基于視頻圖像分析算法的落水檢測(cè)系統(tǒng)

王旭 葉超 王欣欣 陳壽輝

摘 要：本文提出的基于視頻圖像分析算法的落水檢測(cè)系統(tǒng)是應(yīng)用于檢測(cè)人員落水的實(shí)時(shí)性系統(tǒng)，目的是對(duì)落水人員進(jìn)行第一時(shí)間的營救，減少因溺水導(dǎo)致死亡的風(fēng)險(xiǎn)。本文提出的落水檢測(cè)系統(tǒng)是利用了FFmpeg、OpenGL、CUDA等開源算法，設(shè)計(jì)了一套具備實(shí)時(shí)性與高效性，同時(shí)兼顧了應(yīng)用性與穩(wěn)定性的落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：落水檢測(cè)系統(tǒng);FFmpeg;OpenGL;CUDA

1引言：隨著國民經(jīng)濟(jì)和基礎(chǔ)科學(xué)的迅猛發(fā)展，人們開始對(duì)日常生活中的公共安全保障有了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。當(dāng)危險(xiǎn)即將發(fā)生時(shí)，人們希望可以通過一些高科技的手段來預(yù)警或者報(bào)警，以降低人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。我國衛(wèi)生部估算全國每年有5.7萬人死于溺水，相當(dāng)于每天有150多人。足以見得，解決此類問題是多么的迫在眉睫。本文提出的落水檢測(cè)系統(tǒng)是自主研發(fā)的具有源碼的視頻分析系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)踐論證，該系統(tǒng)能夠高效地解決上述問題，更好地滿足了工程上的實(shí)際需求。

2落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心算法：

FFmpeg是一套可以用來錄制、轉(zhuǎn)換以及流化音視頻的開源計(jì)算機(jī)程序。具備很高的可移植性。本文提出的落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是采用了FFmpeg的編解碼、播放和抓取等技術(shù)。

OpenGL是用于渲染2D、3D矢量圖形的跨語言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序編程接口（API），同樣具備很高的可移植性。本文提出的落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是采用了OpenGL的劃線和團(tuán)塊邊界確定等技術(shù)。

CUDA是一種由NVIDIA推出的通用并行計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)使GPU能夠解決復(fù)雜的計(jì)算問題。 本文提出的落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序代碼就是利用了CUDA運(yùn)算平臺(tái)，將復(fù)雜的視頻圖像分析算法從CPU移植到了GPU上，解決了實(shí)時(shí)性和高效性的問題。

3落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)算法步驟：

（1）實(shí)時(shí)視頻流解碼：從前端攝像機(jī)讀取的實(shí)時(shí)視頻流利用FFmpeg視頻解碼器進(jìn)行解碼，將數(shù)據(jù)暫時(shí)存入緩存中。

（2）背景生成及背景更新：用VIBE背景建模算法進(jìn)行背景的生成和更新，將緩存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行VIBE算法的計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果存入緩存中，該結(jié)果即為首背景和更新背景。

（3）檢測(cè)區(qū)域劃線：利用OpenGL算法在視頻中實(shí)際需要的區(qū)域進(jìn)行多邊形閉合劃線，劃線區(qū)域內(nèi)部即為檢測(cè)區(qū)域。

（4）團(tuán)塊計(jì)算：利用幀間差分法和形態(tài)學(xué)算法進(jìn)行團(tuán)塊個(gè)數(shù)和團(tuán)塊大小的計(jì)算，再利用OpenGL確定團(tuán)塊邊界。

（5）落水邏輯判斷：團(tuán)塊滿足以下條件的保留：第一，團(tuán)塊大小大于既定閾值;第二，團(tuán)塊的幾何型心進(jìn)入了劃線區(qū)域。當(dāng)檢測(cè)到落水事件時(shí)系統(tǒng)立即預(yù)警：劃線閉合框變紅和預(yù)警提示音。

（6）短視頻存儲(chǔ)：當(dāng)出現(xiàn)一次落水檢測(cè)后，將預(yù)警時(shí)刻前30秒視頻幀從緩存區(qū)中提出，用FFmpeg視頻編碼器進(jìn)行視頻編碼，然后反復(fù)快速播放并立即存儲(chǔ)在落水檢測(cè)服務(wù)器中指定文件夾。以上算法步驟如圖1所示。

4落水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)架構(gòu)：

（1）前端設(shè)備模塊：主要包括：IP攝像機(jī)和報(bào)警器。IP攝像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)采集室外水域的數(shù)字視頻，通過網(wǎng)絡(luò)將視頻流傳入服務(wù)器。報(bào)警器的作用則是：當(dāng)確定為落水事件時(shí)，通過觸發(fā)信號(hào)的方式使發(fā)生事件區(qū)域內(nèi)的報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音，起到警示、預(yù)防危險(xiǎn)的作用。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊：主要包括：接入層交換機(jī)、核心交換機(jī)、網(wǎng)線和光纖等，攝像機(jī)和報(bào)警器通過網(wǎng)線連接接入層交換機(jī)，接入層交換機(jī)光纖連入核心交換機(jī)，最終所有的視頻流匯入到核心交換機(jī)中。

（3）算法分析模塊：該模塊為本系統(tǒng)的核心硬件，即：基于深度學(xué)習(xí)的視頻分析服務(wù)器。獲取的所有視頻流都是通過該服務(wù)器搭載的算法進(jìn)行分析運(yùn)算，最終進(jìn)行判斷是否為落水事件。如圖2所示為硬件模塊的架構(gòu)圖。

5落水檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

當(dāng)發(fā)生人員落水事件時(shí)，攝像機(jī)將采集到的該事件視頻流通過網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸?shù)缴疃葘W(xué)習(xí)視頻分析服務(wù)器中，通過程序算法的分析，得出該事件為落水事件，同時(shí)將該段視頻保存在緩存中，并在操作員顯示器上反復(fù)播放，發(fā)出報(bào)警聲音提醒操作員進(jìn)行排查。如果操作員認(rèn)為此情況為人員落水事件，則按下確認(rèn)鍵，系統(tǒng)將保留短視頻，觸發(fā)報(bào)警信號(hào)讓外部報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲音，同時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)預(yù)備搶救隊(duì)伍進(jìn)行快速出警搶救。如果不是落水事件，則需要按下否定鍵，系統(tǒng)將刪除短視頻，并取消預(yù)警。

6落水檢測(cè)系統(tǒng)的有益效果

本文提出的基于視頻圖像分析算法的落水檢測(cè)系統(tǒng)具備以下有益效果：第一，該系統(tǒng)有效地減少了誤報(bào)率，提高了報(bào)警精確度，進(jìn)而提高了工作效率;第二，該系統(tǒng)不需要大量的人力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡邏，也不需要工作人員24小時(shí)查看監(jiān)控視頻，只需要一位視頻監(jiān)控人員當(dāng)聽到預(yù)警后，及時(shí)查看短視頻，作出判斷后一鍵式操作即可，節(jié)省了大量的人力物力資源。

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