构建实用的智能监控系统 - 安防知识网

Alan Everid是Bosch新加坡安全系统产品开发部的高级经理，他在2006年3月的全球数字监控论坛上做了关于“构建实用的智能监控系统”的专题演讲，其中他提到了一个问题：“2006年的智能监控系统会是什么样子的呢？”

智能监控系统，不仅仅是指具有第一流的操作人员和DVR设备的系统，而且系统还应可以自动实现视频内容分析、事件侦测、根据事件产生警报、发送视频等等功能。另外，这种系统同时也能记录、存储事件和其它的视频数据，并对记录进行智能搜索和生成结果分析报告。一般来说，这种系统要不就是混合型的系统，要不就是全IP视频的系统。\r\n\r\n从模拟到IP \r\n我们正处于从模拟系统转入IP系统的过渡阶段。传统的模拟系统是基于模拟信号和VCR为中心的，目前正逐渐向混合型系统（即更多地以DVR为中心的系统）转变，这种转变尤其体现在2005年前后，而下一个阶段将是基于网络为中心的纯IP视频的系统。\r\n通过网络来监控车站的DVR系统，允许内部连接的任意传统或网络设备进行网上浏览。此外，智能IP视频解决方案的关键组件包括数字化设备、分析设备、压缩设备、本地存储设备、解码设备和视频控制设备等。\r\n在所有这些设备中，摄像机是最基本的部分。图像质量取决于很多因素，不但传统的监控摄像机是基于CCD的，而且大部分IP摄像机也是基于CMOS 的。CCD摄像机最多只能提供分辨率为750x570像素的传统模拟视频，然而，可以提高摄像机最大动态范围和灵敏度的算法则被不断地提出来。\r\n\r\n分辨率至关重要\r\nCMOS可以是逐行扫描设备，其分辨率可以达到兆像素，然而由于其灵敏性有限，因此限制了动态范围算法的提高，此外，传感器和处理器很有可能融为一体。\r\n从根本上看，分辨率是非常重要的。例如，采用CIF格式，在水平方向只有350像素；使用2CIF格式，可以达到700像素；对于2/3CIF格式，水平像素则降到500像素以下；而对于4CIF和VGA格式，水平像素又可以达到700像素。如果使用HDTV标准能将会出现显著的提高，HD720（1000像素）、1.2Mega（超过1300像素）和3Mega（2000像素）。\r\n同时，带宽随着像素数量的增加呈线性递增。CIF、2CIF、2/3CIF、4CIF和VGA一般每秒都要用到低于2兆的带宽，或者在很多情况下每秒要低于1兆。HD720、1.2Mega和3Mega用到的带宽分别是每秒3兆、5兆左右和12兆。因此，带宽需求的增加要远大于分辨率提高所带来的增益。\r\n\r\n关于摄像机\r\n对比传统摄像机和兆像素摄像机，前者的特征是：水平像素能达到756，对彩色和黑白图像均具有良好的灵敏度，混合系统中多使用隔行扫描图像，一般实时、4CIF用到的带宽为每秒300兆，较低的集成成本，经济实用。 \r\n而兆像素摄像机一般的水平像素是1350（1.3Mega）和2000（3Mega），同样灵敏度较高，逐行扫描从而避免了图像的锯齿边缘，并具有实时性效果。采用典型的MJPEG压缩方式，实时视频用到的带宽是每秒10兆到45兆。然而，这种摄像机的集成成本较高，可以通过特殊的镜头和带宽来弥补。例如，HDD硬盘存储可以比使用传统摄像机和编码器提高10倍的容量。\r\n兆像素摄像机有其特殊的定位，它们是用于特殊场合的专用摄像机，尤其是需要高分辨率时，例如在银行、零售商场、收银室、娱乐场所和其它一些地方。带宽和存储容量并不是最主要的问题，也就是说, 兆象素摄像机在总体系统中只占一小部分比例。\r\n\r\n压缩技术\r\n目前，顾客需要更高质量的压缩技术，从而降低传输数据的速率，占用较少的传输带宽和存储容量。在不同类型的压缩技术中，JPEG和MJPEG都基于单帧图像，MJPEG使用的是差分算法，一般传输速率为每秒25帧，占用带宽为5兆到12兆。此外，小波压缩技术适用于多路视频，对于每秒25帧的视频，占用的带宽为4兆到10兆。MPEG-2能提供DVD画质的视频，可用于全动态侦测，每秒50帧的视频占用的带宽为2兆到5兆，但没有延时模式。\r\nMPEG-4是目前流行的一种压缩技术，图像质量较依赖于实现方式，能提供延时模式，一般每秒压缩率能达到1兆到4兆。最后，还有H.264或MPEG-4 Pt 10/AVC，比MPEG-4的效率要高10-40%，然而，由于其较高的延时性，因此不适合应用于一些需要PTZ摄像机来监视的实时场景，一般来说，其传输速率是每秒0.5兆到3兆。\r\n此外，差分编码方式也很重要。整个帧是在等间隔中存储的，而在标准帧之间，只存储了改变的场景。在MPEG编码中有I帧和P帧，可以看到在实时和延时模式下I帧和P帧的序列。\r\n\r\n带宽\r\n带宽的重要性不言自明，网络设计的关键是将网络负荷最小化。带宽需求取决于用户需要传输的视频数据，同时也受到其他几方面因素的影响：如分辨率，包括百万像素、D1、4CIF、2CIF和CIF；压缩技术，例如Wavelet、MPEG；以及需要集中监视或存储的视频流的数目等。例如一套包含25台摄像机的系统，使用全D1 MPEG-2画质来监控繁忙的场景，则该系统需要的带宽将是25x5＝125兆/秒，这就需要有G比特的以太网传输。\r\n带宽需要花费成本，这就是为什么需要分布式智能系统的原因，但这样就能减少网络的负荷吗？实际上，分布式监控只需要针对一些相关的信息，并不是对所有的数据，而且还是基于事件的选择性记录和降低背景画质的记录。除此之外，用户还可以选择不显示那些无关的视频图像，只提供给操作人员有用的视频，这些视频可以通过事件或动作来触发，另外VCA应该位于摄像机或者编码器的位置，而不是集中布置。\r\n\r\n\r\n记录方法\r\n至于集中存储和分散存储的区别，前者可以在最有效的位置进行存储，所有的存储数据都是通过网络以数据流的形式进行传输，但需要ANR（自动网络路由）来保证存储的过程；一般的，利用RAID5冗余阵列，即使单个HDD硬盘损坏，也不会丢失数据，此外，还可以进行中心维护。\r\n而分散存储一方面是一个分布式的系统，存储时没有网络负荷。一般的，这种系统没有冗余，HDD硬盘损坏将导致有限的数据丢失。此外，维护也是分布式的，存储集成在编码器中。\r\n分散存储是一种相对低成本的方法，多通路视频可共享一个HDD硬盘。例如，800G字节共享8个通路，则每个通路就是100G字节，该系统能以2 CIF、5帧/秒的图像方式，记录21天中等活动场景的视频数据。在单通路编码器中还可以采用闪存，它可提供4兆内存，每天可存储4 CIF、1帧/秒的视频图像。然而，由于没有存储冗余和HDD硬盘，因此内存故障将会给系统带来记录视频的丢失。\r\n如果直接在编码器上加内存，将是一种很适合小型系统的低成本方案。一般在这种情况下，HDD硬盘与USB相连，例如每通路250G比特，可存储14天2CIF、2帧/秒中等活动场景的视频数据。这种方案也没有存储冗余，并且24-7 HDD硬盘的可用性有限，HDD硬盘故障将会带来记录视频的丢失。\r\n\r\n虚拟本地存储\r\n此外，还有虚拟本地存储技术。I-SCSI技术是一种中型或大型存储方案的新标准，所有主要的存储设备商都支持该标准，包括Infotrend、EMC、NetApp、HP 和Dell。SCSI通过网络线缆发送，可直接通过交叉线缆连接到单元，也可通过网络连接，最多能构建64个虚拟本地存储设备。\r\n虚拟本地存储的优势在于，它是中大型系统性价比较高的解决方案，例如4T共享50条通路，则每条通路为80G，这就能存储30天CIF、5帧/秒中等活动场景的数据。使用RAID5冗余，单个HDD硬盘故障不会带来存储数据的丢失，此外还可以集中资源从而进行有效的维护。\r\n虚拟本地存储可用于大型系统，有一个单独的本地网络用来存储，因此对主干网或广域网不会带来任何负荷。很多边缘设备连接到单磁盘阵列，能提供RAID5冗余，还可以集中资源从而更有效的维护。\r\n在网络监控系统的集中存储方面，录像机和存储器位于最有效、最关键的位置。NVR对于大型系统来说经济实用，所有存储的数据都通过网络以数据流的方式发送。然而，这就带来了更大的网络负荷，并且如果没有使用ANR，在网络故障时就会丢失掉记录的数据。但从另一方面来看，多个NVR可以位于本地站点集中管理，提供指示器，或者网络附加存储、RAID冗余和集中维护。\r\n\r\n视频内容分析：使监控系统更智能\r\n视频内容分析最简单，也最常见的形式是视频动态检测，事实上它可以包含在任何一个多路复用器、DVR、视频服务器，还有摄像机上，此外，普通型视频移动探测器（VMD）还包括大小尺寸、方向和速度。同时，增强型视频移动探测器还能提供多级图像像素变化的分析、材质分析和运动分析，排除那些无效的警报，并能提供防破坏检测，根据方向、实际大小、实际速度和位置来检测和跟踪物体。\r\n视频内容分析也有不同的类型：如生物识别技术、事件侦测和行为侦测。其中，生物识别技术包括面部识别、指纹识别和虹膜扫描等；事件侦测可用于分析识别遗留或丢失的物体；行为侦测可用于发现那些从货贺上拿走多个昂贵物品的目标群体，此外，它还能监控一些不合常规的行为动作，如人们走错了方向、逆行、透过围栏传递商品，以及车辆停错了位置等等。\r\n视频内容分析对于车牌号码的识别成功率能达到98%左右，然而，这种成功率较依赖于具体的现场情况，容易受到多种因素的影响，包括车辆运动的速度、灯光（使用红外线）、车牌使用的字体和清洁度等。相关可能的应用包括：停车场的门禁系统和票据系统；用于交通系统，加强对车辆速度的测算或车辆闯红灯的管理；车辆定位系统，从而发现那些通过检测点的丢失车辆；打击犯罪；此外，还可以像伦敦交通系统那样用于道路收费系统。\r\n\r\nVCA\r\nVCA算法（VCA：Variable Complexity Algorithm，视频编码的可变复杂度算法）可内置于视频编码器和网络摄像机中，从而提供简单、但先进的动态检测功能和基于常规事件的检测功能，这些通常都是基于T164的平台之上。嵌入式VCA应用的例子包括保护高风险设备的安全，实时智能和虚拟的周界，这是IP视频发展的最新趋势。\r\n总之，智能视频监控系统提供了分布式智能分析和储存功能，从而提高了系统效率，并且改进了对突发事件的反应速度，降低了网络负荷和对视频存储的需求，简单来说，它们是最好的低成本监控解决方案。\r\n\r\n