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，可提供對視頻圖像內(nèi)容的智能分析和告警功能。通過將場景中背 景和目標分離進而分析并追蹤在攝像機場景內(nèi)出現(xiàn)的目標， 使計算機能夠 通過數(shù)字圖像處理和分析來理解視頻畫面中的內(nèi)容，達到自動分析和抽取視頻 源中關(guān)鍵信息的目的。通過預(yù)設(shè)不同的報警規(guī)則，一旦目標在場景中出現(xiàn)了 違反預(yù)定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警。 1.2 智能視頻分析的實現(xiàn)過程和原理 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進行數(shù)字化，為計算機進行 計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點陣上對照片灰度采樣并加以量化（歸為 2b個灰度等 級之一），可以得到計算機能夠處理的數(shù)字圖像。 為了使數(shù)字圖像能重建原來的圖像，對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算機中的存儲量， 因此，在存儲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輸入圖像進行特征抽取、分割和匹配前 所進行的處理。預(yù)處理過程一般有幾何變換、圖像歸一化、圖像平滑、圖像復 原和圖像增強等步驟。 1.2.3 運動分割 通常有 3 種方法進行運動檢測和分割：光流法、相鄰幀差法和背景差分法。 光流法的計算量非常大 , 對硬件要求比較高；相鄰幀差法能夠適應(yīng)環(huán)境的動態(tài) 變化，實現(xiàn)實時的運動檢測，但分割出的運動目標不完整；背景差分法克服了 相鄰幀差法的缺點?，F(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)報警 觸發(fā)報警部分首先加載用戶的預(yù)定義規(guī)則進行視頻分析的判斷，根據(jù)規(guī)則 追蹤目標的活動判斷是否違反預(yù)定義規(guī)則而觸發(fā)報警。 1.

4、2.5 輸出顯示 有了之前的背景、目標跟蹤及識別分類等過程，視頻分析是利用以上過程 的結(jié)果，根據(jù)目標出現(xiàn)的時間、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)點的計算機 / 服務(wù)器上安裝視頻分析軟件，對接收到的視頻內(nèi) 容進行分析成為后端視頻分析。該技術(shù)配置靈活，系統(tǒng)可對指定攝像頭的視頻 圖像實施分析，但由于視頻移動偵測（VMD算法全部由后臺服務(wù)器完成，對后 臺服務(wù)器造成了壓力，要求后臺服務(wù)器有較強的數(shù)據(jù)處理能力。該技術(shù)需將

5、大 量圖像信號發(fā)到后端進行分析，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 通過嵌入到編碼器或攝像機中的硬件處理器完成核心算法的運行和相關(guān)計 算，實現(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)通過在前端加 入視頻分析模塊，在前端模塊中對視頻圖像進行分析，當有違反規(guī)則的事件發(fā) 生時，才向后臺服務(wù)器報警并上傳相應(yīng)的信息。該技術(shù)響應(yīng)時間較快，對網(wǎng)絡(luò) 帶寬和后臺服務(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和視頻分析模塊進行了綁定，系統(tǒng)無法對 隨意指定的攝像頭視頻圖像實施分析，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 針對固定場景中的進入禁入?yún)^(qū)域的目標進行分析、定位、跟蹤，并根據(jù)用 戶設(shè)置的規(guī)則觸發(fā)告警的檢測模式。 1.4.2 逗留（滯留）識別檢測 針對進入保護區(qū)域的目標進行跟蹤，并對逗留（滯留）時間超過用戶設(shè)定 時間的目標觸發(fā)告警的檢測模式。 1.4.3 逆行檢測 針對違反規(guī)定的運動方向的目標進行檢測并觸發(fā)告警的檢測模式。 1.4.4 流量統(tǒng)計 出站旅客流向的方向、數(shù)量管理，幫助最優(yōu)化的控制公共場所的人群。 1.4.5 擁塞檢測 旅客站臺、進出站地道等區(qū)域發(fā)生擁塞時的警告。 1.4.6 穿越雙警戒線報警 當人、車輛或者其他物體穿越第一條警戒線時，不產(chǎn)生報警；在規(guī)定時間 內(nèi)，再次穿越第二

7、條警戒線時，立刻產(chǎn)生穿越雙警戒線報警。可以用雙警戒線 來判斷車輛的非法轉(zhuǎn)彎，也可通過雙警戒線報警檢測翻越圍墻等情況。 1.4.7 離開識別 離開識別是指人、車輛或者物體從某個特定區(qū)域中離開時智能分析設(shè)備產(chǎn) 生離開識別報警。離開識別和進入識別都是為了保護某些禁區(qū)在一定時間內(nèi)不 允許人和物體進入或者離開。 1.4.8 出現(xiàn)識別 出現(xiàn)識別是指當有人、車輛或者物體出現(xiàn)在畫面中的某個區(qū)域中，被認定 為出現(xiàn)行為發(fā)生。出現(xiàn)識別與入侵檢測都是針對畫面中的虛擬區(qū)域產(chǎn)生的分析 識別，兩者的區(qū)別在于入侵檢測強調(diào)物體從外部進入到區(qū)域，而出現(xiàn)識別強調(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洞鉆出來，符合出現(xiàn)識別

8、 而不符合入侵檢測）。 1.4.9 消失識別 消失識別是針對出現(xiàn)識別而言的，當人、車輛或者物體突然從某個特定區(qū) 域消失，即可產(chǎn)生消失識別。消失識別強調(diào)的是物體從特定區(qū)域中突然消失了， 而離開識別強調(diào)的是物體從區(qū)域中離開的動作。 1.4.10 棄置識別 當畫面中某人遺棄某物體即產(chǎn)生棄置識別事件。在反恐應(yīng)用中，有不明身 份的人遺棄隨身所帶物體時，則觸發(fā)了棄置識別事件。工作人員第一時間發(fā)現(xiàn) 不明物體被遺棄，可及時趕往現(xiàn)場進行處理。 1.4.11 取走識別 當畫面中的某個物體被取走，即可產(chǎn)生取走識別事件。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)備能夠及時捕獲這樣的 行為。 鐵

9、路視頻監(jiān)控中，也可用于盜竊檢測：如對監(jiān)控范圍內(nèi)的重要設(shè)施被盜 或移動發(fā)出告警。 1.4.12 場景變化識別 當攝像頭被轉(zhuǎn)動位置時，場景發(fā)生變化，智能化分析設(shè)備能夠自動捕獲這 類行為。 1.5 鐵路智能視頻分析系統(tǒng)指標 根據(jù)鐵運基 2008 630 號鐵路綜合視頻監(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)對智能視頻分析系統(tǒng)要求達到以下指標： 1.5.1 識別分析目標的大小 入侵檢測和逗留（滯留）檢測在一定條件下的最小識別告警目標在 CIF、4CIF分辨率下應(yīng)不小于10X 10像素。 逆行檢測時，應(yīng)能檢測到不小于所占顯示畫面的 1%的運動目標。 1.5.2 灰度要求 入侵檢測和逗留（滯

10、留）檢測中，應(yīng)能分析識別其灰度值與背景灰度值之 差大于 50 灰度級的目標。 1.5.3 圖像抖動要求 入侵檢測和逗留（滯留）檢測中，當圖像抖動不超過 10個像素值時，應(yīng)具 有濾除抖動的能力，并能正常分析。 1.5.4 誤報指標要求（暫定） 在畫面抖動不超過 10個像素值、目標的大小滿足分析識別要求時，誤報指 標室內(nèi)環(huán)境應(yīng)達到平均每路每天小于 0.1 次，室外環(huán)境應(yīng)達到平均每路每天小 于 0.2 次。 1.5.5 漏報指標要求（暫定） 入侵檢測和逗留（滯留）檢測：在畫面無抖動、目標的灰度值與背景灰度 值之差不小于50個灰度級、目標大小占畫面不小于1 %。條件下，漏報率應(yīng)小于 1%。 逆行檢測：

11、在攝像機的監(jiān)視方向與用戶關(guān)注的運動方向盡量垂直，且畫面 無抖動的情況下，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)錄時間 告警圖像預(yù)錄時間不小于 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，視頻采集點的設(shè)置考慮車務(wù)、 客運、貨運、公安和電務(wù)視頻監(jiān)控需求，實現(xiàn)鐵路局綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的運用。 在車站咽喉處、運轉(zhuǎn)室內(nèi)外、編組場、貨場、信號樓、通信及信號設(shè)備機房、 公路跨鐵路立交橋、車站旅客站房（包括站前廣場、安檢口、候車大廳、檢票 口、出站口、售票大廳、售票房、站臺、地道）等場所設(shè)置攝像機。 本工程在充分了解各業(yè)務(wù)部門

12、需求基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮攝像機布點。車站前 端視頻信號匯接至車站視頻編碼器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后直接引入視頻管理服務(wù) 器進行存儲，對于監(jiān)控點較多的帶客運作業(yè)的車站，視頻信號引入車站新建磁 盤陣列進行存儲。 各車站的運轉(zhuǎn)室、公安值班室、客運值班室、站長室以及運輸處、客運處、 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，車站客戶端實現(xiàn)對本站視頻圖像的監(jiān)控、調(diào)用。其余上級部門客戶端可 通過權(quán)限管理實現(xiàn)對任意車站的任意圖像進行調(diào)用，并可實現(xiàn)車站報警信息的 接收，實現(xiàn)對相應(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、視頻接入節(jié)點、視頻采集點、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 針對視頻分析功能的特點，本工程需求分析如下: ? 視頻分析功能在國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)項目中應(yīng)用較少，部分功能還處于實驗階 段，大規(guī)模的運用案例不多。在鐵路應(yīng)用方面，青藏鐵路及合寧線鐵路、京津 客運專線、合武客運專線已經(jīng)有入侵探測和逗留檢測等視頻分析技術(shù)的實際應(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)是利用計算機通 過數(shù)字圖像處理算法來分析和理解視頻畫面中的內(nèi)容， 達到自動分析和抽取視 頻源中關(guān)鍵信息的目的，并綜合運用模糊數(shù)學及概率統(tǒng)計等理論，目前業(yè)界采

14、用的視頻分析算法各有側(cè)重，差異較大。在實際應(yīng)用中，誤報及漏報情況時有 發(fā)生。 ? 價格昂貴。根據(jù)當前市場調(diào)查，監(jiān)控市場上國產(chǎn)品牌視頻分析功能模塊 每路價格為RMB500至8000元，國外同類產(chǎn)品的價格超過每路 RMB1000元。 ? 電子產(chǎn)品一般具有“上市初期價格昂貴、大規(guī)模應(yīng)用后價格大幅降低” 的特點，本項目采用“一次規(guī)劃，分步實施，前期試點，逐步推行”的基本原 則，待實際應(yīng)用情況反映良好及價格下降后，再對其余有必要進行視頻分析的 監(jiān)控圖像實施補強。 ? 視頻分析功能較多，本項目選取部分視頻監(jiān)控點安裝視頻分析功能 , 支持 入侵檢測、逗留（滯留）檢測和逆行檢測等基本檢測模式，對異物侵入、設(shè)備

15、 嚴重破壞或丟失、人員上道等主動發(fā)出報警信息，防止安全事故的發(fā)生。 視頻分析具體實現(xiàn) 據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，本項目監(jiān)控重點為各車站咽喉部位，本設(shè)計方案推薦對 車站咽喉部位視頻圖像實施行為分析功能。 各視頻接入節(jié)點的視頻分析功能定義如下： I 類視頻接入節(jié)點 “實現(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，并對其接入的所有 視頻信息和告警信息進行存儲”； II 類視頻接入節(jié)點 “設(shè)置視頻內(nèi)容分析單 元，實現(xiàn)不同監(jiān)測模式下的分析功能”。 根據(jù)該定義，本工程對鐵路局管轄內(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 175站中的 803路咽喉攝像機加裝視頻分析模塊。 本方案采用前端分析技術(shù)，通過在前端加裝視頻分析模塊的方案，對視頻圖像 進行分析，為這些攝像機提供入侵檢測、滯留探測等基本行為分析功能。 由于視頻分析要求最小識別告警目標在 CIF、4CIF 分辨率下應(yīng)不小于 10X10像素，本項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。本項目只將視頻 分析技術(shù)運用于車站咽喉部以實現(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)生時視頻監(jiān)控系