基于音視頻監控技術的校園夜視三維防范系統研究

0 引言

隨著GIS技術的廣泛應用，集成二維地圖等空間位置信息的視頻監控系統解決方案在視頻監控領域正逐步成為熱點。與傳統的單純獲取監控目標的實時音頻、視頻信息的視頻監控系統相比，集成了空間位置信息的三維視頻監控系統更能有效預防安全隱患。近年來高等院校正在大力推行創建“平安校園”工作，但尚缺少針對校園突發事件的有效防范體系，尤其是夜間防范。現有校園監控系統更多的是基于單純視頻監控技術，其分辨率低且應用范圍局限性大，夜間監控只是通過簡單的紅外探頭來進行偵測，弊端眾多。

在“平安校園”建設任務中，校園夜間防范是安全隱患最大環節，建立高效可靠的校園夜間安防體系是實現對校園安全有效管理和排除隱患的重中之重。本文提出了一種基于音視頻監控技術的校園夜視三維防范系統構建方法，通過三維實景校園夜間虛擬表現方式，實時反饋安全隱患最多的場景現狀，這對校園夜間突發性事件預防有著重要意義。

系統對夜間隱患場所中出現的人員進行有效檢測后快速地聯動音頻監控，從而大幅度減少隱患的辨別時間，同時系統采用了三維夜視虛擬顯示，可給出監控區域的準確定位和突發事件實時視覺效果，為提出突發性事件的初步應急方案提供依據。由于紅外圖像缺乏對象細節信息，為了形成更好的防范體系，除了虛擬三維顯示之外，與音頻監控的聯動至關重要，音頻監控的核心部件是拾音器，由于音頻與視頻設備的獨立很難達成同步，常常造成聲音與圖像的相對延遲。如今在許多領域音頻監控已經成為了不可或缺的一部分，尤其是對于缺乏細節信息的紅外圖像而言，音視頻監控已成為及時預判突發事件的最佳手段，IHS也預測在2014年將會看到視頻監控系統的音訊功能被重視。

1 校園三維模型構建

虛擬校園將虛擬現實技術引入到“數字校園”的研究中，為校園的安全防范提供了一種全新的手段，不僅能自然、真實、形象地表達現實世界的對象，而且拓展了現實校園的時間和空間維度，從而擴展其功能。本文以浙江工商職業技術學院的校園三維建筑、道路及植被等為研究對象，利用Google Earth影像為數據源，以Sketchup為三維建模工具，基于谷歌地球實現了浙江工商職業技術學院三維虛擬校園的可視化與簡單交互。

構建方法利用 sketchup三維建模軟件實現校園的三維模型構建，且該模型將被嵌入于互聯網Google Earth軟件之中（圖1為Google Earth中的二維校園地貌），便于后續防范系統聯網設計。Sketchup建模出的校園（圖2為Google Earth中建模的三維建筑效果），不僅能夠全視角觀測校園地貌，而且還可以方便地構建三維監控體系，使音頻點與視頻點被明確地標注在3D校園之中，確保在夜間可以實時反饋校園安全隱患場景的現狀，并及時作出預警。

圖1 Google Earth二維校園地貌

圖2 Google Earth三維建筑效果

2 音視頻夜視三維監控思路

方案中音視頻安防監控點位設計將在校園三維模型基礎之上進行，該環節的設計主要包括音頻點與視頻點的設置、選型與統計，最終確定校園音視頻監控方案三維點位信息。系統在產品選型上以紅外網絡型攝像機和網絡槍式攝像機為主，網絡攝像機連帶拾音器，通過 IP信息能夠迅速定位事故所在地，并能快速聯動音頻，這樣的設計可以有效地監控校園夜視安全狀態。

以浙江工商職業技術學院為例，占地面積551畝，建筑面積近23萬平方米。其中教學樓有3幢，宿舍樓13幢，實訓樓3幢，辦公大樓、圖書館和體育館各一棟。本次工程主要是對學校的夜視監控系統控安全進行改造，在道路上，以及高樓樓頂上安裝攝像頭，本次方案使用網絡化視頻三維監控系統，安裝高清攝像機以IP 的方式接入監控系統，利用網絡化傳遞高清視頻信號、報警信號，控制信號存儲系統以 IP方式為高清攝像機提供存儲服務，并對外提供點播服務。就各大高校來說，都有個共同地特點：場地分散、面積大、管理人員少，學生人數眾多、生性好動、防范意識差。學校消控、監控室、圖書館、實訓基地、網絡中心、檔案室、保密室、財務室、廣播室、配電房、鍋爐房等部位為學校重點防范區域。

方案設計擬采用安防區域級別設定以及監控點位級別設定，當某一安防區域有檢測到安全隱患問題時，該區域便會變色預警，同時突顯隱患點位的相機，此時可點擊相機實時觀測場景實況。對于不同級別的預防區域設定的預警顏色有所不同；對于不同級別的監控點位所設定的報警優先級也會不同，系統不僅可以實時觀測現場實景，還可以為未來實現依據圖像處理算法進行實景的虛擬重現奠定基礎，使實景內容在三維模型中直接顯現虛擬畫面，為解決安全問題提供重要的預處理依據。此外該方案中擬采用較先進的紅外網絡相機，通過 IP信息以實現對每一個監控點位的唯一定址。

3 系統軟硬件構架

設計方案系統硬件中的攝像頭擬采用紅外網絡型相機，集成拾音器的為首選，結合硬盤錄像機以及分層電腦系統進行控制，底層電腦運行輔助軟件，負責圖像保存及視頻分析處理，頂層電腦主機負責系統主軟件的實際運行，底層關鍵數據都將與頂層主機以通信的方式進行傳遞；系統主軟件設計則擬采用安防區域級別設定以及監控點位級別設定，當某一安防區域有檢測到安全隱患問題時，該區域便會變色預警，同時突顯隱患點位的相機，此時可點擊相機實時觀測場景實況。對于不同級別的預防區域設定的預警顏色有所不同；對于不同級別的監控點位所設定的報警優先級也會不同，系統軟件不僅可以實時觀測現場實景，還可以實現依據圖像處理算法進行實景的虛擬重現，使實景內容在三維模型中直接顯現虛擬畫面，為解決安全問題提供重要的預處理依據。此外該方案中采用較先進的紅外網絡相機，能夠通過相機獨有ID信息實現對每一個監控點位的唯一定址。

系統軟件主要包括輔助軟件和主軟件。輔助軟件由若干視頻圖像處理算法構成，主要包括有①移動對象檢測算法；②基于感興趣區域的對象提取算法；③雙目相機定位算法；④報警相機地址信息的優先級排序與傳輸算法，輔助軟件為主軟件提供的信息包括是否存在移動對象、移動對象的數量或面積、移動對象的位置信息，以及檢測出預警信號的相機地址信息及區域信息。主軟件則是整個系統的核心軟件，其子功能主要包括有①管理員與監控員的獨立操作界面；②管理員界面的三維模型導入；③管理員界面的監控點位布控（音頻與視頻）；④管理員界面的區域級別設定；⑤管理員界面的相機參數及級別設定；⑥監控員界面的報警區域顯示；⑦監控員界面的三維模型顯示；⑧監控員界面三維模型中報警相機的提示；⑨監控員界面報警相機實況監測功能；⑩監控員界面報警相機的虛擬對象生成功能；?監控員界面的指定拾音器通訊功能。此外，網絡相機還設有獨立的手機配套軟件，實現手機用戶的實時觀測。