基于3G網(wǎng)絡(luò)的智慧社區(qū)分布式視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

湯荻

1 引言（Introduction）

隨著3G移動通信能力的提升以及家用安防監(jiān)控設(shè)備的普及，智能移動終端在家用安防監(jiān)控方面的應(yīng)用已經(jīng)成為了一個必然趨勢，家用安防監(jiān)控系統(tǒng)正處于從模擬時代進(jìn)入數(shù)字時代的轉(zhuǎn)型時期。數(shù)字安防監(jiān)控系統(tǒng)[1-3]最主要的特征是智能化，即將被動取證用的錄像方式轉(zhuǎn)化為實(shí)時視頻分析處理，并向相關(guān)人員及時發(fā)送險情以最大化降低損失。目前在入侵檢測、人臉識別、姿勢識別等領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)有了大量的研究并取得了輝煌的成績，現(xiàn)有的安防系統(tǒng)針對盜竊搶劫等刑事犯罪的防御能力已經(jīng)取得了斐然的成績，然而對于弱勢群體出現(xiàn)危險的情況（例如，摔倒、病發(fā)等）卻措手不及，每年因?yàn)槔先说男呐K病高血壓中風(fēng)等情況發(fā)作、摔傷，由于搶救不及時而帶來的家庭傷痛不計其數(shù)，而社會節(jié)奏的加快使得國家建設(shè)的主力軍們?nèi)狈r間去照料這些弱勢群體。

本課題在普通家用監(jiān)控系統(tǒng)中增加一部分軟件處理功能，通過互聯(lián)網(wǎng)（通過手機(jī)郵箱與App即時推送）與一個額外的GSM Modem進(jìn)行結(jié)合，在檢測到有弱勢群體摔倒的時候立刻向相關(guān)監(jiān)護(hù)人報警并傳送截圖或?qū)崟r監(jiān)控影像，為監(jiān)護(hù)人在第一時間做出正確的反應(yīng)，及時為處理措施提供可視化的數(shù)據(jù)支撐。本課題研究內(nèi)容適用于居家，社區(qū)以及醫(yī)療機(jī)構(gòu)病房看護(hù)等方面的應(yīng)用，可以配合現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，是數(shù)字社區(qū)、智慧城市[4-9]建設(shè)的一部分，為忙于工作無暇照料家中老人、病患等的上班族群體提供了便利。本課題的研究主要分為上層監(jiān)控服務(wù)軟件系統(tǒng)部分和下層的家用嵌入式多媒體服務(wù)設(shè)備兩塊內(nèi)容，分別可以實(shí)現(xiàn)公共資源的接入訪問與私有資源的存儲訪問。本課題研究的主要內(nèi)容和整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架圖

Fig.1 The overall system architecture diagram

2 智慧社區(qū)監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)（Distributed video

surveillance systems intelligence community ）

隨著數(shù)字化城市戰(zhàn)略的普及推廣，越來越多的居民住宅社區(qū)引入了全套的數(shù)字化安防設(shè)備，互聯(lián)網(wǎng)與社區(qū)局域網(wǎng)的帶寬不斷升級，現(xiàn)在已經(jīng)全面進(jìn)入千兆光纖時代，同時3G無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的升級，使得視頻信息能夠流暢傳輸。本課題基于現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備與局域網(wǎng)之上，增加開發(fā)一套安防監(jiān)控服務(wù)軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用戶隨時隨地查看所需的實(shí)時或錄像視頻信息的目的（例如停車場的私家車，散步的老人或者玩耍的兒童以及大門外的訪客等）。用戶需使用物業(yè)中心實(shí)名注冊的賬號密碼進(jìn)行訪問，以保障用戶信息的真實(shí)性與合法性，方便物業(yè)管理，增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。

3 家用嵌入式多媒體服務(wù)中心（Household

embedded multimedia service center）

該模塊主要將ARM芯片作為核心處理器，基于Linux系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種功能：

（1）配合無線模塊作為家用無線路由器

目前家庭用戶有多臺設(shè)備（數(shù)字電視、電腦、筆記本、平板或手機(jī)等，以及智能家電）需要接入網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的解決方式是采用一個無線路由器作為WLAN的wifi熱點(diǎn)。在本課題的研究方案中可以讓一臺運(yùn)行中的監(jiān)控服務(wù)器加入無線路由功能，將獨(dú)立的設(shè)備集成到一起。

（2）配置硬盤陣列作為家用多媒體存儲服務(wù)器

傳統(tǒng)的家用視頻監(jiān)控存儲是采用一個網(wǎng)絡(luò)嵌入式DVR（Digital Video Recorder）作為存儲中心，配合多個IP Camera將監(jiān)控視頻存入硬盤中，其缺點(diǎn)在于存儲空間占用量大，缺乏智能分析檢測等功能。本課題研發(fā)的家用嵌入式多媒體中心，結(jié)合了移動物體檢測技術(shù)，通過背景差值法檢測，只在有物體移動的時候存儲有效的視頻錄像，節(jié)約了大量的存儲空間。除此之外，家用嵌入式多媒體中心還可作為家用多媒體服務(wù)器，用戶可以將喜歡的電影音樂等資源存儲在該服務(wù)器上，各個設(shè)備可以共享多媒體資源，更加節(jié)約存儲空間。

（3）智能報警功能

該模塊結(jié)合溫度傳感器、瓦斯傳感器和移動物體檢測技術(shù)，當(dāng)家中出現(xiàn)煤氣泄漏、火災(zāi)等情況時可以即時將警報信息發(fā)送給戶主和物業(yè)；當(dāng)家中無人（上班，旅游等情形）時可啟動自動值守功能，在戶主解除家中無人值守模式之前，若檢測到持續(xù)活動的移動物體可以判定為入室盜竊，及時將家中的視頻或截圖傳輸給戶主的手機(jī)，此外通過GSM modem發(fā)送短信，以免當(dāng)用戶手機(jī)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不好時不能收到及時的提醒。

4 技術(shù)路線（Technical route）

4.1 基于背景幀間差值法的移動目標(biāo)輪廓檢測

采用ARM11芯片（6410）作為主處理器，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，可以讓用戶通過直接聯(lián)網(wǎng)console方式手動設(shè)定配置，開發(fā)相應(yīng)的軟件配合DSP進(jìn)行圖像背景差值法計算移動物體檢測判定。移動目標(biāo)檢測在國內(nèi)外已經(jīng)取得了諸多成績，然而在視頻中對移動目標(biāo)的檢測是一項非常有挑戰(zhàn)性的工作，由于應(yīng)用場景的千差萬別，一個很好的算法可能在另一個場景中誤差較大。灰度漂移算法是課題組最近在研究高斯混合模型的過程中提出的一種消除背景差分法檢測的移動目標(biāo)存在過多噪聲雜點(diǎn)的算法，可以非常有效地消除由于微震動、空氣擾動等原因?qū)е碌南袼鼗叶仍卩徑鼌^(qū)域發(fā)生漂移的現(xiàn)象；多顏色空間信息融合就是利用多個顏色空間中的一些互補(bǔ)分量共同確定移動目標(biāo)。

圖2 移動目標(biāo)站立與跌倒檢測結(jié)果

Fig.2 Result of stand and fall on detection of

moving targets

本課題借鑒國內(nèi)外許多專家和學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn)，針對居家環(huán)境調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)背景和光照強(qiáng)度等參數(shù)，精簡算法的運(yùn)算量以減輕安防系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷，結(jié)合單高斯模型，利用灰度漂移算法和多顏色空間的信息融合有效消除差分后圖像中虛假目標(biāo)點(diǎn)引起的多種噪聲。移動目標(biāo)站立與跌倒檢測結(jié)果對比如圖2所示。endprint

4.2 判定行為模式的設(shè)計

通過對實(shí)時監(jiān)控視頻的處理，將移動物體的相關(guān)參數(shù)存入內(nèi)存，把正常的行走、休息等正常居家行為與跌倒、與歹徒搏斗等情況的參數(shù)進(jìn)行對比，我們可以認(rèn)定在異常情況發(fā)生時，在短時間 內(nèi)參數(shù)的變化十分劇烈，通過相應(yīng)的實(shí)踐，本課題通過大量的實(shí)驗(yàn)積累數(shù)據(jù)找到一個合適的閾值區(qū)間（具體靈敏度可以通過調(diào)整閾值來實(shí)現(xiàn)）當(dāng)超越閾值時即認(rèn)為觸發(fā)報警條件，可能出現(xiàn)了危險。根據(jù)課題組的初步實(shí)驗(yàn)，模擬各種情況，變化劇烈程度由低到高分別如圖3所示，閾值的設(shè)置應(yīng)該在正常居家活動之上，危險行為之下，以確保報警信息觸發(fā)準(zhǔn)確。

圖3 各種行為的模擬圖

Fig.3 All kinds of behavior simulation diagram

4.3 無線路由、視頻存儲服務(wù)器的設(shè)計

前期工作需要在帶有DPS、無線模塊和磁盤驅(qū)動模塊的ARM開發(fā)板上調(diào)通相應(yīng)的功能，后期工作需要根據(jù)需要裁減或增加相應(yīng)的電路和功能芯片，以及外殼，按鍵和紅外遙控器等。家用嵌入式多媒體中心功能模塊抽象圖如圖4所示。

圖4 家用嵌入式多媒體中心功能模塊抽象圖

Fig.4 Abstract figure of household embedded

multimedia center function module

4.4 分布式智慧社區(qū)視頻服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)的用戶分為五種權(quán)限類別：居民用戶、物業(yè)用戶、管理員用戶、警務(wù)/市政用戶和預(yù)留種類用戶。其中居民用戶可以訪問公共資源和自己的私有資源，物業(yè)用戶可以訪問公共資源和居民的部分信息（屏蔽視頻以保護(hù)隱私，可以接受報警請求）并可以受理用戶的各種請求以及用戶的添加修改刪除繳費(fèi)、續(xù)費(fèi)等操作，管理員用戶可以查看所有非視頻類賬戶信息，警務(wù)人員用戶在申請得到授權(quán)的情況下可以查看到所有可以訪問的信息。預(yù)留用戶作為將來系統(tǒng)發(fā)展所需的備用，暫不使用。系統(tǒng)將記錄各用戶使用的記錄和IP以系統(tǒng)日志方式備案。此外，由于用戶的私有視頻存儲在自家服務(wù)器中，本系統(tǒng)僅作為一個地址映射（系統(tǒng)并不會保存用戶的私人視頻信息以保障隱私權(quán)），由用戶的家用嵌入式多媒體服務(wù)中心通過合法賬號登陸到系統(tǒng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)需分布式多媒體服務(wù)器來存儲社區(qū)各個位置的攝像頭錄像，作為公共視頻資源分布存儲在服務(wù)器集群中，系統(tǒng)也只作為一個地址映射，當(dāng)用戶請求操作時，合法用戶的合法請求將得到批準(zhǔn)，將權(quán)限內(nèi)的內(nèi)容反饋給用戶。

4.5 客戶端軟件的制作

其中包括PC客戶端和智能手持設(shè)備客戶端（iOS與Android等，可以使用跨平臺開發(fā)工具Cross Platform Tools一次開發(fā)多種平臺運(yùn)行共同完成），基于用戶賬戶和密碼產(chǎn)生的加密密鑰，讓傳輸?shù)囊曨l或圖片經(jīng)過加密，保障在傳輸圖中不會被截獲而泄露隱私。此外，可以根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)帶寬狀況判定合適的傳輸模式（由低到高分別是：單張圖片的方式/連續(xù)圖片/壓縮視頻/實(shí)時視頻）。這樣，當(dāng)用戶網(wǎng)絡(luò)狀況不好時可以收到單張截圖以節(jié)約流量傳輸時間，當(dāng)PC端用戶擁有高速的局域網(wǎng)時可以直接查看實(shí)時高清視頻等。

4.6 信息推送服務(wù)設(shè)計

通信方式有三種，其中第一種為主模式：通過軟件，在觸發(fā)報警條件時，截取相關(guān)的媒體信息并直接向手機(jī)郵箱發(fā)送截圖附件。該模式可以保障用戶在第一時間可以看到手機(jī)關(guān)聯(lián)的信息，就算是一臺能上網(wǎng)的非智能手機(jī)也可以看到相關(guān)的截圖信息，目前滿足功能的手機(jī)普及程度相當(dāng)高。第二種為從模式，是一種被動的方式，如果用戶需要查看家中實(shí)時的視頻情況，可以通過電腦或者智能手機(jī)的APP訪問網(wǎng)絡(luò)，需驗(yàn)證戶主的賬戶密碼（以保障家中隱私）并且在帶寬允許的情況才可以訪問家中的實(shí)時視頻信息。第三種為可選的后備模式，如果用戶需要，可以增加一個額外的GSM Modem發(fā)送短信，由于GSM短信的信息量小、信號覆蓋廣、傳送速度快等特點(diǎn)，這樣在互聯(lián)網(wǎng)或者3G網(wǎng)絡(luò)情況達(dá)不到要求的情況下也可以直接通過短信告訴監(jiān)護(hù)人用戶出現(xiàn)險情，但看不到圖像信息，需要監(jiān)護(hù)人用戶自行確認(rèn)。

5 結(jié)論（Conclusion）

在智慧城市建設(shè)的政策支持下，現(xiàn)有智能住宅建設(shè)相關(guān)配套的軟硬件質(zhì)量與技術(shù)方面參差不齊，本課題研究依據(jù)可靠的監(jiān)控硬件設(shè)備，以及國外先進(jìn)的輪廓檢測算法，結(jié)合具體實(shí)際應(yīng)用，在安防監(jiān)控軟件SDK之上進(jìn)行二次開發(fā)，使原有的硬件產(chǎn)品配合智能的軟件，使系統(tǒng)更加智能化，并可以通過3G網(wǎng)絡(luò)與手持移動設(shè)備進(jìn)行即時消息通信實(shí)現(xiàn)報警與控制。

參考文獻(xiàn)（References）

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[9] Smeulders A W M，et al.Content based image retrieval at the end of the early years [J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（12）：1349-1380.

作者簡介：

湯 荻（1982-），女，碩士，助教.研究領(lǐng)域：云計算、圖像處理.endprint

[5] Bimbo D， Vicario E. Using weighted spatial relationships in retrieval by visual contents[A]. In： Proceedings of IEEE Workshop on Image and Video Libraries[C].Santa Barbara， California，USA，1998：75-79.

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作者簡介：

湯 荻（1982-），女，碩士，助教.研究領(lǐng)域：云計算、圖像處理.endprint

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作者簡介：

湯 荻（1982-），女，碩士，助教.研究領(lǐng)域：云計算、圖像處理.endprint