AR三維實(shí)景融合技術(shù)在安防行業(yè)的應(yīng)用

文｜中航安貞（浙江）信息科技有限公司 方磊 葉銘 馬孝長(zhǎng)

1 AR 三維實(shí)景融合技術(shù)簡(jiǎn)介

為了維護(hù)社會(huì)治安、減少公共安全隱患，近年來(lái)政府部門和企業(yè)機(jī)構(gòu)都在不斷加大社會(huì)公共安全建設(shè)方面的投入，開(kāi)展實(shí)施了很多大型安防類項(xiàng)目，例如天網(wǎng)工程、平安城市、雪亮工程、大型綜合體物業(yè)管理等。同時(shí)，很多安防項(xiàng)目中都引入了視頻監(jiān)控、三維GIS、BIM 等新技術(shù)，這些新技術(shù)的應(yīng)用有效提高了安防管理的信息化和智能化水平。但綜合分析來(lái)看，目前這些技術(shù)的應(yīng)用大多相對(duì)獨(dú)立，且各自存在優(yōu)缺點(diǎn)。

在視頻監(jiān)控方面，隨著前端視頻監(jiān)控設(shè)備的不斷發(fā)展，在CMOS 感光技術(shù)、超高清技術(shù)、槍球聯(lián)動(dòng)高低點(diǎn)聯(lián)動(dòng)、人臉識(shí)別、車輛識(shí)別技術(shù)的加持下已經(jīng)逐步解決了看得見(jiàn)、看得清、看得懂的問(wèn)題。但其技術(shù)瓶頸也很明顯，畫面獨(dú)立看不全，視角分散不直觀，畫面位置不明確，視角信息難獲取，缺少真三維下的空間立體感和全局視角。

BIM 源自建筑工程領(lǐng)域，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)建立虛擬的建筑工程三維模型，并形成工程建設(shè)全過(guò)程的信息庫(kù)。BIM 技術(shù)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、建造施工、建設(shè)模擬、建設(shè)質(zhì)量評(píng)估等方面的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但是高成本的BIM 在建設(shè)施工完成后大多被束之高閣。因此，當(dāng)前更需要關(guān)注的是如何將BIM 技術(shù)的應(yīng)用從項(xiàng)目前中期的設(shè)計(jì)和施工階段轉(zhuǎn)移至后期運(yùn)維管理階段，尤其是已建成的大型建筑場(chǎng)館在投入使用過(guò)程中需要解決場(chǎng)所、空間、人流、物流等安全問(wèn)題，建模精細(xì)程度較高的BIM 數(shù)據(jù)在內(nèi)部空間、設(shè)施、應(yīng)急管理等方面有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

在GIS 地圖方面，三維GIS 采用可視化和直觀化的表現(xiàn)形式將抽象難懂的空間信息呈現(xiàn)出來(lái)，更符合人類的視覺(jué)感知和空間理解能力。與傳統(tǒng)二維GIS 相比，三維GIS 能提供更加復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和抽象的空間分析功能，例如淹沒(méi)分析、地質(zhì)分析、日照分析、空間擴(kuò)散分析、通視性分析等。但其缺點(diǎn)與BIM 一樣，虛擬構(gòu)建的三維場(chǎng)景通常都是提前制作的靜態(tài)模型數(shù)據(jù)，無(wú)法展示真實(shí)世界的動(dòng)態(tài)現(xiàn)狀，細(xì)節(jié)紋理也不夠豐富真實(shí)。

因此，AR 三維實(shí)景融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將視頻、BIM、三維GIS 三者集成，監(jiān)控視頻展示現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，三維GIS 和BIM模型提供室內(nèi)室外一體化的地理空間信息和空間分析功能。三者互為補(bǔ)充、聯(lián)動(dòng)協(xié)同，構(gòu)建真實(shí)完整的三維立體實(shí)景空間，圖形化展示城市的空間地理信息和實(shí)時(shí)現(xiàn)狀，為城市安防管理提供服務(wù)。

2 AR 三維實(shí)景融合技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 宏觀與微觀相結(jié)合

圖1 三維模型與視頻無(wú)縫融合

通過(guò)AR 三維實(shí)景融合技術(shù)，可以在三維場(chǎng)景漫游模式下快速掌握保護(hù)區(qū)域的整體情況，如自然環(huán)境、建筑物、道路和公共設(shè)施等，以及所有監(jiān)控點(diǎn)的名稱、分類、位置、監(jiān)控范圍和監(jiān)控角度，以全局視角快速獲取需要的信息，精準(zhǔn)定位想要查看的目標(biāo)區(qū)域。室內(nèi)漫游時(shí)，BIM 數(shù)據(jù)精確還原建筑內(nèi)部空間信息，通過(guò)BIM 剖切還可以查看監(jiān)控視頻拍不到的隱蔽空間，如吊頂、通風(fēng)管道等；切換至監(jiān)控畫面模式時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面將展示現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，補(bǔ)充三維模型中缺失的動(dòng)態(tài)現(xiàn)狀和細(xì)節(jié)紋理信息。實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀，多方位、一體化的查詢展示。如圖1所示。

2.2 虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合

監(jiān)控視頻采集現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況，反映的是一種“現(xiàn)實(shí)”狀態(tài)，但是這種“現(xiàn)實(shí)”通過(guò)平面化的圖像傳遞給管理人員，對(duì)畫面信息的解譯依靠人的視覺(jué)分辨能力和經(jīng)驗(yàn)。遇到一些不易分辨的場(chǎng)景時(shí)，例如統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)的大型社區(qū)內(nèi)部，建筑、道路和綠化看上去極為相似，難免會(huì)給查看監(jiān)控視頻的人員帶來(lái)不便和困惑。

為了解決這些問(wèn)題，需要在“現(xiàn)實(shí)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行“增強(qiáng)”。虛擬的三維模型場(chǎng)景為實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面補(bǔ)充了周邊環(huán)境、經(jīng)緯度、方位角、距離、位置等信息。還可通過(guò)矢量要素、圖標(biāo)和標(biāo)簽等方式給畫面中的一些特殊位置、特殊建筑物等添加描述信息，監(jiān)控畫面上會(huì)直接顯示GIS 信息（如邊界線）、POI 信息和特定業(yè)務(wù)信息（如預(yù)警點(diǎn)）等。這些虛擬的增強(qiáng)信息將幫助屏幕前的安保人員及時(shí)有效地處理視頻畫面捕捉到的異常及突發(fā)情況。

2.3 視頻分析與空間分析相結(jié)合

安防管理中常利用視頻分析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的識(shí)別及跟蹤，視頻分析本質(zhì)上是基于二維圖像的分析技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)無(wú)法完全滿足安防管理的需要，例如分析人員、車輛等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的軌跡靈活調(diào)取相應(yīng)的監(jiān)控視頻，再如發(fā)生突發(fā)事件需要規(guī)劃疏散或者救援路線。通過(guò)AR 三維實(shí)景融合技術(shù)，三維場(chǎng)景作為背景數(shù)據(jù)為視頻圖像提供空間坐標(biāo)，解決了視頻圖像不能有效表達(dá)空間深度信息的問(wèn)題。視頻圖像中任意對(duì)象都可快速獲取其空間位置信息，將鎖定的目標(biāo)對(duì)象帶入三維空間進(jìn)行再分析，并將分析結(jié)果在三維場(chǎng)景中立體化展示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)視頻畫面要素全面的可查、可測(cè)、可控。

2.4 數(shù)據(jù)展示與信息承載相結(jié)合

AR 三維實(shí)景融合技術(shù)所構(gòu)建的三維實(shí)景空間既是可視化的展示數(shù)據(jù)，同時(shí)也是一個(gè)信息集成平臺(tái)，例如報(bào)警器BIM 模型，既可以直接展示報(bào)警器形態(tài)和空間位置，還可以掛接設(shè)備屬性、運(yùn)行數(shù)據(jù)、歷史報(bào)警記錄等業(yè)務(wù)信息。三維實(shí)景空間將成為信息的載體，集成安防管理所需要的各類信息和數(shù)據(jù)，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和查詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)同共享。

3 AR 三維實(shí)景融合技術(shù)在安防管控中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)控點(diǎn)管理

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為一種有效的安防手段已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，一些大型監(jiān)控系統(tǒng)接入的監(jiān)控點(diǎn)多達(dá)幾十、上百個(gè)，傳統(tǒng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)大多采用圖像矩陣的方式集中顯示或輪播監(jiān)控畫面，用示意圖或二維地圖的方式標(biāo)注監(jiān)控設(shè)備的安裝位置，這種管理方式最大的缺點(diǎn)是無(wú)法快速判斷視頻圖像在監(jiān)控地點(diǎn)或場(chǎng)景中的定位，尤其在高密度、復(fù)雜樓宇空間中，攝像頭所在的位置和方向更難確定。如果不能快速圖像定位就意味著無(wú)法對(duì)圖像顯示的應(yīng)急情況及時(shí)進(jìn)行處置，因此急需一種集中化、直觀化的管理方法。

采用AR 三維實(shí)景融合技術(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)所展示的不再是電視墻上的孤立圖像，而是包含地理空間關(guān)系的三維場(chǎng)景，所有監(jiān)控點(diǎn)的坐標(biāo)位置、監(jiān)控角度和監(jiān)控范圍一目了然，可快速定位到想要查看的目標(biāo)位置。在單景視頻畫面中可看到當(dāng)前視域范圍內(nèi)其他監(jiān)控點(diǎn)的位置，可直接點(diǎn)擊相應(yīng)監(jiān)控點(diǎn)位圖標(biāo)進(jìn)行切換跳轉(zhuǎn)。

利用三維GIS 的可視域分析、通視分析和空間統(tǒng)計(jì)功能，可測(cè)算出現(xiàn)有監(jiān)控點(diǎn)的覆蓋范圍和監(jiān)控盲點(diǎn)，以及指定范圍內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)量和幾何分布圖形，為監(jiān)控改裝和加裝提供依據(jù)，確保監(jiān)控面全覆蓋。如圖2所示。

3.2 日常巡檢

AR 三維實(shí)景融合技術(shù)集成了遙感影像、DEM、矢量要素、BIM 模型和視頻流等多種數(shù)據(jù)，可還原建筑場(chǎng)館、道路、安防設(shè)施等現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況，擁有三維場(chǎng)景和實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻兩種顯示模式，通過(guò)調(diào)節(jié)監(jiān)控畫面的透明度或切換顯示模式來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種場(chǎng)景畫面的對(duì)比和切換。通過(guò)三維漫游就可完成室內(nèi)室外全區(qū)域查看，還可設(shè)置巡檢路線或監(jiān)控播放順序，進(jìn)行依次、巡回等多種模式的自動(dòng)巡檢，及時(shí)了解保護(hù)區(qū)域整體情況，完成日常巡檢工作。如圖3所示。

3.3 危險(xiǎn)行為識(shí)別

在高危區(qū)或重點(diǎn)安防區(qū)域安裝高清攝像機(jī)，利用圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)等視頻分析技術(shù)分離場(chǎng)景中的背景和目標(biāo)物，在視頻與三維場(chǎng)景融合的基礎(chǔ)上，快速獲取目標(biāo)物的位置信息，并將目標(biāo)對(duì)象同步帶入三維場(chǎng)景中進(jìn)行空間分析，結(jié)合三維GIS數(shù)據(jù)，例如防范區(qū)域或作業(yè)區(qū)域界線等，判斷目標(biāo)對(duì)象是否存在非法入侵、跨界、徘回、非法聚集等安全隱患行為。

在視頻中發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，可直接在視頻畫面中添加預(yù)警標(biāo)注，同時(shí)事故的空間位置信息也一并保存記錄下來(lái)，以便快速定位到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核實(shí)處置。事后還可利用這些空間位置信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，作為判定事故高發(fā)地段的依據(jù)。

圖2 監(jiān)控覆蓋范圍分析

圖3 自動(dòng)巡檢

3.4 目標(biāo)聚焦及跟蹤

當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，根據(jù)事發(fā)地點(diǎn)的位置信息，計(jì)算出能拍到該位置的所有監(jiān)控點(diǎn)位，快速調(diào)取能覆蓋事發(fā)地點(diǎn)的全部監(jiān)控視頻，從不同空間角度對(duì)同一位置點(diǎn)的事件進(jìn)行監(jiān)控，并按距離和角度等條件要素進(jìn)行智能排序，優(yōu)先顯示距離最近、視角最好的監(jiān)控視頻，幫助管理者快速掌握保護(hù)區(qū)的實(shí)時(shí)情況。如圖4所示。

針對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)對(duì)象時(shí)，當(dāng)目標(biāo)物離開(kāi)當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域或遇到視線遮擋等情況，可根據(jù)其運(yùn)動(dòng)軌跡快速計(jì)算目標(biāo)對(duì)象瞬時(shí)位置，調(diào)取對(duì)應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)視頻，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物跟蹤。

3.5 人員部署和調(diào)度

三維GIS 的地理空間框架與BIM 模型相結(jié)合，構(gòu)建室外室內(nèi)一體化的空間坐標(biāo)體系，接入人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后可實(shí)時(shí)顯示人員位置，還可根據(jù)歷史定位數(shù)據(jù)生成運(yùn)動(dòng)軌跡圖。利用BIM 模型數(shù)據(jù)的可拆分性，可以很方便的按區(qū)塊或樓層進(jìn)行劃分，指定安保責(zé)任人，并輸入安保人員信息，如姓名、手機(jī)號(hào)等。在視頻監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)異常情況后，可快速查出負(fù)責(zé)該區(qū)域的安保人員信息，及時(shí)通知其到現(xiàn)場(chǎng)查看，實(shí)現(xiàn)人員的部署和調(diào)度。

3.6 應(yīng)急預(yù)案模擬

一些大型建筑場(chǎng)館內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全出口眾多，二維或靜態(tài)的應(yīng)急預(yù)案已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代安防應(yīng)急管理的需求。基于精細(xì)的BIM 模型，可以分建筑單體、分樓層制定詳細(xì)應(yīng)急預(yù)案，根據(jù)需要用不同顏色和樣式的圖標(biāo)來(lái)標(biāo)繪疏散路線和重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域，在三維場(chǎng)景和視頻畫面中同步顯示。將使得制定的應(yīng)急預(yù)案更加清晰易懂，可操作性更強(qiáng)。如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

AR 三維實(shí)景融合技術(shù)脫胎于城市安防建設(shè)中的常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合視頻、BIM、三維GIS 等多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)“全視界”三維實(shí)景空間復(fù)刻，提供三維實(shí)景展示和空間分析功能，可以解決傳統(tǒng)基于二維地圖和單純監(jiān)控畫面的安防指揮管理中存在的諸多問(wèn)題。

文中只簡(jiǎn)單介紹了一部分AR 三維實(shí)景融合技術(shù)在安防管理中的應(yīng)用方案，除此之外還可以通過(guò)集成云臺(tái)、安檢、消防、交通路況等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，輔助實(shí)現(xiàn)視頻調(diào)度、人流監(jiān)控、消防隱患排查、GPS 車輛查詢定位等更多安防管理中的應(yīng)用需求。AR 三維實(shí)景融合技術(shù)作為一項(xiàng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的新興技術(shù)還處在初步發(fā)展階段，還有更多的應(yīng)用方式和應(yīng)用場(chǎng)景有待發(fā)掘和拓展。

圖4 監(jiān)控聚焦

圖5 三維BIM+GIS 模式下的應(yīng)急預(yù)案

圖6 視頻融合模式下的應(yīng)急預(yù)案