高清视频监控技术在城市公共安全中的应用

毛晓东，樊亚文

（1.上海市公安局 科技处，上海 200042；2.上海交通大学 图像通信与信息处理研究所，上海 200240）

1 引言

公安部门的城市公共安全图像监控系统，肩负了城市公共区域、重要场所的安全常态监控管理和重大事件保卫及重大突发事件实时监控指挥的重要任务。随着高清消费电子市场的繁荣，高清视频监控日渐成为众多监控技术发展的重点之一[1]。在美国，多个城市安装高清监控系统以提高安防能力。在中国，适逢2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2010年广州亚运会三大契机，结合无线网络传输、GPS定位系统、移动通信系统、智能识别系统，高清视频监控的地位将更加突出。

2 高清视频监控技术需求分析

城市公共安全图像监控中，不同的行业及场合对图像清晰度的要求也不同，因此现阶段高清视频监控系统的建设应以实际需求为导向，按需建设，不应一味追求全面化、普及化。

通过对不同监控场景特点的分析，其中高速公路多车道监控、重点目标监控、大范围监控、密集人群监控、空中监控等应用领域对高清视频监控需求迫切，在这些场合宜采用高清视频监控技术，并已有初步应用。2008年北京奥运会已投入了700多个高清监控点，实施对重要场馆及周边、奥运专用道路的高清视频监控，为奥运安保指挥系统提供了强有力的“全方位、全过程、清晰化、立体化”的视频监控保障，为2008年奥运会和残奥会安保工作的圆满成功提供了可靠的保证。目前正在建设的2010年上海世博会，拟在空中放置系留气球，并在气球上安装4部高清摄像机和2部红外摄影机，实施对世博园区的全方位宏观监控。由于采用高清晰度视频监控，便于进行图像分析和识别，便于智能视频分析与处理。上海公安交警总队利用高清技术建设了高速道路卡口的车牌识别系统，该系统能清晰分辨过往车辆的车牌和前排的驾乘人员图像，并可利用后台的图像识别技术，获取车牌信息和驾乘人员信息。现在上海交警等部门正计划利用高清视频监控技术对城市道路的车辆违章和交通流量进行智能管理。高清视频监控无疑将成为今后城市公共安全图像监控应用的一个热点。

3 高清视频监控系统关键技术分析

高清视频技术来源于高清电视广播技术。目前已普遍应用的高清电视地面广播、蓝光DVD、数字电影等，技术已相当成熟，并有完整的技术标准保障；在网络电视方面，也已开始使用高清晰度电视标准。但是，从监控行业的角度看，其应用环境与传统的广电行业有较大不同，后者主要通过演播室的节目制作后进行广播，而前者，更多情况是户外全天候、实时现场监控视频传输。

3.1 高清视频监控图像格式和前端摄像关键技术

根据美国电影电视工程师协会（SMPTE）[2-3]和国际电联（ITU）的相关定义，高清图像格式目前主要有720p，1080p/i，图像宽高比为16∶9。我国广播电视用的高清视频图像格式主要有 1920×1080i/50，1280×720p/50，1920×1080p/50。但是，研究表明，直接采用这些标准，很多情况下并不适合视频监控场合。

例如，宽高比方面，从对监控场景理想设置来看，可能需要两类宽高比图像格式：1）n∶1（n≥2），适应更宽视野，因为很多情况下，人们更关注的是监控画面中地面上的人或物，而希望上半边天空的比例要小；2）1∶1，适应垂直监控，如高空瞭望。

另一方面，对于监控场景而言，隔行视频采用固定的25 f/s的帧率也不合适，很多情况下，希望帧率更高。例如，在监控高速行驶的车辆通过时，25 f/s的图像就很模糊，需要 50 f/s甚至 100 f/s。另一些情况，5 f/s～10 f/s就够用了。因此，需要可变帧率的高清摄像机。

监控行业多为户外场景，光线变化大，易受天气、尘雾影响，还会在夜间工作等。因此，监控行业的高清摄像机应具有更高的灵敏度、环境自适应性、去噪声、去抖动、去彩色和红外功能等。

综上所述，高清监控摄像机在分辨力、宽高比、帧率以及环境适应性等方面与广电行业都有很大不同，对于某些特殊的应用场合会需要向甚高清（Ultra High Definition）（如 4K，8K）和甚高速/灵敏度（Ultra High Speed/Sensitivity）两个技术方向上发展。因此要想在监控领域用好高清监控，首先要解决好高清监控摄像机技术标准问题。

另外，前端摄像机的清晰度主要取决于感光芯片的性能，感光芯片分CCD与CMOS两种。笔者对两种摄像传感器性能做了简单分析和比较，见表1[4]。但就目前发展来看，由于CMOS传感器在信噪比和照度上与CCD仍会有差距，因此对安防监控应用，CCD高清摄像机更合适。鉴于CMOS高清摄像机成本优势明显，在监控环境良好的情况下，可采用CMOS高清摄像机，同时还可以通过施工布线、外部补光等技巧，减少环境对监控效果的影响。

3.2 高清视频监控图像压缩编解码技术

最近，公安部和国家安防委拟推出一个新的用于图像监控的视音频编码国家标准（SVAC）[5]。其中H.264作为国际性标准，在视频质量、压缩效率和数据包丢失恢复、网络适应性等方面都超越了MPEG-2和MPEG-4视频压缩标准，已被广泛用于视频监控的实时传输。而JPEG2000以图像质量为目标，可以提供清晰的单帧数据和可伸缩质量。由于视频监控的一个最重要问题是事后取证，需要从存储的视频数据中提取大量细节信息，甚至需要对图像进行逐帧分析，在这种场合，JPEG2000编码非常有用，并被用于DVR双流存储标准中的关键帧编码。然而从技术的观点看，在一种设备上用两种编码标准，会造成软硬件资源的浪费。

表1 传统CCD与CMOS技术比较

此外在视频监控领域，基于异常事件触发的主动可伸缩编码技术，如通常情况下采用码率低的H.264帧间编码算法对监控地点采集视频数据，一旦有异常发生，自适应的切换到全I帧编码对事故现场进行抓拍，这样既保存了现场的细节，又不会给传输或存储带来较大的压力。其他一些针对监控系统的编码结构，如基于压缩传感理论的压缩算法等，也成为研究的热点。即将推出的SVAC标准，吸纳了H.264，SVC，ROI和异常事件触发等多项技术特征，将成为今后视频监控编码技术的方向。

3.3 海量视频存储与检索技术

视频高清化带来了监控视频数据的海量存储与检索问题。举例来说，标清视频（D1）采用H.264压缩，一般码率可以压缩到1.5 Mbit/s以内，而采用同样压缩标准的高清视频，其码率高达7.5 Mbit/s，数据存储时限30天，一个基层监控中心（派出所或分局）按照50路视频信号计算，存储空间为（50×（（30×24×3600）×7.5÷8）/（1024×1024））Tbyte≈116 Tbyte。

由此可见海量视频对存储系统的存储空间和并发读写带宽都带来了巨大挑战。另一方面，智能检索技术引入，如基于事件／内容的海量视频智能检索方法，可以有效提高历史视频数据事后取证的快捷性，解放人力，提高效率。

4 高清图像监控的分析与应用

智能图像监控是城市公共安全图像监控系统发展的一个重要方向[6]。高清智能监控不仅能进行准确的目标识别、生物识别，还能进行高速路的车辆行为、大范围高密度人群进行监控。比如在银行和超市进行人脸识别，并可与人脸数据库比对，高速公路上对车牌照进行识别等。相同分辨力下，高清图像监控系统的监控范围约为标清系统的4倍，对于广场等大型的公共活动场所，有利于对人群的密度、流量及群体异常行为进行智能分析。

高清图像监控系统面临着海量数据传输、存储以及检索带来的巨大压力，除了提高压缩效率、增大传输带宽、扩展存储空间等，智能视频分析技术的发展带来了解决这些问题的新途径。如主动智能前端技术，能依据报警信号自动控制编码器发送高分辨力视频，而在正常状态下发出“无关紧要”的视频流，可以节省90%的系统带宽和30%的存储容量，并保持覆盖范围内的监控质量。此外，智能传输与存储技术、基于内容的智能检索技术等都可以有效降低高清图像带来的传输与存储压力，并提高检索效率。

实现高清智能分析的方式有多种，其选择取决于复杂程度如何。在全数字系统中，可利用IP摄像机的富余计算能力，还可借用额外的处理器或DSP，也可通过DVR或后端服务器上的应用软件来实现。今后应把智能分析的实现分散到高清图像监控系统的不同环节，如前端和后端系统相结合来实现高级智能。

采用高清智能化的图像监控系统，在保证有效的信息源的基础上，提升了业务功能，具体表现在以下几个方面：1）快速的反应能力，即由传统的被动监控变为主动监控，根据检测到的现场数据及时、快速地实施预案；2）高效的行为识别能力，即有效识别潜在的危险行为，预防恐怖事件的发生；3）精确的流量统计功能，即精确统计车流量、人流量、有效降低拥挤事故发生；4）系统的管理决策能力，即有效提高城市公共安全综合管理水平。

5 小结

目前高清监控技术还处于初步应用的阶段，一些技术储备还明显不够，需要业内高度重视。一方面，要积极推进高清化和智能化进程，如标准制订、技术开发、产品入网测试认证等。另一方面，要加强应用需求和应用规划研究，稳步推进高清视频监控技术的应用，提升城市公共安全图像监控系统的建设水平。

[1]Axis.HDTV（High Definition Television）and video surveillance，Whiter Paper，2008[EB/OL].[2009-12-20].http：//www.docstoc.com/docs/11589159/HDTV-and-Surveillance.

[2]SMPTE274-1998.1920×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates[S].1998.

[3]ANSI/SMPTE296M-1997， 1280×720 scanning，analog and digital representation and analog interface[S].1997.

[4]MAGNAN P.Detection of visible photons in CCD and CMOS∶a comparative view[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A： Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2003，504（1-3）：199-212.

[5]陈晓辉.国家标准SVAC将成为安防监控产业发展的重要里程碑[J].中国安防，2009（11）：21-28.

[6]郑世宝.智能视频监控技术与应用[J].电视技术，2009，32（1）：94-96.