智慧城市中的視頻圖像感知

□ 文/粟杰

今年7月30日，無錫從全球數(shù)百個候選城市中脫穎而出，成為唯一入選“IEEE智慧城市試點計劃”的中國城市，無錫市在全國智慧城市建設的翹楚地位可見一斑。本文則主要從智慧城市建設中有關智慧視頻感知系統(tǒng)的角度，一起探討無錫城市建設現(xiàn)狀。

無錫市是第一批國家智慧城市試點工作城市，通過高標準建設網(wǎng)絡基礎設施，統(tǒng)籌建設城市公共信息服務平臺和城市公共基礎數(shù)據(jù)庫，逐步完成了智慧城市技術在城市建設、房產(chǎn)、水務、燃氣與照明、管線、交通、家居與社區(qū)等方面的示范應用。近年來，在相關政策的扶持推動下，無錫智慧城市建設在頂層設計、總體規(guī)劃和示范應用等方面取得突出進展。特別是在智慧政務、智慧交通、智慧醫(yī)療等基礎領域，都取得了全國領先的成績，2013年蟬聯(lián)國內智慧城市發(fā)展評估第一名。今年7月30日，無錫從全球數(shù)百個候選城市中脫穎而出，成為唯一入選“IEEE智慧城市試點計劃”的中國城市，無錫市在全國智慧城市建設的翹楚地位可見一斑。本文則主要從智慧城市建設中有關智慧視頻感知系統(tǒng)的角度，一起探討無錫城市建設現(xiàn)狀。

智慧視頻感知

智慧城市離不開成熟的基礎設施建設，無錫基礎設施的構建啟動都比較早，比如基礎網(wǎng)絡設施、無線網(wǎng)絡系統(tǒng)、城市信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)等，其中，城市音視頻信息系統(tǒng)的構建和應用也是其中很重要的一項。從智慧城市的組成要素看，基于視頻監(jiān)控技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧視頻感知應用體系是智慧城市建設的重要組成部分，也是城市管理公共服務及應急指揮平臺的核心支撐平臺，更是整個智慧城市感知體系的關鍵部分和重要的信息來源。

智慧視頻感知應用體系的建設進一步實現(xiàn)計算機智能化管理，使交通、安保、環(huán)保等布局更加趨于合理。系統(tǒng)將城市綜合管理工作做得有條不紊，有效增強對城市重點部位的控制能力，有利于及時發(fā)現(xiàn)各類情況，為領導的指揮決策服務。

同時，系統(tǒng)的構建也使防范工作更安全，更周到，更方便。通過嚴密的音視頻感知監(jiān)控網(wǎng)絡，跨越地域時空，實時跟蹤每一個監(jiān)控現(xiàn)場，大幅提升迅速反應能力，更有效地打擊犯罪，提高無錫市的安保水平及綜合管理水平，增強外商對無錫市資本輸入信心，有利于無錫各行各業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展。

其次，基于無錫市物聯(lián)網(wǎng)平臺，在信息統(tǒng)一交換的前提下，以政府多個業(yè)務部門已經(jīng)建設的城市報警和視頻監(jiān)控系統(tǒng)、城市智能交通管理、政府門戶、數(shù)字城市管理、城市應急指揮系統(tǒng)為基礎，整合和匯集全市傳感器信息資源，實現(xiàn)多業(yè)務部門、多業(yè)務系統(tǒng)的報警聯(lián)動，有效避免業(yè)務體系的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一和信息孤島效應，同時也避免各個部門在解決同一問題時由于單線聯(lián)系和信息獨享造成的資金和精力的耗費，將對無錫市產(chǎn)生增值效應，產(chǎn)生巨大的附加值。通過實現(xiàn)資源共享，可以為更多的政府職能部門提供信息支撐，從而賦予系統(tǒng)新的功能和作用，從而有效提升解決城市安全保障的綜合能力。

從全國范圍看，在經(jīng)過近10年的視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設和聯(lián)網(wǎng)整合之后，視頻感知的基礎建設進一步完善，現(xiàn)階段和將來建設的目標則是在全面整合公安現(xiàn)有的視頻資源的基礎上，將整個音視頻資源融合擴大，做到全社會資源的聯(lián)網(wǎng)大整合，并將其智能化為智慧城市管理所用。而智慧城市對音視頻應用實現(xiàn)的目標，則是充分發(fā)揮音視頻信息濃度高的特性，將關鍵的信息從視頻數(shù)據(jù)中高效和準確的提取出來，并能夠描述成機器和人類均可識別的信息形式。實際上，也就是要求智慧城市的音視頻感知系統(tǒng)具備智能分析的能力，相當于人的眼睛和大腦，充分發(fā)揮城市視覺感官的作用。這個目標相當宏大而艱巨，必須依賴更為先進的技術手段和系統(tǒng)架構來實現(xiàn)。從目前的情況看，得益于當前信息技術的發(fā)展和音視頻處理技術的進步，我們可以依靠云計算、大數(shù)據(jù)以及視頻智能分析技術所提供的高新技術手段，逐步向這個目標邁進。

智慧城市要發(fā)揮城市視頻感官系統(tǒng)的作用，必須依靠基于視頻大數(shù)據(jù)的智慧分析和預測能力。為了準確和高效的處理大量音視頻數(shù)據(jù)，一方面需要系統(tǒng)具備高性能，高準確度的智能視頻分析算法，另一方面還需要能夠支撐這些分析算法大規(guī)模應用的系統(tǒng)架構，比如云計算系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。

視頻圖像系統(tǒng)云計算架構技術

云計算是并行計算、分布式計算、網(wǎng)絡存儲、虛擬化、等傳統(tǒng)計算機技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展融合的產(chǎn)物。云計算通過網(wǎng)絡對各類計算物理和業(yè)務資源進行大規(guī)模集中建設和共享管理, 為用戶提供按需使用的一種新的服務模式。用戶直接通過網(wǎng)絡即可獲取各種彈性的IT和業(yè)務服務，包括計算服務，存儲服務，以及視頻應用等其他應用服務。

圖表1：視頻監(jiān)控云平臺架構

云計算能夠滿足用戶在信息化過程中的可持續(xù)發(fā)展需求,具有降低成本,提高IT資源利用率,容量擴展方便，使用方式靈活等特點。其核心理念就是集中資源，有效管理和分配。通過不斷提高“云”的處理能力，減少用戶終端的處理負擔，用戶可以按需以自助服務的方式享受“云”的強大計算處理能力?！霸啤敝械馁Y源在使用者看來是可以無限擴展的，并且可以隨時獲取，按需使用和擴展。云計算以服務的形式提供給個人和企業(yè)用戶。

智慧視頻感知的平臺將基于云平臺架構方案進行設計，在云平臺基礎架構之上構建各類圖像視頻業(yè)務應用。按照云計算平臺設計和部署的一般技術方案，對于平安城市視頻監(jiān)控云平臺來說，其構建的整體部署架構如下圖所示，見圖1。

從圖1可以看到，對應于云計算的服務方式，視頻監(jiān)控云平臺也提供針對視頻監(jiān)控業(yè)務三種層次的服務。

在IaaS層面：系統(tǒng)提供對物理設備和資源的管理，對物理設備的統(tǒng)一虛擬化機制以及相關虛擬資源的管理和維護，比如虛擬機管理服務、統(tǒng)一云存儲管理服務、云資源監(jiān)控等視頻基礎設施服務。

在PaaS層面：該層面是一個提供視頻監(jiān)控業(yè)務最基本服務和能力支撐的平臺，包括流媒體服務、視頻存儲服務、視頻網(wǎng)關接入服務、視頻摘要服務、視頻智能分析服務、大數(shù)據(jù)分析服務、運維管理服務等視頻監(jiān)控支撐服務。

在SaaS層面：該層面面向最終的用戶，提供豐富的視頻監(jiān)控相關的業(yè)務使用環(huán)境，比如治安監(jiān)控巡邏、指揮調度、圖像偵查、智能交通、如城市應急指揮，平安城市，智慧社區(qū)，智慧旅游等應用業(yè)務服務。

分析了雙單元法模擬構件梁與構件柱的可行性與誤差來源，結果表明：雙單元法模擬構件梁結果偏安全。簡要分析了雙單元法與實體單元模型加固層邊界條件對構件計算結果的影響，引出加固層邊界條件模擬方法的討論。提出以雙單元法梁單元模擬分析增大截面加固技術，加固層輔助原結構承擔內力，按相應設計規(guī)范對原結構作用效應與抗力進行驗算，結合工程實例具體說明了計算過程。

視頻圖像系統(tǒng)大數(shù)據(jù)處理技術

大數(shù)據(jù)和智慧城市是相關聯(lián)的，在民生、輔助政府決策等方面都需要在智能城市里快速、精密、高效的進行抓取、挖掘以及快速應對。實際上，目前在智慧城市中已經(jīng)有應有很多大數(shù)據(jù)的應用場景。對于智慧的視頻感知來說，也離不開大數(shù)據(jù)的應用。當前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量在不斷膨脹，高清視頻的出現(xiàn)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和整合的不斷推進，存儲技術和容量的提升，導致數(shù)據(jù)體量巨大，大數(shù)據(jù)的特征凸顯。大型視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設目標是滿足治安管理、城市管理、交通管理、應急指揮等需求，往往還要兼顧災難事故預警、安全生產(chǎn)監(jiān)控等方面對圖像監(jiān)控的需求，并考慮報警、門禁等配套系統(tǒng)的集成以及與廣播系統(tǒng)的聯(lián)動，這樣的視頻監(jiān)控系統(tǒng)注定將是一個大的數(shù)據(jù)集合體，對它的精準分析和高效利用也就至關重要。

此外，在視頻圖像監(jiān)控應用中，涉及的數(shù)據(jù)信息類型很多，以數(shù)據(jù)的結構類型來看，包括了各類非結構化，結構化以及半結構化信息。

非結構化數(shù)據(jù)主要包括視頻錄像和圖片記錄，如監(jiān)控視頻錄像，報警錄像，摘要錄像，車輛卡口圖片，人臉抓拍圖片，報警抓拍圖片等；

結構化數(shù)據(jù)則包括報警記錄，系統(tǒng)日志記錄，運維數(shù)據(jù)記錄，摘要分析結構化描述記錄，以及各種相關的信息數(shù)據(jù)庫，如人口信息，地理數(shù)據(jù)信息，車駕管信息等；

半結構化數(shù)據(jù)則如人臉建模數(shù)據(jù)，指紋記錄等。

由于云存儲等大型數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的出現(xiàn)，可供分析的數(shù)據(jù)量更大，基于這些更多信息的分析結果和預測的信息也會更準確。此外，隨著高清技術的應用以及IT架構、分析技術的快速發(fā)展，依靠大數(shù)據(jù)分析技術，能從大量非結構化的視頻數(shù)據(jù)中提取出有價值的信息，提升了數(shù)據(jù)信息的發(fā)掘能力和利用能力，從而使“事前預警”成為現(xiàn)實。視頻監(jiān)控行業(yè)的大數(shù)據(jù)處理技術，特別是目前在實時智能分析和數(shù)據(jù)挖掘方面，已經(jīng)逐步讓視頻監(jiān)控從人工抽檢，進步到高效事前預警、事后分析，更進一步實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的信息分析、預測。通過對視頻圖像信息準確提取以及其他視頻監(jiān)控和信息系統(tǒng)的整合，對于一個信息點，可以關聯(lián)更多的相關信息并且綜合呈現(xiàn)，形成各種有效的技戰(zhàn)法應用，提升視頻監(jiān)控信息的價值。

視頻智能分析技術

視頻智能分析技術對于智慧城市中的智慧視頻感知來說極其重要，是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的基礎，提供了系統(tǒng)識別圖像數(shù)據(jù)信息的能力，完成了光電數(shù)據(jù)信號到信息的轉換。

這種技術使用計算機圖像視覺分析技術，通過將場景中背景和目標分離進而分析并追蹤在攝像機場景內出現(xiàn)的關注目標，同時通過計算機建模識別等技術，識別目標的種類、顏色、特征、速度、大小以及其他相關的細節(jié)，實現(xiàn)對圖像視頻中所含信息數(shù)據(jù)的提取，支持豐富的智能視頻分析應用以及大數(shù)據(jù)的綜合分析應用。

智慧視頻感知系統(tǒng)一方面可以提取視頻圖像中的重要信息，進行存儲和業(yè)務關聯(lián)，為大數(shù)據(jù)應用提供數(shù)據(jù)基礎；另一方面，也可以根據(jù)這些檢測出來的信息，實現(xiàn)智能化的自動監(jiān)測報警功能。通過在不同攝像機的場景中預設不同的報警規(guī)則，一旦檢測出目標在場景中出現(xiàn)了違反預定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警，監(jiān)控工作站自動彈出報警信息并發(fā)出警示音，用戶可以通過點擊報警信息，實現(xiàn)報警的場景重組并采取相關措施。對于智慧城市來說，這種應用讓視覺感官的效用得到了最為直接的體現(xiàn)。

實際上，隨著視頻分析算法的不斷改進，算法的準確度也不斷提升，應用范圍也逐步擴大，市場上對于此類應用的需求不斷增長。這些應用主要作用是協(xié)助政府或其他機構的安全部門提高室外大地域公共環(huán)境的安全防護。此類應用主要包括：高級視頻移動偵測、入侵探測、物體追蹤、遺留物體檢測、移走物體檢測、非法滯留等。此外，面向城市交通管理、環(huán)境管理、政務服務、零售服等行業(yè)，也有大量的應用：人數(shù)統(tǒng)計、擁擠探測、防止尾隨、交通流量控制、車輛控制、車輛違法停靠探測與報警。

各類技術的關聯(lián)和整合

前面提到的云計算系統(tǒng)架構技術，大數(shù)據(jù)分析技術以及智能分析技術作為智慧城市中與智慧視頻感知相關的核心技術體系，他們之間的關系是密切相關的，而不是孤立建設的，需要作為一個完整的系統(tǒng)去設計和構建。

云計算架構技術提供視頻感知系統(tǒng)的整體架構，只有通過這個架構，才能實現(xiàn)計算、網(wǎng)絡和存儲資源的充分利用和靈活調度，才能實現(xiàn)高效的分布式計算以及高效的音視頻存儲；在這個架構基礎之上，大數(shù)據(jù)分析技術才能發(fā)揮最為高效的能力，分布式的計算和高效的存儲可以保證大數(shù)據(jù)分析過程速度更快，分析的數(shù)據(jù)量更多，分析的結果更為準確。視頻的智能分析技術也可以通過云計算架構獲得極大的助力，云計算支持高性能的分布式計算，可以保證智能視頻分析并發(fā)進行的速度更快，可以針對云存儲的數(shù)據(jù)分布特性，將智能算法分布執(zhí)行，針對同樣長度時間的視頻片段，可以更快的輸出分析的結果，而云計算系統(tǒng)提供的高性能、高彈性的計算能力，也使得視頻智能分析過程有充足的資源進行調用，提升了分析結果的完整性和準確性。

視頻大數(shù)據(jù)分析技術是業(yè)務應用的數(shù)據(jù)分析基礎，城市的音視頻資源提供海量的數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息要形成有效的信息資料，并進而實現(xiàn)趨勢性的預測結果，需要對這些數(shù)據(jù)進行高效的關聯(lián)碰撞和綜合分析。對于更新速度非常快的海量的視頻數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織管理架構分析過程已經(jīng)無法有效的應對，必須通過大數(shù)據(jù)的分析技術才能支持高效的數(shù)據(jù)分析過程，確保信息處理的及時性和完整性，并最終提供更為準確的結果。沒有大數(shù)據(jù)分析技術，大量的有價值的、隱含的信息將無法充分利用，智慧城市的智慧視頻感知能力也無從體現(xiàn)。

對于視頻智能分析技術，其一方面利用云計算平臺的計算能力提供視頻圖像的分析識別，提升系統(tǒng)對實時狀況的反應能力；另一方面則通過分析視頻圖像，提取關鍵的，可供計算機或者人類所識別的信息數(shù)據(jù)，為智慧視頻應用系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)應用積累原始的、可識別的信息基礎，以便大數(shù)據(jù)應用可以對這些分析的結果信息進行更高層次的碰撞、分析和利用。在視頻研判的階段，視頻智能分析功能與大數(shù)據(jù)分析技術相結合，可以保證用于分析和判斷的資料更為豐富，最后的研判結果也更為準確。

結束語

平安城市智慧化是現(xiàn)階段發(fā)展主題，也是城市信息化發(fā)展的高級階段。智慧的視頻感知則是智慧城市建設中及其重要的一個部分，為智慧城市提供視覺感官的感知能力以及對視頻的識別，分析和處理能力，提供可靠和直觀的管理決策信息。在云計算、大數(shù)據(jù)、視頻智能分析領域，科達探索在行業(yè)前端，以充分利用視頻信息技術賦予物以智能，進一步為智慧城市的發(fā)展輸入科技的力量。在無錫現(xiàn)階段智慧城市建設的基礎上，科達將以一己之力，為無錫城市治理與環(huán)境建設提供科技支持。