基于雙橢圓空間模型的校園視頻監控高空拋物分析的應用

寧家鋒

摘要 隨著數字化視頻監控系統的日漸成熟，視頻監控系統逐漸被應用在校園安全保障當中。除了單純的布防、監控，攝像頭作為視頻數據的采集入口，可以在后端通過軟件分析完成很多其它的應用需求。以校園監控為應用場景，通過前端攝像頭采集數據，后臺軟件可以雙橢圓空間模型分析圖像，進而對高空拋物進行判定。

[關鍵詞]校園視頻監控 高空拋物 灰度圖雙橢圓模型

我國對于學校安全的保障建設日趨重視，對于校園內部諸如人員踩踏、高空拋物等安全問題的發現、響應與存證都有著很高的需求。使用前端監控設備，結合后端實施軟件分析，可以對高空拋物現象進行有效的發現、響應與存證。

1 高空拋物監測的需求

高空墜物按照掉落原因，可以分為墜落、碰落和拋落三種情形。其中存在主觀惡意的往往是拋落現象。校園高空拋物現象，主要指的是校園樓層高處扔出來的各種生活垃圾、廢棄物。針對這種現象，學校管理人員需要能夠通過監控點位的安裝，明確知曉物品是從哪件宿舍、窗口拋出，以便進行證據保存以及責任人的確認。常規立桿辦法是從地面向上仰角監視和從天面層向下俯角監視。

另一方面，對學生宿舍窗口的監控勢必涉及到宿舍內部環境及人員形象的入鏡。處于對學生隱私的保護，要求監控布點既要達到高空拋物的來源辨識，又要避免對房間內部（包含晾臺）的直接拍攝。

為了解決上述矛盾，需要對監控點位的合理布置，對宿舍樓進行高空拋物檢測，做到實時預警、實時抓拍、支持多個目標并發監測、高空拋物事后取證等功能，便于校方對校園環境、學生、安全事故高效管理，避免發生安全事故和群體性事件。

2 高空拋物監測的信息化環境

2.1 前端攝像頭

高空拋物模塊視頻數據來源是校園建筑周邊安裝的攝像頭，需要根據實地情況進行安裝。可以采用的前端安裝點位可以采用分段式監控攝像機部署模式或平行樓宇輔助監控攝像機部署模式。通過前端采集設備，可實現對特定監控區域的視頻監控，實現視頻采集功能。支持多圖像源采集，包括IP攝像頭、USB攝像頭、CCTV攝像頭、視頻文件等多種采集方式。采集到的視頻可用于高空拋物檢測，或者通過視頻壓縮，進行保存。可以結合時間、空間、目標特征等信息，把區域內所有的攝像頭都關聯起來，對特定目標進行跨攝像頭跟蹤。

2.2 分析后臺

高空拋物的后臺分析具有實時性要求。考慮到具體傳輸環境涉及視頻網絡和教育網絡的安全性策略可能造成的網絡延時性（約2秒），對于有實時性要求的使用單位，建議直接獨立部署后臺分析服務器。同時，由于分析服務器可以直接將報警信息展示在客戶端上，分析服務器獨立部署后，可以避免由于系統整體宕機造成的各視頻分析全部失效的后果。

2.3 數據對接

高空拋物分析檢測功能的實時視頻流是通過流媒體服務器上獲取，歷史視頻流是通過存儲服務器或云存儲上獲取。具體獲取方式支持通過網關協議GB/28181-2011接入。經過分析后輸出的報警信息或檢索結果存儲于存儲服務器上并發送給管理人員的客戶端。

3 高空拋物分析原理

3.1 分析流程

采用幀差法結合時序模型和空間模型的方法，其核心原理是先將獲取到的相鄰兩幀視頻圖片轉換成用于檢測的YUV顏色空間灰度圖像，它只包含亮度信息，不包含色度信息[4]。然后再將這兩幀轉換成的灰度圖像進行相減做前景背景初步分離，然后通過時序模型對分離出的前景目標進行存儲，最終通過空間模型對存儲的前景目標進行是否為高空拋物的判斷。該方法效果的優劣依賴于建立空間模型算法的性能。

高空拋物檢測過程分以下幾個步驟：

（1）由高清攝像機獲取實時視頻流;

（2）將相鄰兩幀視頻圖像轉換成灰度圖;

（3）轉換完成的灰度圖進行相減，初步分離前景背景區域;

（4）利用時序模型將分離出的前景目標進行存儲;

（5）建立空間模型，判斷存儲的前景目標是否為高空拋物;

（6）建立空間模型;

（7）針對高空拋物檢測算法建立雙橢圓模型，因為高空拋物軌跡多為自由落體運動軌跡，建立雙橢圓模型符合自由落體運動的檢測。

而作為干擾項，諸如樹葉抖動，陽臺衣物擺動以及人員行走等軌跡多為無規則運動軌跡或者水平擺動運動軌跡。

3.2 分析原理

雙橢圓空間模型原理圖（如圖1所示）：圖中菱形點代表高空拋物物體中心坐標點，位于笛卡爾坐標系最下方的菱形點為當前幀物體中心坐標點（centerx，center y），根據該點可以畫出橢圓l，橢圓公式如下

frame width為視頻幀的寬，a為橢圓半長軸長度，b為橢圓半短軸長度。剩下的菱形點均為時序模型存儲的前幾幀檢測到的高空拋物中心點，第二個橢圓是依據當前幀的前一幀高空拋物中心坐標點，再根據橢圓公式得出的橢圓2。判斷為高空拋物的準則是在橢圓1和橢圓2區域中存在的高空拋物軌跡點個數大于等于5，則畫框標注當前幀菱形點為高空拋物物體（告警）;反之，則不是高空拋物不做標記。

3.3 分析效果

效果圖如圖2所示。

4 可實現的功能描述

在常規的校園視頻監控系統當中，往往是通過服務器、網絡、視頻監控等多元化設備的聯合，實現實時的監控效果。通過分析軟件，可以實現更多的功能。比如：

（1）圖像抓拍：通過報警消息的實時響應，抓拍當前發生報警時刻的圖像畫面。用于事后存檔和記錄。

（2）事件發生時間段視頻調用查看：根據報警時刻的時間戳，自動關聯對應時間段內的視頻文件，供用戶查看并回放發生時刻前后時間段的視頻內容。

（3）拋棄物所在樓層、宿舍定位顯示：根據視頻分析的算法，自動關聯物品拋灑對應樓層和宿舍的具體位置，進行定位的顯示。

（4）多目標定位和檢測：高空拋物算法支持視頻畫面內多目標的實時檢測和定位。

（5）支持統計周期設定：用戶可自定義設定視頻分析的統計周期和時間段。

6 結語

本文針對學校高樓層可能存在的高空拋物現象，探討了一種可實現的分析方法。該方法結合了預裝的前段攝像頭與后臺的軟件分析，實現基本實時的校園高空拋物的監測。通過該方法的應用，將大幅增加校園安保的響應速度與存證力度。

參考文獻

[1]李晨，城市居住環境下高空墜物及建筑設計防墜措施研究[D].南昌大學，2007.

[2]鄧子桓，鄧祖培.高空拋物監控系統設計實測初探[J]，廣州建筑，2013 （05）：16-20.

[3]張天駿.高樓拋撒物智能監控系統研究[J]，河南科技，2018（01）：24-25.

[4]謝淵東，基于3G網絡的公安應急視頻傳輸系統的設計與實現[D].東華大學，2016.

[5]郭衛兵，張效詩.校園視頻監控系統的有效設計思路及應用研究[J].科技展望，2015，25 （10）：13.