視頻移動探測器原理及其應用

視頻移動探測器原理及其應用摘要本文敘述視頻移動探測器或視頻入侵報警器。并從模擬式與數(shù)字式兩類來說明其工作原理與各自的特點及應用。模擬式主要用于室內(nèi)，數(shù)字式室內(nèi)外均可應用，并且是當今數(shù)字化安防系統(tǒng)中的必不可少的重要組成部分。關鍵詞：VMD模擬式數(shù)字式灰度級抽樣數(shù)據(jù)一、概述大家知道，規(guī)模較大的電視監(jiān)控系統(tǒng)中充斥著大量的攝像機畫面，它們一般以固定或輪流的方式顯示到監(jiān)視器的屏幕上；要想讓安防人員對這么多的畫面持續(xù)保持密切的注意是非常困難的。必須采取某種措施，使我們既能減少系統(tǒng)中監(jiān)視器的數(shù)目，又能提高安防人員處理突發(fā)事件的能力。視頻移動探測器（VideoMotionDetector，簡稱VMD）可以很好地滿足上述要求。VMD的任務是對攝像機產(chǎn)生的圖象進行電子分析，以檢查圖像中有否出現(xiàn)足夠程度的變化。這種裝置能夠毫不疲倦地對攝像機畫面進行長時間的監(jiān)視，并在出現(xiàn)情況時通知安防人員，因此能夠很好地彌補安全人員的不足。VMD主要通過數(shù)學計算來確定攝像機畫面的某個區(qū)域內(nèi)是否有移動目標出現(xiàn)。具體方法是：不斷將某個視頻幀內(nèi)像素的亮度水平與下一個視頻幀進行比較，以尋找被認為值得注意的變化。低成本的模擬式VMD則采用另外一種較簡單的方法：將某畫面中的大塊區(qū)域與下一幀畫面中的對應區(qū)域進行比較。這種方法在室內(nèi)環(huán)境中是可行的，這是由于室內(nèi)的光線條件和場景較少發(fā)生變化。在室外環(huán)境中，這種系統(tǒng)很容易因光線變化或攝像機的震動而產(chǎn)生誤報。因此，室外應用中應使用功能較強的數(shù)字式VMD。數(shù)字式VMD是一種以微處理器為核心的電子裝置，它可以同時對數(shù)千個圖像布防單元進行跟蹤分析。即使場景的亮度發(fā)生了明顯的變化，系統(tǒng)也不容易產(chǎn)生誤報。內(nèi)置VMD電路的攝像機可以當報警探頭使用。檢測電路首先會將靜態(tài)圖像貯存起來，之后，如果發(fā)現(xiàn)畫面的變化量超過了預先設定的值，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號，以提醒安防人員或啟動錄像機。VMD電路有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式電路主要通過檢測布防區(qū)域的畫面亮度來探知變化；數(shù)字式電路則可以對布防區(qū)域內(nèi)成百上千個單元進行電子分析，可以在圖像上標出檢得異動的位置和移動目標的前進路徑，并驅(qū)動警號或警燈發(fā)出警告信號。VMD工作時會不斷地從攝像機處收取視頻圖像，并與先前貯存的圖像相比較，以了解場景有無發(fā)生變化。如果沒有檢測到明顯變化，系統(tǒng)不會有任何動作。如果檢測到了可度量的、達到某個標準的變化，系統(tǒng)會立即發(fā)出報警信號。二、模擬式視頻移動檢測器模擬式VMD設備已有多年的生產(chǎn)歷史。這種設備能夠以較低的成本實現(xiàn)對CCTV場景內(nèi)移動目標的探測。但它們只適于對光照條件較為恒定、環(huán)境變化不大的室內(nèi)圖像進行檢測；不應將它們用于室外圖像的檢測。（1）模擬式VMD的工作原理最簡單的VMD使用模擬減法對圖像進行檢測。將參照幀與新抓取的幀相減，如果得到的差值超過設定的水平，系統(tǒng)就輸出一個報警信號。所有模擬式VMD都允許用戶在屏幕上設置移動目標探測區(qū)（即布防區(qū)域）。系統(tǒng)通過對畫面照度的持續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)布防區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的移動目標后，即發(fā)出報警信號。具體形式有：發(fā)出報警聲；面板上的報警指示燈開始發(fā)光；輸出交流驅(qū)動信號，以啟動使用交流電的信號裝置；輸出一個開關信號（可用來驅(qū)動錄像機、打印機、警鈴或其它裝置）。模擬式VMD通過對攝像機畫面進行的模擬式分析來確定場景有否發(fā)生變化。系統(tǒng)先將布防區(qū)域內(nèi)的畫面保存起來，再將當前畫面與先前保存的畫面相減，根據(jù)差值確定布防區(qū)域內(nèi)的場景有無發(fā)生變化。如果有移動目標侵入，或場景的照度水平發(fā)生了較大變化，計算得到的差值應當能夠達到總值的10%到25%。系統(tǒng)據(jù)此判斷畫面發(fā)生了較大變化，隨即發(fā)出報警信號。報警信號可用來驅(qū)動警號/警燈等，還可以用來控制錄像機進行錄像。VMD與監(jiān)視器或視頻記錄設備都沒有什么緊密關聯(lián)，也不會對它們造成干擾。（2）模擬式VMD的布防區(qū)的設置多數(shù)模擬VMD的布防區(qū)域都可以通過其前面板上的控制鍵進行調(diào)整，可調(diào)整的項目包括形狀、大小和位置等。具體尺寸和配置應根據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)的實際需要確定。一些常見的布防區(qū)形狀有：方形、三角形、L形、馬蹄形等。設置布防區(qū)域時，應當將可能出現(xiàn)侵入的位置都包括進去。雖然屏幕上顯示的仍然是整個畫面，系統(tǒng)卻只對布防了的區(qū)塊進行檢測。布防區(qū)塊之外即使有移動目標出現(xiàn)，系統(tǒng)也不會報警。設置時，布防區(qū)塊在屏幕上顯示為一個有邊框線的閉合區(qū)，其形狀和大小可以通過控制面板進行調(diào)節(jié)。設置完畢，屏幕上的框線會自動消失，因此屏幕上的畫面看起來與平常一樣。布防區(qū)塊在屏幕上占據(jù)的面積最小為5%，最大可為95%。這類VMD系統(tǒng)的靈敏度一般相當于1%布防區(qū)域內(nèi)的視頻信號電平出現(xiàn)了25%的變化（幾十分之一秒內(nèi)）。三、數(shù)字式視頻移動檢測器模擬式VMD只有在光線變化不大的室內(nèi)應用中才能很好地工作。在室外應用中，各種環(huán)境條件往往無法得到有效的控制。陽光、云塊、閃電等因素都會造成攝像畫面光照水平的顯著變化。數(shù)字式VMD必須采用專門的室外算法，以區(qū)分整個場景亮度快速變化和移動目標引起的部分場景的亮度變化。同時，還必須注意及時更新從布防區(qū)塊中抽取的數(shù)據(jù)。當場景中出現(xiàn)移動目標時，數(shù)字式VMD必須在目標進入并離開場景期間抽取至少兩組數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)的更新速度太慢，系統(tǒng)完全可能漏掉那些移動速度較快或體積較小的目標。為確定系統(tǒng)中真的出現(xiàn)了值得注意的移動目標，還是發(fā)生誤報，VMD設備必須能夠辨別目標的速度、大小和形狀。數(shù)字式VMD是唯一一種能夠有效應用于室外環(huán)境的報警系統(tǒng)。（1）數(shù)字式VMD的工作原理攝像機產(chǎn)生的視頻信號被送往數(shù)字式VMD后，VMD即將這種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并根據(jù)一定的探測模式（detectionpattern）將抽取的數(shù)據(jù)分組保存起來。所謂探測模式，是指在布防區(qū)域內(nèi)提取樣本數(shù)據(jù)的點的分布模式。這種模式可以由用戶設定，但有時則是燒錄在機器內(nèi)部的。不同廠家采用的抽樣模式各不相同（不管是數(shù)量上還是位置上）°VMD內(nèi)存中保存的圖像對比數(shù)據(jù)定期更新，以反映場景內(nèi)不斷發(fā)生的那些與安全無關的微小變化。數(shù)字式VMD系統(tǒng)會按預定的檢測間隔從視頻圖像中抽取視頻幀，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以方便與設備內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行對比。如果場景內(nèi)出現(xiàn)了移動目標，或抽樣點的數(shù)據(jù)中有相當數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。與安全無關的移動物件，如小動物或飛鳥都不會引發(fā)報警。但人員出入和門窗開關等活動則肯定會觸發(fā)VMD設備。至于有多少抽樣數(shù)據(jù)發(fā)生變化后才會令系統(tǒng)報警，不同廠家、不同型號的產(chǎn)品各有不同規(guī)定，有時這又取決于用戶設置的靈敏度閾值。根據(jù)設計的不同，多通道式VMD可以處理10路、16路、32路甚至64路視頻信號。工作時VMD會順次抽取各個通道的數(shù)據(jù)：先是1號通道，然后是2號、3號，依次類推，最后又繞回1號通道。有些系統(tǒng)能夠同時從多個視頻通道中取樣，也同時對多個報警信號進行分析，并作出響應°VMD設備輸出的報警信號可用來驅(qū)動多種設備?？梢詫缶嬅媲袚Q到監(jiān)視器上；可以驅(qū)動聲光報警裝置（以提醒工作人員）；可以啟動錄像機進行記錄；也可以將報警信號送到其它地方。數(shù)字式VMD工作時首先將來自不同攝像機的畫面轉(zhuǎn)換成數(shù)字化了的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分組存放，每組對應監(jiān)視器屏幕上的一個區(qū)塊。每幅圖像中可以劃分出幾千個區(qū)塊。VMD將各個區(qū)塊的亮度值存放到系統(tǒng)的內(nèi)存中，亮度值共分16或256級。模擬電視系統(tǒng)只能區(qū)分10個不同的灰度級別，因此數(shù)字式VMD貯存的圖像數(shù)據(jù)要精確得多。參照數(shù)據(jù)保存好后，VMD就開始不斷地將后續(xù)畫面進行分區(qū)和數(shù)字化處理，并將得到的數(shù)據(jù)與內(nèi)存中的參照數(shù)據(jù)相比較。參照畫面中某點的灰度級與當前畫面中對應點的灰度級有1到2級的差別時，即可認定圖像發(fā)生了變化。數(shù)字式VMD可以將一幅畫面分解成16,000個區(qū)塊，并能夠按這個標準同時處理16路視頻信號。由于VMD具有如此強大的處理能力，即使入侵者只占整個畫面的0.01%，系統(tǒng)也能輕易地將其“揪出”。對16通道的型號來說，這一比值更降低到了0.006%（與16只攝像機看到的全部場景面積相比）。數(shù)字式VMD通常都接有一臺監(jiān)視器；檢測到某個通道圖像中的移動目標后，系統(tǒng)會將該通道的圖像切換到這臺監(jiān)視器上，同時發(fā)出聲光報警信號。聯(lián)動的錄像機也會同時啟動，將入侵場景記錄下來備查。盡管入侵者在屏幕上占據(jù)的面積可能很小，借助VMD疊加的標志，安全人員仍能輕易地找到他。另外，由于屏幕上還顯示了入侵者的移動路徑，即使他躲藏起來，安全人員也可以知道他所在的大致位置。借助VMD設備，安全人員既知道侵入發(fā)生的地點，又知道入侵者所在的位置。這使得他能夠馬上將注意力集中到事故處理上，并盡快決定應采取何種行動?，F(xiàn)場平面圖顯示是VMD系統(tǒng)最有用的輔助功能之一。發(fā)生侵入時，系統(tǒng)能在監(jiān)視器上疊放現(xiàn)場的平面圖（其中標有每個攝像頭和報警探頭的具體位置），并使與報警有關的圖標不停閃爍。為確保不漏掉任何侵入事件，特別是多重侵入，應當使用錄像機對報警時的畫面進行詳細的記錄。錄像機能夠?qū)缶嬅?、入侵者、入侵者的移動路徑、報警平面圖等一齊保存到錄像帶上。有的VMD能夠以順序切換的方式在一臺錄像機上同時保存多個入侵場景的視頻圖像。錄制時，系統(tǒng)先將第一個場景的畫面送往錄像機，并持續(xù)一段時間（可設置），接著是第二個場景的畫面……如此循環(huán)往復。如果系統(tǒng)中的報警探頭檢測到了情況，系統(tǒng)也能夠根據(jù)探頭所在的位置將相應攝像機的畫面錄下來。屏幕上顯示的圖形信息的價值在于它能令安全人員迅速準確地對現(xiàn)場的情況作出判斷，并能使入侵者聲東擊西的戰(zhàn)術徹底曝光。（2）數(shù)字式VMD的抽樣存貯過程數(shù)字式VMD對移動目標的偵測是通過一系列的抽樣和存貯過程來實現(xiàn)的，最初，系統(tǒng)會將參照用的畫面存貯到系統(tǒng)內(nèi)存中去。所貯存的內(nèi)容是一系列抽樣得到的數(shù)據(jù)，典型的VMD最多可以從一幅畫面中抽取16384個離散點的數(shù)據(jù)，費時約33毫秒。系統(tǒng)能自動測量各抽樣點的亮度（分16或256個灰度級），并將其與抽樣點的座標值一起保存到內(nèi)存中。在這個被稱為“對比數(shù)據(jù)存貯”的過程中，畫面中所有塊區(qū)的數(shù)據(jù)都有貯存。之后，系統(tǒng)就開始不停地對相關數(shù)據(jù)進行比較。用來對比的數(shù)據(jù)是從當前圖像（每秒鐘更新30次）中抽取的。如果經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)某些采樣點的亮度發(fā)生了變化，系統(tǒng)會將其位置和亮度值記錄下來。電氣噪聲和背景場景的變化（如樹枝、樹葉和旗幟等）引起的亮度變化則會被系統(tǒng)自動忽略。如果有些區(qū)塊不要求系統(tǒng)進行檢測，系統(tǒng)可以將其屏蔽。亮度發(fā)生變化的抽樣點達到一定數(shù)目，系統(tǒng)就會輸出一個報警信號。報警系統(tǒng)每秒鐘共進行30次比較。測得變化的抽樣點數(shù)目達到總積數(shù)的1/8時，系統(tǒng)即確認畫面中出現(xiàn)了移動目標。在這里，1/8只是一個常規(guī)比例，實際上的閾值可以是任意值。每次抽取最新數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)都會將前一次的對比結(jié)果清除，以防止發(fā)生累積。存儲過程開始時，此計數(shù)值被清零。對比數(shù)據(jù)則每1/15秒到幾秒鐘更新一次，以濾除場景照度變化、天空中飄過的云塊、攝像機內(nèi)的電子漂移等因素引起的圖像變化。系統(tǒng)確認某個畫面中有移動目標出現(xiàn)時，會將該畫面自動顯示到監(jiān)視器上。有些數(shù)字式VMD能夠同時處理幾十路視頻信號，這是通過采用分時技術來實現(xiàn)的。在分時技術中，VMD照一定的順序從不同通道的視頻畫面中提取數(shù)據(jù)并加以處理。每個通道的布防區(qū)域和靈敏度都可以單獨設置，以提高系統(tǒng)工作的效率和準確度。根據(jù)系統(tǒng)的安全需要，每個通道內(nèi)