浅谈视频智能监控系统及其越江隧道中的应用

傅明华

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200065）

1 概述

随着视频智能监控系统技术的不断成熟，其已经被越来越多地应用于各类市政工程建设之中。作为上海城市快速道路重要的组成部分、并肩负着世博专用通道的西藏南路越江隧道，在浦东、浦西风塔外场设置了此项全新的设施，以满足隧道的日常运营及世博期间特殊的安防要求。

2 传统隧道的风塔监控

由于隧道风塔及工作井出入口处于人员流动极小区域，传统隧道对其管理一般采用以下两种方式：第一种为工作井内人员值班，定时巡视的方式。此方法仅能在极为有限的条件下做最低程度的监视，对于直接连通隧道以及其核心部位（配电室、弱电间等）的出入口存在很大的管理隐患。第二种为在出入口楼梯口设置传统固定摄像机。此方法虽能实时了解出入井内人员情况，也存在一定问题。一是无法兼顾到风塔外围及相关设施，二来由于实时监控是无法实现对于突发事件具备记录和查看的功能，因此在实际工作中也存在着管理缺陷。

3 视频智能监控系统

所谓视频智能监控系统是一套结合了实时监控、智能抓拍以及历史检索为一体的综合性视频监控系统（见图1）。其功能除了对于受控区域的日常监控、受限人员辨识外，还能通过智能视频分析仪上的智能抓拍检索系统，对外场进出人员、车辆进行录像及抓拍，并根据系统提供的智能检索的功能，快速、方便的提取出有用的图像，以便更为方便、有效地进行管理。以其作为隧道外场出入口不仅能弥补传统管理方式的不足，更能将相关信息系统化、集成化。

西藏南路越江隧道由于两个风塔外场均紧邻世博主干道，相比传统隧道人员、车辆流动十分频繁；加之考虑到世博本身较高的安保需求，因此采用了这一新型系统。

3.1 系统结构

整个系统主要由摄像机、处理主机和网络等几抓拍识别单元和中心服务管理单元两部分。

前端单元为布置于出入口外的各个人像抓拍识别单元（VCC-4798PCA彩色摄像机）、图像数据传输单元及后台管理单元组成。主要完成图像的实时获取、人像自动抓拍、数据存储及数据自动上传等功能。

中心服务管理单元主要由中心监控单元组成，主要功能有可实时查看前端人像抓拍单元点的实时视频信息，中心存储前端各个抓拍单元上传的人像图片及24h视频图象，中心可根据时间查询前端单元的视频记录，并可根据需要下载人像图片的原始图片和相关视频记录。其功能具体由放置于工作井弱电间内的视频分析仪实现。

图1 视频智能监控系统网络拓扑图

3.2 系统功能

（1）全自动高清人像抓拍、布控功能：根据系统预设具有对出入口人员、车辆等进行抓拍、录像和报警等多种功能。

（2）实时巡检及抓拍：根据连接到中心服务器的设备列表，可以任意选取一台或多台摄像机对于监控区域进行实时全方位视频巡检，并根据需要进行现场抓拍。且巡检完毕，云台摄像机会在设定的未操作时间后，自动复位至预设布控区域（见图2）。

（3）存储抓拍点上传的图片：出于系统容量和网络带宽高效使用的考虑，中心只存储各个抓拍点实时上传的图片，包括识别出的人像图片和原始图片。用户可以根据需要选择存储重要图片和关联视频。

（4）查询和下载视频：每一张人像图片都有与之关联的视频片段，也可根据时间段去人像抓拍点查询视频，视频可选择在线观看，也可选择下载到本地后播放。

3.3 工作原理

3.3.1基本原理

视频分析方法主要有两类，一类是背景减除方法。是利用当前图象和背景图象的差分（SAD）来检测出运动区域的一种方法。可以提供比较完整的运动目标特征数据。精确度和灵敏度比较高，具有良好的性能表现。背景的建模是背景减除法的技术关键。一般采用在系统设置时期设置系统自适应学习时间来建模，根据背景实际 “热闹程度”选取3～5min的学习时间。一般系统建模完成后，随着时间的变化，背景会有一些改变，系统具有“背景维护”能力，即可以将一些后来融入背景的图象，如云等自动加为背景。

另一类是时间差分方法，时间差分也就是通常说的高级的VMD,又称相邻帧差法，就是利用视频图象特征，从连续得到的视频流中提取所需要的动态目标信息。时间差分方法实质就是利用相邻帧图象相减来提取前景目标移动的信息。此方法不能完全提取所有相关特征象素点，在运动实体内部可能产生空洞，智能检测出目标的边缘。

3.3.2视频分析过程

视频分析的过程（背景减除方法）：首先系统进行背景学习，学习时间根据背景热闹程度有所不同，期间系统自动建立背景模型。之后系统进入“分析”状态，如果前景出现移动物体，并在设置的范围区域内且目标物体大小满足设置，系统将会把该目标进行提取并跟踪，并根据预先的算法（入侵、遗留、盗窃等）触发报警。（期间如果背景出现雨雪，中云，波浪，摄像机抖动，摇摆的柳树等，系统将启动预处理功能，来过滤掉这些动态背景）。在触发报警之前，系统具有目标识别的功能，即将提取的目标与已经建立的模型进行比对，并选择最佳的匹配。

现今采用的视频智能监控系统是综合了以上两种方法，优化后能更为准确、有效地进行视频分析。

实现方式：

第一，系统将高分辨率数字摄像机捕获的高画质图象同时以录像和图片的方式记录 （其中录像采用H.264压缩格式保存的高分辨率下每秒25帧视频；图象采用视频流实时处理的方式，自动对每个出入人员记录一张高清晰图片）。

第二，利用人像优选技术以及人像索引图片提取技术对高清相机进来的每一帧视频进行分析，每当有人通过摄像机的监控区域，系统会对高清相机进来的视频图像进行实时分析，迅速定位场景内单人或者多人的正面人脸，再经过优选获取最佳的人脸图片并且截取成标准照保存，同时对该监控区域进行实时录像，实现录像和图片的关联。

第三，抓拍及存储：

（1）无人通行时：

没有人出现时，不会保存无用图片，提高了系统的存储效率。但该情况下视频依然保存，以备用户全视频检索。

（2）有人通行时：

每当有人通过摄像机的监控区域，系统会对高清相机进来的视频图像进行实时分析，迅速定位场景内单人或者多人的正面人脸，再经过优选获取最佳的人脸图片并且截取成标准照保存，同时对该监控区域进行实时录像，实现录像和图片的关联。

图2 西藏南路隧道实际抓拍效果图

（3）所有拍摄到的照片和视频，目前选择的方式都是直接通过网络传输到人像抓拍单元直接保存，占用带宽只有3M左右。抓拍图片的存储方式上有两种方式：其一：本机存储，系统捕捉到通行人员图片后，通过视频分析仪内置的硬盘可以以JPEG或H.264压缩格式对图片文件进行存储；其二：网络传输，系统捕捉到相应的图片后，通过网络将图片传送至后台指定的数据中心，在中心进行存储和相应的处理。传输网络可以是光纤、ADSL或其他有线/无线网络。

第四，利用其图象对重要岗位和重要设备的操作人员定义，非相关人员上岗操作和重要岗位脱岗智能识别系统将实施报警，可以避免不必要的事故发生；或者对于重点区域内的障碍物滞留，可疑人员的进入、停留，系统可以按照设定好的报警模式向值班人员发出报警信息，起到预防非正常事件的发生。

3.4 系统特点

3.4.1设备一体化，实现高性价比

产品体积小、外形美观、操作灵活、安装简便、自成体系，集网络服务器、控制软件（TCP/UDP）等功能于一体，成功实现前端采集、图片存储及传输、设备动态化管理一体化。

3.4.2 响应迅速，实时捕捉、有效查询

每当有人通过摄像机的监控区域，系统会对高清相机进来的视频图像进行实时分析，迅速定位场景内单人或者多人的正面人脸，再经过优选获取最佳的人脸图片并且截取成标准照保存。同时对该监控区域进行实时录像，实现录像和图片的关联，每段录像的时间基本单位是1 min，也可以由客户自定义，大大提高了用户的查询效率，不会因为查看无效录像浪费时间。

3.4.3重点目标对象布控，人脸识别

用户可以在重点区域进行重要目标对象布控，对通过区域的人群进行实时比对，不需要限定环境或者要求通过人员规定姿势获取肖像。一旦发现目标出现，通知相关人员布控。

3.4.4高性能网络特色

全网络方案，通过中心服务器软件可以监控任意点位的实时监控画面和出入人员情况，并可以在中心完成设置、布控等操作，方便维护。并且高效节省网络开销，用户可以根据实际情况选择是否联网。

3.4.5摄像机自适应感光调控

通过完全自主开发硬件调控模块进行自适应环境调节和补光设备的应用，当背景环境的光亮度情况发生变化时，系统能够自动对相机的相关参数做出及时调整，从而保证相机采集到的人脸图像清晰可靠。

3.4.6实时动态维护管理

通过产品内置调试页面，只需使用IE或Netscape浏览器登陆进入，便可以对联网的任何一台视频监控相机进行参数设置和相关操作。所有设备都可以通过后台进行实时管理，及时了解设备当前运行情况、及时排除故障。

3.5 实际应用

西藏南路越江隧道风塔外场由风塔、工作井出口、风塔出口、绿化等构成，周边围墙设有一个出入口作为应急出入及检修使用。考虑到围墙设有电子围栏，故前端设备布置时主要考虑2个直接进入工作井的入口以及整个外场出入口，在此基础上对周边进行尽可能大范围监控；而控制单元的布置主要考虑到值班人员便于管理以及未来拓展介入等因素（见图 3～图 5）。

图3 西藏南路隧道浦东风塔外场布置图

图4 西藏南路隧道浦东风塔外场布控位置图（一）

3.5.1设备布置

（1)前端摄像机：放置于邻近风塔出口的风塔外墙上，考虑视野及照度等因素，实际安装高度离地3 m。由于抓拍系统对于亮度有一定要求，故摄像机上方增设补光灯。

图5 西藏南路隧道浦风塔外场布控效果图（二）

（2)控制单元相关所有设施：全部置于工作井弱电机房内，并配置相应的监视、控制设备，预留以太网接口以备未来接入综合监控系统或广域网。

3.5.2系统设置

考虑人员巡检及日常抓拍的实际需要，主要设置为：

（1）考虑对于内部入口及大门的无人管理，抓拍区域选择为大门向内侧8 m范围内（图3中斜线标出区域）。

（2）考虑到远程巡检的间隔时间将自动复位功能的复位时间设定为10 min。

（3）定义巡检人员，当抓拍区域内出现非定义人员则系统报警，提醒工作井值班人员。

4 实施效果

该套视频智能监控系统的使用不仅最大程度的加强了风塔区域的安全保障；并且便于对进出风塔区域情况的历史查询，加强了隧道整体管理的效力。加之，该系统预留丰富的扩展接口，不仅可以根据实际情况，接入整个隧道综合监控系统，或者连入市政管理系统；也可以随时对指定区域进行系统扩容。凭借其在安全性、可靠性及自动化上的优势，必将在未来隧道监控系统中起到更为广泛的作用。

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