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视频监控技术回顾与前瞻 公安部第一研究所李仲男lizn 视频监控 电视技术的两个轮子广播电视 应用电视视频监控应用电视的主要形式深入并深刻地影响到社会 经济 文化及生活的方方面面 达到很高的水平 有安全防范必有视频监控 似乎已成为一种定式 可以说 安防起步于入侵探测 发展于视频监控 源于图像技术的本质优势 特点 归功于电视技术近三十年来的飞速发展和技术水平的巨大提高 视频监控 图像技术的基本特点既具有空间分辩能力 又具有时间分辨能力 输出模拟量信号 可进一步的处理 变换 特征提取 比对和识别 数字化为此提供了前提 视频监控系统既能获得探测目标的信息 又能得到环境的信息 既有静态的信息 又有动态的信息 因此 探测结果不需要其它限定因素就可做出判断 具有极高的真实性 通常讲 通观全局 一目了然 判断事件有极高的准确性 既信息量大 本质是图像技术表达信息的完整性和真实性 发展历程 应用电视的精彩尽在近三十年 CCD器件和光导纤维的发明是革命性的事件 CCD摄像器件 固体摄像器件 以LSIC为基础 本质上适于大批量生产 质量和成本控制的特点 很快成为摄像器件的主流 低价格和长寿命改变了应电的形象 为其普及起到了极大的推动作用 三十多年的发展 品质日益完善 材料 工艺不断进步 芯片尺寸由大到小 像素由少到多 而灵敏度却更高 图像质量更好 CMOS摄像器件近年来的进步很快 在数字机中将占有较大比重 发展历程 光纤传输视频信号传输是限制应用范围的关键 光纤传输技术开辟了通信的新时代 具有损耗小 频带宽 失真小 抗干扰性好的特点 光纤传送视频信号 传输距离远 图像质量高 容易实现多路传输和双向传输 极大地扩展了视频监控的应用范围 大型监控系统由此而生 如城市交通 治安管理等 目前应用还是初步的 仅是替代同轴电缆作为宽带 低损耗介质 真正优势还未充分体现出来 CCD摄像机 光纤通信已成熟 技术指标达到很高水平 为视频监控 也为社会 经济各领域带来巨大 革命性 的变化 成为信息社会的基础 发展历程 控制设备监控系统中重要且有特色的部分 微处理器 单片机 专用LSIC ASIC和多媒体技术的应用 使其在功能 性能 可靠性等方面都发生巨大的变化 视频矩阵 使系统构成更加方便 灵活 人机交互界面更为友好 并且成为系统集成的核心 数字录像设备 DVR 最具中国特色的监控设备 替代磁带录像机成为通用的图像存贮设备 也是小型系统的控制设备 平板和大屏幕显示近年来发展很快 监控中心更有气势 更人性化 综上所述 应用电视已达到了很高的水平 摄 传 控都有了长足的进步 经典与现代 视频监控的系统模式并没有本质的改变 仍处于经典的形态 理由是 系统的工作方式没有改变 仍是目视解释 系统主要以前台管理为主 实现功能集成 作为安全系统没有预警功能 现代系统以后台管理为主 信息集成 自动解释 实现预测 预警 视频监控正处于从经典向现代转变的过程中 既所谓 三化 数字化 二十一世记的特征 人类对客观事物的认识和表达的升华 是电子技术发展的必然 视频监控亦是如此 数字化是智能化和网络化的前提 经典与现代 智能化 与时俱进的概念 在不同的时期和技术条件下有不同的含义 自动化的最高境界 自主 优化的调节和准确 协调的互动 网络化 监控系统的趋势 利用公共信息网络来构成系统很普遍 系统由封闭 专用 向开放转化 由固定设置向自主生成转变 也将促进安全服务业的发展和完善 网络化适应监控技术与通信和信息 及家电等技术融合的趋势 以上 三化 是监控技术正在发生或即将发生的变化 是有目共睹的 又是当今各种技术发展的共同趋势 符合当今技术的融合的大趋势 监控摄像机 监控系统要求摄像机具有很高的环境适应性 于是出现了专用的监控摄像机 高灵敏度高于人眼灵敏度的暗光以上级摄像机 实现高灵敏度的途径 芯片 积累 信号处理 HADCCD 通过二极管 PN结 下势阱积累电荷 取消电极和绝缘层 提高兰光透过率 减小表面噪声 提高灵敏度 日 夜自动转换型摄像机的主流芯片 EMCCD 在水平转移输出级 增大转移电压 60V 使转移电子得到能量 轰击势阱 产生电子倍增效应 获得增益 使CCD摄像机从暗光级提高到准微光机 MOS器件HADCCD光子N区 PN结 电极电子氧化 绝缘 层P型硅势阱 耗尽层 EMCCD增益电极DPSCMOSA DDRAM 监控摄像机 图像积累 可提高摄像机的灵敏度 相当增加曝光时间 利用CCD摄像器件势阱存贮和积累电荷的功能 进行图像 光学 积累 利用DSP进行图像 电信号 积累 图像积累降低帧频 对静止目标可得到很好的效果 运动目标会变得模糊 数字降噪技术 DNR 降低背景噪声 特别是网格型的噪声 从而提高摄像机灵敏度 常用的同态滤波 由DSP来完成 以上三者结合 可实现微光级摄像机 监控摄像机 宽动态两层含义 整个图像适应最高照度和最低照度变化的范围 时间域 一幅图像适应最高亮度和最低亮度变化的范围 空间域 监控主要关注后者 双曝光和多重取样是效果最好的实现方法 改善图像的直方图 符合视觉特征 前者采用CCD器件 结合DSP 后者则采用DPS CMOS解决了原有问题后 优点突出了 寻址方式可每个像素单独的读出 使之可以直接数字化并与DRAM DSP连接 多层结构 适合于IP摄像机和多重取样宽动态摄像机 最近 CMOS应用多了 Cam inPIX是一个商标 每个像素都是一个摄像机的说法不准确 目前 宽动态的评价还不统一 可采用直方图分析的方法 监控摄像机 高清晰度必然的趋势 还是不确定的概念 模 数 图像格式 编码方式 帧率等 推广应用首先制定统一的制式 形成完整的配套 并与现行制式的平滑切换 确定与广播电视是否保持基本相同的制式和设备的互换性 目前 主流产品是二百万像素 1080i IP摄像机 CMOS器件空间取样后可各像素直接读出并A D转换 适合于数字机 视频监控对图像分辨率要求原本就没有上限 但在通常的显示方式 高分辨力的价值不太 只有在显示局部 细节 时 才表现出信息的丰富 监控摄像机 一体机最有监控特色 摄像机与配套设备的一体化 快球摄像机是高档多功能一体机的象征 结构特点 旋转中心与负载重心重合 使负载 摄像机 外轮廓的运动轨迹是最小半径的球面 可紧凑地用球型外罩来防护 旋转力矩小 快速 定位准确 集防护 方位 镜头 解码驱动为一体 还有光口 网口 适用性非常广泛 总结 决定摄像机性能有三个核心技术 部件 摄像器件 DSP 图像处理算法 软件 早期摄像器件决定一切 基本限值 数字技术提高摄像机性能 DSP成为另一核心部件 图像算法 软件 逐渐成为又一核心技术 监控摄像机 监控系统最核心的问题是 看 看什么 目标 视场 看到什么程度 图像的完整性和鉴别能力 如何看 实时 记录 固定 移动 隐蔽 公开 或目视 机器识别 看了做什么 报警响应 取证 预警 事后线索 核心是摄像机的选型 摄像机与镜头等外设的匹配 包括安装方位和方式是系统规划和设计的重要内容 要科学地分类摄像机 简单地以球机 枪机 快球 半球分类 并选择摄像机是不正确的 大型监控系统 近年来 大型视频监控系统的建设热起来了 视频监控成为公共管理 特别是公共安全系统的首选手段 摄 传 控技术性能的提高 特别是图像压缩技术和网络环境提供了支持 大 有两个含义 系统监控范围大 图像信号的传输距离长 摄像机数量大 系统的监控点多 其规模远远超出了以往的视频监控系统 收到了显著的成效 遇到了突出的问题 提出了许多新课题 极大地促进了监控技术的发展 大型监控系统 大型监控系统的基本模式电信模式 利用网络资源提供视频业务 运行 维护和技术升级的全面服务 增值业务 监控中心是一个大客户端 有些具有独立的存贮 IT模式 在公共网络平台上 配置一系列专用服务器 服务器可是物理的 也可逻辑或虚拟的 两者没有本质的差别 均为网络视频 专用监控模式 以专用系统设备为核心 集总式系统 与传统的CCTV基本相同 可称为安全模式 系统设备的功能主要有 交换功能 多种方式输入 网口 模 数缆或光口 图像是压缩或不压缩 不同图像格式等 大型监控系统 多种输出方式 解码 解压缩 数 模 VGA 接电视墙 显示器 SAN 盘阵或网络 网管功能 异构网的互联 VPN实现 资源配置及QoS 安全策略等各种应用服务 中间件 系统状态监控和遥控 显然 该模式具有了下特点 图像质量好 实时性 不抖动 分辨率高 安全性 特别重要的部位采用专网 物理上保证资源稳定性和安全性 保证了系统的图像质量 灵活性 分别配置资源来保证 满足不同应用的图像质量要求 实时 记录 分析 识别等 目前 系统设备还没有统一标准 如同传统CCTV的视频矩阵 大型监控系统 亟待解决的问题大系统的设计目标 系统结构 功能要求 评价方法 运行和管理等都是我们没有经验过的新概念 大系统不是简单地把原来的系统扩大 要求从局部的微观监控逐步转变为全局性的 动态的宏观管理 从应急反应体系转变为预测预警体系 亟待加强公共安全基础理论的研究 明确地提出系统的设计目标等 减少系统建设的盲目性 图像质量达不到要求 主要由于资源的限制 延时 抖动 分辨力低 环境的限制 看不清 看不见 要求规划合理的系统模式 有效的利用和合理地配置资源 满足不同应用的图像质量要求 大型监控系统 存贮图像可用性 价值 很低 防范的区域 防范对象的不确定性造成大量的无用信息 缺少有效的反应 广域的监控 发现异常事件后不能及时 有效的处置 应合理的规划系统的运行管理体制和反应能力 提高系统响应能力 系统维护难度大 由于规模大 系统固有的麻烦变得不能承受 由于投入大 期望高 很容易产生负面影响 更重要的是 系统没有预测 警 能力 不能实现多种信息的关联 亟待技术上的升级 同时也要认识到 技术不是万能的 它的局限要通过其它方法来补充 智能化 监控系统把解决现在的问题寄望于智能化和高清 图像的两个分辨能力为特征识别 行为识别提供了条件 是监控系统智能化的方向和目标 近年来 图像识别有了大量的成果 各领域 特别是安全领域都有了初步的应用 主要有两种方式 验证通过对目标的识别 确认正在发生行为的合法性 安防的典型应用 可对特征的输入加以限制 识别将输入特征与数据库中大量的参考值进行比对 确定目标的身份 要建立海量的样本数据库 特征输入的环境不能进行控制 智能化 两种应用都要求 定义特征 保证原始输入和现场输入的相关性 也就是建立一个稍加限制的环境 通常的监控系统达不到这个要求 因此 必须找出一个新的途径 来实现图像的自动解释和识别 这就是图像内容分析 图像内容分析自主定义特征 简单的特征 本身不具目标识别的能力 不与原始输入对比 而是通过图像关联实现目标的识别 行为分析和预测等 图像内容分析的研究分四个阶段 产品和应用也分四个阶段 将 运动 目标从视频图像中分离出来 并能在简单环境下 单目标 背景单纯 对目标分类 智能化 在简单环境下对目标进行行为分析 判定其运动的方向 方式 目标的复合或离散 发现和告警异常的行为 产生目标的运动轨迹 并能进行目标的自动跟踪 进行目标的统计 关联 过滤 趋势预测等 在复杂环境 既通常的视频监控环境 下实现上述功能 并实现 单源 多源 图像的关联 实现视频语义的解析 通过对一个图像序列的分析 理解其包含的真实信息 前两阶段是图像内容分析的定义 目前已有了一些成果 第三阶段是实用性的关键 达到了这一点 系统才具有应用价值 目前大多数产品还达不到这一阶段 最后是技术的最高境界 它表明机器具有了与人一样的理解图像的能力 但具有人所不能达到的效率 智能化 目前 主要是单源 单目标 简单背景下的处理 图像内容分析既对处理单帧图像 分离目标 又处理图像序列 行为分析等 既关联单源图像 又要关联多源的图像 既可在前端处理 又需要系统 后台 的处理 这些海量的信息处理必然引入 云计算 的概念 采用分布式架构 DEPA 以实现 信息关联 多信源 海量搜索 分类 信息标引成为情报 图像的半语义解释是前提 趋势预测 通过图像与其信息 话音 文字 图形 消息等 的关联 实现监控系统的预警功能 现场重建 仿真等 智能化 图像内容分析不同于视频探测 也不同于图像识别 监控系统智能化的真正含义在于此 智能监控 图像内容分析技术 是逐步发展的过程 不可能一蹴而就 也没有终极的结果 要经过不断的技术积累 特别是核心技术的突破 监控技术智能化已经实现的观点是不确切的 希望它解决目前监控系统的问题和不足也不现实 必须指出 图像系统智能化的重要标志是信息的机器解释和系统的信息集成 但目视解释不会消失 作用也不能替代 面临选择 视频监控发展到今天面临两个选择HDCCTV还是网络视频HDCCTV 传统监控的延伸 从标准到高清 从模拟到数字 或混合 关键是闭路 介质的专用 不分包 不压缩 实时性 不失真 不抖动 为智能分析提供最佳图像 与原系统平滑转换 网络视频 利用网络平台的数字视频系统 特点是开放 系统自主生成和升级 由于网络传输 有延时 抖动和图像质量下降 有人认为是最终的方案 前者是其完善前的过渡 两者各有长处 具有互补性 在相当长的时间内 两者会共同存在 并各有自己的市场 面临选择 是否与广播电视保持基本相同的制式传统应用电视与广播电视保持基本相同的制式 重点关注摄像机的专用性 不大突出传 存 显示设备 基本采用广播的 与广播保持设备的通用和互换性 符合技术的规律也符合市场的规律 CCTV是否有继续原有的选择 网络视频是