智能高清网络摄像机中智能分析的发展探索

■陈文明

智能高清网络摄像机中智能分析的发展探索

■陈文明

智能高清网络摄像机的技术主要包括六部分，其中智能分析系统已经逐渐成为系统的灵魂，并在未来主导智能高清摄像机的应用与发展。

疯狂的市场，激情的市场，是创新改变了需求，还是需求赢得了市场，部分企业早在2006年前就已经看到安防数字化这一趋势，并致力于高清网络摄像机的研究与开发，逐渐引导行业高清智能网络摄像机发展趋势。

随着社会经济的快速发展，安防以及其它视频应用系统的技术也不断升级进步，许多大型的、高端的视频监控项目，都选择了高清网络摄像机，传统的模拟摄像机的销售急剧下滑，高清网络摄像机的销售份额却快速增长。从IT技术发展的趋势来看，数字技术取代模拟技术是不可逆转的。现在的数字电视已经完全取代了模拟电视成为主流，广电部已经宣布将在近期停播模拟电视，使得模拟电视将彻底消失。数字相机也取代模拟相机成为主流，并且数字相机几乎人手一部，在短短的几年时间里就完成了升级换代……

目前中国安防市场上的高清网络监控市场，基本上还处于初级阶段，各类芯片商、产品商、系统集成商、系统平台商在高清网络监控市场上的销量还属试水阶段，高清网络监控的技术、系统都还处在不断磨合完善时期。网络摄像机似乎与高清成了一对强强联手的组合，在世界的安防市场上崭露头角并闪亮登场。作为高清视频监控最前端设备，高清网络摄像机是提供视频监控的信源，将视频进行高清编码和IP封装，通过IP网络来承载高清图像，可实现高清监视、录像等监控功能。从三网合一的下一代互联网（NGN）技术来看，广播电视、电讯、互联网、以及移动宽带等无线网络将融合成下一代的互联网。以包交换为特征的IP网络，取代原有的以线路独占式的传输网络。它将是更加全面的覆盖、并且无所不在。有线方面，将以光纤入户（光进铜退）为主，无线方面，则以WIFI+4G自动切换为主。有线和无线的宽带为视频的传输提供了极大的便利条件，这是视频监控网络化的基础。视频监控作为以视频传输为核心的系统，也将融入这一大的网络系统，信息孤岛必将被消除。这是因为，从智慧地球（城市）的观点来看，所有的信息都需要互联互通，才能做出智慧的决策，视频监控系统，不仅公安需要，应急指挥需要，政府领导需要，相关单位如城管、消防、环保、水利等等都需要。当然，访问权限和安全性需要得到保障，但这不是信息孤岛存在的理由借口。现在，国家正在大力的推进物联网技术的应用和发展，其基本的思想是“物物相连、感知中国”，也就是“更加全面的透彻的感知、更加全面的互联互通、更加智慧的决策”。视频以及将其直接接入互联网的高清网络摄像机，将作为人类信息的第一来源，必将在物联网、下一代互联网的应用中发挥更加宏大的作用。

智能高清网络摄像机技术分析

智能高清网络摄像机技术是一个高度技术密集型的技术，高清网络摄像机的发展可以从清晰度和传输速度以及应用情况等多个方面综合来看，涉及到众多的核心技术和知识产权，要掌握这些核心技术、需要企业投入大量的人力、物力、时间和资金，需要积淀和积累，因此它也提高了行业进入和竞争的门槛。

它主要包括以下模块：

图像处理ISP（Image Signal Processing）

编解码Codec（Video Coding and Decoding）

流媒体Streaming Media（如Iive555等）

网络存储NVR

网络应用系统Video.Net

智能分析系统IVS（Intelligent Video Surveillance）

首先，最前端光学图像信息的采集，涉及到光学、图像传感器（Optical Sensor）, 有CCD（Charge Couple Device）, CMOS（Complementary Metal-Dioxid Semi-Conductor）两种主要类型，以及前端图像处理，所谓的3A算法，自动曝光（Auto-Exposure）、自动白平衡（Auto-White-Balance）、自动聚焦（Auto-Focus）等算法，以及一些色彩处理的算法、这些核心算法主要掌握在日本企业如Sony、日立、佳伦、Sharp等企业手中，一直对其他国家封锁。“一种自动聚焦方法及装置、数码摄像装置”（国家发明专利，200910107998.4），研发出具备自主知识产权的全系列前端传感器、包括1080P的低照度、宽动态等性能，取得重大突破，其效果直逼国外同类产品，并获得了国内、外的技术专家的高度关注。

在编解码方面，国际上最新的标准目前是H.264, 它是视频系统中核心部分，因为视频，尤其是高清视频，一秒钟的视频数据量可以达到几个Gigabytes的级别，即使经过精细的压缩，它也占据了系统中绝大数的计算量、带宽和存储，因此，视频压缩技术是数字多媒体系统的核心技术。在H.264的基础上，部分企业逐渐开展H.265（新的正在发展的国际标准，目前已有初步的测试代码），以及On2 Technoloyies的VPx 系列算法，以期获得更高的解码率。为适应未来的移动网络和窄带的网络环境，在此基础上提出基于频谱分级编码算法（“基于频谱的图像分层编码方法及系统”，发明专利，ZL200810062928）。

在应用系统上， 更多的产品需要实现ONVIF协议，并可以与国外的一些主流平台如Milestone、AXXONITV、DIGFORT、SEENERGY等实现无缝对接，需要与主流的NVR，如国产海康、威乾、台湾的Nuuo、QNAP、ONSSI等NVR的对接，同时，与互信互通、华赛、科达等平台的对接也很重要。

视频智能分析技术分析

高清网络摄像机最大的优势是可以实现强大的视频智能分析技术。视频分析作为高清监控系统中智能功能实现的重要媒介，在高清监控系统应用中具备非常重要的地位，高清摄像机由于提供足够的像素、从而提供更多的细节和特征，使得目标的分类、甚至是识别成为可能。在用于监控目的（非专业抓拍的）的高清网络摄像机的抓拍图片中，可以识别出比如人脸、车牌、行为等等。

现有的智能分析主要包括以下环节：

目标检测：目前的目标检测技术主要是采用基于高斯（或多高斯模型的）背景估计和背景减除的方法，这种方法在光线变化剧烈的环境（如繁华的街道，霓虹灯路口）等场合下，就会失效，这时采用基于特征的检测方法才有可能工作。高清网络摄像机就可提供足够的像素和字节特征，可抵御光线变化带来的干扰。目前的视频分析技术，与传统的移动侦测技术相比，主要进步在于对一些规则运动的过滤，如树的摇动，水波浪的运动、喷泉等等，以及缓慢的光线变化等等。

目标跟踪：通过对连续视频的目标检测，建立移动目标的关联，从而实现对目标的跟踪，和辨识（建立目标ID），才能进行有效的行为分析。在目标的跟踪过程中，还要采用预测的方法，如线性预测、卡尔曼滤波、离子滤波，Mean-Shift等方法，才能建立较好的跟踪，并解决目标重叠和遮挡的问题。较高的像素特征，对于跟踪效果也有大幅的提升

目标的行为分析：在建立了目标跟踪的基础上，才能对目标进行有效的行为分析，如跨线，越界、进入区域，退出区域、在区域内徘徊、逆行、计数（流量统计）、物品消失、遗留物等等进行检测。

目前，视频分析技术尚未得到广泛的应用，主要有以下原因：

用户缺乏对视频分析功能的理解，很多用户并非专业人员，对视频分析，甚至是安防产品的使用方法缺乏足够的理解，不知道如何用好视频分析来减轻用户监测现场的负担。而智能分析技术的研发人员，则对用户的实际需求不了解，从而造成智能分析技术与应用需求的脱节。

目前缺乏低成本的产品与方案，虽然带智能分析功能的网络摄像机已经面市，但价格依然偏高，独立的视频分析盒会增加很多成本，后端的视频分析软件，只能对少数的摄像头进行分析，很难起到全面预警的作用。因此，智能分析将会集成在高清网络摄像机上面，这已经没有悬念。这将会大大降低视频分析技术的成本，使得智能分析技术得到广泛的应用和普及。

智能分析技术应用趋势分析

随着视频分析技术的发展，产品逐渐集成化，出现智能前置与智能后置两种发展趋势？我们认为智能前置是主要的趋势，因为，在后端进行分析，毕竟计算量有限，传输的带宽有限，分析的视频路数也有限，而现在的安防工程中，有大量的，数以几千、几万、甚至几十万的摄像头，是不可能用人力进行监视的。对于众多现有的没有智能分析功能的监控系统，也可以将智能中置，也就是在前端的DVR、或NVR实现智能分析的功能。后端可根据前置、或中置的分析结果，作出一些宏观的统计分析、数据挖掘和预测。总之，智能分析的目的，是减轻人类用眼睛监视的负担，过滤掉一些例行的、无关的视频，提取值得关注的视频场景，因此，智能前置应该是必然的趋势。

从应用的场合来看，智能分析不仅用于安防监控，同时，也可以用于企业或行业的管理。例如车牌识别，和人脸识别，可以用于卡口、门禁控制，特定的人或车进出某个特定区域的统计。零售或业务处理的排队长度估计，办事大厅人员密度的估计，以及商场、或仓库的各时段、各区域顾客密度的统计等等，都可以让管理人员及时做出相应的管理调整。视频分析需要在常规的智能分析的基础上，针对特定的应用，甚至特定场合进行特别的开发，而这些针对特定应用的开发，从算法原理上，都会与通用的智能分析方法有根本的不同。例如，在指定的位置上，监测是否有车辆通过，相当于地感线圈的功能，也被称为“虚拟线圈”，就不能用智能分析中跨线功能，其检测率是达不到地感线圈的要求。北京大学深圳研究生院开发的“虚拟线圈”技术，就是采用的基于特征的检测技术，经过在安徽铜陵等地进行的实况测试，达到甲方所期望的技术要求，并诞生了多项的专利技术，甚至包括了基础的图像处理的一些算法专利。再例如北京大学深圳研究生院与香港生产力促进局合作开发的车载行人检测算法，采用了HOG和HAAR特征相结合，在快速移动和变化的背景下、完成对行人的准确检测与预警、并成功进行了车载实验，得到香港创新署的高度认可。

其实，智能分析的算法早在其它的领域，如工业制造中，就有许多的应用，例如，加工零件的检测、定位、以及位置的校准，零件的识别与分拣、零件与产品的缺陷检测等等，属于工业自动化的领域，算法开发人员在专业的图像处理平台（提供基本的一些图像分析的功能模块）上，根据不同的应用开发不同的智能分析算法，这对于智能高清网络摄像机的应用来讲，也许是一种启示。德州仪器公司就提供这种图像处理的芯片，提供基本的图像处理功能，如目标的提取、跟踪、人脸检测等等，具体的应用算法将根据具体应用来开发。这也将造就无穷无尽的个性化的产品，来服务不同的应用需求。另外，智能检索其实是一个非常重要的技术，尽管实时的智能分析可以起到某些预警的作用，但大多数情况下，都是事后调阅大量的录像，这一工作量十分巨大。有时为了查阅这些录像资料，公安部门不得不雇佣大量的人工来查询，据报道、某市公安部门曾经为搜索某个重大的案件、花了数月的时间，和大量的人力，来查阅相关视频录像，最后还是一无所获。因此，在对视频进行压缩和分析同时，就把某些智能分析所需要的特征存储起来，并进行一定程度的索引，采用如K-D树等搜索技术，然后，可以根据不同的情况设置不同的搜索条件，对已经储存的特征进行搜索，可以大大加快检索的速度，同时提高检索到相关事件的检索率。还可以进行多种设置条件下的组合检索，多个摄像头的组合检索等等，由此可见智能检索在智能分析中的重要性。

结束语

高清网络摄像机，作为智能分析平台的前端，使智能分析得到更加广泛的应用的和推广，同时也进一步促进高清网络摄像机的发展，成为网络摄像机相对于模拟摄像机的一个重要的优势。从近一两年的趋势来看，高清网络摄像机的性能会进一步提高，成本会进一步降低，智能分析的技术会越来越成熟、应用越来越广泛、加之三网合一、物联网等网络建设越来越成熟，从而使高清智能网络摄像机占据越来越多的市场份额。因此，我们将会看到，高清网络摄像机的迅速崛起，必将导致又一次的从模拟到数字技术的升级与换代。

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