校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系研究

管名豪

（江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213147）

一、研究背景與意義

近年來發(fā)生了許多校園安全事件，例如：2017年11月7日，秦皇島市一學(xué)校百名學(xué)生生活費被盜，涉及金額3萬多元。2018年10月26日，重慶一幼兒園門口發(fā)生砍人事件，造成14名學(xué)生受傷。觸目驚心的校園安全事件背后，除了對犯罪分子的譴責，相關(guān)職能部門還需要調(diào)查取證、還原事件經(jīng)過，分析事件發(fā)生原因。因此，校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)在運行過程中有沒有發(fā)揮作用、發(fā)揮了多少作用成為了“事后取證”的關(guān)鍵。

而目前對于校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)的防范能力評價，主要是基于一線技術(shù)人員的經(jīng)驗，去判斷系統(tǒng)是否存在故障點、系統(tǒng)是否還有缺陷，較為主觀。且不能以系統(tǒng)中所有關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備為視角進行科學(xué)量化評估。并且，由于校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)由多種設(shè)備構(gòu)成，任何一個設(shè)備出現(xiàn)故障都將會給整個系統(tǒng)帶來風險。而由于每個設(shè)備的重要程度不一樣，在系統(tǒng)中所起的作用也不一樣，帶給整個系統(tǒng)的風險大小也將不一樣。因此，構(gòu)建科學(xué)合理的校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系，是準確評價校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)防范能力的基礎(chǔ)，是保障校園安全、師生安全的前提。

二、校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)

校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要負責對校園內(nèi)重要場所、公共區(qū)域等部位進行視頻實時監(jiān)視和24小時的圖像記錄，且保存時間應(yīng)當符合有關(guān)規(guī)定。視頻監(jiān)控系統(tǒng)起到的主要作用是：實時監(jiān)視、事后取證[1]。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)既自為一體進行安全防范工作，又可以根據(jù)需要與其他安防系統(tǒng)進行聯(lián)動。例如：當入侵報警系統(tǒng)被觸發(fā)時，相關(guān)區(qū)域攝像機進行定位、追蹤、錄像；當校園周界的視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)有非法入侵后，出入口控制系統(tǒng)立即在相關(guān)區(qū)域執(zhí)行關(guān)閉動作，防止犯罪人員突破校園外圍防線后便再無技術(shù)防范措施。視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他安防系統(tǒng)協(xié)同工作，從技術(shù)層面“杜絕漏報，減少誤報”，保障校園安全。

目前，國內(nèi)校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要有：前端部分、傳輸部分、控制部分、記錄和顯示部分[2]，如下圖1所示。

圖1 校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

三、校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系

（一）校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)《安全防范工程技術(shù)規(guī)范GB50348》中關(guān)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)檢驗項目和要求，以及《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求 GA/T367》可知，系統(tǒng)主要的功能包括：遙控設(shè)備、監(jiān)視與顯示、記錄與回放、視頻檢測與報警，如圖2所示。

圖2 校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

如果直接對這些功能進行評價，即使是專門從事安防工作的人員也只能定性地分析，分析結(jié)果也較為主觀且沒有說服力。需要對這些功能的表征進一步研究，尋求可以量化的性能指標用以準確地表征各功能的特性，同時這些性能指標也便于數(shù)學(xué)化地研究校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)防范能力。

（二）校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)性能指標的確定

1.遙控設(shè)備功能的性能指標

遙控功能是指系統(tǒng)對前端設(shè)備的控制能準確且平穩(wěn)。在實際的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，前端受控部件主要是指云臺和球形一體化攝像機[3]。攝像機通過加裝云臺，可以擴大監(jiān)控范圍，而球形一體化攝像機本身自帶云臺。對于以上兩種設(shè)備，遙控功能主要包括了云臺回轉(zhuǎn)范圍、旋轉(zhuǎn)速度、承重3個性能指標。

云臺回轉(zhuǎn)范圍包括水平方向和垂直方向2個旋轉(zhuǎn)角度。云臺水平方向可旋轉(zhuǎn)360°，垂直方向可旋轉(zhuǎn)180°。云臺的旋轉(zhuǎn)速度反映了其從任一位置轉(zhuǎn)移到指定位置所需時間，一般的水平旋轉(zhuǎn)速度為10o/s，垂直速度為4o/s。

利用云臺回轉(zhuǎn)范圍率RRO、云臺旋轉(zhuǎn)速率比RVE可以很好地反映出系統(tǒng)中云臺的旋轉(zhuǎn)性能：

兩個比值結(jié)果越接近1表明云臺的旋轉(zhuǎn)性能越好。

而對于云臺的承重，可以利用承重率RBE來反映其承載性能：

同樣，當RBE≤1表明云臺未超重，云臺平穩(wěn)。

2.監(jiān)視與顯示功能的性能指標

監(jiān)視功能要求監(jiān)視的區(qū)域合理，區(qū)域照度符合設(shè)計要求，對要害部位進行無盲區(qū)的實時監(jiān)測。監(jiān)控功能包含了兩個指標：監(jiān)視面積率、最低照度。

監(jiān)視面積率是指定區(qū)域內(nèi)所有攝像機的無重疊監(jiān)視面積總和與指定區(qū)域總面積的比值，用監(jiān)視面積率可以很直觀地反應(yīng)攝像機對指定區(qū)域有效監(jiān)控范圍。具體公式如下：

當RS≥1時，表示攝像機監(jiān)視無盲區(qū)，否則表示有監(jiān)控死角存在。

攝像機的最低照度（也稱靈敏度），是攝像機內(nèi)部器件CCD對光的敏感程度。通常用最低環(huán)境照度要求來表明攝像機靈敏度，攝像機所在環(huán)境的最低照度與該種攝像機的最低正常工作所需照度比值，可以反映該攝像機的環(huán)境照度性能，公式如下：

當RIL≥1時表示攝像機最低照度符合要求，否則表示攝像機不能全天候監(jiān)控。

顯示功能要求圖像清晰穩(wěn)定地顯示，這就要求攝像機的圖像分辨率、信噪比等性能良好。

圖像分辨率指在視頻采集、傳輸、回放過程中的圖像質(zhì)量，單位是像素點數(shù)，由水平像素×垂直像素表示。如果對記錄圖像質(zhì)量要求不高，CIF（Common Intermediate Format，352×288）格式基本可以滿足監(jiān)控要求，CIF存儲量在60MB/h左右。但在一些重要場合，則需要高清晰度的D1（704×480）格式圖像，D1格式存儲量在300MB/h左右[5]。根據(jù)攝像機的實際分辨率與D1格式的比值，可以反映圖像分辨率性能狀態(tài)：

當RRE≥1表示圖像清晰度高，否則表示圖像細節(jié)可能會不清楚。

圖像信噪比與清晰度指標一樣，也是反映圖像質(zhì)量高低的重要指標。信號的最大保真度輸出與不可避免的電平噪聲的比率即為信噪比，通常以dB計算，比率越大越好。典型值為46dB；若為50dB，則圖像質(zhì)量良好，但圖像仍有少量噪聲；如果達到60dB，則圖像質(zhì)量非常好，不出現(xiàn)噪聲[6]。根據(jù)攝像機實際信噪比與信噪比性能優(yōu)良的60dB的比值，可以反映攝像機信噪比性能狀況，公式如下：

當RSNR≥1表示圖像質(zhì)量優(yōu)良，沒有噪聲，否則圖像可能存在噪聲。

3.記錄與回放功能的性能指標

記錄功能要求圖像連續(xù)穩(wěn)定，這就需要用于存儲錄像、圖片的硬盤容量足夠大，從而便于調(diào)用復(fù)看已經(jīng)過去一段時間的錄像。根據(jù)《江蘇省高等學(xué)校安全管理規(guī)定》，視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)采用數(shù)字硬盤錄像機等作為圖像記錄設(shè)備，24小時進行圖像記錄，保存時間應(yīng)當不少于30天[7]。這里，可以用錄像實際保存天數(shù)與要求的最低保存天數(shù)的比值來衡量記錄功能的性能，公式如下：

當RSA≥1表示記錄內(nèi)容保存時間符合規(guī)定要求，可以保存至少30天，否則表示記錄內(nèi)容不能保存30天。

攝像機將現(xiàn)場的畫面拍攝后，經(jīng)過系統(tǒng)傳輸，最終顯示在監(jiān)視器上。而存儲在硬盤中的視頻數(shù)據(jù)，需要調(diào)用復(fù)看時，也將顯示在監(jiān)視器上。此時，監(jiān)視器性能的優(yōu)劣將直接影響監(jiān)視、回放的功能。對于監(jiān)視器來說，目前主要采用CRT、LCD等屏幕。盡管LCD屏幕是屬于較新的屏幕顯示方式，具有省電、輕薄的優(yōu)點，但是它仍然無法取代傳統(tǒng)的CRT監(jiān)視器。因為LCD本身不發(fā)光，如果裝于室外，便無法辨識；另外，LCD存在視角問題，觀看角度一旦偏斜，就會看不清楚。所以，對于視頻監(jiān)控系統(tǒng)的回放功能，主要還是針對CRT的性能指標進行研究。其主要包括了通頻帶、分辨率、灰度等級3個指標。

通頻帶（也稱為通帶寬度），這項指標反映了監(jiān)視器重現(xiàn)圖像的質(zhì)量。頻帶寬度越寬，圖像細節(jié)越清楚，高清晰度監(jiān)視器頻響在10MHz以上。分辨率也是反映監(jiān)視器重現(xiàn)圖像能力的指標，分辨率以行數(shù)表示。通常工程業(yè)務(wù)級別不低于600行，高清監(jiān)視器超過800行?；叶鹊燃壥菧y量顯示器亮度和暗度的技術(shù)指標，最高為9級，一般要求不小于8級[8]。

這里采用通帶寬度比RTB、分辨率比RMR、灰度比RGL作為衡量回放功能的性能指標：

當RTB≥1、RMR≥1且RGL＝1表示監(jiān)視器顯示性能良好，三個指標任一不滿足則會影響監(jiān)視、回放圖像質(zhì)量。

4.視頻檢測與報警功能的性能指標

視頻檢測與報警功能包括了：視頻動態(tài)檢測、遮擋檢測、丟失檢測及相關(guān)報警聯(lián)動功能。當發(fā)生異常情況時，視頻監(jiān)控系統(tǒng)能準確地、快速地做出響應(yīng)，聯(lián)動其他設(shè)備或者發(fā)出報警信號。這包括了兩個性能指標：準確報警率RAR、響應(yīng)平均時間差率RART。準確報警率可以進過多次重復(fù)測試得到，響應(yīng)平均時間差率則可以由多次重復(fù)測試的響應(yīng)平均時間TAR得到：

若RAR=1表示能準確進行報警，RAR＜1表示存在漏報警現(xiàn)象，RAR＞1表示存在誤報警現(xiàn)象；若0≤RART＜1表示系統(tǒng)能及時進行報警，且當RART的值越接近1時表示響應(yīng)時間越短，當RART的值為負數(shù)時表示實際響應(yīng)時間已經(jīng)超過規(guī)定響應(yīng)時間。

（三）校園安防系統(tǒng)防范能力評估指標體系的建立

通過以上研究可以得出：在進行校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)防范能力評價時，系統(tǒng)的防范能力功能共4項，4項功能所涉及性能指標共13個，具體如圖3所示。

本校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系的特點是：

1.指標體系的層次明確，指標有實際意義。指標體系是根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，綜合考慮了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、主要設(shè)備建立起來的，層次清晰，且功能層、指標層所對應(yīng)的實際設(shè)備明確，指標可進行數(shù)值測量。

2.性能指標較多，且具有不可共度性?？梢粤炕?3個指標由于涉及實際設(shè)備，各性能的計量單位不同，因此本文對各性能指標進行了歸一化處理。但有些指標值越大越好，有些指標值越小越好，有些指標值穩(wěn)定在某個固定值或某個區(qū)間為最佳，因此指標間具有不可共度性。另外，對于某一項具體的功能，有些只有兩個性能指標，有些有三個指標，顯然，這些指標對于它們所屬功能的重要程度也是不一樣的。

圖3 校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系

四、結(jié)語

本研究建立了可以量化的校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)評價指標體系，為進行系統(tǒng)評價做好了準備。后續(xù)需要采用科學(xué)合理的評價方法即能對校園視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)學(xué)化、客觀的評價。