基于雙橢圓空間模型的校園視頻監(jiān)控高空拋物分析的應(yīng)用

寧家鋒

摘要 隨著數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的日漸成熟，視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用在校園安全保障當(dāng)中。除了單純的布防、監(jiān)控，攝像頭作為視頻數(shù)據(jù)的采集入口，可以在后端通過軟件分析完成很多其它的應(yīng)用需求。以校園監(jiān)控為應(yīng)用場景，通過前端攝像頭采集數(shù)據(jù)，后臺軟件可以雙橢圓空間模型分析圖像，進(jìn)而對高空拋物進(jìn)行判定。

[關(guān)鍵詞]校園視頻監(jiān)控 高空拋物 灰度圖雙橢圓模型

我國對于學(xué)校安全的保障建設(shè)日趨重視，對于校園內(nèi)部諸如人員踩踏、高空拋物等安全問題的發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)與存證都有著很高的需求。使用前端監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合后端實(shí)施軟件分析，可以對高空拋物現(xiàn)象進(jìn)行有效的發(fā)現(xiàn)、響應(yīng)與存證。

1 高空拋物監(jiān)測的需求

高空墜物按照掉落原因，可以分為墜落、碰落和拋落三種情形。其中存在主觀惡意的往往是拋落現(xiàn)象。校園高空拋物現(xiàn)象，主要指的是校園樓層高處扔出來的各種生活垃圾、廢棄物。針對這種現(xiàn)象，學(xué)校管理人員需要能夠通過監(jiān)控點(diǎn)位的安裝，明確知曉物品是從哪件宿舍、窗口拋出，以便進(jìn)行證據(jù)保存以及責(zé)任人的確認(rèn)。常規(guī)立桿辦法是從地面向上仰角監(jiān)視和從天面層向下俯角監(jiān)視。

另一方面，對學(xué)生宿舍窗口的監(jiān)控勢必涉及到宿舍內(nèi)部環(huán)境及人員形象的入鏡。處于對學(xué)生隱私的保護(hù)，要求監(jiān)控布點(diǎn)既要達(dá)到高空拋物的來源辨識，又要避免對房間內(nèi)部（包含晾臺）的直接拍攝。

為了解決上述矛盾，需要對監(jiān)控點(diǎn)位的合理布置，對宿舍樓進(jìn)行高空拋物檢測，做到實(shí)時(shí)預(yù)警、實(shí)時(shí)抓拍、支持多個(gè)目標(biāo)并發(fā)監(jiān)測、高空拋物事后取證等功能，便于校方對校園環(huán)境、學(xué)生、安全事故高效管理，避免發(fā)生安全事故和群體性事件。

2 高空拋物監(jiān)測的信息化環(huán)境

2.1 前端攝像頭

高空拋物模塊視頻數(shù)據(jù)來源是校園建筑周邊安裝的攝像頭，需要根據(jù)實(shí)地情況進(jìn)行安裝?？梢圆捎玫那岸税惭b點(diǎn)位可以采用分段式監(jiān)控?cái)z像機(jī)部署模式或平行樓宇輔助監(jiān)控?cái)z像機(jī)部署模式。通過前端采集設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對特定監(jiān)控區(qū)域的視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)視頻采集功能。支持多圖像源采集，包括IP攝像頭、USB攝像頭、CCTV攝像頭、視頻文件等多種采集方式。采集到的視頻可用于高空拋物檢測，或者通過視頻壓縮，進(jìn)行保存。可以結(jié)合時(shí)間、空間、目標(biāo)特征等信息，把區(qū)域內(nèi)所有的攝像頭都關(guān)聯(lián)起來，對特定目標(biāo)進(jìn)行跨攝像頭跟蹤。

2.2 分析后臺

高空拋物的后臺分析具有實(shí)時(shí)性要求?？紤]到具體傳輸環(huán)境涉及視頻網(wǎng)絡(luò)和教育網(wǎng)絡(luò)的安全性策略可能造成的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)性（約2秒），對于有實(shí)時(shí)性要求的使用單位，建議直接獨(dú)立部署后臺分析服務(wù)器。同時(shí)，由于分析服務(wù)器可以直接將報(bào)警信息展示在客戶端上，分析服務(wù)器獨(dú)立部署后，可以避免由于系統(tǒng)整體宕機(jī)造成的各視頻分析全部失效的后果。

2.3 數(shù)據(jù)對接

高空拋物分析檢測功能的實(shí)時(shí)視頻流是通過流媒體服務(wù)器上獲取，歷史視頻流是通過存儲服務(wù)器或云存儲上獲取。具體獲取方式支持通過網(wǎng)關(guān)協(xié)議GB/28181-2011接入。經(jīng)過分析后輸出的報(bào)警信息或檢索結(jié)果存儲于存儲服務(wù)器上并發(fā)送給管理人員的客戶端。

3 高空拋物分析原理

3.1 分析流程

采用幀差法結(jié)合時(shí)序模型和空間模型的方法，其核心原理是先將獲取到的相鄰兩幀視頻圖片轉(zhuǎn)換成用于檢測的YUV顏色空間灰度圖像，它只包含亮度信息，不包含色度信息[4]。然后再將這兩幀轉(zhuǎn)換成的灰度圖像進(jìn)行相減做前景背景初步分離，然后通過時(shí)序模型對分離出的前景目標(biāo)進(jìn)行存儲，最終通過空間模型對存儲的前景目標(biāo)進(jìn)行是否為高空拋物的判斷。該方法效果的優(yōu)劣依賴于建立空間模型算法的性能。

高空拋物檢測過程分以下幾個(gè)步驟：

（1）由高清攝像機(jī)獲取實(shí)時(shí)視頻流;

（2）將相鄰兩幀視頻圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖;

（3）轉(zhuǎn)換完成的灰度圖進(jìn)行相減，初步分離前景背景區(qū)域;

（4）利用時(shí)序模型將分離出的前景目標(biāo)進(jìn)行存儲;

（5）建立空間模型，判斷存儲的前景目標(biāo)是否為高空拋物;

（6）建立空間模型;

（7）針對高空拋物檢測算法建立雙橢圓模型，因?yàn)楦呖諕佄镘壽E多為自由落體運(yùn)動軌跡，建立雙橢圓模型符合自由落體運(yùn)動的檢測。

而作為干擾項(xiàng)，諸如樹葉抖動，陽臺衣物擺動以及人員行走等軌跡多為無規(guī)則運(yùn)動軌跡或者水平擺動運(yùn)動軌跡。

3.2 分析原理

雙橢圓空間模型原理圖（如圖1所示）：圖中菱形點(diǎn)代表高空拋物物體中心坐標(biāo)點(diǎn)，位于笛卡爾坐標(biāo)系最下方的菱形點(diǎn)為當(dāng)前幀物體中心坐標(biāo)點(diǎn)（centerx，center y），根據(jù)該點(diǎn)可以畫出橢圓l，橢圓公式如下

frame width為視頻幀的寬，a為橢圓半長軸長度，b為橢圓半短軸長度。剩下的菱形點(diǎn)均為時(shí)序模型存儲的前幾幀檢測到的高空拋物中心點(diǎn)，第二個(gè)橢圓是依據(jù)當(dāng)前幀的前一幀高空拋物中心坐標(biāo)點(diǎn)，再根據(jù)橢圓公式得出的橢圓2。判斷為高空拋物的準(zhǔn)則是在橢圓1和橢圓2區(qū)域中存在的高空拋物軌跡點(diǎn)個(gè)數(shù)大于等于5，則畫框標(biāo)注當(dāng)前幀菱形點(diǎn)為高空拋物物體（告警）;反之，則不是高空拋物不做標(biāo)記。

3.3 分析效果

效果圖如圖2所示。

4 可實(shí)現(xiàn)的功能描述

在常規(guī)的校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中，往往是通過服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控等多元化設(shè)備的聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控效果。通過分析軟件，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。比如：

（1）圖像抓拍：通過報(bào)警消息的實(shí)時(shí)響應(yīng)，抓拍當(dāng)前發(fā)生報(bào)警時(shí)刻的圖像畫面。用于事后存檔和記錄。

（2）事件發(fā)生時(shí)間段視頻調(diào)用查看：根據(jù)報(bào)警時(shí)刻的時(shí)間戳，自動關(guān)聯(lián)對應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的視頻文件，供用戶查看并回放發(fā)生時(shí)刻前后時(shí)間段的視頻內(nèi)容。

（3）拋棄物所在樓層、宿舍定位顯示：根據(jù)視頻分析的算法，自動關(guān)聯(lián)物品拋灑對應(yīng)樓層和宿舍的具體位置，進(jìn)行定位的顯示。

（4）多目標(biāo)定位和檢測：高空拋物算法支持視頻畫面內(nèi)多目標(biāo)的實(shí)時(shí)檢測和定位。

（5）支持統(tǒng)計(jì)周期設(shè)定：用戶可自定義設(shè)定視頻分析的統(tǒng)計(jì)周期和時(shí)間段。

6 結(jié)語

本文針對學(xué)校高樓層可能存在的高空拋物現(xiàn)象，探討了一種可實(shí)現(xiàn)的分析方法。該方法結(jié)合了預(yù)裝的前段攝像頭與后臺的軟件分析，實(shí)現(xiàn)基本實(shí)時(shí)的校園高空拋物的監(jiān)測。通過該方法的應(yīng)用，將大幅增加校園安保的響應(yīng)速度與存證力度。

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