的控制。RFID技術解決了在運動過程中對貨物的相關信息進行管理的問題[2]。

將RFID技術應用到視覺監控中，首先需要讓RFID讀寫器與監控用的圖像采集設備（如IP攝像機）作用區域一一對應。通過RFID讀寫器（Reader）的天線（Antenna）獲取到進入監控區域的監控對象所攜帶的電子標簽（TAG）上存儲的信息，而讀取到這些標簽的所有讀寫器都要與本讀寫器對應的攝像機進行關聯存儲和應用，通過讀取到的RFID標簽的編號、數量、時間等信息對監控對象的行動進行判斷。進一步的，當通過讀取到RFID標簽的時間點作為視覺監控系統的時間戳，可以有效提高搜索特定監控對象的可靠率，進行視頻運動檢測[3]所需要處理的視頻流大小也會大幅降低，提升了整個系統的效率與精確性。

現以某石化公司的某個倉庫環境說明如下： 鑒于通常倉庫產品具有密集又相對廉價的特點，如果我們為每個產品附帶RFID電子標簽的話，產品出廠成本會大幅度上升，所以我們僅僅使用標簽標記托盤和叉車來追蹤貨物，配合視覺系統，就能完對倉庫進行監控。

如圖1所示，在每個叉車上附帶標簽，并在車間和倉庫出入口安裝讀寫器，托盤或叉車經過出入口時，通過讀寫器獲取循環使用的RFID標簽，采集到標簽信息，使用這些信息及時間戳精確地提取出攝像頭對應時刻的視頻流，通過對視頻流的分析與標簽自身攜帶的數據相結合，匯總出完整的貨物及車輛進出情況，進而統計出庫存等用戶關心的數據，并在異常情況發生時進行報警。

2.2 分布式體系的拓撲結構

我們使用分布式體系架構，它與與中央控制式系統相對應，以便獲取其高擴展性，松散偶合，邏輯復用，業務分離的特點[4]。本系統整體拓撲結構分為三層模型，如圖2所示，系統分為前端，服務器端，和客戶端。

系統前端由各種負責采集監控實時信息的硬件設備組成，IP攝像機把拍攝到的即時畫面通過數據包的形式，發送到IP承載網中供相關模塊處理。RFID讀寫器收集來自RFID天線的信息后進行過濾、壓縮后同樣以數據包的形式發送到IP承載網中，供需要RFID數據的模塊處理。

服務器端由EMS（網元管理服務器），SMS（流媒體服務器），CSS（控制信令服務器），SA（存儲服務器），RS（用戶驗證服務器）組成。

EMS（網元管理服務器），負責監控平臺模塊、終端IP攝像機、RFID讀寫器的注冊，對各個已經注冊的對象在其活躍期間進行管理，匯總CSS收到的RFID時間戳和SMS處理過的視頻判斷結果，記錄系統的數據庫。EMS通過時鐘同步各個模塊，使得各個模塊能夠步調一致的工作。

SMS（流媒體服務器），負責媒體流分發，媒體協議轉換等，把從IP攝像機中獲取的視頻流即時地發送到成功訂閱該攝像機視頻的客戶端，并為SA提供經RFID系統確認后需存儲的視頻片段。

CSS（信令控制服務器）用來下發從客戶端或EMS發來的控制或查詢命令到前端設備上，并且從前端設備上收集告警，心跳，注冊等系統消息，其采集到的RFID原始數據經過緩沖過濾后便是作為事件時間戳的依據。

RS（用戶驗證服務器），維護系統數據庫，配合EMS和CSS進行在用戶注冊或請求服務時提供用戶驗證服務，為整個系統提供權限控制服務。

SA（存儲服務器）是用來配合RFID時間戳把有價值的視頻存儲到磁盤矩陣中，管理著用戶提交的存儲任務，定期進行存儲清理，自動優化磁盤存儲空間，通過FTP的方式為用戶提供文件下載功能，并能實時視頻回放（VOD）。

客戶端根據用途的不同，分為監控客戶端，供普通用戶檢視，查詢之用，監視客戶端沒有管理系統的權限，不能對服務器端的各模塊進行啟動/停止等高級操作，相反的，管理客戶端具有最高權限，管理員可以通過其查看系統運行信息并對其進行控制。

2.3 服務器與前端的通信

為了方便各個模塊之間的標準化通信格式，我們使用了基于XML的消息模型。

由于前端設備的多樣性，不同廠商生產的前端設備由于種類用途或特點不同，往往具有紛繁復雜的接入規制，造成其融入業務邏輯時帶來大量通信格式兼容性問題，為了避免上層業務邏輯受到前端設備變動的影響，我們需要通過一個接口程序來統一各種前端設備在系統中的體現，使得對于業務邏輯來說，前端的硬件是透明并且高效的。而XML 允許開發人員在 IP網絡中交換結構化信息而創建消息文檔[6]，系統中模塊在請求其他網元提供數據，信令，內容時，這些已經被結構化后的XML消息就是最好的載體。通過使用消息-代理模型，各種前端設備在系統中被模擬成一個個虛擬的代理（Agent）服務器，從而避免了因協議不統一而造成的兼容問題，從而使得業務邏輯和具體硬件規范相分離[7]，體現了分布式系統高內聚，松耦合特點。

系統中各模塊及同類型的多個模塊都由IP地址和端口地址組成的不同套接字（Socket）唯一標識，模塊間的通信正是通過發起套接字會話，發送各自生成的XML消息到目地地址，從而了實現模塊間同步與信息共享等功能[5]。且在偵測到某個模塊失去響應后，可以由其他同類模塊負載其任務，并重啟該崩潰模塊，使其盡快恢復服務，所以分布式的設計使所有模塊組成一個有機且富有彈性的監控系統。

如圖3所示為EMS調用前端的通信過程，當客戶端向IP地址為192.168.0.1，端口號為8080的EMS發送啟動監控命令后，該EMS向自己的用戶認證服務器RS發送驗證請求，當RS根據客戶端發送來的報文內容確認該用戶具有啟動業務的權限后，EMS隨即調動系統中的其他業務模塊開始進行監控。通常，服務器可以通過IP攝像頭的SDK或其他視頻控制協議，便可得到IP Camera采集到的原始視頻圖像，經過緩沖處理后EMS便把其轉發到某個流媒體服務器SMS，由SMS進行進一步的處理。與此同時注冊在系統中的RFID設備收到EMS的控制信令后開始向其配置的CSS反饋采集到的原始RFID數據。

2.4 融合RFID時間戳的視覺監控實現

我們通過CSS獲得RFID信息并由SMS代理視頻服務，圖4描述了CSS和SMS在EMS的調度下完成一次智能識別的流程。

前端的RFID閱讀器開始工作首先發送Access-Request請求到CSS的套接字地址（Socket Address），CSS收到Access-Request后返回Response給RFID閱讀器，閱讀器通過Response確認它連接的CSS正常工作后便開始把自己采集到的原始數據發送給該CSS。

由于RFID閱讀器每秒鐘都可能會閱讀到成千上萬的標簽，為防止溢出，CSS在端口上監聽到大量標簽信息后便會進行過濾操作，把臨近時間點的重復記錄合并成唯一的一條RFID記錄，該記錄就是我們在智能視覺監控系統中提取視頻加以判斷的時間戳。

由于我們使用基于XML消息和代理服務器為架構的系統，所以，該時間戳在系統中如圖5所示。

EMS收到視頻驗證請求后，便著手解析該XML文檔，從中提取時間戳和RFID閱讀器的IP地址等信息，從而定位需要視頻判斷的時間和地點。EMS根據這些信息，調集SMS為其進行視覺對象驗證。

SMS收到了視覺驗證請求后，調閱從IP Camera處得到的視頻，從中找出時間戳前后一定單位時間內（根據業務不同，可人為設定）的視頻流，通過計算機模式識別的方法，使用動態圖形圖像算法[8]，判斷經過監控區域中智能托盤上運送的貨物狀況，并將這些判定信息作為一個個XML屬性添加在發送來的XML文檔尾部（如圖6所示），將經過修改的XML消息回送給EMS。

與此同時，對應RFID時間戳的視頻流經過動態檢測后，會被SMS轉發給SAS，通過SAS將視頻材料轉化為文件，存入視頻磁盤矩陣，供今后用戶下載或點播回放所用。

EMS在收到SMS反饋的XML后，該XML文檔已經包涵我們需要的智能視覺監控信息，我們只要對其解析后分別存入系統數據庫中相應的表中，便可記錄一次完整的監控流程。

客戶端輕松的通過檢索數據庫的方式獲得實時監控數據，為物流統計，調優提供了可靠的參考依據，由于RFID機制的引入，大大提升了智能視覺監控系統的準確率，提高了倉庫監控的自動化與智能程度。

3 結論

本文主要介紹了如何在智能視覺監控系統中引入射頻身份識別技術（RFID），通過應用RFID時間戳及標簽上攜帶的貨物信息，提高監控系統的識別智能性，通過分布式的體系架構，系統中的各個節點分別負責各自的業務，體現了部署靈活和良好的擴展移植性能。基于XML的消息-代理機制的引入使得具體的硬件設備和業務邏輯分離。系統通過對原始數據進行過濾，聚合等操作，將海量冗余的原始數據轉發為上層需要的事件消息，降低了網絡負載的壓力，更好地適應了業務需求。

由于能源產品需求的長期高需求和生產成本的增加，對資產移動的全面監控可增加生產效率，及時掌握庫存，提高設備使用率，進一步減少庫存周期，大大提升企業效率。

本架構為智能視覺監控技術開辟了一種全新的復合式的高效解決方案。

參考文獻：

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