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数字视频四课题

视频技术成为安防系统的主导技术是必然的趋势。视频信号本身具有信息量大的特点,它通观全局,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。本文阐述了其在安防系统中的作用,提出了视频探测、远程监控、数字视频记录、图像识别四个主要的课题。
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  视频技术成为安防系统的主导技术是必然的趋势。视频信号本身具有信息量大的特点,它通观全局,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。本文阐述了其在安防系统中的作用,提出了视频探测、远程监控、数字视频记录、图像识别四个主要的课题。

  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,安防技术也将由此发展到一个全新的阶段。对此笔者提出数字视频技术在安防领域的四个基本课题:

  视频探测

  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。视频探测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。在一幅图像上开一个窗口,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。在一幅图像上开一系列窗口,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,阈值的设定和动态刷新都很方便,因此、视频探测産品多起来了,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,并没有利用图像技术的特点和优势,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)。分析图像,对目标进行分类,提取VOP(VIDEO OBJECT PLANE)并去分析目标的运动方式,进而産生探测结果。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爲这方面的研究提供了新的条件。我们知道:爲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(供图像译码时用),而且是动态的,具有自适应特性。

  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爲一体,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,同时对处理来自不同方位摄像设备的图像信号,可以做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,提取和识别图像的特征点,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,可以成爲安防系统中有效的探测手段,和有特色的産品。

  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,把对几何图像的分析扩展到对光谱、波谱、物谱图像的分析。这些探测方式将爲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。

  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,从而産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爲一个新的宽带、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。这些都有爲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爲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享(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。视频监控系统将成爲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,也变得更爲广阔,它将成爲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,是在现有模拟系统的基础上扩展而成,非常适于现有模拟系统。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,它内置图像压缩单元和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,远程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爲适宜。

  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,并向下兼容;标准要对系统的图像格式、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做出规定。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、甚至数字图像记录设备的技术标准和相应的産品。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,如图像的还原性和实时性,对图像质量的评价指针和测量方法等,建立在数字视频环境下全新的技术体系。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。

  数字视频记录

  數位視頻記錄(DVR)是四課題中最熱門的一個,也是産品化程度最高的一個。由於金融系統的認可所産生的巨大的市場需求,拉動了它的技術和産品的發展。從開始對類比錄影機的替代到逐步成爲監控系統控制器和數位視頻系統的節點設備。僅僅用了兩三年的時間,就成爲一個很有中國特點的安防主流産品。

  DVR還有許多課題要去研究,産品還要進一步地完善。目前、大家多關注於壓縮方法、機型結構、作業系統及安全性和可靠性等。 這些確實很重要,但筆者認爲,當務之急是:研究、制定真正適用于安全防範,滿足其特殊要求的數位視頻記錄設備的技術標準。如上節所述,標準應該是分檔、分級的、並向下相容。標準要對系統的圖像格式、記錄幀率、網路的接入方式、傳輸速率、存儲空間、顯示、重放與檢索方式以及安全性等做出規定。同時,建立科學、可行的數位視頻記錄設備的評價指標體系、方法及測試方法和設備,由此引導適用的壓縮演算法、專用晶片、專用板卡及作業系統的研究和開發,使DVR成爲具有獨立的技術體系、特定的市場方向、鮮明的中國特色的安防産品。

  如上所述,DVR的功能不僅限於圖像資訊的記錄,它還具有圖像組合、運\動探測、前端設備的控制和網路功能,因此,逐漸成了中小型監控系統的控制器(集視頻切換、多畫面、系統控制器和錄影機等爲一體)和分散式系統的節點設備(構成通常的模數混合網)。

  針對這種應用,4-16路視頻輸入、具有網路介面、基於PC或嵌入式的産品(我們稱之爲客戶機型)成爲當前DVR的主流。數位視頻記錄設備還應向兩個方向發展,一個是大型化,它應具有海量的存儲能力、強大的網路功能、系統管理和控制,特別是通過交換功能實現大量視頻資訊的切換,具有大型視頻矩陣的功能,將是大型數位視頻監控系統的主機(類似類比視頻系統的大矩陣),它必須是基於伺服器的,因此、我們稱之爲伺服器型。另一個是小型化,它不採用磁片,而是用固體記憶體如速閃記憶體來存儲圖像資訊,不要求很大的存儲量,其核心是一塊具有視頻壓縮功能的編解碼器(晶片),所以稱之爲編解碼(CODEC)型。

  由於小,它是一種前端設備,配合視頻攝像機或其他視頻信號源,可以實現許多應用,如機動車的運\行記錄,移動目標的安全監控等。數位視頻的一個弱點是可能被修改,因此圖像的安全保護非常重要,特別是對於安全防範系統,所以數位視頻的安全性(加密、防僞、識別)是個重要的課題,不僅要保證圖像在記錄、傳輸、編輯以及可能的再壓縮和解壓縮過程中不被修改,還要保證産生圖像的攝像機和時間是唯一的,不可修改。浮水印、數位簽名等技術可以用來實現這一目標,我們應研究如何把從公共密鑰産生的加密演算法和數位簽名與壓縮圖像結合爲一種圖案,能進行核對總和識別。

  DVR發展非常迅速,難免出現一些混亂,如技術與産品的參差不齊,市場的無序競爭,管理的無規無矩及用戶過高的期望,都爲業界帶來許多麻煩,DVR市場可能會出現短時間的衰退。但它畢竟是一項技術含量高、市場針對性強、有著很大發展空間的産品,解決上述問題,要求從業者從簡單的市場競爭中跳出來,形成合力去深層次地研究關鍵的技術課題。

  图像识别

  可以说图像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)是当前大多数图像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,但是面对大量的图像信息时,其效率低、实时性差就严重地降低了信息的利用率,限制了图像系统的应用。因此,自动解释(机器解释)一直是图像技术的一个重要的课题。

  数字视频爲其提供了一个新的技术平台,使图像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;它在安全防范领域便成爲目标探测、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,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産生大小不同、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)及可能的僞装(化妆)造成图像的差异。

  这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)的方法基本上分爲统计方法和结构分析两类,前者是以数学决策理论爲基础,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爲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爲联系在一起,确认行爲的合法性,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,所以也称爲是识别"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,还没有成熟的産品。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,成爲全新概念的安防技术系统的核心技术。

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