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[2008-7-19]
 

视频监控在安全防范系统中重要作用是人所共知的。人们通常把防入侵报警、视频监控、出入口控制作为一个综合的、完整的安全防范系统的三要素,而视频监控往往为其核心和主导,这是因为图像(视频信号)本身具有信息量大的特点,它通观全局、一目了然、判断事件具有极高的准确性,是报警复核、动态监控、过程控制和信息记录的有效手段。安防必有视频监控,似乎已成为一种定式。应该指出:目前、安防系统中的视频监控基本上是工业应用电视的翻版,真正能适应安全防范系统的要求和特点,表现出视频技术优势的设备还不多。随着电视技术数字化的进程,视频监控在安全防范技术中的应用将会有本质的变化,这一点目前已初露端倪。数字化将根本上改变视频技术的面貌,将对安防技术的发展产生极大的影响,一些新的概念、新的产品以及新的系统模式将会出现,安防技术将由此发展到一个全新的阶段。数字视频技术在安防领域的四个基本课题是:

1、视频探也测
探测是安防系统的基本要素,探测设备是安防系统的主导产品。安防技术在利用和借鉴其它技术开发应用时,始终围绕的一个核心就是“探测”。目前主流的探测器主要是状态探测或物理参数的探测,由于探测结果的非唯一性,探测的真实性很低,所以、实现真实的探测一直是安防技术追求的目标。视频探则是一个理想的解决方案。
视频探测在模拟电视技术的基础就已得到了应用。在一幅图象上开一个窗口,检测其亮度电平(平均亮度电平或均方差)的变化,就可以实现探测。在一幅图象上开一系列窗口,检测其亮度电平的变化,并分析各窗口(探测区域)变化的时序,就可以实现运动探测。在数字视频的基础上,进行窗口设置、亮度值的算法和比对,閾值的设定和动态刷新都很方便,因此、视频探测产品多起来了,许多视频设备(如DVR)都具有了视频探测这个功能。但是,这种方式的探测仍然是一种物理参数的探测,是利用摄像器件本身是一种光电转换器件的功能,进行景物亮度这个物理量的探测,并没有利用图象技术的特点和优势,来实现目标探测。图像的特点就在于它包含探测目标的几何信息(形状、空间位置和运动状态)。分析图象,对目标进行分类,提取VOP(VIDEO OBJECT PLANE)并去分析目标的运动方式,进而产生探测结果。这就是目标探测,它具有极高的真实性,是一种理想的防入侵报警探测手段。数字电视技术的进步为这方面的研究提供了新的条件。我们知道:为有效地压缩视频信息,针对不同的应用,研究、制定了各种不同的算法和标准,但其主要技术是相同的,都是充分地利用图像的相关性,去除图像信息中的冗余,如采用DPCM预测编码技术、MC(运动补偿)及目标分析和VOP的处理等,其实质是对图像相邻帧、相邻行、相邻像素间的图像内容的变化进行分析、预测,对各像块的运动趋势进行分析和估算,分离运动的目标与背景进行分别的处理。这些分析就是一个完整、充分的视频探测,其探测结果就包含在数据流中(供图像解码时用),而且是动态的、具有自适应特性的。因此、我们可以利用这些技术去开发视频探测设备,也可以利用压缩视频数据流中的信息去实现探测,这都是视频探测这一课题要去探讨的内容。视频探测的实现将把入侵探测和实时监控合为一体,可以极准确地判定事件,可能会解决长期困扰安防系统的误报警率高的难题。
视频探测还非常适于空间的多维探测和多参数探测,同时地处理来自不同方位摄像设备的图象信号,可以作到对目标多方位的监控,实现对特定空间和目标的完全封闭。提取和识别图象的特征点,并分析其运动轨迹,不仅可以实现真实的探测,还可以通过伺服机构实现对运动目标的跟踪。这都是视频技术独具的特点,可以成为安防系统中有效的探测手段,和有特色的产品。
各种新的成像技术,如毫米波成像、红外成像等,将把视频监控从可见光的范围扩大到不可见光的范围,把对几何图象的分析扩展到对光谱、波谱、物谱图象的分析。这些探测方式将为安全检查和安全防范提供新的方法,开拓新的应用领域,也是今后视频探测技术研究的重要方向。


2、远程监控
远距离的传送视频信息始终是电视技术追求的目标。在模拟电视时代,提高传输介质的带宽是唯一有效的方法,光纤传输技术开辟了通信的新时代,它很快在视频信号传输中得到了应用。采用光纤传送视频信号,使无中继传输距离从同轴电缆的几百米增加到几十公里,并能得到很高的图像质量,多路传输和双向传输也很容易实现。这就大大地扩展了电视监控系统的应用范围和控制距离,从而产生了一些大型的系统,如公路管理、城市交通和治安管理、大型建筑的安全监控系统等。但是、目前光纤传输在视频监控中的应用还是非常初步的,大多数系统都是采用IM(光强调制)方式的视频基带信号传输,光纤仅是代替同轴电缆作为一个新的宽带、低损耗介质,光纤通信技术的真正优势和潜力并未充分体现和发挥出来。这主要是由模拟视频信号的传输方式和电视监控系统的结构特点所致。随着光纤双向传输、频分、波分复用技术的成熟,色散位移光纤和色散平坦光纤、光纤放大器的实用化,光纤视频传输的无中继距离和传输容量还会有更大的提高。这些都有为今后视频监控系统的大型化和远程化提供了技术支持,也是模拟视频监控技术发展的空间。但是、仅通过提高传输介质的带宽,能力还是有限的,尤其是在传输过程中,引入模拟视频信号的干扰和失真的不可修复性,也限制了视频传输的距离和传输环节的增加。
数字视频和网络技术为远程监控提供了新的解决方案,也把远程的概念从城域扩展到城际、国际、甚至洲际的范围。利用IP网络的多媒体服务就可以构成远程视频监控系统。这样的方式在很大程度上改变了安全防范系统的形态,使之从传输介质专用到介质共用(利用各种公共信息网络)。从系统的固定设置到系统自主生成,由封闭的系统结构到开放的系统模式。视频监控系统将成为一种可以无所不到的、开放的、可以根据各种具体要求自动生成的系统,安防系统的边界将变得模糊,也变得更为广阔,它将成为网络视频服务业务的一种。目前、利用IP网络摄像机、视频摄像机加视频网关或利用DVR的网络功能均可以实现远程监控的功能,后两种是典型的模拟/数字混合的方式,非常适于在现有模拟系统的基础上,扩展而成。前者则具有数字视频网的形态。IP网络摄像机就是具有网络接入功能的摄像机,它内置图象压缩单元和WEB服务器,将视频信号压缩并转换成符合网络传输协议(如TCP/IP)的数据流。更重要的是,它赋予摄像机一个从网络任何地方都可以唯一识别的 IP地址。远端的用户不需要任何专用软件,只要找到它的IP地址,通过网络浏览器就可进行实时的监控。对于多台视频摄像机,则不用每台都内置WEB服务器,采用具有多路功能的视频网关更为适宜。
远程监控这个课题的重要工作是建立远程监控的技术标准,这个标准应该是分档、分级的、并向下兼容。标准要对系统的图象格式、编码方式、传输速率、交换技术与通信协议以及相应的通信平台等根据安全防范系统的特点和要求作出规定。由此、衍生出用于数字视频监控系统的摄像机、视频网关、服务器、甚至数字图象记录设备的技术标准和相应的产品。在这个过程中、人们要有一个认识上的转变,要跳出源自于模拟系统的传统概念和评价体系的框框,如图象的还原性和实时性,对图象质量的评价指标和测量方法等,建立在数字视频环境下的、全新的技术体系。要开展网络监控安全性的研究,建立可靠的安全体系和对策。这些研究的成果,不仅是针对远程的网络监控,也是针对局域的数字监控。它将是电视监控技术实现从模拟向数字的转化、从经典向现代转化的标志。
3、数字视频记录
数字视频记录(DVR)是四课题中最热门的一个,也是产品化程度最高的一个。由于金融系统的认可所产生的巨大的市场需求,拉动了它的技术和产品的发展。从开始对模拟录像机的替代到逐步成为监控系统控制器和数字视频系统的节点设备。仅仅用了两三年的时间,就成为一个很有中国特点的安防的主流产品。
DVR还有许多课题要去研究,产品还要进一步地完善。目前、大家多关注于压缩方法、机型结构、操作系统及安全性和可靠性等。 这些确实很重要,但笔者认为,当务之急是:研究、制定真正适用于安全防范,满足其特殊要求的数字视频记录设备的技术标准。如上节所述,标准应该是分档、分级的、并向下兼容。标准要对系统的图象格式、记录帧率、网络的接入方式、传输速率、存储空间、显示、重放与检索方式以及安全性等作出规定。同时、建立科学、可行的数字视频记录设备的评价指标体系、方法及测试方法和设备。由此、引导适用的压缩算法、专用芯片、专用板卡及操作系统的研究和开发。使DVR成为具有独立的技术体系、特定的市场方向、鲜明的中国特色的安防产品。
上面讲了:DVR的功能不仅限于图象信息的记录,它还具有图象组合、运动探测、前端设备的控制和网络功能,因此、逐渐成了中小型监控系统的控制器(集视频切换、多画面、系统控制器和录像机等为一体)和分布式系统的节点设备(构成通常的摸数混合网)。针对这种应用,4—16路视频输入、具有网络接口、基于PC或嵌入式的产品(我们称之为客户机型)成为当前DVR的主流。数字视频记录设备还应向两个方向发展,一个是大型化,它应具有海量的存储能力、强大的网络功能、系统管理和控制,特别是通过交换功能实现大量视频信息的切换,具有大型视频矩阵的功能,将是大型数字视频监控系统的主机(类似模拟视频系统的大矩阵)。它必须是基于服务器的,因此、我们称之为服务器型。另一个是小型化,它不采用磁盘,而是用固体存储器如速闪存储器来存储图象信息,不要求很大的存储量。其核心是一块具有视频压缩功能的编解码器(芯片),所以、称之为编解码(CODEC)型。由于小,它是一种前端设备,配合视频摄像机或其他视频信号源,可以实现许多应用,如机动车的运行记录,移动目标的安全监控等。数字视频的一个弱点是可能被修改,因此、图象的安全保护是非常重要的,特别是对于安全防范系统。所以、数字视频的安全性(加密、防伪、识别)是个重要的课题,不仅要保证图象在记录、传输、编辑以及可能的再压缩和解压缩过程中不被修改,还要保证产生图象的摄像机和时间是唯一的、不可修改。水印、数字签名等技术可以用来实现这一目标,我们应研究如何把从公共密钥产生的加密算法和数字签名与压缩图象结合为一种图案,能进行检验和识别。
DVR的发展实在是太快了,难免出现一些混乱,技术与产品的参差不齐、市场的无序竞争、管理的无规无据及用户过高的期望,都为业界带来许多麻烦,DVR市场可能会出现短时间的衰退。但它毕竟是一项技术含量高、市场针对性强、有着很大发展空间的产品,解决上述问题,要求从业者从简单的市场竞争中跳出来,形成合力去深层次地研究关键的技术课题。


4、图像识别
可以说图象识别是视频技术的最高境界,目视解释(光学显示、人的视觉观察)是当前大多数图象系统提取有用信息的主要方式,电视系统也是如此。它固然有直观、判别准确率高的优点,但是、当面对大量的图象信息时,其效率低、实时性差就严重地降低了信息的利用率,限制了图象系统的应用。因此、自动解释(机器解释)一直是图象技术的一个重要的课题。数字视频为其提供了一个新的技术平台,使图象识别有了新的解决方案,在机器人视觉、模式识别等方面都取得了重大的进展。在安全防范领域更成为目标探测、出入管理、生物特征识别、安全检查的有效技术手段。生物特征识别,诸如指纹、掌形、声纹、视网膜、面像识别,是基于生物特征统计学的、具有很高识别率的方法,由于其具有特征载体与特征的同一性,是高安全性和高可靠性的系统,正日益普及开来。面像识别则是当前人们关注和投入较大研究力量的热点。
图像识别系统包括图像输入、图像的预处理、特征的提取和图像的解释(识别)等技术环节和设备。其关键技术或难点在于实现系统能在一种略加控制的环境下,针对移动目标实时地运行,这些目标通过静止摄像机可能会产生大小不同、角度不同及光照效果不同的图像。并在各种可能的非最佳条件下进行识别,如由于年龄、面部表情、配饰(眼镜、帽子)及可能的伪装(化妆)造成图像的差异。就要求系统采用适当的图像输入方法和预处理技术,以保证图像特征有效地提取或模板的生成。图像识别(分类、解释)的方法基本上分为统计方法和结构分析两类,前者是以数学决策理论为基础,建立统计学的识别模型,指纹、掌形的识别多采用这种方法,其特点是稳定、但很少利用图像本身的结构关系。后者则主要是分析图像的结构,它充分地发挥了图像的特点,但容易受图像生成过程中噪声干扰的影响。
图像识别技术的应用可分为验证和识别两种方式:验证的目的是把当事人的身份与正在发生的行为联系在一起,确认行为的合法性,通常是验证“你是他?”的一对一(或较少的量)的比对系统。识别则是对系统的输入图像(可能是摄像机拍摄的活体图像)与存贮在数据库中的大量的参考图像进行比对,来确定输入图像(目标)的身份,所以也称为是识别“你是谁?”的一对多的比对系统。验证系统因可对图像的输入加以更多的控制,系统的可靠性和稳定性好,也相对成熟,已广泛地应用于出入管理系统中。识别系统(特别是面像识别)则因环境条件的限制,还没有成熟的产品。但其应用的效果及在安全防范中的作用已被人们认识和肯定,是研究的重点课题,其主要方向是:
高质量图像输入子系统,保证在各种环境条件下能采集到足够分辨率、适当方位和灰度变化的图像,它涉及图像传感器(如摄像机)的选择、安装方式、与入侵探测的关联及相关的数字化操作。
基于不同平台(PC、服务器或多处理器、网络的)的处理硬件,能提供系统所需的处理能力、运算速度、灵活性和信息存贮能力。
图像处理和解释与分析软件的开发,综合自动模式识别和计算机视觉技术,开始各种实用的软件。如输入图像的分割、定位、轮廓提取和面像图像的加光技术;基于人面重心模板的实时面像检测;器官的位置信息和面像特征的提取以及各种比对算法等。
试验系统和测试,建立试验系统是十分重要的,是验证系统的价值和效果,了解各种环境因素对其影响,明确进一步研究方向的最有效的方法。并在此基础上建立科学、直观和可操作的评价体系和方法。
综上所述:数字视频系统不再是仅用于观察可视图像的系统,而是具有探测和特征识别功能的综合系统。它将解决安防系统中许多长期未能解决的难题,使许多模糊不清的概念得以明确,如,误报警,智能化,它将集探测、特征识别和图像监控于一体,成为全新概念的安防技术系统的核心技术。


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