建筑智能視頻監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯曉芳，侯茜，陳偉鋒，元東杰

（浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

1 引言

隨著現(xiàn)代人對安全要求的提高，以視頻為核心的安防系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，也成為智能建筑不可或缺的一部分。傳統(tǒng)的建筑監(jiān)控系統(tǒng)功能比較單一，早期僅作為一種報(bào)警復(fù)核手段，需要值班人員實(shí)時(shí)在崗監(jiān)測，效率較低。本文提出的智能監(jiān)控及報(bào)警方案，使用智能服務(wù)器集中分析視頻流，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)推送報(bào)警，無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的智能化分析和報(bào)警的自動(dòng)化處理，提高了報(bào)警的實(shí)時(shí)性和有效性。

2 建筑智能視頻監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)總體架構(gòu)

視頻數(shù)據(jù)信息具有實(shí)時(shí)性、直觀性、完整性，通過攝像機(jī)構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)，可以有效管理各種場所，提供報(bào)警與事后追溯功能。視頻監(jiān)控是安全防范的重要組成部分[1]。但目前的建筑監(jiān)控系統(tǒng)主要依賴人工監(jiān)控，容易出現(xiàn)遺漏報(bào)警事件的情況，且需要安排專人值班，造成資源的浪費(fèi)。本文設(shè)計(jì)的建筑智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)揮了視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警和事后查詢的作用，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能監(jiān)控報(bào)警框架圖

整個(gè)系統(tǒng)按功能可分為數(shù)據(jù)采集端、數(shù)據(jù)處理端及數(shù)據(jù)輸出端三個(gè)模塊，完成信息采集、分析與輸出。在系統(tǒng)運(yùn)行前，需要錄入一些常見的報(bào)警類型與應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常情況時(shí)，會(huì)自動(dòng)通知值班人員，并推送相應(yīng)的預(yù)案，便于第一時(shí)間做出正確的決策。同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)視頻錄制，保留現(xiàn)場證據(jù)。

視頻采集使用數(shù)字化高清攝像機(jī)（DVR），前端即可完成視頻數(shù)字化與壓縮編碼[1]。視頻圖像在攝像機(jī)端壓縮編碼后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳至本地服務(wù)器，視頻信號輸出一般采用RTSP協(xié)議。

本地服務(wù)器部署在建筑的監(jiān)控機(jī)房。服務(wù)器視頻接入網(wǎng)關(guān)接收攝像機(jī)上傳的視頻流，抽取關(guān)鍵幀，調(diào)用視頻算法模塊對圖片進(jìn)行分析處理，識(shí)別到異常事件后將報(bào)警信息傳輸至邊緣設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)。

云端服務(wù)器設(shè)備接入層接收邊緣設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送的報(bào)警信息，調(diào)用中控模塊給相關(guān)人員推送故障信息，通知盡快維修或更換設(shè)備。云端視頻轉(zhuǎn)發(fā)模塊接收本地RTSP視頻流數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的管理人員，可以實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場動(dòng)態(tài)，了解異常事件情況。報(bào)警事件可在云端做持久化存儲(chǔ)，便于后續(xù)查詢。系統(tǒng)客戶端采用C/S架構(gòu)，包含視頻直播、設(shè)備控制、報(bào)警消息、系統(tǒng)配置等模塊。

此外，邊緣設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)可協(xié)同云服務(wù)器設(shè)備接入模塊按照平臺(tái)協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，對信息做統(tǒng)一的身份管理和服務(wù)封裝，便于標(biāo)準(zhǔn)化管理，完成不同建筑設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接入。因此邊緣設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)可同時(shí)接收其余建筑設(shè)備的信息，集成建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 設(shè)備接入

本地服務(wù)器接入公網(wǎng)需要充分考慮安全性，保證設(shè)備身份安全、設(shè)備歸屬信息安全、資源訪問安全等。考慮到GB/T28181、ONVIF等視頻設(shè)備接入?yún)f(xié)議的復(fù)雜性，本地設(shè)備接入服務(wù)提供了可視化的配置界面，為用戶提供便利的接入方式。本地接入的視頻設(shè)備會(huì)分配唯一的設(shè)備ID和密鑰，并為不同用戶配置添加、訪問、修改、刪除等權(quán)限，防止用戶非法越權(quán)訪問設(shè)備。設(shè)備接入模塊與云服務(wù)通信鏈路通過TLS加密，可以有效防止中間人攻擊，所有通信報(bào)文均通過密鑰加簽，防止設(shè)備身份偽造。

除了設(shè)備主動(dòng)上報(bào)信息外，云端服務(wù)可主動(dòng)給設(shè)備下發(fā)指令。比如，當(dāng)有用戶發(fā)起播放請求時(shí)，云端服務(wù)下發(fā)推流指令，觸發(fā)本地視頻網(wǎng)關(guān)上傳視頻數(shù)據(jù)。為保證指令的有效性，所有下發(fā)指令均有確認(rèn)重發(fā)機(jī)制。

3.2 視頻接入

目前建筑系統(tǒng)中的大部分?jǐn)z像機(jī)都支持RTSP協(xié)議。傳統(tǒng)建筑網(wǎng)絡(luò)環(huán)境通常比較封閉，在局域網(wǎng)內(nèi)部視頻數(shù)據(jù)可直接使用裸碼流傳輸。當(dāng)這部分視頻數(shù)據(jù)需要上傳到云端時(shí)，會(huì)面臨嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)，有數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，局域網(wǎng)內(nèi)部傳輸層一般采用UDP協(xié)議，在公網(wǎng)環(huán)境下容易出現(xiàn)丟包、亂序的情況，需要考慮亂序重傳機(jī)制。因此，需在局域網(wǎng)內(nèi)部架設(shè)視頻網(wǎng)關(guān)適配層，將未加密的UDP視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成加密的TCP協(xié)議數(shù)據(jù)。

當(dāng)視頻數(shù)據(jù)上傳到云端后，視頻轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器負(fù)責(zé)把視頻流轉(zhuǎn)發(fā)給指定用戶，同時(shí)負(fù)責(zé)檢測用戶與視頻的關(guān)聯(lián)關(guān)系，防止數(shù)據(jù)外泄。用戶側(cè)的客戶端接收到視頻數(shù)據(jù)后，經(jīng)過解密、解碼、渲染等步驟，即可實(shí)現(xiàn)視頻播放功能。

3.3 視頻內(nèi)容理解技術(shù)

基于視頻內(nèi)容的理解技術(shù)是智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)最核心的部分：即通過對視頻圖像通過背景建模、目標(biāo)檢測、目標(biāo)識(shí)別和跟蹤等一系列算法，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，分析視頻中的目標(biāo)或事件是否存在異常，若有則及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號[1-2]。

視頻實(shí)時(shí)上云對帶寬要求高，代價(jià)太大，故對視頻流的分析判斷需要在本地服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)。視頻流用于實(shí)時(shí)報(bào)警和視頻分析具有巨大的計(jì)算量，目前可采用高密度GPU模塊進(jìn)行硬件支持，減少服務(wù)器數(shù)量需求。

視頻接入網(wǎng)關(guān)將獲取的視頻流進(jìn)行關(guān)鍵幀抽取，利用圖像處理技術(shù)和模式識(shí)別方法從視頻序列圖像中提取特征，并做實(shí)時(shí)判斷和報(bào)警。攝像機(jī)在圖像采集過程中由于光照、環(huán)境、角度、距離等原因，造成圖像質(zhì)量參差不齊，在提取特征和目標(biāo)識(shí)別時(shí)會(huì)引入很多的噪聲和干擾。因而需要對視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，以提高識(shí)別度減少計(jì)算量。圖像識(shí)別算法可以為傳統(tǒng)的模式識(shí)別算法，也可以是基于機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的算法[3-5]。隨著算法的不斷更新，智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)軟件系統(tǒng)的更新迭代完成優(yōu)化。

3.4 云端服務(wù)

云端設(shè)備接入層收到來自傳感器設(shè)備或攝像機(jī)的報(bào)警信號時(shí)，云端中控模塊立即通過各手機(jī)廠商推送服務(wù)（APNS、HMS等）向管理人員發(fā)送報(bào)警信息。管理人員收到報(bào)警信息可登錄管理APP界面，調(diào)取報(bào)警點(diǎn)處攝像機(jī)視頻觀看，確認(rèn)異常信息后通知相關(guān)部門，減少報(bào)警延時(shí)。系統(tǒng)報(bào)警服務(wù)還提供了報(bào)警查詢、報(bào)警分析等功能，便于報(bào)警的可視化管理。此外，平臺(tái)采用公共云方式部署，可將不同區(qū)域的報(bào)警信息進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)建筑跨區(qū)域綜合管理，建立統(tǒng)一的消防管理平臺(tái)。

4 小結(jié)及展望

本文設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的建筑智能監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，利用云服務(wù)器進(jìn)行綜合決策。跟傳統(tǒng)方法相比，將獲取的視頻流利用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)，向管理人員主動(dòng)推送報(bào)警信息，可提高報(bào)警的實(shí)時(shí)性，將以往的監(jiān)控系統(tǒng)事后分析變成事中分析和預(yù)警，提高了效率和安全性。

目前智能視頻監(jiān)控技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的核心技術(shù)尚不夠成熟，基于視頻監(jiān)控的探測技術(shù)只能作為常規(guī)報(bào)警系統(tǒng)的輔助。隨著目前建筑各系統(tǒng)的高度集成化，監(jiān)控范圍擴(kuò)大使得監(jiān)控對象的種類不斷擴(kuò)大，從不同視頻監(jiān)控場景下分析出各種目標(biāo)的行為、目標(biāo)之間內(nèi)在聯(lián)系以及群體目標(biāo)之間的事件級演變是面臨的一大難題[1]。此外，現(xiàn)階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)多為有線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)具有安裝費(fèi)用高、維護(hù)困難，建設(shè)及擴(kuò)建困難，誤報(bào)率、漏報(bào)率高等缺陷。無線智能監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)是未來的發(fā)展方向。未來智能報(bào)警系統(tǒng)將向分布式智能系統(tǒng)發(fā)展，即前端攝像機(jī)具備智能分析功能，基于嵌入式芯片的發(fā)展及計(jì)算資源成本的降低，相信前端智能的攝像機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用即將到來。