智能視頻分析技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控工程中的應(yīng)用探討

1、智能視頻分析技術(shù)在鐵路視頻監(jiān)控工程中的應(yīng)用探討 1 智能視頻分析技術(shù)概述 1.1 智能視頻分析的定義 智能視頻分析 IVS（ intelligent video surveillance ）也稱為視頻分析 或行為分析，可提供對(duì)視頻圖像內(nèi)容的智能分析和告警功能。通過(guò)將場(chǎng)景中背 景和目標(biāo)分離進(jìn)而分析并追蹤在攝像機(jī)場(chǎng)景內(nèi)出現(xiàn)的目標(biāo)， 使計(jì)算機(jī)能夠 通過(guò)數(shù)字圖像處理和分析來(lái)理解視頻畫面中的內(nèi)容，達(dá)到自動(dòng)分析和抽取視頻 源中關(guān)鍵信息的目的。通過(guò)預(yù)設(shè)不同的報(bào)警規(guī)則，一旦目標(biāo)在場(chǎng)景中出現(xiàn)了 違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。 1.2 智能視頻分析的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和原理 1.2.1 視頻的獲取 視頻的獲取主

2、要是指系統(tǒng)將輸入模擬視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，為計(jì)算機(jī)進(jìn)行 計(jì)算和分析提供原始數(shù)據(jù)。 一幅原始照片的灰度值是空間變量 （位置的連續(xù)值） 的連續(xù)函數(shù)， 在M XN點(diǎn)陣上對(duì)照片灰度采樣并加以量化（歸為 2b個(gè)灰度等 級(jí)之一），可以得到計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字圖像。 為了使數(shù)字圖像能重建原來(lái)的圖像，對(duì)M、N和b值的大小有一定的要求。 在接收裝置的空間和灰度分辨能力范圍內(nèi)，M、N和b的數(shù)值越大，重建圖像 的質(zhì)量就越好。由于 M 、 N 和 b 三者的乘積決定一幅圖像在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)量， 因此，在存儲(chǔ)量一定的條件下需要根據(jù)圖像的不同性質(zhì)選擇合適的 M 、 N 和 b 值，以獲取最好的處理效果。 1.2.2 預(yù)處理

3、 視頻的預(yù)處理是指在視頻分析中對(duì)輸入圖像進(jìn)行特征抽取、分割和匹配前 所進(jìn)行的處理。預(yù)處理過(guò)程一般有幾何變換、圖像歸一化、圖像平滑、圖像復(fù) 原和圖像增強(qiáng)等步驟。 1.2.3 運(yùn)動(dòng)分割 通常有 3 種方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和分割：光流法、相鄰幀差法和背景差分法。 光流法的計(jì)算量非常大 , 對(duì)硬件要求比較高；相鄰幀差法能夠適應(yīng)環(huán)境的動(dòng)態(tài) 變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，但分割出的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不完整；背景差分法克服了 相鄰幀差法的缺點(diǎn)。現(xiàn)有的視頻分析產(chǎn)品一般都采用背景差分法。 1.2.4 觸發(fā)報(bào)警 觸發(fā)報(bào)警部分首先加載用戶的預(yù)定義規(guī)則進(jìn)行視頻分析的判斷，根據(jù)規(guī)則 追蹤目標(biāo)的活動(dòng)判斷是否違反預(yù)定義規(guī)則而觸發(fā)報(bào)警。 1.

4、2.5 輸出顯示 有了之前的背景、目標(biāo)跟蹤及識(shí)別分類等過(guò)程，視頻分析是利用以上過(guò)程 的結(jié)果，根據(jù)目標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)間、位置、速度和大小等因素，并結(jié)合之前設(shè)置好 的行為規(guī)則，實(shí)現(xiàn)視頻分析結(jié)果的輸出和顯示，如入侵、丟包和越界等。 1.3 智能視頻分析類型 目前智能視頻分析類型分為前端分析和后端分析兩種 1.3.1 后端視頻分析 在視頻接入節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī) / 服務(wù)器上安裝視頻分析軟件，對(duì)接收到的視頻內(nèi) 容進(jìn)行分析成為后端視頻分析。該技術(shù)配置靈活，系統(tǒng)可對(duì)指定攝像頭的視頻 圖像實(shí)施分析，但由于視頻移動(dòng)偵測(cè)（VMD算法全部由后臺(tái)服務(wù)器完成，對(duì)后 臺(tái)服務(wù)器造成了壓力，要求后臺(tái)服務(wù)器有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。該技術(shù)需將

5、大 量圖像信號(hào)發(fā)到后端進(jìn)行分析，占用網(wǎng)絡(luò)帶寬較大。目前該技術(shù)應(yīng)用案例較少。 1.3.2 前端視頻分析 通過(guò)嵌入到編碼器或攝像機(jī)中的硬件處理器完成核心算法的運(yùn)行和相關(guān)計(jì) 算，實(shí)現(xiàn)視頻內(nèi)容分析的防范稱之為前端視頻分析技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)在前端加 入視頻分析模塊，在前端模塊中對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析，當(dāng)有違反規(guī)則的事件發(fā) 生時(shí)，才向后臺(tái)服務(wù)器報(bào)警并上傳相應(yīng)的信息。該技術(shù)響應(yīng)時(shí)間較快，對(duì)網(wǎng)絡(luò) 帶寬和后臺(tái)服務(wù)器資源的占用較小。目前市面上流行的視頻分析技術(shù)大多采用 這一方式。但前端視頻分析的攝像機(jī)和視頻分析模塊進(jìn)行了綁定，系統(tǒng)無(wú)法對(duì) 隨意指定的攝像頭視頻圖像實(shí)施分析，也有其局限性。 1.4 智能視頻分析具體功能 1

6、.4.1 入侵檢測(cè) 針對(duì)固定場(chǎng)景中的進(jìn)入禁入?yún)^(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行分析、定位、跟蹤，并根據(jù)用 戶設(shè)置的規(guī)則觸發(fā)告警的檢測(cè)模式。 1.4.2 逗留（滯留）識(shí)別檢測(cè) 針對(duì)進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并對(duì)逗留（滯留）時(shí)間超過(guò)用戶設(shè)定 時(shí)間的目標(biāo)觸發(fā)告警的檢測(cè)模式。 1.4.3 逆行檢測(cè) 針對(duì)違反規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并觸發(fā)告警的檢測(cè)模式。 1.4.4 流量統(tǒng)計(jì) 出站旅客流向的方向、數(shù)量管理，幫助最優(yōu)化的控制公共場(chǎng)所的人群。 1.4.5 擁塞檢測(cè) 旅客站臺(tái)、進(jìn)出站地道等區(qū)域發(fā)生擁塞時(shí)的警告。 1.4.6 穿越雙警戒線報(bào)警 當(dāng)人、車輛或者其他物體穿越第一條警戒線時(shí)，不產(chǎn)生報(bào)警；在規(guī)定時(shí)間 內(nèi)，再次穿越第二

7、條警戒線時(shí)，立刻產(chǎn)生穿越雙警戒線報(bào)警。可以用雙警戒線 來(lái)判斷車輛的非法轉(zhuǎn)彎，也可通過(guò)雙警戒線報(bào)警檢測(cè)翻越圍墻等情況。 1.4.7 離開(kāi)識(shí)別 離開(kāi)識(shí)別是指人、車輛或者物體從某個(gè)特定區(qū)域中離開(kāi)時(shí)智能分析設(shè)備產(chǎn) 生離開(kāi)識(shí)別報(bào)警。離開(kāi)識(shí)別和進(jìn)入識(shí)別都是為了保護(hù)某些禁區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)不 允許人和物體進(jìn)入或者離開(kāi)。 1.4.8 出現(xiàn)識(shí)別 出現(xiàn)識(shí)別是指當(dāng)有人、車輛或者物體出現(xiàn)在畫面中的某個(gè)區(qū)域中，被認(rèn)定 為出現(xiàn)行為發(fā)生。出現(xiàn)識(shí)別與入侵檢測(cè)都是針對(duì)畫面中的虛擬區(qū)域產(chǎn)生的分析 識(shí)別，兩者的區(qū)別在于入侵檢測(cè)強(qiáng)調(diào)物體從外部進(jìn)入到區(qū)域，而出現(xiàn)識(shí)別強(qiáng)調(diào) 物體突然出現(xiàn)在特定區(qū)域（如盜賊可能從地下挖一個(gè)洞鉆出來(lái)，符合出現(xiàn)識(shí)別

8、 而不符合入侵檢測(cè)）。 1.4.9 消失識(shí)別 消失識(shí)別是針對(duì)出現(xiàn)識(shí)別而言的，當(dāng)人、車輛或者物體突然從某個(gè)特定區(qū) 域消失，即可產(chǎn)生消失識(shí)別。消失識(shí)別強(qiáng)調(diào)的是物體從特定區(qū)域中突然消失了， 而離開(kāi)識(shí)別強(qiáng)調(diào)的是物體從區(qū)域中離開(kāi)的動(dòng)作。 1.4.10 棄置識(shí)別 當(dāng)畫面中某人遺棄某物體即產(chǎn)生棄置識(shí)別事件。在反恐應(yīng)用中，有不明身 份的人遺棄隨身所帶物體時(shí)，則觸發(fā)了棄置識(shí)別事件。工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn) 不明物體被遺棄，可及時(shí)趕往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。 1.4.11 取走識(shí)別 當(dāng)畫面中的某個(gè)物體被取走，即可產(chǎn)生取走識(shí)別事件。主要應(yīng)用在畫館或 者博物館，某一副名畫或者珍寶被取走，智能化分析設(shè)備能夠及時(shí)捕獲這樣的 行為。 鐵

9、路視頻監(jiān)控中，也可用于盜竊檢測(cè)：如對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的重要設(shè)施被盜 或移動(dòng)發(fā)出告警。 1.4.12 場(chǎng)景變化識(shí)別 當(dāng)攝像頭被轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)，場(chǎng)景發(fā)生變化，智能化分析設(shè)備能夠自動(dòng)捕獲這 類行為。 1.5 鐵路智能視頻分析系統(tǒng)指標(biāo) 根據(jù)鐵運(yùn)基 2008 630 號(hào)鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范第 6.6 節(jié)要 求，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)智能視頻分析系統(tǒng)要求達(dá)到以下指標(biāo)： 1.5.1 識(shí)別分析目標(biāo)的大小 入侵檢測(cè)和逗留（滯留）檢測(cè)在一定條件下的最小識(shí)別告警目標(biāo)在 CIF、4CIF分辨率下應(yīng)不小于10X 10像素。 逆行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)能檢測(cè)到不小于所占顯示畫面的 1%的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。 1.5.2 灰度要求 入侵檢測(cè)和逗留（滯

10、留）檢測(cè)中，應(yīng)能分析識(shí)別其灰度值與背景灰度值之 差大于 50 灰度級(jí)的目標(biāo)。 1.5.3 圖像抖動(dòng)要求 入侵檢測(cè)和逗留（滯留）檢測(cè)中，當(dāng)圖像抖動(dòng)不超過(guò) 10個(gè)像素值時(shí)，應(yīng)具 有濾除抖動(dòng)的能力，并能正常分析。 1.5.4 誤報(bào)指標(biāo)要求（暫定） 在畫面抖動(dòng)不超過(guò) 10個(gè)像素值、目標(biāo)的大小滿足分析識(shí)別要求時(shí)，誤報(bào)指 標(biāo)室內(nèi)環(huán)境應(yīng)達(dá)到平均每路每天小于 0.1 次，室外環(huán)境應(yīng)達(dá)到平均每路每天小 于 0.2 次。 1.5.5 漏報(bào)指標(biāo)要求（暫定） 入侵檢測(cè)和逗留（滯留）檢測(cè)：在畫面無(wú)抖動(dòng)、目標(biāo)的灰度值與背景灰度 值之差不小于50個(gè)灰度級(jí)、目標(biāo)大小占畫面不小于1 %。條件下，漏報(bào)率應(yīng)小于 1%。 逆行檢測(cè)：

11、在攝像機(jī)的監(jiān)視方向與用戶關(guān)注的運(yùn)動(dòng)方向盡量垂直，且畫面 無(wú)抖動(dòng)的情況下，室內(nèi)環(huán)境下應(yīng)小于 2%，室外環(huán)境下應(yīng)小于 5%。 1.5.6 告警圖像預(yù)錄時(shí)間 告警圖像預(yù)錄時(shí)間不小于 10s。 2 智能視頻分析具體案例分析 2.1 工程概述 某綜合視頻監(jiān)控改造工程，搭建統(tǒng)一平臺(tái)，視頻采集點(diǎn)的設(shè)置考慮車務(wù)、 客運(yùn)、貨運(yùn)、公安和電務(wù)視頻監(jiān)控需求，實(shí)現(xiàn)鐵路局綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用。 在車站咽喉處、運(yùn)轉(zhuǎn)室內(nèi)外、編組場(chǎng)、貨場(chǎng)、信號(hào)樓、通信及信號(hào)設(shè)備機(jī)房、 公路跨鐵路立交橋、車站旅客站房（包括站前廣場(chǎng)、安檢口、候車大廳、檢票 口、出站口、售票大廳、售票房、站臺(tái)、地道）等場(chǎng)所設(shè)置攝像機(jī)。 本工程在充分了解各業(yè)務(wù)部門

12、需求基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮攝像機(jī)布點(diǎn)。車站前 端視頻信號(hào)匯接至車站視頻編碼器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后直接引入視頻管理服務(wù) 器進(jìn)行存儲(chǔ)，對(duì)于監(jiān)控點(diǎn)較多的帶客運(yùn)作業(yè)的車站，視頻信號(hào)引入車站新建磁 盤陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。 各車站的運(yùn)轉(zhuǎn)室、公安值班室、客運(yùn)值班室、站長(zhǎng)室以及運(yùn)輸處、客運(yùn)處、 鐵通通信段、電務(wù)段、車務(wù)段監(jiān)控中心、以及局視頻區(qū)域中心設(shè)置視頻監(jiān)控客 戶端，車站客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)本站視頻圖像的監(jiān)控、調(diào)用。其余上級(jí)部門客戶端可 通過(guò)權(quán)限管理實(shí)現(xiàn)對(duì)任意車站的任意圖像進(jìn)行調(diào)用，并可實(shí)現(xiàn)車站報(bào)警信息的 接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)畫面的錄像功能。 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鐵路綜合視頻監(jiān)視系統(tǒng)由視頻區(qū)域節(jié)點(diǎn)、視頻接入節(jié)點(diǎn)、視頻采集點(diǎn)、視 頻網(wǎng)絡(luò)

13、和用戶終端構(gòu)成。視頻系統(tǒng)在車站設(shè)置存儲(chǔ)設(shè)備，視頻業(yè)務(wù)由 IP數(shù)據(jù)網(wǎng) 承載。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如下： 2.3視頻分析功能需求分析 針對(duì)視頻分析功能的特點(diǎn)，本工程需求分析如下: ? 視頻分析功能在國(guó)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目中應(yīng)用較少，部分功能還處于實(shí)驗(yàn)階 段，大規(guī)模的運(yùn)用案例不多。在鐵路應(yīng)用方面，青藏鐵路及合寧線鐵路、京津 客運(yùn)專線、合武客運(yùn)專線已經(jīng)有入侵探測(cè)和逗留檢測(cè)等視頻分析技術(shù)的實(shí)際應(yīng) 用案例。 ? 視頻分析功能技術(shù)不成熟，性能不穩(wěn)定。視頻分析技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)通 過(guò)數(shù)字圖像處理算法來(lái)分析和理解視頻畫面中的內(nèi)容， 達(dá)到自動(dòng)分析和抽取視 頻源中關(guān)鍵信息的目的，并綜合運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)及概率統(tǒng)計(jì)等理論，目前業(yè)界采

14、用的視頻分析算法各有側(cè)重，差異較大。在實(shí)際應(yīng)用中，誤報(bào)及漏報(bào)情況時(shí)有 發(fā)生。 ? 價(jià)格昂貴。根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)調(diào)查，監(jiān)控市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)品牌視頻分析功能模塊 每路價(jià)格為RMB500至8000元，國(guó)外同類產(chǎn)品的價(jià)格超過(guò)每路 RMB1000元。 ? 電子產(chǎn)品一般具有“上市初期價(jià)格昂貴、大規(guī)模應(yīng)用后價(jià)格大幅降低” 的特點(diǎn)，本項(xiàng)目采用“一次規(guī)劃，分步實(shí)施，前期試點(diǎn)，逐步推行”的基本原 則，待實(shí)際應(yīng)用情況反映良好及價(jià)格下降后，再對(duì)其余有必要進(jìn)行視頻分析的 監(jiān)控圖像實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)。 ? 視頻分析功能較多，本項(xiàng)目選取部分視頻監(jiān)控點(diǎn)安裝視頻分析功能 , 支持 入侵檢測(cè)、逗留（滯留）檢測(cè)和逆行檢測(cè)等基本檢測(cè)模式，對(duì)異物侵入、設(shè)備

15、 嚴(yán)重破壞或丟失、人員上道等主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，防止安全事故的發(fā)生。 視頻分析具體實(shí)現(xiàn) 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，本項(xiàng)目監(jiān)控重點(diǎn)為各車站咽喉部位，本設(shè)計(jì)方案推薦對(duì) 車站咽喉部位視頻圖像實(shí)施行為分析功能。 各視頻接入節(jié)點(diǎn)的視頻分析功能定義如下： I 類視頻接入節(jié)點(diǎn) “實(shí)現(xiàn)視頻 的接入、分發(fā) /轉(zhuǎn)發(fā)、視頻內(nèi)容分析和與其他系統(tǒng)的互聯(lián)等，并對(duì)其接入的所有 視頻信息和告警信息進(jìn)行存儲(chǔ)”； II 類視頻接入節(jié)點(diǎn) “設(shè)置視頻內(nèi)容分析單 元，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)測(cè)模式下的分析功能”。 根據(jù)該定義，本工程對(duì)鐵路局管轄內(nèi)三等站及以上車站咽喉部位的視頻圖 像均設(shè)置視頻分析功能，共計(jì) 175站中的 803路咽喉攝像機(jī)加裝視頻分析模塊。 本方案采用前端分析技術(shù)，通過(guò)在前端加裝視頻分析模塊的方案，對(duì)視頻圖像 進(jìn)行分析，為這些攝像機(jī)提供入侵檢測(cè)、滯留探測(cè)等基本行為分析功能。 由于視頻分析要求最小識(shí)別告警目標(biāo)在 CIF、4CIF 分辨率下應(yīng)不小于 10X10像素，本項(xiàng)目在咽喉部位加裝照明設(shè)施，視頻圖像在夜間可以滿足分辨 率不小于10X 10像素的要求。 3 智能視頻分析在鐵路安防領(lǐng)域的應(yīng)用前景及建議 智能視頻分析技術(shù)在鐵路安防領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。本項(xiàng)目只將視頻 分析技術(shù)運(yùn)用于車站咽喉部以實(shí)現(xiàn)異物入侵、人員非法上道、鐵路重要設(shè)施被 盜等事件發(fā)生時(shí)視頻監(jiān)控系