視頻融合與智能監控技術在施工現場安全管理中的應用

應瀟斐 魏富強

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 施工現場安全管理的現狀

國家統計局報告顯示，中國的城鎮化進程是世界歷史上速度最快且規模最大的，中國的城鎮化進程已成為建筑行業快速發展的前置有利條件，同時它也對施工行業設定了更高的準入門檻并提出了更嚴格的管理要求。作為施工管理工作的重要環節，施工現場安全的管理工作一方面需要勇于迎接新的挑戰，另一方面新挑戰對現場安全管理工作的提效升級提供了新的機遇和寬廣的發展空間。通過現場安全管理從業人員數十年的經驗累積和科研機構的研究探索，施工現場的安全管理工作已經達到了相當的水平并取得了一定的成效，然而也必須正確認識新形勢下存在的諸多問題。

首先，大部分擁有施工總承包特級和一級資質的施工企業已演變成智力密集型的純管理企業。雖然它們具有相當的管理能力和水平，但這些公司并不像傳統施工企業那樣擁有技術過硬的勞務施工隊伍。因此這些公司一旦中標相關項目后，現場管理工作僅依靠公司委派的幾名技術人員負責。在此情況下，人員配備的數量和專業類別均無法滿足管理要求，從而導致安全管理難以達到要求。

其次，由于我國城鎮化速度加快，大量農村人口涌入城市，農村進城務工人員在建筑從業人員中的比例逐年攀升，現已超過80%。但農村進城務工人員缺乏相關的施工經驗，專業施工技能的培訓往往也跟不上，導致進城務工人員缺乏扎實的專業技能。另外進城務工人員受教育水平普遍較低、安全意識不強，這些不利因素對施工現場安全管理工作的順利推進造成了較大的阻礙。

最后，由于工程項目本身的風險源較多，導致施工項目在實施過程中容易遇到各種變數，往往需要根據實際情況作出施工步驟、施工內容、施工時間、施工設備、施工地點和施工人員等方面的調整，這些無法預見的變化以及相應的調整正是安全管理工作的主要風險來源。

2 傳統視頻監控技術的問題

工程施工安全事故不僅對人民群眾的生命和財產安全造成直接的危害，同時也給社會帶來直接和間接的經濟損失，一些重大的安全事故甚至對社會穩定產生不利的影響。因而從中央到地方各級建設行政主管部門都非常重視建筑施工安全，建筑施工安全的監管力度也逐年增強。為此，除了強化落實建設各方安全生產管理主體責任，完善安全管理制度體系，加強建筑施工領域安全生產教育培訓工作，提高從業人員，尤其是一線班組長、危險崗位操作人員以及進城務工人員、外包工、臨時工等人員的安全素質等手段以外，借助技術手段加強對施工現場的安全監管，已成為安全管理不可或缺的工具。視頻監控系統是目前施工現場安全監管最常用的技術手段之一，其數字化遠程操控的優點提高了安全管理工作的便利性。然而，隨著安全管理要求的提高，傳統視頻監控技術的弊病不斷暴露，越來越難以滿足安全管理的現實要求。

在傳統的視頻監控系統中，僅僅能觀察到一些周邊的情況，而且畫面的清晰度也受到監控設備相關技術參數的限制，并不能清晰地觀察到對應物體的具體情況，視線較為狹窄，水平方向和垂直方向僅僅是在30°～60°之間。如果選用傳統的視頻監控系統來進行工作，相關的視頻監控管理人員需要對多個屏幕進行觀察分析，有些視頻中的圖像間的區別很小，無形中增加了工作人員的工作負擔；另外，長時間監看視頻會對人腦造成巨大的壓力，美國桑迪亞國家實驗室專門研究結果表明，人眼在盯著視頻畫面超過22 min后，人腦將忽視視頻畫面里95%以上的活動信息，表現為人眼對這些視頻信息視而不見[1]。最關鍵的是，視頻監控的管理人員不能及時觀察到對應的具體事物有變化情況，可能有些安全隱患已經存在，但是管理人員無法及時地發現問題、解決問題，導致安全事故的發生，不利于企業的發展。

3 視頻融合與智能視頻監控技術的原理

3.1視頻融合技術原理

在傳統的視頻監控系統中，監管人員需要同時觀看多個不同位置攝像頭拍攝的畫面，并且很難將零散的不同位置的視頻內容與其實際地理位置相對應，因此大場景實時全局監測成為監管人員的難題，也無法對歷史事件進行快速回溯查找，海量零散監控視頻資源既“看不過來”又“看不太懂”。借助視頻融合技術，可以將攝像頭實時畫面投射到三維實景模型或者VR全景設備上，并可將相鄰的畫面進行拼接融合，拼接后形成一幅更大分辨率的畫面，這種融合不會隨著對三維模型的傾斜、旋轉等操作而產生變形或者錯位。平臺中視頻與實景三維模型融合技術需要經過后臺視頻配準和前端視頻融合顯示2個流程得以實現，如圖1、圖2所示。預處理階段對視頻數據進行預處理，并進行幾何校正、噪聲消除、色彩和亮度調整、配準、裁剪有效區域等；前端視頻融合顯示階段則進行視頻融合投影操作，基于視頻與三維場景之間的空間位置關系、用戶視角、相機視角，并根據透視投影算法進行投影計算，從而實現在三維實景模型上無縫投射視頻圖像。當用戶視角發生改變時，通過特有的算法實現視頻渲染，并且隨著用戶視角的變化而變化，從而避免畫面出現畸變的情況。

圖1 后臺視頻配準流程

圖2 前端WebGL融合顯示

3.2智能視頻監控技術原理

智能視頻監控技術研究的主要內容就是如何從原始的視頻數據中提取出符合人類認知的語義理解，即希望計算機能和人一樣自動分析理解視頻數據。比如，判斷場景中有哪些感興趣目標，歷史運動軌跡，從事什么行為，以及目標之間的關系等。一般而言，智能視頻監控中對視頻圖像的處理可以分為底層、中層和高層共3個層次，如圖3所示。

圖3 智能視頻監控算法流程

該流程中、底層主要是從視頻圖像采集終端獲取圖像序列，對感興趣目標進行檢測和跟蹤，以便對目標進行后續處理分析，主要解決“目標在哪里”的問題。本文中目標檢測部分可分為目標建模和背景建模。目標跟蹤是為了獲得運動目標的活動時間、位置、運動方向、運動速度、大小、表觀（顏色、形狀、紋理）等，可分為單場景目標跟蹤和跨場景目標跟蹤。中層主要是在底層的基礎上提取運動目標的各種信息并進行相關判斷。這部分內容包括目標識別。目標識別是為了對目標進行分類，進而識別目標的身份，可分為目標分類和個體識別。中層的分析為底層處理到高層行為理解搭建了一座橋梁，填補了底層與高層之間的語義間隔。主要是為了解決“目標是什么”的問題。高層處理完成對目標的行為進行分析和理解。高層的語義蘊含著特定的語義場景，往往和具體的應用緊密相關。行為分析可以分為姿態識別、行為識別和事件分析，主要為了解決“目標在干什么”的問題[2]。

4 視頻融合與智能視頻監控系統的研究內容

4.1三維的全景攝像裝置

根據當前傳統的視頻監控系統中存在的視野盲區，同時結合當前的科學技術，研究三維的全景攝像裝置，進而解決了傳統視頻監控攝像中存在的視野盲區，具體就是將在傳統視頻監控攝像中的監控圖像鏡頭分隔的缺陷進行了改進與設計，進而能夠在整體的監控視野區域中進行全景的監控管理，能夠實時多方位、多角度地進行監控管理。此外，傳統的視頻監控攝像機中所能監控到的角度僅僅是某一個方向，能夠觀察到的范圍較小，而三維的全景攝像裝置能夠實現攝像機的多角度無縫的結合，進而避免了工作人員要對多個視頻的監控圖像的觀察分析，節約了一定的時間，使得工作人員能夠快速準確地觀察到視頻中的異常情況，從而根據實時觀察來分析出原因，并進行及時的管理[3]。

4.2三維全景融合軟件系統

三維全景融合軟件系統主要是借助三維建模和視頻重構技術，對視頻監控信息以及三維全景攝像裝置所收集到的數據進行處理，進一步建立出對應的三維全景模型，從而實現由單一的視圖來顯示出對應的全景三維視圖，同時能夠對某一個局部進行放大和縮小，以及能夠實現遠程的操控與管理。簡單來說，首先是能夠實現全景和局部視圖的有機結合，借助三維球機協同追視系統來對全景融合監控范圍中的目標情況進行準確的追蹤查看。再者是在全景三維模型和全景視頻的基礎上，實現區域的自動巡航，對關鍵區域的準確定位與處理。

4.3預設路徑融合視頻自動巡檢

在設定路線進行自動巡航過程中，首先是以場景的二維平面圖作為基礎，再將攝像機點位標繪在二維地圖中。因而，操作人員可以根據地圖手動調取任意攝像機的視頻。同時，操作人員也可以設置自動巡航模式，也就是在二維平面圖或三維地圖中設定路徑節點后，系統路徑節點根據設定順序，創建巡航路徑，并基于此巡航路徑將相關的視頻進行關聯匹配。當開啟漫游巡航功能后，系統從當前所處的位置開始依次顯示視頻。在巡航過程中，畫面邊角處顯示鷹眼地圖，提示當前攝像機位置和方位指向。

4.4全景多路低點視頻關聯顯示

全景多路低點視頻關聯顯示，是指事先將部署在場景內的多路低點視頻與全景視頻建立關聯關系。在開啟時，低點槍機的圖標就會顯示在全景畫面中，通過點擊圖標，就可以在獨立窗口中調看對應攝像機的實時視頻監控。在操作的過程中，操作人員不需要記住每個攝像機的編號就可以快速準確定位到目標視頻，極大地減輕了操作負擔。

4.5全景監控的球機協同追視

全景視頻球機聯動協同追視，是指事先將場景內的球機進行標定，進而建立起球機姿態、最佳焦距與全景畫面像素位置的對應關系，之后由操作人員在全景視頻畫面中點擊或框選目標區域，系統則驅動球機對準目標區域并進行變倍放大，進一步減輕了操作人員的工作負擔。如圖4所示，監控人員在三維場景中點擊所需要檢測的目標人員，系統即調用周邊三個不同方向的球機協同追視，并且通過與其他系統聯動，關聯顯示目標的屬性信息。

圖4 球機協同追視示例

4.6全景歷史視頻同步回放

根據回放請求，來對任意時刻的全景視頻及選定的低點視頻進行整體同步回放。該功能適用于大范圍區域內事件發生全過程的回放，能夠直觀地、全景式地呈現歷史事件的發生始末，解決了傳統視頻監控需要針對多個分鏡頭進行逐一回放，且畫面支離破碎的問題。

4.7安全帽識別

利用場地內布置的攝像機，可對進入作業區域的人員進行自動識別，如圖5所示。若檢測到人員未佩戴安全帽，可立即報警，將報警截圖和視頻保存到數據庫內，并利用自動報表系統生成報表留檔，同時利用微信小程序等將報警信息推送給相關管理人員，可根據時間段對報警記錄和報警截圖、視頻進行查詢點播，極大提升了作業區域的管理效率，保障了作業人員的安全。

圖5 安全帽佩戴識別

4.8圍欄入侵檢測

圍欄入侵模式允許用戶設定任意數量的虛擬圍欄，每條圍欄的厚度、長度和寬度皆可獨立設置，圍欄外形可以是任意形狀。此外，還可指定攀越（或穿越）某虛擬圍欄的非法方向（2個單向或者雙向）。當入侵者在非法方向上攀越（或穿越）圍欄時將觸發報警。如圖6所示，利用在基坑邊緣布置的攝像機圖像，畫出人員入侵報警邊界，當有人員異常進入則進行事件報警推送。

圖6 基坑邊界入侵識別

5 結語

借助視頻融合及智能監控技術，施工現場安全管理不再單靠人工實施，而是實現對現場的各類情況的數字化的記錄、處理和反饋，從而將施工現場傳統的安全管理提升到數字化管理的新階段，最終實現建設項目的智慧施工管理，在管理能效提升的同時，管理的成本也將大大降低。