移動視頻監(jiān)控的預警區(qū)域劃分方法

孔小紅，柏倉，唐蓉，陳銀

1.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京 210019

2.南京開悅科技有限公司質量技術部，江蘇南京 211800

移動視頻監(jiān)控的預警區(qū)域劃分方法

孔小紅1，柏倉1，唐蓉2，陳銀2

1.江蘇省電力公司南京供電公司，江蘇南京 210019

2.南京開悅科技有限公司質量技術部，江蘇南京 211800

隨著移動設備的普及，視頻監(jiān)控已拓展到智能移動設備領域，使得傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)脫離了時間和空間的限制。通過對現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中預警區(qū)域劃分方法的分析，結合移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出2種適用于移動視頻監(jiān)控的預警區(qū)域劃分方法。九宮格預警區(qū)域劃分方法，利用布局文件實現(xiàn)，用M行N列的單元格填充整個監(jiān)控畫面，選擇合適的單元格，即可確定預警區(qū)域。曲線擬合式預警區(qū)域劃分方法，選取N個離散點，通過貝塞爾曲線分段擬合或者最小二乘法整體擬合形成封閉區(qū)域，監(jiān)控畫面內，封閉區(qū)域內部或者外部即為預警區(qū)域。這2種方法操作簡便，易于實現(xiàn)，有效地提高了圖像傳輸速率。

移動視頻監(jiān)控；預警區(qū)域；九宮格；曲線擬合；最小二乘法

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)［1］，主要由監(jiān)控前端、服務器以及客戶端組成，其中客戶端是指安裝于個人計算機上的應用程序。隨著智能手機和平板電腦的大規(guī)模推廣，第三代移動通信技術的成熟應用，真正的移動計算時代已經到來，以前只能在電腦上做到的事情，現(xiàn)在在智能移動設備上就能完成。因此，開發(fā)基于移動設備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，構建視頻監(jiān)控系統(tǒng)的移動化、智能化意義重大。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求監(jiān)控人員一直監(jiān)控屏幕，監(jiān)控現(xiàn)場，實時地對現(xiàn)場情況進行把握分析判斷；而智能型移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)［2］由監(jiān)控前端對監(jiān)控現(xiàn)場進行算法分析，提取出特定的報警事件，將報警信息發(fā)送給移動設備，在沒有或者少量人為干預的情況下，代替人完成特定目標的監(jiān)控和檢測任務。當系統(tǒng)判斷出現(xiàn)險情時，移動客戶端自動報警，責任人就能第一時間掌握現(xiàn)場情況，提高了處理速度。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能分析的前提是確定監(jiān)控場景的重點監(jiān)控區(qū)域。文中研究了目前市面上常見的重點監(jiān)控區(qū)域的實現(xiàn)方法，同時，依據(jù)移動視頻監(jiān)控的特點以及我國無線網絡通信帶寬的限制，提出了適合于移動視頻監(jiān)控的預警區(qū)域確定方法，為后續(xù)智能分析預警打下基礎。

1 常見的重點監(jiān)控區(qū)域實現(xiàn)方法

監(jiān)控現(xiàn)場分為靜態(tài)和動態(tài)2種。靜態(tài)是指監(jiān)控場景固定，基本不發(fā)生變動。動態(tài)是指整個監(jiān)控場景大部分時間處于變動當中。目前的算法對于靜態(tài)的場景具有更好的表現(xiàn)，因此，文中只考慮監(jiān)控現(xiàn)場為靜態(tài)的情況。

對于需要進行危險預警的監(jiān)控系統(tǒng)，其監(jiān)控場景中通常只有很小的一部分是需要重點監(jiān)控的。當有物體進入該監(jiān)控現(xiàn)場的重點監(jiān)控區(qū)域時，需要系統(tǒng)智能地做出危險判斷并預警。重點監(jiān)控預警區(qū)域劃定的越合理，系統(tǒng)的處理速度就會越快，這關系到整個系統(tǒng)的響應速度。

劃定重點監(jiān)控區(qū)域，目前常用的方法有設置警戒線以及矩形框框選重點監(jiān)控區(qū)域。

1.1 設置警戒線

警戒線分為2種，一種由硬件設施形成，另一種在軟件中設置。紅外對射探測頭及電子圍欄等會形成警戒線，一旦有目標通過其警戒線，就會產生報警信息。

1.1.1 硬件設置警戒線

紅外對射探頭設置警戒線［3］。安防監(jiān)控系統(tǒng)，前端安裝有紅外對射探測器，在監(jiān)控中心值班室（監(jiān)控室）安裝報警主機，一旦某處有目標侵入，探頭即自動感應，觸發(fā)報警，主機顯示報警部位，同時聯(lián)動相應的探照燈和攝像機，并在主機上自動切換成報警攝像畫面，報警中心監(jiān)控用計算機彈出電子地圖并作報警記錄，提示值班人員處理。

電子圍欄設置警戒線［4］。在外圍安裝電子圍欄，電子圍欄是目前最先進的周界防盜報警系統(tǒng)，它由高壓電子脈沖主機和前端探測圍欄組成。高壓電子脈沖主機產生和接收高壓脈沖信號，并在前端探測圍欄處于觸網、短路、斷路狀態(tài)時能產生報警信號，并把入侵信號發(fā)送到安全報警中心；前端探測圍欄由桿及金屬導線等構件組成的有形周界。電子圍欄是一種主動入侵防越圍欄，可對入侵目標做出反擊，擊退入侵者，延遲入侵時間，并且不威脅人的性命，同時能把入侵信號發(fā)送到安全部門監(jiān)控設備上，以保證管理人員能及時了解報警區(qū)域的情況，快速的處理危險情況。

1.1.2 軟件設置警戒線

軟件設置警戒線是［5-6］在監(jiān)控區(qū)域中，根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，在視頻畫面中畫一條虛擬警戒線，一旦監(jiān)控視頻畫面中有人、車輛或者其他物體穿越這條警戒線，視頻智能處理器可以自動發(fā)現(xiàn)并產生報警。還可以通過多條警戒線，形成獨立的警戒區(qū)域，判斷外力穿越警戒線的方向，分析其行為。

1.2 矩形框

確定重點監(jiān)控對象，畫矩形框［7］，將重點監(jiān)控對象包括在內，矩形框的大小可以自由設定。對矩形框內的圖像進行分析處理，判斷危險情況。

通過對現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)劃分預警區(qū)域方法的綜合分析，可以看到：

1）現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基本都是對整個監(jiān)控場景進行圖像分析和處理，相對而言，這就需要更快的傳輸速度以及更多的處理時間，同時還降低了預警的速度以及準確度。

2）包含有預警或者告警功能的監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過傳感器檢測現(xiàn)場的變化來進行報警操作，其主要是通過在視頻監(jiān)控范圍內設置警戒線來劃定重點監(jiān)控領域。

3）通過算法實現(xiàn)的無形的警戒線過于簡單，誤報率較高。

2 九宮格劃分重點監(jiān)控預警區(qū)域

目前，我國的4G網絡已經開始推行，但是4G手機以及4G網絡站點等還未全面普及。因此，在移動設備端，使用的最多的還是3G網絡。對于某些監(jiān)控前端采用無線網絡架構的系統(tǒng)，前端通常也是采用3G無線網絡傳輸數(shù)據(jù)。由于3G網絡的帶寬限制，大的數(shù)據(jù)量如視頻流的傳輸困難，且具有較長的延時。

智能移動設備的硬件性能很好，但是由于其自身的某些特點所限（比如電量以及不同系統(tǒng)的處理能力等），并不能性能最大化。為了提高響應速度，實現(xiàn)簡單且數(shù)據(jù)量小的移動端監(jiān)控區(qū)域劃分方法意義重大。

2.1 九宮格劃分預警區(qū)域

將監(jiān)控區(qū)域等分成M行N列的矩形框，每個矩形框為一個單元格。對于智能移動設備，屏幕上的每一個點對應一個坐標（X，Y），每個單元格都有一個坐標范圍，確定每個單元格的4個頂點的坐標，就可以判定某個點是否屬于該單元格。在啟動劃分重點監(jiān)控區(qū)域功能后，選取需要的單元格，選中的單元格以另一種顏色呈現(xiàn)，如圖1（a）所示。被選中的所有單元格構成的區(qū)域為重點監(jiān)控區(qū)域，系統(tǒng)僅處理重點監(jiān)控區(qū)域內的數(shù)據(jù)。

2.2 實現(xiàn)方式

基于移動視頻監(jiān)控的九宮格劃分預警區(qū)域方法，按如下步驟實現(xiàn)：

1）移動客戶端先從監(jiān)控端獲取監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控圖像；

2）移動客戶端以監(jiān)控圖像為背景建立M×N的單元格，其中M為小于圖像水平分辨率的正整數(shù)，N為小于圖像垂直分辨率的正整數(shù)；

3）移動客戶端從監(jiān)控端獲取每個單元格當前的預警級別，預警級別分成警戒區(qū)和非警戒區(qū)；

4）移動客戶端根據(jù)單元格的預警級別對每個單元格進行著色，其中預警級別相同的單元格，著色相同；

5）用戶通過移動客戶端調整單元格的預警級別，并將其預警級別反饋至監(jiān)控端；

6）監(jiān)控端根據(jù)監(jiān)控圖像的每個單元格的預警級別生成預警圖像。實現(xiàn)效果如圖1（b）所示。

圖1 九宮格預警區(qū)域劃分方法

編碼實現(xiàn)具體的流程圖如圖2所示。

圖2 九宮格劃分預警區(qū)域方法流程

進行預警區(qū)域劃分時，設置為警戒區(qū)的區(qū)域賦值1，設置為非警戒區(qū)的區(qū)域賦值0，完成設置后，僅需要傳輸長度為M×N的字符串到服務器即可在服務器端實現(xiàn)相同的設置。

3 曲線擬合式劃分重點監(jiān)控預警區(qū)域

曲線擬合式預警區(qū)域劃分方法，利用封閉曲線繪制預警區(qū)域，在數(shù)據(jù)傳輸以及圖像處理過程中，最大程度地去除冗余信息，大大地提高了預警的速度和準確度。曲線擬合分為分段擬合和整體擬合2種。每一種可選的擬合曲線種類很多，從實際操作的角度考慮，在分段擬合中，選擇貝塞爾曲線［8］進行擬合；在整體擬合中，選擇最小二乘法［9，10］進行擬合。

3.1 分段擬合曲線－貝塞爾曲線

根據(jù)重點監(jiān)控目標的大小以及形狀，可以在監(jiān)控范圍內框選M（M≥1）個重點監(jiān)控預警區(qū)域。在每一個監(jiān)控預警區(qū)域附近的合理位置選取Ni（Ni≥2，1≤i≤M）個離散的點，記錄這些點的坐標Di（X）（0≤X≤Ni－1，1≤i≤M），相鄰的兩點間用Ci（X）擬合，形成一個封閉的擬合曲線，其內部構成一個區(qū)域。M個閉合曲線將監(jiān)控現(xiàn)場分為內部和外部2個區(qū)域，這2個區(qū)域之一即為監(jiān)控預警區(qū)域。對于在服務器端處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)來說，M個監(jiān)控區(qū)域繪制完成之后，點擊確定功能按鍵，記錄所有拐點坐標、擬合曲線的特征點坐標以及擬合曲線的函數(shù)，傳回服務器，服務器端進行同樣的監(jiān)控區(qū)域劃定操作。

曲線Ci（X）采用貝塞爾曲線進行擬合，如圖3所示，擬合形成2個相互獨立的預警區(qū)域。

圖3 貝塞爾曲線－分段擬合

3.2 整體曲線擬合－最小二乘法

根據(jù)重點監(jiān)控目標大小以及形狀，可以在監(jiān)控范圍內框選M（M≥1）個重點監(jiān)控預警區(qū)域。在每一個監(jiān)控預警區(qū)域附近的合理位置選取Ni（Ni≥2，1≤i≤M）個離散點，記錄這些點的坐標Di（X）（0≤X≤Ni－1，1≤i≤M）。每一個監(jiān)控區(qū)域的所有點用最小二乘法擬合成封閉的曲線Ci（X）。

給定數(shù)據(jù)點pi（xi，yi）（pi表示第i個點，0≤i≤Ni－1），求近似曲線y＝φ（x）。并且使得近似曲線與y＝f（x）的偏差最小。近似曲線在點pi處的偏差δi＝φ（xi）－y。按偏差平方和最小的原則選取擬合曲線，并且采取二項式方程為擬合曲線的方法，稱為最小二乘法。

最小二乘法原理，公式如下：

設擬合多項式為

通過一系列的數(shù)學變換，可以得到矩陣：

上式簡化為

可得

求得系數(shù)矩陣A，也就得到了擬合曲線y＝φ（x），即C（X）。

曲線擬合式重點監(jiān)控預警區(qū)域劃分方法的優(yōu)點有以下幾方面：

1）操作簡單，只需要選取合理的點即可，其余所有操作由算法實現(xiàn)。

2）傳輸?shù)囊曨l流較小，不查看監(jiān)控現(xiàn)場時，只需要傳輸預警區(qū)域內的數(shù)據(jù)即可。

3）處理的數(shù)據(jù)量變小，處理速度更快。當有外力進入重點監(jiān)控區(qū)域時，只需要處理預警區(qū)域內的數(shù)據(jù)即可。摒棄了許多冗余數(shù)據(jù)，大大地提高了圖像的處理速度。

4）可應用于多種設備，如市面上常見的智能手機、平板電腦，也可用于各類計算機。

4 結束語

移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，一個關鍵的問題就是響應速度，無線網絡帶寬有限，因此，減少冗余數(shù)據(jù)。提高傳輸速率就非常重要。九宮格預警區(qū)域劃定方法將監(jiān)控區(qū)域劃分為M×N個單元格，通過點擊手機屏幕上的單元格即可對監(jiān)控區(qū)域進行設定，提高了操控的效率，有良好的用戶體驗。曲線擬合式劃分重點監(jiān)控預警區(qū)域，冗余數(shù)據(jù)相對較少，操作簡單，軟件實現(xiàn)較容易。兩種方法相比較，曲線擬合方法的冗余數(shù)據(jù)更少，但是算法相對復雜一些。

對于曲線擬合，本文從分段擬合和整體擬合兩種角度給出了實現(xiàn)的算法。實際上，可選取的算法非常多，因此，需要進一步研究各算法之間的優(yōu)劣，根據(jù)實際情況選取適用于當前場景的算法。

［1］馬昕.視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和今后發(fā)展趨勢［J］.金卡工程，2005（3）：71-73.

［2］何奇.基于移動終端的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.西安：電子科技大學，2011：5-6.

［3］白云飛，喻世斌.智能振動電子圍欄及周界防入侵報警系統(tǒng)：中國，CN202650169U［P］.2013-01-02.

［4］肖葉斌.控制器以及紅外對射周界報警系統(tǒng)：中國，CN102402832A［P］.2012-04-04.

［5］徐農.智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設計［D］.北京：北京郵電大學，2012：44-45.

［6］游蘇英.基于視頻序列的人體異常行為檢測研究［D］.南京：南京郵電大學，2013：50-53.

［7］李月靜.基于視頻的實時運動目標檢測與跟蹤系統(tǒng)研究［D］.成都：西華大學，2012：41-45.

［8］陳江.VC實現(xiàn)貝塞爾曲線繪制［J］.科技經濟市場，2011（5）：14-15.

［9］賈小勇，徐傳勝，白欣.最小二乘法的創(chuàng)立及其思想方法［J］.西北大學學報：自然科學版，2006（3）：507-511.

［10］陳良波，鄭亞青.基于最小二乘法的曲線擬合研究［J］.無錫職業(yè)技術學院學報，2012（5）：52-55.

Partition method of early-warning areas based on mobile video monitoring

KONG Xiaohong1，BO Cang1，TANG Rong2，CHEN Yin2
1.State Grid Jiangsu Electric Power Company，Nanjing Power Supply Company，Nanjing 210019，China
2.Nanjing Carvedge Technology Co.，Ltd，Quality and Technology Department.Nanjing 211800，China

With the popularity of mobile devices，video monitoring has been extended to the field of smart mobile devices，beyond the limit of space and time.In this paper，two kinds of early-warning regional patition methods suitable for mobile video monitoring are proposed.It combines the analysis of the existing warning area patition method for video monitoring system and the characteristics of mobile video monitoring system.The nine-grid early-warning areas partition method is achieved by layout files.The entire monitor screen was filled with M rows and N columns of cells.The early-warning zone is determined by selecting appropriate cells.N discrete points are selected using the curve fitting warning region division method.Then，a closed region is formed using Bessel curve fitting method or least squares fitting.In the video monitor screen，either internal or external closed region is the warning area.These two methods，which are simple and easy to be implemented，improve the transmission speed efficiently.

mobile video monitoring；early-warning area；nine-grid method；curve fitting；least squares method

TP391

A

1009-671X（2014）05-044-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201311017

2013-11-13.

日期：2014-09-24.

孔小紅（1966-），男，高級工程師；

柏倉（1984-），男，工程師.

唐蓉，女，E-mail：evetang.nuaa＠gmail.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1009-671X.201311017.html