高清視頻監(jiān)控技術(shù)在城市公共安全中的應(yīng)用

毛曉東，樊亞文

（1.上海市公安局 科技處，上海 200042；2.上海交通大學(xué) 圖像通信與信息處理研究所，上海 200240）

1 引言

公安部門的城市公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)，肩負(fù)了城市公共區(qū)域、重要場所的安全常態(tài)監(jiān)控管理和重大事件保衛(wèi)及重大突發(fā)事件實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮的重要任務(wù)。隨著高清消費(fèi)電子市場的繁榮，高清視頻監(jiān)控日漸成為眾多監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一[1]。在美國，多個(gè)城市安裝高清監(jiān)控系統(tǒng)以提高安防能力。在中國，適逢2008年北京奧運(yùn)會(huì)、2010年上海世博會(huì)、2010年廣州亞運(yùn)會(huì)三大契機(jī)，結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、GPS定位系統(tǒng)、移動(dòng)通信系統(tǒng)、智能識別系統(tǒng)，高清視頻監(jiān)控的地位將更加突出。

2 高清視頻監(jiān)控技術(shù)需求分析

城市公共安全圖像監(jiān)控中，不同的行業(yè)及場合對圖像清晰度的要求也不同，因此現(xiàn)階段高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)以實(shí)際需求為導(dǎo)向，按需建設(shè)，不應(yīng)一味追求全面化、普及化。

通過對不同監(jiān)控場景特點(diǎn)的分析，其中高速公路多車道監(jiān)控、重點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)控、大范圍監(jiān)控、密集人群監(jiān)控、空中監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咔逡曨l監(jiān)控需求迫切，在這些場合宜采用高清視頻監(jiān)控技術(shù)，并已有初步應(yīng)用。2008年北京奧運(yùn)會(huì)已投入了700多個(gè)高清監(jiān)控點(diǎn)，實(shí)施對重要場館及周邊、奧運(yùn)專用道路的高清視頻監(jiān)控，為奧運(yùn)安保指揮系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的“全方位、全過程、清晰化、立體化”的視頻監(jiān)控保障，為2008年奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)安保工作的圓滿成功提供了可靠的保證。目前正在建設(shè)的2010年上海世博會(huì)，擬在空中放置系留氣球，并在氣球上安裝4部高清攝像機(jī)和2部紅外攝影機(jī)，實(shí)施對世博園區(qū)的全方位宏觀監(jiān)控。由于采用高清晰度視頻監(jiān)控，便于進(jìn)行圖像分析和識別，便于智能視頻分析與處理。上海公安交警總隊(duì)利用高清技術(shù)建設(shè)了高速道路卡口的車牌識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)能清晰分辨過往車輛的車牌和前排的駕乘人員圖像，并可利用后臺(tái)的圖像識別技術(shù)，獲取車牌信息和駕乘人員信息。現(xiàn)在上海交警等部門正計(jì)劃利用高清視頻監(jiān)控技術(shù)對城市道路的車輛違章和交通流量進(jìn)行智能管理。高清視頻監(jiān)控?zé)o疑將成為今后城市公共安全圖像監(jiān)控應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)。

3 高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

高清視頻技術(shù)來源于高清電視廣播技術(shù)。目前已普遍應(yīng)用的高清電視地面廣播、藍(lán)光DVD、數(shù)字電影等，技術(shù)已相當(dāng)成熟，并有完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)保障；在網(wǎng)絡(luò)電視方面，也已開始使用高清晰度電視標(biāo)準(zhǔn)。但是，從監(jiān)控行業(yè)的角度看，其應(yīng)用環(huán)境與傳統(tǒng)的廣電行業(yè)有較大不同，后者主要通過演播室的節(jié)目制作后進(jìn)行廣播，而前者，更多情況是戶外全天候、實(shí)時(shí)現(xiàn)場監(jiān)控視頻傳輸。

3.1 高清視頻監(jiān)控圖像格式和前端攝像關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)美國電影電視工程師協(xié)會(huì)（SMPTE）[2-3]和國際電聯(lián)（ITU）的相關(guān)定義，高清圖像格式目前主要有720p，1080p/i，圖像寬高比為16∶9。我國廣播電視用的高清視頻圖像格式主要有 1920×1080i/50，1280×720p/50，1920×1080p/50。但是，研究表明，直接采用這些標(biāo)準(zhǔn)，很多情況下并不適合視頻監(jiān)控場合。

例如，寬高比方面，從對監(jiān)控場景理想設(shè)置來看，可能需要兩類寬高比圖像格式：1）n∶1（n≥2），適應(yīng)更寬視野，因?yàn)楹芏嗲闆r下，人們更關(guān)注的是監(jiān)控畫面中地面上的人或物，而希望上半邊天空的比例要小；2）1∶1，適應(yīng)垂直監(jiān)控，如高空瞭望。

另一方面，對于監(jiān)控場景而言，隔行視頻采用固定的25 f/s的幀率也不合適，很多情況下，希望幀率更高。例如，在監(jiān)控高速行駛的車輛通過時(shí)，25 f/s的圖像就很模糊，需要 50 f/s甚至 100 f/s。另一些情況，5 f/s～10 f/s就夠用了。因此，需要可變幀率的高清攝像機(jī)。

監(jiān)控行業(yè)多為戶外場景，光線變化大，易受天氣、塵霧影響，還會(huì)在夜間工作等。因此，監(jiān)控行業(yè)的高清攝像機(jī)應(yīng)具有更高的靈敏度、環(huán)境自適應(yīng)性、去噪聲、去抖動(dòng)、去彩色和紅外功能等。

綜上所述，高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)在分辨力、寬高比、幀率以及環(huán)境適應(yīng)性等方面與廣電行業(yè)都有很大不同，對于某些特殊的應(yīng)用場合會(huì)需要向甚高清（Ultra High Definition）（如 4K，8K）和甚高速/靈敏度（Ultra High Speed/Sensitivity）兩個(gè)技術(shù)方向上發(fā)展。因此要想在監(jiān)控領(lǐng)域用好高清監(jiān)控，首先要解決好高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題。

另外，前端攝像機(jī)的清晰度主要取決于感光芯片的性能，感光芯片分CCD與CMOS兩種。筆者對兩種攝像傳感器性能做了簡單分析和比較，見表1[4]。但就目前發(fā)展來看，由于CMOS傳感器在信噪比和照度上與CCD仍會(huì)有差距，因此對安防監(jiān)控應(yīng)用，CCD高清攝像機(jī)更合適。鑒于CMOS高清攝像機(jī)成本優(yōu)勢明顯，在監(jiān)控環(huán)境良好的情況下，可采用CMOS高清攝像機(jī)，同時(shí)還可以通過施工布線、外部補(bǔ)光等技巧，減少環(huán)境對監(jiān)控效果的影響。

3.2 高清視頻監(jiān)控圖像壓縮編解碼技術(shù)

最近，公安部和國家安防委擬推出一個(gè)新的用于圖像監(jiān)控的視音頻編碼國家標(biāo)準(zhǔn)（SVAC）[5]。其中H.264作為國際性標(biāo)準(zhǔn)，在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包丟失恢復(fù)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性等方面都超越了MPEG-2和MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，已被廣泛用于視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)傳輸。而JPEG2000以圖像質(zhì)量為目標(biāo)，可以提供清晰的單幀數(shù)據(jù)和可伸縮質(zhì)量。由于視頻監(jiān)控的一個(gè)最重要問題是事后取證，需要從存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)中提取大量細(xì)節(jié)信息，甚至需要對圖像進(jìn)行逐幀分析，在這種場合，JPEG2000編碼非常有用，并被用于DVR雙流存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中的關(guān)鍵幀編碼。然而從技術(shù)的觀點(diǎn)看，在一種設(shè)備上用兩種編碼標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)造成軟硬件資源的浪費(fèi)。

表1 傳統(tǒng)CCD與CMOS技術(shù)比較

此外在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，基于異常事件觸發(fā)的主動(dòng)可伸縮編碼技術(shù)，如通常情況下采用碼率低的H.264幀間編碼算法對監(jiān)控地點(diǎn)采集視頻數(shù)據(jù)，一旦有異常發(fā)生，自適應(yīng)的切換到全I(xiàn)幀編碼對事故現(xiàn)場進(jìn)行抓拍，這樣既保存了現(xiàn)場的細(xì)節(jié)，又不會(huì)給傳輸或存儲(chǔ)帶來較大的壓力。其他一些針對監(jiān)控系統(tǒng)的編碼結(jié)構(gòu)，如基于壓縮傳感理論的壓縮算法等，也成為研究的熱點(diǎn)。即將推出的SVAC標(biāo)準(zhǔn)，吸納了H.264，SVC，ROI和異常事件觸發(fā)等多項(xiàng)技術(shù)特征，將成為今后視頻監(jiān)控編碼技術(shù)的方向。

3.3 海量視頻存儲(chǔ)與檢索技術(shù)

視頻高清化帶來了監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)與檢索問題。舉例來說，標(biāo)清視頻（D1）采用H.264壓縮，一般碼率可以壓縮到1.5 Mbit/s以內(nèi)，而采用同樣壓縮標(biāo)準(zhǔn)的高清視頻，其碼率高達(dá)7.5 Mbit/s，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)限30天，一個(gè)基層監(jiān)控中心（派出所或分局）按照50路視頻信號計(jì)算，存儲(chǔ)空間為（50×（（30×24×3600）×7.5÷8）/（1024×1024））Tbyte≈116 Tbyte。

由此可見海量視頻對存儲(chǔ)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間和并發(fā)讀寫帶寬都帶來了巨大挑戰(zhàn)。另一方面，智能檢索技術(shù)引入，如基于事件／內(nèi)容的海量視頻智能檢索方法，可以有效提高歷史視頻數(shù)據(jù)事后取證的快捷性，解放人力，提高效率。

4 高清圖像監(jiān)控的分析與應(yīng)用

智能圖像監(jiān)控是城市公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向[6]。高清智能監(jiān)控不僅能進(jìn)行準(zhǔn)確的目標(biāo)識別、生物識別，還能進(jìn)行高速路的車輛行為、大范圍高密度人群進(jìn)行監(jiān)控。比如在銀行和超市進(jìn)行人臉識別，并可與人臉數(shù)據(jù)庫比對，高速公路上對車牌照進(jìn)行識別等。相同分辨力下，高清圖像監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍約為標(biāo)清系統(tǒng)的4倍，對于廣場等大型的公共活動(dòng)場所，有利于對人群的密度、流量及群體異常行為進(jìn)行智能分析。

高清圖像監(jiān)控系統(tǒng)面臨著海量數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)以及檢索帶來的巨大壓力，除了提高壓縮效率、增大傳輸帶寬、擴(kuò)展存儲(chǔ)空間等，智能視頻分析技術(shù)的發(fā)展帶來了解決這些問題的新途徑。如主動(dòng)智能前端技術(shù)，能依據(jù)報(bào)警信號自動(dòng)控制編碼器發(fā)送高分辨力視頻，而在正常狀態(tài)下發(fā)出“無關(guān)緊要”的視頻流，可以節(jié)省90%的系統(tǒng)帶寬和30%的存儲(chǔ)容量，并保持覆蓋范圍內(nèi)的監(jiān)控質(zhì)量。此外，智能傳輸與存儲(chǔ)技術(shù)、基于內(nèi)容的智能檢索技術(shù)等都可以有效降低高清圖像帶來的傳輸與存儲(chǔ)壓力，并提高檢索效率。

實(shí)現(xiàn)高清智能分析的方式有多種，其選擇取決于復(fù)雜程度如何。在全數(shù)字系統(tǒng)中，可利用IP攝像機(jī)的富余計(jì)算能力，還可借用額外的處理器或DSP，也可通過DVR或后端服務(wù)器上的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)。今后應(yīng)把智能分析的實(shí)現(xiàn)分散到高清圖像監(jiān)控系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)，如前端和后端系統(tǒng)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)高級智能。

采用高清智能化的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，在保證有效的信息源的基礎(chǔ)上，提升了業(yè)務(wù)功能，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）快速的反應(yīng)能力，即由傳統(tǒng)的被動(dòng)監(jiān)控變?yōu)橹鲃?dòng)監(jiān)控，根據(jù)檢測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及時(shí)、快速地實(shí)施預(yù)案；2）高效的行為識別能力，即有效識別潛在的危險(xiǎn)行為，預(yù)防恐怖事件的發(fā)生；3）精確的流量統(tǒng)計(jì)功能，即精確統(tǒng)計(jì)車流量、人流量、有效降低擁擠事故發(fā)生；4）系統(tǒng)的管理決策能力，即有效提高城市公共安全綜合管理水平。

5 小結(jié)

目前高清監(jiān)控技術(shù)還處于初步應(yīng)用的階段，一些技術(shù)儲(chǔ)備還明顯不夠，需要業(yè)內(nèi)高度重視。一方面，要積極推進(jìn)高清化和智能化進(jìn)程，如標(biāo)準(zhǔn)制訂、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品入網(wǎng)測試認(rèn)證等。另一方面，要加強(qiáng)應(yīng)用需求和應(yīng)用規(guī)劃研究，穩(wěn)步推進(jìn)高清視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提升城市公共安全圖像監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)水平。

[1]Axis.HDTV（High Definition Television）and video surveillance，Whiter Paper，2008[EB/OL].[2009-12-20].http：//www.docstoc.com/docs/11589159/HDTV-and-Surveillance.

[2]SMPTE274-1998.1920×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates[S].1998.

[3]ANSI/SMPTE296M-1997， 1280×720 scanning，analog and digital representation and analog interface[S].1997.

[4]MAGNAN P.Detection of visible photons in CCD and CMOS∶a comparative view[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2003，504（1-3）：199-212.

[5]陳曉輝.國家標(biāo)準(zhǔn)SVAC將成為安防監(jiān)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要里程碑[J].中國安防，2009（11）：21-28.

[6]鄭世寶.智能視頻監(jiān)控技術(shù)與應(yīng)用[J].電視技術(shù)，2009，32（1）：94-96.