城市公共安全图像监控技术的发展论述

陈 平，郑世宝，张重阳，杨 华

（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 城市公共安全图像监控系统发展概述

作为人类文明的集中体现，城市的飞速发展，共享着人类的资源，创造着人类的未来，为提高人们生活水平打下了坚实的基础，美好的城市生活成为了全社会为之共同努力的愿景。然而，美好的城市生活需要强有力的城市公共安全体系的保证。随着科技的发展以及公共范围的日益扩大，城市公共安全图像监控系统在城市公共安全常态管理、重大活动及突发事件应急指挥中发挥着越来越重要的作用。城市公共安全涉及范围很宽，包括公共环境监控（环境污染、水污染、火警）、公共安全监控（重点保护单位、学校、商店、银行、居民生活小区等）、公共交通监控（交通卡口、道口、线路监控、公共交通车辆、轨道交通监控、车流检测、车牌识别、交通违章和肇事）、安全生产监控（电厂、水厂、化工厂、食品等）以及重大活动保卫和重大突发事件监控及应急指挥、反恐等。城市公共安全监控在上述领域中发挥越来越重要的作用[1-3]。

然而，城市公共安全图像监控系统的建设和发展仍面临诸多挑战：1）人口高度密集、流动，这给图像监控系统的准确监控带来了很大的不确定性；2）各种交通运输系统繁忙，监控系统的负担日益增大；3）重大活动频繁，参与广泛，监控系统必须能够有效而迅速地检测异常事件并作出反应；4）恐怖事件、突发事件和恶性案件频发、复杂，公共空间对于监控系统，特别是新型智能监控系统的要求日趋提升；5）犯罪行为和手段越来越高明、隐蔽，对于监控系统的准确性和稳健性有了新的要求；6）城市范围越来越大，城乡渗透互动发展迅速，监控系统网络发展以及监控系统之间信息的互通都成为了新的技术焦点；7）信息传播高度发达，对监控系统信息的传播以及其传播方式提出了更加多样化，同时也更加苛刻的要求。

2 城市公共安全图像监控系统简介

城市公共安全图像监控是指综合利用各专业委办局、各区县政府及社会单位的图像监控资源，包括视音频监视设备和存储数据、报警探测设备和数据、多媒体通信网络等技术和设施，在城市范围内构建的能够对设防区域进行实时图像监控，历史图像查阅以及报警联动的电子信息系统[4]。

城市公共安全图像监控应该包含“监”、“控”、“查”以及其他方面，如表1所示。

表1 图像监控系统的主要功能

城市公共安全图像监控体系以公安图像监控系统为核心，有效整合和利用各委办局、区县和社会单位的图像监控资源，构成较完整的监控体系，该体系应包括地面、地下（含室内）和空中三位一体，满足全覆盖、全行业的公共安全监控要求，具有视频、图像、音频及各类电光传感器数据在内的综合图像监控与报警信息系统，并辅以GPS和GIS信息系统。

典型的城市图像监控系统组成如图1所示，主要包括：1）城市监控传感器接入网（视频、图像、音频及其他报警数据传感器）；2）用户接入网（大屏、桌面、移动用户）；3）3级或4级监控中心及其核心骨干网络（市和市局级、区县和分局级、街道或乡镇和派出所级）；4）运维管理系统及其网络。

城市公共安全图像监控体系主要指标：1）覆盖度。要求“看得见”；2）有效度。要求“看得清”；3）智能度。要求“看明白”；4）反应度。要求“效率高”。

3 国内外发展现状和趋势

自2001年美国发生“9.11”事件之后，反恐成为国际社会的一种责任，各国政府均以反恐为目的投入大量资金建设城市图像监控系统[5-6]。来自身边的威胁让公众对于公共安全的需求空前高涨，公共安全图像监控系统的覆盖率和监控效率成为人们日益关注的重要城市指标。世界几大强国，如美国、英国、日本、俄罗斯都成为这次公共安全图像监控系统潮流的代表性国家。

1）美国拥有世界上最发达的安防监控体系，其建设投入占世界安防产业的20%左右，成立了SIA和GSIA以及美国安防标委会（UL）。

2）英国目前世界上摄像头安装密度最大的国家之一，至2007年已具有超过2000万个，其中仅伦敦市内的监控点超过50万个，其监控密度达每平方英里500个以上，以本地录像存储技术为主。

3）日本针对自然灾害多发的主要特点，建立了“全天候、全时段、全方位、立体覆盖”的图像监控系统，利用在地面、高层建筑和直升机上安装的性能各异的监控摄像机和城市的无线监控网络，组成大范围立体覆盖图像监控网络。

4）俄罗斯国土巨大，全国的图像监控规模并不大，主要在莫斯科等大城市进行了大规模的城市图像监控系统建设。由于其要求监控覆盖范围广，莫斯科主要采用地面和空中相结合的图像监控建设方案，建立3个系留气球空中监测站，并配备了2艘飞艇进行空中巡逻，实施大范围动态图像监控，以弥补地面固定监控点的不足。

而在国内，城市公共安全图像监控系统也随着经济发展的需要而广泛地被应用，占据着公共安全中越来越重要的一环[2-3]。随着中国经济和社会的高速发展以及国家对反恐等重大突发应急联动指挥系统建设的投入，城市公共安全图像监控系统进入高速发展期。北京奥运、上海世博等重大活动安保带动了北京、上海的城市图像监控建设水平，而天津、重庆、深圳等大城市以及广东、黑龙江、江苏、浙江、新疆等省市均已投入巨资，建设以公共安全常态管理和重大突发事件应急指挥为目的的公共安全图像监控系统。

城市图像监控系统与技术，经过近30年的发展，已经历了3代系统的发展，目前正步入第4代视频监控的时代，如图2所示。

1）20世纪80年代，第1代系统主要采用模拟电缆电视配合VHS录像带的监控方式，这种方式的特征是以VHS磁带进行录像，其监控范围非常有限。

2）20世纪90年代，随着视频压缩技术和微电子技术的发展，出现了数字编码监控系统和DVR硬盘存储技术，是数模混合的监控方式。

3）进入21世纪，随着互联网技术、流媒体技术的迅速发展，出现了基于IP的网络摄像机和大容量网络存储技术，称之为IP网络监控方式。

随着监控系统的普及，形成了大量分布的监控探头和海量视频监控数据，对监控中心的实时监控和海量历史视频数据的查找带来了前所未有的压力。一方面，能够获得的监控资源越来越多；另一方面，大量的监控信息导致值班人员和案件侦破人员严重陷入“漏看”和“海看”的困境之中。因而，智能监控被誉为下一代的视频监控方式。

4 城市公共安全图像监控系统发展面临的主要问题研究

城市公共安全图像监控系统发展迅速，但也面临着不小的挑战[2]。

4.1 科学布局问题

“看得见”要求覆盖度高。那么到底怎样的覆盖度才能满足这个指标要求？这就是要解决布局问题，即科学布局。布局问题就是密度问题，即城市需要布设多少个监控探头才能满足“平安”的要求。

覆盖度不仅涉及如何定义“平安城市”的科学评价指标，还与关心的监控对象、监控任务属性有关。与面积分布密度（即面积全覆盖）相比，提出了目标有效全覆盖指标，并用于科学布点布局的目标指标。

布局问题中涉及监控探头的覆盖参数和监控点的分布类型，依据不同类型探头的覆盖参数和分布特点，可以设计出科学布点的模型，并依次进行科学的布局。

4.1.1 监控探头的有效覆盖参数

摄像头按照动作的方式可以大致分为固定探头和活动探头。若把摄像头架设在高为h的地方，覆盖距离或面积是摄像头能够照射到的最小可分辨目标的一个扇形（固定）、圆环形（方位360°）或矩形范围（俯仰180°），则可以得到探头的有效覆盖距离或有效覆盖面积参数，其几何模型如图3所示。

由此，则可以简单地针对实际应用环境对所需要的摄像头类型进行判断。

通过这个模型，可以得到2个重要的覆盖参数：有效覆盖距离D和有效覆盖面积S。

针对固定探头和活动探头的覆盖特点，计算D的公式如式（1）和（2），计算S的公式如式（3）和（4）

4.1.2 点、线、面、立体目标覆盖模型

实际监控布点的布局可以将一个复杂的覆盖范围划分为点、线、面和立体等4类基本覆盖模型。另外，根据实际情况，还需要增加机动布点，如行动警察、巡逻车、公交车、轮船、飞行目标等，如图4所示。

根据以上模型分析和计算，可以获得某城市、某区域的科学布点结果（探头数量和分布密度）。另外，还要综合考虑案发率、重要性、可重用性及经济性因素，进行科学优化。归纳起来，科学布点布局的步骤如下：1）采集所辖区域的重点监控目标数据信息，进行目标类型和特性的分析，得到各类模型计算所需的输入参数（地理几何参数和监控点类型）。2）分别进行立体、面、线和点等不同目标类型的布点模型计算，得出基本覆盖布点的结果。3）根据目标有效全覆盖要求，考虑机动点的布设，得到有效全覆盖的布点数量。4）综合考虑案发率、重要性、可重用、经济指标性等影响因素，进行布局结果的调整和优化，最终得到科学的布点布局结果。5）统计布点结果，并在GIS图上给出监控点的分布情况，计算各种覆盖密度指标等。

4.2 资源整合与利用问题

以上海市为例，到2009年底，公安、交警等部门自建的监控资源（探头）和其他委办局和社会单位拥有的监控资源相比，比例在1：20左右[2]。可见，社会监控资源非常丰富，对其有效的利用是值得重视和研究的问题。资源整合与利用同时牵涉到公共安全监控体系结构、联网标准、立法、无线接入、科学管理等问题。针对社会资源整合架构和科学管理体系，提出相关模型。如图5所示。

建议设立市图像监控管理中心，并依托公安系统3级图像监控管理体系，分别设立市级、区级、乡镇或街道级图像资源服务中心及设备维修服务中心，利用社会第三方公司提供的服务，实现资源的有效整合与利用，实现监控资源及设备的科学管理，针对网际联网问题，制订了上海市地方标准《城市图像监控系统网际联网技术规范》。

4.3 新技术应用问题

要实现所提出的“看得清”、“看明白”、“看得见”以及“效率高”等要求，则需要进一步考虑如何将无线技术、高清晰度技术、智能化技术、内容安全技术以及多元信息融合技术等应用到实际的图像监控系统中[2，4，7]。

尽管很多的新技术已经被提出，但是仍然缺乏成熟的运用能力，以上海为例，当前与图像监控系统相关的技术仍存在以下不足：1）实时监控系统主要采用非压缩的光纤传输模式，部分采用IP方式。图像格式多、编码标准多，互连互通难。2）历史视频保存主要采用DVR硬盘存储，联网少，部分采用IPSAN等流媒体模式。3）分辨力不高，在夜间或恶劣天气情况下，大范围监控下的图像质量难以保证。4）无线监控尚未得到很好应用。5）面对探头数量的剧增，缺乏异常事件感知的被动式监控系统，监控中心人员无法及时发现现场案情，漏报和反应速度慢成为主要缺陷。6）面对海量的监控图像数据，缺乏有效的智能检索机制。7）后台图像分析和智能应用不多，信息融合少，报警监控联动和应急预案决策等还很不够。

应用同样遇到了瓶颈问题：面对监控数量的迅速增长，监控中心的值班人员难以及时发现现场出现的危险事件，要求增加人、监视器、网络带宽或主动报警；面对海量存储的视频数据，案件分析和查找人员需要花费更多的时间来调阅和查找关心的事件或证据，要求增加智能检索；面对重大保卫和突发事件的应急联动指挥，指挥人员需要连续跟踪事件的进展轨迹，要求具有可视化的连续跟踪智能监控系统、科学决策系统；面对复杂、频发的高科技犯罪事件，侦破人员需要高科技的智能识别、视频分析、社会计算技术手段；面对全天候、24 h的安防要求，需要有高清晰度、环境自适应、图像自动增强等技术。

为了解决这些问题，超越这些瓶颈，无线技术、高清晰度技术、智能化技术、内容安全技术以及多源信息融合技术应得到足够的重视。

4.3.1 高清晰度技术的应用

目前公安高清晰度技术的应用，包括采用了无失真压缩或浅压缩的光纤传输技术，如无压缩数字光纤传输和矩阵切换技术；双流存储技术，如采用D1分辨力的JPEG 2k格式进行抽帧存储，采用CIF格式的H.264格式实现快速播放和查阅；采用高清晰度摄像机，如采用HDTV格式，分辨力达1920×1080，实现高清晰度采集；采用图像增强处理技术，如各种预处理和后处理图像增强技术，例如防抖动、去云雾、降噪、补光、图像修复或增强、尺寸上变换等。

未来的高清晰度技术应采用具有异常事件敏感的压缩编码技术，如基于异常事件自动检测技术，并对异常事件发生时的图像进行高质量编码，或对感兴趣目标的区域进行高质量编码，而其他情况，采用抽帧或低分辨力的编码，以提高效率和有效性，并非简单追求高清晰度设施。

4.3.2 智能化技术

智能化技术主要指具有智能视频分析的系统和设备，其应用主要包括：1）采用具有异常感知的主动前端采集与编码技术，比如在摄像机或网络编码器中嵌入“异常事件感知”模块，并对异常事件予以报警，根据此报警指示能够进行编码器或存储器中编码类型的选择。2）基于内容或事件特征的视频存储与海量视频检索技术，即在存储服务器里首先进行内容或事件特征信息的提取，然后，进行特征信息和原始信息的编码和存储，用户即可利用此特征信息进行海量视频检索。3）采用具有自动生命周期管理的网络存储技术，即利用ILM自动生命周期管理技术，可以永久性地保留监控视频的关键信息。4）采用基于事件的连续自动跟踪监控技术，例如警卫车队、汽车肇事逃逸或其他逃逸，进行连续自动跟踪监控。5）采用基于计算机视觉技术的各种视频分析技术，例如在交通管理中检测交通违章、肇事事件，进行车辆与车牌识别以及流量统计。6）在人群分析中，进行人流密度与人数估计，群体恶性事件预警以及个体疑似危险行为检测。7）在人防安保中，进行越界报警、火警检测、环境污染、生物识别等。在生产管理中，对生产过程以及生产环境进行监控。

4.3.3 多源信息融合技术

多源信息融合技术的应用包括采用3D或多视点编码的立体监控技术；采用GPS/GIS等城市地图信息、监控目标定位信息的应用；采用3G等个人移动电话信息和移动通信网络进行的监控；采用Internet收集以及传播互联网信息；采用NGB，即下一代广播网信息，对特定人群网络进行信息广播；采用声音信息，即对环境进行录音，并实现话音对讲；采用其他电子传感信息，包括微波或红外电子围栏传感信息，烟雾、气体、温度、震动等传感信息，以及生物传感信息等。

4.4 安全问题

安全问题主要有以下两方面：1）系统本身的安全性问题。身份的管理问题，由网络物理结构引起的网络自身的安全问题，及传输内容本身的安全性问题。2）外界反安全技术的威胁。犯罪分子有意图的反侦察，恶意破坏物理设施，甚至对内容进行篡改或冒警等。

这些问题都是在构建城市公共安全图像监控系统时所必须要考虑的部分。

5 总结

城市公共安全图像监控业务已经成为继广播电视和电影、互联网多媒体视频之后的第3大视频应用业务。尽管城市公共安全图像监控系统正迅速发展，但仍面临布局、资源整合与利用、新技术应用以及安全等多方面问题，科学布局与管理、社会资源整合与利用、新技术应用及安全性是城市公共安全图像监控系统发展的核心问题，也是建设新型监控系统的关键。

在现阶段，必须大力发展图像监控新技术，坚持智能化和高清晰度的发展方向。同时加强基础工作，使之成为城市公共安全图像监控系统的有力支撑，推进法律法规的完善、技术的标准化、新技术的开发以及城市监控基础数据库的建立。

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