具备智能识别的高空抛物监控设备关键技术浅析

■ 文/公安部检测中心 张双双

关键字：高空抛物 智能算法 高清 全彩 低照度

1 引言

随着中国城市建设及配套设施的逐步完善，高层建筑不断增多，在给人们生活带来便利的同时，也给城市增加了一个悬在头顶的痛--高空抛物事件。尽管很多住宅小区、学校及人员密集场所通过树立标语、警示牌等方式提醒人们禁止高空抛物并广泛宣传其社会危害性，但现实中一个个血淋淋的沉痛教训却层出不穷。例如，2020年发生在上海闵行区的某女子高空抛物致他人车辆受损事件，以及发生在深圳的玻璃高空掉落致使8岁男童被砸身亡事件，还有2021年发生在河南郑州的男童被砸身亡事件等等。高空抛物行为轻则造成财力物力损失，重则对公民生命安全造成严重威胁。为此，我国陆续出台了系列法律法规，《中华人民共和国侵权责任法》《民法典》《物权法》均对高空抛物行为和责任进行了明确规定,更为重要的是，自2021年3月1日起高空抛物正式入刑，最新的《中华人民共和国刑法修正案（十一）》第三十三条明确规定：从住宅楼、办公楼、商业楼等高层抛掷物品造成严重后果的，处一年以下有期徒刑、拘役或者管制，并处或者单处罚金。高空抛物行为正式入刑是对肇事者强有力的警示和打击。高空抛物监控设备已经成为小区、物业及公安系统管控此类事件强有力的工具。随着智能识别技术的发展进步，高空抛物智能识别监控设备的作用日益突出。本文以高空抛物智能识别监控设备在公共安全防范领域应用的重要性为出发点，深入分析此类设备在实际应用中的关键技术指标。

2 具备智能识别的高空抛物监控设备

监控技术对高空抛物事件的取证和阻止起到了关键作用。随着智能识别技术的应用和发展，根据监控视频数据分析判定责任人权责已成为维护受害人权利的主要手段，对公安执法人员维护公民人身财产安全、依法取证起到了积极作用。新刑法实施后，对高空抛物事件责任人量刑已成为不争的事实。如何快速确定责任人、锁定抛物者、还原抛物事件已成为亟需解决的问题。在这种需求背景下，高空抛物智能识别监控设备也如雨后春笋般出现在小区、学校及人员密集场所。相对于以往监控设备的不足，高空抛物智能识别监控设备通过内置智能图像识别、目标跟踪、距离建模及其他特有算法可对高空抛物事件进行图像信息提取、数字化计算，并可自适应复杂场景模式快速还原高空抛物事件，实现一体化平台监控预警。

2.1设备形态

高空抛物智能识别监控设备分为两类：一类是在前端摄像机集成了智能AI特殊算法。这类产品的特点是设备集成度高，采集和分析一体化设计。前端采集到的图像经过算法分析得到高空抛物事件的关键因素，再把分析后得到的图像通过无线或有线传输到控制平台。该类产品操作简单，可快速还原整个高空抛物事件的始末；另外一类是前端采集设备+后端智能分析系统。此类设备能够弥补集成设备不够灵活的缺点，可适配不同采集终端，适应不同市场需求。但由于目前编解码能力受限，此类设备在后端分析系统对图像进行解码后，图像质量相对损失较大，前端采集设备需具备更高的图像质量才能预防夜间目标无法检出的缺陷。高空抛物监控设备与普通的图像采集摄像机相比具有如下优点：一是高空抛物监控设备采用了先进的智能图像识别算法，可以实时记录、预警高空抛物事件；二是高空抛物监控设备对采集到的图像清晰度、最低照度及外壳防护等提出了更高的要求；三是高空抛物监控设备应用于高楼层、人员密度大的生活小区及办公楼，对镜头参数及图像传感器选取也有特殊要求。

2.2 高空抛物智能识别算法

目前高空抛物监控设备的主要特点是内置了智能识别算法。在监控过程中，智能图像识别技术是现代安防监控的核心技术，具备智能识别的监控设备可自动捕捉快速下落物品的图像，通过智能算法对采集到的图像进行建模和分析，还原高空抛物事件的过程轨迹。高空抛物智能图像识别是对图像中的移动物体进行检测、检出并跟踪的过程，也是对图像进行数字化解释、提取有用信息、建模运算的过程。高空抛物智能算法具有多样性，如帧差法、背景差分法、光流法等。但传统的高空抛物智能算法有一定的局限性，如帧差法对树叶、衣物等存在一定的误检率，光流法也有同样的问题，检测准确率尚不足。现代智能抛物图像算法在原有算法的基础上对其进行创新改进已经取得了长足的发展，有些算法通过采用背景差分+目标移动距离并结合特定的跟踪算法实现对抛物事件的有效检出，有些算法则对图像智能识别、聚类分析、特征选取与提取、人工智能深度学习等方面进行挖掘，弥补了原有算法的不足，对提取到的有效图像信息进行智能算法分析和统筹运算，包括计算下落物体大小、下落速度、并发高抛物体数量等，大大提高了对高空抛物类事件的捕获率和检出率，可提取并排除高空抛物干扰事件，包括雨、雪、飞鸟、树叶、衣物或其他飞行物等，从而有效甄别抛物事件和常规类似抛物事件。

2.3事件追踪、智能抓拍、报警推送

高空抛物监控设备可以实时追踪从高层建筑抛出的坠落物轨迹。普通视频监控系统后台数据量大，提取高空抛物事件信息记录工作繁琐，无法实时对事件进行追踪锁定。为了方便后期对录像文件进行检索，可以当采集终端检测到有物体下落时自动打上标签，通过此功能可实现快速检索目标录像文件，避免后期翻看大量录像文件。高空抛物监控设备可对高空抛物事件进行抓拍并可将视频图像存储于云端，同时可根据事件的发生时间、地点等属性进行分类，并将相关告警信息推送至后台监控平台或WEB端，监控平台可通过记录标签找到对应的视频图像、回放坠落物轨迹图并判断坠落事发处和坠落地点，使相关人员可以实时处理高空抛物事件，及时锁定抛物点及抛物肇事者。

2.4定位功能

实际应用中，监控后台会接入不止一台高空抛物监控采集终端，例如小区管控抛物监控平台不仅只是针对一栋居民楼进行监控，若小区较大，需要安装几台甚至几十台视频采集终端且安装位置分散，若在高空抛物监控采集终端集成了设备定位功能，则可大大方便监控中心快速锁定抛物监控地点，及时做出应对措施。管控平台如图1所示。

图1 智慧社区高空抛物管控平台

3 关键技术

3.1高分辨率、高帧率

高分辨率是保证图像清晰度的重要前提。标准清晰度摄像机对远距离、高速下落、像素占比小的物体拍摄时清晰度不足，当放大监控画面之后，画面则变得非常模糊。因此，高空抛物监控设备多采用分辨率不小于1080P的高清晰度摄像机。另外，高空坠落物的下落速度很快，普通的低帧率摄像机无法捕捉目标变化趋势、不能进行图像建模计算，严重影响高空抛物事件的检出率，因此高空抛物监控设备通常选用帧率不小于25fps的摄像机。

3.2 图像传感器尺寸

图像传感器是通过内置光感应器采集光信号并对采集信号进行光电转换的一种处理模块。这种模块有两种类型：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。CCD图像传感器的主要优点是可配置较高分辨率、图像动态范围广、灵敏度强且兼具高信噪比。CMOS图像传感器的主要优点是具有很好的影像控制能力，包括自动增益控制、自动亮度、自动白平衡，图像对比度、图像边缘增强技术以及伽马矫正技术等。根据不同场景和需求可以选择适合的图像传感器类型。传感器靶面尺寸大小有多种格式，如果两台摄像机具有相同的像素，则比较其内置传感器靶面尺寸，尺寸大小与感光面积成正比，尺寸越大，处理光线能力越强，图像内容则更加层次化、更丰富、图像质量更高。由于高空抛物监控区域范围大，对光线敏感度高，因此，为得到较大的视场角度和较高的图像清晰度，一般选用较大尺寸的图像传感器。

3.3镜头

镜头按结构分类，有自动光圈、手动光圈等多种类型。高空抛物摄像机的镜头一般选用自动光圈变焦镜头。高空抛物使用的视频采集终端多在室外安装，室外光线的动态范围变化较大，夏天阳光充足时环境照度可达10000Lx-100000Lx，夜间环境照度低于50Lx，自动光圈镜头在环境光线变化时能适应光线明暗需求自动调整通光量，很好地呈现当时画面。镜头按焦距分类，有短焦距、中焦距、长焦距和变焦距等不同类型，高空抛物事件监控楼层高度不固定、监控物体持续运动位置不固定，所以应使用变焦镜头。

3.4 最低照度

照度是摄像机对光照强度的反应能力。在一定光照条件下，摄像机刚好能看到物体时测试得到的照度值，我们称之为最低照度，它可以反映摄像机在环境光足够低时能够呈现物体图像的能力。

可通过测量摄像机的最低照度，对摄像机进行等级评价：

1)普通级：最低照度≥0.1Lux；

2)低照度级：最低照度≤0.1Lux且≥0.01Lux；

3)月光级：最低照度≤0.01Lux且≥0.001Lux；

4)星光级：最低照度≤0.001Lux。

小区的夜间光照通常不足，实际生活中为保证业主休息，不能通过补光等方式来提高环境照度，但普通的红外监控设备无法拍摄到坠落物的颜色、大小和特征，因此无法很好地呈现下落物体的颜色及显著特征。为在夜间也能采集到清晰可用的抛物视频图像，需要使用低照度视频采集终端。随着图像传感技术的提高，以及图像降噪算法的应用，月光级、星光级以及黑光等低照度摄像机不仅白天拍摄画面清晰，夜晚也可借助周围的辅助光源、凭借其出色的低照度效果和柔光补光效果获得全彩色实时视频图像，显示彩色监控画面。普通低照度摄像机在光线不足环境下会出现拖尾现象，而月光级、星光级摄像机具有超灵敏度图像传感器，运用了独有的噪点控制技术和电子放大技术，极大地提高了图像质量，可在白天和夜间呈现全彩色实时图像，满足了夜间图像视频采集需求，对高空抛物视频监控具有重要意义。

3.5 宽动态

当拍摄画面出现强逆光照射或其他原因引起画面过暗时，图像会出现人眼无法辨别的暗区域，当在超强光源下拍摄画面时，画面会出现过曝光的亮区域，如果一副图像兼具暗区域和亮区域则无法获取图像细节，在高空抛物视频采集时会形成无效图像，无法还原抛物过程。要解决这一问题，宽动态技术必不可少。具备宽动态的摄像机可以解决输出图像因为亮区域过曝光成为白色和暗区域曝光不足成为黑色的现象。如图2所示，图(a)为未开启宽动态功能拍摄的图片，存在明显的明暗对比区域，而图(b)为开启了宽动态功能拍摄的图片，图像质量明显高于前者。

图2 宽动态功能对比

3.6 透雾

冬季有雾霾时，摄像机会因为雾霾阻挡看不清拍摄图像，抓拍及录像视频也会因为雾霾覆盖而丢失画面的关键信息和细节图像。当监控画面中发生高空抛物事件时，将会缺失有效数据信息，降低视频监控采集图像的实用性，因此越来越多的高空抛物监控设备内置了透雾功能。光学透雾是利用近红外波能够绕射微小颗粒的原理，使摄像机在监控过程中避免雾霾烟尘等干扰，呈现高品质画面。算法透雾则是通过算法加强图像中的有用特征、抑制无用信号，改善图像质量。随着技术的进步，有些摄像机已经集成了光学透雾和算法透雾功能，可以通过设置透雾级别等方式实现最佳区域透雾效果。

3.7 防水防尘性能

因高空抛物监控设备均安装在室外，室外环境常伴随风、霜、雨、雪等不确定因素及雨雪等长期侵蚀会对视频采集终端设备造成损坏。因此，高空抛物设备必须具备高防水高防尘的性能要求。通常对高空抛物视频采集终端的外壳防护需要满足不低于GB/T 4208-2017外壳防护等级（IP代码）中IP66的要求。

3.8 防雷保护

高空抛物智能识别监控设备安装位置较高，因此防雷是必备的功能。特别是雷雨频繁的地区，若不具备防雷功能，不仅设备容易损坏，而且有可能引发火灾。因此，高空抛物智能监控设备应具有防雷击保护装置。

3.9 智能识别算法指标

高空抛物智能识别监控设备的智能化指标主要是检出率和误报率。新刑法落地后，高空抛物监控设备出现了百花齐放、百家争鸣的局面，各个厂家研发投入及技术能力各不相同，内置智能化算法也各有不同，不同厂家生产的高空抛物监控设备的智能化指标能力参差不齐。因此，规范检测高空抛物事件的检出率和误报率具有重要意义。高空抛物事件的检出率=（抓拍到的高空抛物事件/实际发生的高空抛物事件）*100%，高空抛物事件的误报率=｛抓拍到的疑似高空抛物事件/（抓拍到的疑似高空抛物事件+抓拍到的实际发生的高空抛物事件）｝*100%。

同时，高空抛物监控设备后台控制平台需具备智能报警推送、异常画面自动弹出、一键回放、高空抛物事件记录、事件查询等功能。当前端检测到有高空抛物事件发生时，能够自动抓拍抛物图像或视频，并在后台控制平台弹出图像或者视频，及时提醒监控中心值守人员。当需要查询指定高空抛物事件时，可通过关键字检索或自动标签索引查看指定视频或图像，从而大大降低监控中心值守人员的工作量，提高工作效率。

4 结语

高空抛物事件的有效预警是公安执法人员办案取证的重中之重。随着视频监控技术的蓬勃发展及智能算法的不断迭代，对高空抛物智能识别监控设备的质量监管也在逐步提升。公安部检测中心秉持公平、公开、公正的态度，深入了解高空抛物智能监控设备的基本功能及性能要点，对此类设备的检测能力不断提升，对小区物业监管、公安取证、企业提高设备能力方面都起到了有效的助推作用。

本文以新刑法的实施为基础，探讨了智能图像识别算法的发展趋势，结合高空抛物视频监控的特点对高空抛物智能识别监控设备的关键技术进行了描述，对规范安防领域内高空抛物智能监控设备的性能、生产企业进行此类设备开发、小区物业按需求采购以及保护人民生命财产安全具有重要的现实意义。