智能攝像頭

洪歡 陳小凡 王旭光

摘 要：大數(shù)據(jù)技術(shù)是智慧城市的核心基礎(chǔ)，而智能攝像頭是智慧城市深度建設(shè)的重要內(nèi)容。文章在闡述視頻監(jiān)控、目標(biāo)檢測信息技術(shù)、模式識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析智能攝像頭的技術(shù)要點(diǎn)和智慧城市建設(shè)的構(gòu)造，有針對(duì)性地指出智能攝像頭在智慧城市建設(shè)中的具體應(yīng)用領(lǐng)域，以及對(duì)社會(huì)、公眾帶來的影響，希望促進(jìn)其高效應(yīng)用，推進(jìn)智慧城市的發(fā)展建設(shè)。

關(guān)鍵詞：智能攝像頭;智慧城市;視頻監(jiān)控;模式識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）11-068-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.023

得益于科學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，改變了我國社會(huì)各領(lǐng)域的智能化程度，這種促進(jìn)作用在我國的視頻監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域尤其明顯，隨著我國的智能視頻監(jiān)測技術(shù)不斷完善和發(fā)展，監(jiān)測系統(tǒng)逐步朝著畫面的高清化、系統(tǒng)的數(shù)字化、設(shè)備的智能化方向發(fā)展。國家陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策，大力支持智能交通、平安城市、雪亮工程、智慧城市等項(xiàng)目的建設(shè)，使其得以有序推進(jìn)。同時(shí)，企業(yè)、機(jī)關(guān)、科學(xué)院等單位也漸漸嘗試將成熟的人工智能、圖形圖像、目標(biāo)檢測等技術(shù)融入智能安防，加強(qiáng)了城市安全保障能力。

文章主要分析新型智能攝像頭在城市數(shù)字向智慧城市邁進(jìn)過程中的應(yīng)用、凸顯的優(yōu)勢及產(chǎn)生的影響，為分析智能攝像頭在智慧城市中的應(yīng)用、優(yōu)勢及影響，不僅要知道智能攝像頭的特點(diǎn)所在，而且必須了解智慧城市的由來、發(fā)展歷程和建設(shè)理念，才能從根本上分析智能攝像頭如何更好地幫助智慧城市的創(chuàng)建及其影響。

1 新型智能攝像頭技術(shù)要點(diǎn)

1.1 視頻監(jiān)控技術(shù)

傳統(tǒng)的有線監(jiān)控逐漸已向無線監(jiān)控轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的有線布局在遇到障礙時(shí)無法實(shí)現(xiàn)良好的監(jiān)控功能，有線監(jiān)控對(duì)于監(jiān)控可移動(dòng)物體也有弊端，且不能及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)[1]。新型的無線監(jiān)控?cái)[脫了傳統(tǒng)有線監(jiān)控受地形環(huán)境等影響因素的制約，更好地體現(xiàn)出了信息交互的便利性。

目前，視頻清晰度得到提升，新型智能攝像頭采用紅外攝像技術(shù)、光學(xué)防抖技術(shù)、電子透霧技術(shù)，使得攝像頭在外界不良環(huán)境（如夜晚、大霧天、外界抖動(dòng)）中拍攝的畫面比傳統(tǒng)攝像頭更加清晰，保證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

1.2 目標(biāo)檢測技術(shù)

目標(biāo)檢測技術(shù)是現(xiàn)階段電子計(jì)算機(jī)和視覺技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的重點(diǎn)和核心課程之一，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的不斷成熟，目標(biāo)檢測技術(shù)在視頻監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用。目前，線圈監(jiān)測技術(shù)、視頻虛擬線圈監(jiān)測技術(shù)、連續(xù)視頻流監(jiān)測跟蹤技術(shù)是最常用的目標(biāo)監(jiān)測技術(shù)[2]。

目標(biāo)檢測的主要目的是把檢測對(duì)象從靜態(tài)背景中準(zhǔn)確提取出來。首先，處理視頻關(guān)鍵幀，它主要是對(duì)一段視頻進(jìn)行像素時(shí)間分割處理，提取出該段視頻中包含主要信息的幀。其次，產(chǎn)生候選區(qū)域，目前有滑動(dòng)窗口和選擇性搜索兩種主流方式確定候選區(qū)域。滑動(dòng)窗口首先對(duì)輸入圖像的不同窗口大小的滑窗進(jìn)行從左往右、從上到下的滑動(dòng)，這些窗口檢測到較高的分類概率，則認(rèn)為檢測到物體，對(duì)各類窗口重復(fù)較高的部分采用非極大值抑制法進(jìn)行篩選，最終確定目標(biāo)物體將其分割[3]。選擇性算法將輸入圖像分割成許多小子域，根據(jù)子區(qū)域之間的相似度進(jìn)行區(qū)域合并以確定目標(biāo)物體。

1.3 模式識(shí)別技術(shù)

模式識(shí)別技術(shù)是一種基于現(xiàn)代高科技技術(shù)發(fā)展起來的城市關(guān)鍵信息整合技術(shù)。具體而言，其在移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算等服務(wù)終端的支撐下，可系統(tǒng)識(shí)別文字、指紋、人臉、車牌等內(nèi)容，為城市的社會(huì)管理提供有效依據(jù)[4]。當(dāng)前環(huán)境下，模式識(shí)別主要分為圖像識(shí)別和視頻識(shí)別兩種形態(tài)。圖像識(shí)別往往與動(dòng)態(tài)視頻識(shí)別具有共同特征，在二者的比較之下，視頻幀圖像需要大量的視頻信號(hào)來組成，所以，在分析視頻時(shí)，需要將多幀圖像信息進(jìn)行綜合考慮，“圖像流”的定義由此而來[5]。視頻模式識(shí)別主要是通過捕捉檢測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。運(yùn)動(dòng)物體的肢體行為被模式識(shí)別技術(shù)甄別解析為肢體動(dòng)作，對(duì)于打架、攀爬、偷盜等一些危險(xiǎn)動(dòng)作，可以將模式運(yùn)行設(shè)置為小視野特寫鏡頭，進(jìn)而對(duì)可疑動(dòng)作進(jìn)行更為細(xì)致的觀察，為安防管理提供可靠視頻依據(jù)，幫助安防人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并制止不良行為。

1.4 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)基于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)，使用特征學(xué)習(xí)和分層特征提取的高效算法自動(dòng)提取來代替人工獲得特征[6]。深度學(xué)習(xí)在新型智能攝像頭中主要應(yīng)用于人體行為識(shí)別、人臉識(shí)別和自然語言處理。在前兩者的識(shí)別過程中，主要涉及人像檢測定位、對(duì)比識(shí)別兩個(gè)方面，因此，獲取人像特征時(shí)，可以應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、變形模型、彈性模型、幾何特征、代數(shù)特征等方法，而以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)在人像識(shí)別中屬于較為特殊的一項(xiàng)，其不需要獲取人工特征，就可以在樣本訓(xùn)練期間完成學(xué)習(xí)，并獲得更為準(zhǔn)確的信息[7]。在自然語言處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其變形，以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且經(jīng)研究表明，在短文本情感分類任務(wù)上，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)更好。

2 智慧城市建設(shè)

2.1 智慧城市的由來與發(fā)展

智慧城市是運(yùn)用信息與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)手段，通過多種形式構(gòu)建有效的解決方案，建立可持續(xù)性的城市發(fā)展模式。當(dāng)前，國內(nèi)不少企業(yè)借助大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展智慧應(yīng)用，幫助政府更高效地制定決策，管理城市。

全球智慧城市建設(shè)從上個(gè)世紀(jì)開始投入理論研究到現(xiàn)在，2011年，IBM為里約熱內(nèi)盧打造的智能運(yùn)營中心IOC是一個(gè)為市政部門設(shè)計(jì)的管理城市熱水非常成功的案例。之后，松島智慧城市誕生了，與里約的智慧城市模型不同的是，松島是從“零”開始的，韓國從黃海海域填充了將近1 500英畝人造陸地，從街道的路燈、城市的社區(qū)、醫(yī)院等等全部從頭開始建造，整座城市實(shí)行全方位信息共享，數(shù)字技術(shù)深入居民房屋、街區(qū)、辦公大樓，猶如一張大網(wǎng)，將所有的細(xì)枝末節(jié)連為一體，居民通過一張智能卡便能在城市暢行。

2012年，我國開啟智慧城市項(xiàng)目，逐年增加智慧城市試點(diǎn)。北京、貴陽、海口、湖州、濟(jì)南、麗水、天津、深圳、無錫、鄭州10座城市以優(yōu)秀的城市建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、切實(shí)的城市運(yùn)營數(shù)據(jù)和高口碑的市民反饋，被評(píng)為“2019智慧城市十大樣板工程”[8]。2021年5月，住建部官網(wǎng)公布了智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車（“雙智”）協(xié)同發(fā)展首批示范城市，北京、上海、廣州、武漢、長沙、無錫6座城市入選[9]。

2.2 智慧城市建設(shè)架構(gòu)

源自國家863計(jì)劃，可以構(gòu)建出“六橫兩縱”的智慧城市參考模型，包括城市感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)智能處理與存儲(chǔ)層、支撐服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層和智慧應(yīng)用層六個(gè)水平層和兩個(gè)安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)測垂直層，參考模型如圖1所示。

3 智能攝像頭在智慧城市中的應(yīng)用及影響

智能攝像頭運(yùn)用的智慧視頻監(jiān)控技術(shù)，涵蓋了模式識(shí)別和目標(biāo)檢測兩種基本技術(shù)，它們?cè)谥腔鄢鞘薪ㄔO(shè)過程中的用處十分廣泛，主要包括人臉檢測應(yīng)用、行人檢測應(yīng)用和車輛檢測應(yīng)用。這些應(yīng)用不僅可以在諸如智能門控、人臉支付等為市民帶來極大便利的生活領(lǐng)域大放光彩，而且可以在交通、區(qū)域入侵檢測、逃犯抓捕等保衛(wèi)公共安全的安防領(lǐng)域大展身手。

3.1 人臉檢測

人臉檢測的智能門控、人臉支付和實(shí)名認(rèn)證的應(yīng)用，為市民出行提供了便利，即使在出門忘記了帶鑰匙或上班忘帶員工卡，也不必憂慮出入不便，人臉識(shí)別一招解決所有煩惱。同時(shí)，為小區(qū)、公司等具有一定私密性場所的人員把控不嚴(yán)問題提供了切實(shí)有效的解決方案，如同給這些私密性場所的大門外加了一層保護(hù)罩，提升了其私密保護(hù)性及安全保障程度。

人臉檢測在國家推出的“雪亮工程”“平安城市”建設(shè)項(xiàng)目中是至關(guān)重要的一環(huán)，依靠智能攝像頭的高清視頻、人像動(dòng)態(tài)識(shí)別以及后端龐大的人像數(shù)據(jù)庫的支撐，公安機(jī)關(guān)可以在一定范圍內(nèi)跟蹤具體人員的行動(dòng)軌跡，與傳統(tǒng)抓捕逃犯、調(diào)查走失人員的方法相比，降低了警方的調(diào)查難度，提高了抓捕速度。與此同時(shí)，提高了警方對(duì)突發(fā)事件的處理速度，無論是在事件發(fā)生前、發(fā)生時(shí)或發(fā)生后，都保留了一份清晰、真實(shí)、有用的證據(jù)。

在新冠肺炎疫情防控中，智能攝像頭發(fā)揮了重要作用，各大公共場所的出入口都安裝有紅外攝像頭，不僅減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)，更是一種重復(fù)篩查手段，以防有感染人員未被監(jiān)測到而攜帶病毒進(jìn)行傳播。同時(shí)，在疫情追蹤方面，由于存在城市公共區(qū)域的攝像盲區(qū)、視頻算力不足以及跨區(qū)域、跨部門間的信息誤差，無法實(shí)現(xiàn)疫情主動(dòng)式追蹤，這也反向印證了人臉檢測對(duì)智慧城市建設(shè)的重要意義。一旦完善了這些攝像盲區(qū)以及各區(qū)域、各部門間的信息實(shí)時(shí)共享機(jī)制，將完全實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式精準(zhǔn)追蹤，從而減少人力消耗，提升信息獲取速度，保障信息的真實(shí)性。

3.2 行人檢測

行人檢測主要應(yīng)用于智能輔助駕駛、暴恐檢測、移動(dòng)監(jiān)測、安全帽/安全帶檢測以及區(qū)域入侵檢測等人群密集度高、易發(fā)生安全事故的領(lǐng)域場所。駕駛過程中，司機(jī)會(huì)受到注意力不集中、疲勞等因素的干擾，在前方出現(xiàn)突然沖出的自行車、行人、小動(dòng)物時(shí)，反應(yīng)時(shí)間會(huì)比注意力集中、駕駛狀態(tài)良好時(shí)延長2倍以上，行人檢測功能可以幫助司機(jī)提前探測前方路況，預(yù)防事故發(fā)生。

對(duì)于在高空作物、礦山工作的工人，行業(yè)內(nèi)因意外死亡的概率遠(yuǎn)高于其他行業(yè)，行人檢測功能可以幫助他們確認(rèn)安全設(shè)備是否穿戴規(guī)范、行為是否超出安全邊界，盡量減少因可規(guī)避因素而意外身亡的事件。

依托深度學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，智能攝像頭能夠在識(shí)別出不良狀況時(shí)對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場疏導(dǎo)，最大限度將事件的危險(xiǎn)系數(shù)降到最低。例如，當(dāng)出租汽車司機(jī)與乘客發(fā)生口角甚至肢體沖突時(shí)，智能攝像頭會(huì)擬人化地講出此類行為將造成的不良后果或承擔(dān)的法律責(zé)任。

3.3 車輛檢測

車輛檢測可以應(yīng)用在智慧城市的城市安防建設(shè)中，主要用于車輛檢測，以實(shí)現(xiàn)智能交通疏導(dǎo)。以模式識(shí)別技術(shù)為支撐構(gòu)建的“GPS交通監(jiān)視系統(tǒng)”，憑借對(duì)城市通道、車輛的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性還原，革新傳統(tǒng)城市交通管理的方式。它猶如城市交通運(yùn)行的“大腦”，洞悉交通狀況的各個(gè)層面。例如，查看各區(qū)域的車流量大小、車輛擁擠時(shí)間，展現(xiàn)整個(gè)城市的車輛運(yùn)行狀況與交通布局，實(shí)時(shí)監(jiān)管城市高擁擠通道的狀況。

同時(shí)，以大量顯示數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)交通要塞的潛在風(fēng)險(xiǎn)全景洞察，描繪城市畫像，構(gòu)建城市交通監(jiān)視系統(tǒng)，最后以應(yīng)用為導(dǎo)向，積極推進(jìn)交通樞紐的車輛及人群控制的監(jiān)管工作落實(shí)到位。車輛檢測工作不僅有助于推動(dòng)智慧城市建設(shè)，而且將對(duì)人們的城市生活的安全產(chǎn)生重大影響。

4 結(jié)語

建設(shè)智慧城市是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展、引領(lǐng)信息技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的需要，是提升城市綜合競爭力的戰(zhàn)略選擇，是緊跟國際趨勢，順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的必要之舉。作為建設(shè)智慧城市的重要樞紐，只有充分認(rèn)識(shí)到應(yīng)用智能攝像頭的必要性，明確其技術(shù)支撐和應(yīng)用原理，進(jìn)行實(shí)際的具體應(yīng)用，才能提升智能攝像頭應(yīng)用管理水平，推動(dòng)智慧城市建設(shè)與發(fā)展。

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