基于三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

龔德忠

（湖北警官學(xué)院，湖北武漢430034）

基于三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用研究

龔德忠

（湖北警官學(xué)院，湖北武漢430034）

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在平安城市建設(shè)中的作用越來越明顯。傳統(tǒng)的二維視頻監(jiān)控系統(tǒng)是從二維的角度對目標(biāo)對象進(jìn)行掃描和識別，其識別精度、識別率以及圖像的還原能力方面存在著先天的不足；而三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)從多個角度對目標(biāo)對象進(jìn)行掃描和識別，再利用三維重建技術(shù)進(jìn)行還原，大大提高了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的識別精度、識別率，以及圖像的還原能力，具有明顯優(yōu)勢，是未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

三維；視頻監(jiān)控；三維重建

一、前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國的社會結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，為了維護(hù)社會穩(wěn)定，保障人民安居樂業(yè)，公安機(jī)關(guān)建設(shè)了大量的城市監(jiān)控報警聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這在一定程度上有助于應(yīng)對社會治安面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，有力地彌補(bǔ)了警力資源的不足。據(jù)統(tǒng)計，截至2014年底，上海市安防監(jiān)控攝像機(jī)安裝數(shù)量為100多萬臺、北京市安裝的攝像機(jī)數(shù)量超過120萬臺、廣州市安裝的視頻監(jiān)控攝像機(jī)數(shù)量也達(dá)到了30萬臺。這些監(jiān)控攝像機(jī)基本覆蓋了各市重點公共場所、主要交通道路、重要要害單位等。[1]而武漢市則于2012年成立了全國首支視頻偵查支隊，投入300余名警力，以全市25萬只攝像頭為核心布下“天網(wǎng)”。視頻偵查支隊自組建以來，抓獲處理的刑事犯罪嫌疑人達(dá)1214人，同比上升77%；通過視頻偵查手段查處街頭搶劫、搶奪、詐騙等犯罪團(tuán)伙71個，同比上升196%；破獲街頭刑事案件861起，同比上升172%。與此相對應(yīng)，全市街頭一年警情降幅達(dá)到了最大，僅搶劫、搶奪、街頭接觸性詐騙就分別下降了26.4%、16.2%、14.2%。比如令很多城市頭疼的多發(fā)難破的飛車搶奪案，武漢的破案率達(dá)到70%以上，在全國名列前茅。所有這些數(shù)據(jù)證明了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)是非常必要的。[2]

二、視頻監(jiān)控的概念、組成與功能分析

（一）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的概念

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是建立在計算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制

技術(shù)、多媒體技術(shù)和人工智能技術(shù)等基礎(chǔ)上的，具有實時數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸、加工、處理等功能的一種管理信息系統(tǒng)。其基本業(yè)務(wù)功能是提供實時監(jiān)視的手段，并對被監(jiān)視的畫面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲，在此基礎(chǔ)上，還可以對監(jiān)控裝置采集的數(shù)據(jù)在后臺進(jìn)行相應(yīng)的處理，如自動與后臺數(shù)據(jù)庫中的信息對行比對、分析，并能觸發(fā)報警與聯(lián)動等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)因其具有實時、快速、智能和大容量存儲等特點，在社會管理尤其在公安治安管理和偵查破案中起著越來越重要的作用。

（二）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成

視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成由前端設(shè)備、傳輸設(shè)備、終端設(shè)備三部分構(gòu)成，一般視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

1.前端設(shè)備：主要由攝像機(jī)組成，其主要作用是將各個位置的圖像轉(zhuǎn)化成為可傳輸?shù)碾娦盘枴?/p>

2.傳輸設(shè)備:用于將采集到的信號，經(jīng)各種不同的電纜傳輸?shù)浇K端并轉(zhuǎn)換為圖像信息。主要包括：電源線、視頻線、控制線、信號線等。

3.終端設(shè)備：主要由存儲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)組成。存儲系統(tǒng)作用是將多路視頻信號壓縮后存儲起來，在需要提取證據(jù)的時候，可作回放圖像來瀏覽；控制系統(tǒng)是通過發(fā)出控制信息來管理前端的視頻攝像機(jī)動作；管理系統(tǒng)是加載在視頻信息上的一些應(yīng)用系統(tǒng)，如圖像識別、行為分析、自動跟蹤等。

（三）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能

在公安工作中，因偵破案件的需要，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求相當(dāng)高。一般來說，用于城市治安管理的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

1.監(jiān)控功能。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控人員可以實時發(fā)現(xiàn)可疑跡象和對象，及時密切跟蹤，并將警情實時通報給一線警力，實現(xiàn)快速反應(yīng)出警，同時還可以通過指揮中心實時指揮現(xiàn)場抓捕嫌疑人，防止或避免違法犯罪事件的發(fā)生。對已發(fā)生的違法犯罪，也可以在事后提取監(jiān)控錄像，對視頻中的人、物進(jìn)行回放、處理，及時固定犯罪證據(jù)，為后續(xù)的偵查提供線索和依據(jù)。

2.圖像識別功能。圖像識別是利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對像的技術(shù)，它是人工智能的一個重要領(lǐng)域。它包括自動識別和圖像還原兩種情況。[3]

自動識別主要應(yīng)用于實時圖像清晰對象的識別上，在攝像機(jī)工作的過程中，后臺管理系統(tǒng)根據(jù)接收到的圖像，加載相關(guān)算法，去除背景，從連續(xù)的視頻幀中分離出不變的像素(代表背景)，專注于變化的像素(代表前景移動的物體)，[4]再與數(shù)據(jù)庫的模板進(jìn)行匹配，如人或車等（圖2）。

圖2 圖像自動識別對比

圖像還原主要應(yīng)用于圖像模糊不易識別的對象上，在攝像機(jī)取得對象圖像的過程中，可能因為速度、色差、光線、角度等原因，造成圖像的模糊不清而不能自動識別，這時視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用圖像增強(qiáng)、去霧等技術(shù)來對模糊不清的圖像進(jìn)行分析了，如圖3。

圖3 圖像還原

3.行為分析功能。視頻行為分析是指利用計算機(jī)視覺和圖像處理等技術(shù)對視頻信號進(jìn)行分析和理解，并根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的控制信號（如圖4）。[5]視頻行為分析分基于規(guī)則的行為分析和基于學(xué)習(xí)的行為分析。

基于規(guī)則的行為分析是指根據(jù)預(yù)定義的規(guī)則判定目標(biāo)動作是否出現(xiàn)不同于規(guī)則的異常，如碰撞、接近、徘徊等。并判定這種異常是系統(tǒng)定義的哪一種，然后根據(jù)判定結(jié)果觸發(fā)不同的報警響應(yīng)。

圖4 行為分析

基于學(xué)習(xí)的行為分析是指利用人工智能，讓機(jī)器模擬人腦的觀察來感知異常的存在，具有記憶、關(guān)聯(lián)、學(xué)習(xí)等性能。

4.自動報警、跟蹤功能。自動報警是指根據(jù)圖像識別和行為分析的結(jié)果，將目標(biāo)判定為危險情況后，自動觸發(fā)相應(yīng)的聯(lián)動報警平臺，引導(dǎo)相關(guān)部門出警。自動跟蹤是指自動報警后，根據(jù)行為目標(biāo)的運動規(guī)則，智能切換攝像機(jī)，實時跟蹤目標(biāo)運動軌跡。

三、二維視頻監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足

判斷一個視頻監(jiān)控系統(tǒng)是否穩(wěn)定、可靠、有效，主要從識別精度、識別率和圖像還原能力三個方面判定。

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前端攝像機(jī)是原始數(shù)據(jù)的采集設(shè)備，其采集數(shù)據(jù)的方式和質(zhì)量直接影響后期的數(shù)據(jù)處理效果，是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基石；傳輸設(shè)備在性能上主要要求能實現(xiàn)快速無差錯傳輸視頻數(shù)據(jù)；終端設(shè)備中，存儲系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的性能要求一般可以滿足，管理系統(tǒng)則是基于前端攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)，依據(jù)不同的工作需求，開發(fā)出功能不同處理系統(tǒng)來對前端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

因此，前端數(shù)據(jù)采集的方式和質(zhì)量是整個監(jiān)控系統(tǒng)性能是否強(qiáng)大、是否滿足用戶要求的基礎(chǔ)。在二維監(jiān)控系統(tǒng)中，前端攝像機(jī)生成二維圖像數(shù)據(jù)，在后臺存儲也是前景里的二維畫面數(shù)據(jù)，由于攝像機(jī)拍攝的圖像，容易受環(huán)境如光線、角度、速度等的影響，生成的圖像可能模糊不清，影響識別精度和識別率，同時因其圖像的平面特征，在后臺的圖像識別中不容易識別出所需要的數(shù)據(jù)，圖像還原能力較弱。

三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)專門針對二維視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足而提出，三維數(shù)據(jù)具有顯式的空間形狀表征，因此在信息量上比二維圖像豐富。對比二維視頻監(jiān)控系統(tǒng)來說，三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)具能較高的識別精度、識別率和圖像還原能力。

四、三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)

顧名思義，三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是基于三維的。其基本原理是把前端攝像機(jī)獲取的二維視頻圖像，通過三維重建技術(shù)，轉(zhuǎn)換為三維圖像。在三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，二維數(shù)據(jù)的獲取，可通過單視點攝像機(jī)或多視點攝像機(jī)獲得。

1.三維重建技術(shù)

三維重建是指對三維物體建立適合計算機(jī)表示和處理的數(shù)學(xué)模型，是根據(jù)單視圖或多視圖的圖像重建三維信息的過程。由于單視頻的信息不完全，因此三維重建需要多個視圖，[6]其方法是先對攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，即計算出攝像機(jī)的圖象坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的關(guān)系，然后利用多個二維圖象中的信息重建出三維信息。

圖5 三維重建效果圖

三維重建方法主要有以下兩種：

（1）多視點立體視覺

該方法是利用兩個或多個攝像機(jī)（見圖6）從不同的角度拍攝同一場景的圖像，計算機(jī)對拍攝同一物體的兩幅或多幅圖像上的像點進(jìn)行檢測和匹配，得到對應(yīng)物點深度值。

圖6 多視點攝像機(jī)

（2）單視點視覺

單視點系統(tǒng)中，前端只有一個攝像機(jī)，系統(tǒng)利用攝像機(jī)獲得物體的單幅或多幅圖像進(jìn)行三維重建。對于單幅圖像，主要利用圖像的二維特征（如明暗度、紋理、焦點等）推出物體的深度信息。對于多幅圖像，則與多視點系統(tǒng)類似，對運動物體獲取多幅圖像，再對同一物體的多幅圖像進(jìn)行特征檢測與匹配，得到不同圖像中的相同特征，再計算出該物體的三維點坐標(biāo)信息，從而實現(xiàn)三維重建。

2.三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點

三維視頻監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在對目標(biāo)圖像的識別精度和識別率上，識別精度越高和識別率越高，圖像還原能力就可以越強(qiáng)。

（1）三維圖像識別精度。利用PowerScanner-STD標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備分別對球面度、球體空間精度、平面度進(jìn)行測量，得到相應(yīng)的圖像測量（識別）精度。

①球面度識別精度測試

實驗：對直徑為50.805mm的陶瓷球進(jìn)行測試見圖7。

圖7 球面度精度測試實驗

在測量空間內(nèi)的任意十個位置進(jìn)行測試，結(jié)果見表1：

表1 球面度精度測試結(jié)果（單位：mm）

實驗：采用球心間距為150.056mm的高精度球距規(guī)進(jìn)行測試見圖8。

圖8 球體空間測試實驗

在測量空間內(nèi)的七個不同位置進(jìn)行測試，結(jié)果見表2：

表2 球體空間精度測試結(jié)果（單位：mm）

實驗：采用大小為160mm*100mm的高精度陶瓷平板進(jìn)行測試見圖9。

圖9 平面度測試實驗

在測量空間內(nèi)的六個不同位置進(jìn)行測試，結(jié)果見表3：

表3 平面度測試結(jié)果（單位：mm）

表4 不同三維人臉識別算法識別率比較[1]

（2）三維圖像識別率。在三維圖像識別上，三維

圖像識別算法有多種，不同算法在識別率上有一定區(qū)別，下面介紹幾種代表性識別算法的識別率（三維人臉識別為例），見表4。

研究人員對二維和三維圖像識別進(jìn)行了對比研究，比較了PCA算法在二維和三維人臉數(shù)據(jù)集上的識別效果，用FRGC v1.0人臉數(shù)據(jù)庫中的275人共951個三維數(shù)據(jù)進(jìn)行了實驗，結(jié)果表明：基于三維數(shù)據(jù)的PCA識別率比基于二維圖像的PCA識別率高，融合后得到的圖像結(jié)果（即圖像還原）更好。[7]

五、總結(jié)

由于三維數(shù)據(jù)具有顯著的空間表征，空間效果明顯，信息量豐富，因此，三維圖像比二維圖像更加豐滿和細(xì)膩，而且還可以通過三維重建技術(shù)，利用目標(biāo)物體的交叉的邊角信息還原出完整圖像，體現(xiàn)了三維圖像強(qiáng)大的圖像識別能力和還原能力，同時，由于三維視頻圖像具有空間特征，它也能在交通管理中通過測速和測距來判斷否發(fā)生了交通事故和違章等等。這些優(yōu)勢，將在社會生活、生產(chǎn)和治理中，發(fā)揮出越來越大的功能，尤其在公安工作中，將成為威懾犯罪分子、打擊違法犯罪的有力武器。

[1]趙興濤,杜治國,洪衛(wèi)軍.監(jiān)控攝像機(jī)效能三維仿真研究[J].公共安全,2012(4).

[2]武漢公安：布下“天網(wǎng)”[EB/OL]http://www.mzyfz.com/cms/pinganzhongguo/anbaowenti/pinganbobao/htm l/893/2013-05-18/ content-754687.htm l,2013-05-18.

[3]高曉東,羅宏.基于機(jī)器視覺的擋圈檢測系統(tǒng)研究[J].機(jī)電元件,2015(6).

[4][5]張俊,任延珍.基于學(xué)習(xí)的視頻行為分析技術(shù)的特點和應(yīng)用[J].湖北警官學(xué)院學(xué)報,2012(5).

[6]隋巧燕,董洪偉,劉蕾.雙目下點云的三維人臉重建下載[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015(4).

[7]王躍明,潘綱,吳朝暉.三維人臉識別研究綜述[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2008(7).

【責(zé)任編校：劉志軍】

Research and Aplication of Three Dimensional Video Surveillance System

Gong Dezhong
（Hubei University of Police,Wuhan 430035,China）

The function of video surveillance system in the construction of safe city is more and more obvious.The traditional video surveillance system is two-dimensional scanning and recognition of objects from two-dimensional angle,the recognition accuracy and recognition rate and image reduction ability are congenital deficiency.Three-dimensional video surveillance system scans and recognites the target from multiple perspectives,then uses 3D reconstruction technology to restore,and finally improves the recognition accuracy and recognition of video monitoring system as well as the ability to restore the image.Three-dimensional video surveillance system has obvious advantages,which is the future development direction of video surveillance system.

Three-Dimensional;Video Surveillance;Three-Dimensional Reconstruction

D918.2

A

1673―2391(2016)06―0009―06

2016-09-28

龔德忠（1969—），男，湖北鄂州人，湖北警官學(xué)院信息技術(shù)系副教授，研究方向為計算機(jī)取證。