具備智能識(shí)別的高空拋物監(jiān)控設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)淺析

■ 文/公安部檢測(cè)中心 張雙雙

關(guān)鍵字：高空拋物 智能算法 高清 全彩 低照度

1 引言

隨著中國(guó)城市建設(shè)及配套設(shè)施的逐步完善，高層建筑不斷增多，在給人們生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給城市增加了一個(gè)懸在頭頂?shù)耐?-高空拋物事件。盡管很多住宅小區(qū)、學(xué)校及人員密集場(chǎng)所通過(guò)樹(shù)立標(biāo)語(yǔ)、警示牌等方式提醒人們禁止高空拋物并廣泛宣傳其社會(huì)危害性，但現(xiàn)實(shí)中一個(gè)個(gè)血淋淋的沉痛教訓(xùn)卻層出不窮。例如，2020年發(fā)生在上海閔行區(qū)的某女子高空拋物致他人車輛受損事件，以及發(fā)生在深圳的玻璃高空掉落致使8歲男童被砸身亡事件，還有2021年發(fā)生在河南鄭州的男童被砸身亡事件等等。高空拋物行為輕則造成財(cái)力物力損失，重則對(duì)公民生命安全造成嚴(yán)重威脅。為此，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了系列法律法規(guī)，《中華人民共和國(guó)侵權(quán)責(zé)任法》《民法典》《物權(quán)法》均對(duì)高空拋物行為和責(zé)任進(jìn)行了明確規(guī)定,更為重要的是，自2021年3月1日起高空拋物正式入刑，最新的《中華人民共和國(guó)刑法修正案（十一）》第三十三條明確規(guī)定：從住宅樓、辦公樓、商業(yè)樓等高層拋擲物品造成嚴(yán)重后果的，處一年以下有期徒刑、拘役或者管制，并處或者單處罰金。高空拋物行為正式入刑是對(duì)肇事者強(qiáng)有力的警示和打擊。高空拋物監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)成為小區(qū)、物業(yè)及公安系統(tǒng)管控此類事件強(qiáng)有力的工具。隨著智能識(shí)別技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備的作用日益突出。本文以高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備在公共安全防范領(lǐng)域應(yīng)用的重要性為出發(fā)點(diǎn)，深入分析此類設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

2 具備智能識(shí)別的高空拋物監(jiān)控設(shè)備

監(jiān)控技術(shù)對(duì)高空拋物事件的取證和阻止起到了關(guān)鍵作用。隨著智能識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，根據(jù)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)分析判定責(zé)任人權(quán)責(zé)已成為維護(hù)受害人權(quán)利的主要手段，對(duì)公安執(zhí)法人員維護(hù)公民人身財(cái)產(chǎn)安全、依法取證起到了積極作用。新刑法實(shí)施后，對(duì)高空拋物事件責(zé)任人量刑已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。如何快速確定責(zé)任人、鎖定拋物者、還原拋物事件已成為亟需解決的問(wèn)題。在這種需求背景下，高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備也如雨后春筍般出現(xiàn)在小區(qū)、學(xué)校及人員密集場(chǎng)所。相對(duì)于以往監(jiān)控設(shè)備的不足，高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備通過(guò)內(nèi)置智能圖像識(shí)別、目標(biāo)跟蹤、距離建模及其他特有算法可對(duì)高空拋物事件進(jìn)行圖像信息提取、數(shù)字化計(jì)算，并可自適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景模式快速還原高空拋物事件，實(shí)現(xiàn)一體化平臺(tái)監(jiān)控預(yù)警。

2.1設(shè)備形態(tài)

高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備分為兩類：一類是在前端攝像機(jī)集成了智能AI特殊算法。這類產(chǎn)品的特點(diǎn)是設(shè)備集成度高，采集和分析一體化設(shè)計(jì)。前端采集到的圖像經(jīng)過(guò)算法分析得到高空拋物事件的關(guān)鍵因素，再把分析后得到的圖像通過(guò)無(wú)線或有線傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)。該類產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，可快速還原整個(gè)高空拋物事件的始末；另外一類是前端采集設(shè)備+后端智能分析系統(tǒng)。此類設(shè)備能夠彌補(bǔ)集成設(shè)備不夠靈活的缺點(diǎn)，可適配不同采集終端，適應(yīng)不同市場(chǎng)需求。但由于目前編解碼能力受限，此類設(shè)備在后端分析系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行解碼后，圖像質(zhì)量相對(duì)損失較大，前端采集設(shè)備需具備更高的圖像質(zhì)量才能預(yù)防夜間目標(biāo)無(wú)法檢出的缺陷。高空拋物監(jiān)控設(shè)備與普通的圖像采集攝像機(jī)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是高空拋物監(jiān)控設(shè)備采用了先進(jìn)的智能圖像識(shí)別算法，可以實(shí)時(shí)記錄、預(yù)警高空拋物事件；二是高空拋物監(jiān)控設(shè)備對(duì)采集到的圖像清晰度、最低照度及外殼防護(hù)等提出了更高的要求；三是高空拋物監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用于高樓層、人員密度大的生活小區(qū)及辦公樓，對(duì)鏡頭參數(shù)及圖像傳感器選取也有特殊要求。

2.2 高空拋物智能識(shí)別算法

目前高空拋物監(jiān)控設(shè)備的主要特點(diǎn)是內(nèi)置了智能識(shí)別算法。在監(jiān)控過(guò)程中，智能圖像識(shí)別技術(shù)是現(xiàn)代安防監(jiān)控的核心技術(shù)，具備智能識(shí)別的監(jiān)控設(shè)備可自動(dòng)捕捉快速下落物品的圖像，通過(guò)智能算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行建模和分析，還原高空拋物事件的過(guò)程軌跡。高空拋物智能圖像識(shí)別是對(duì)圖像中的移動(dòng)物體進(jìn)行檢測(cè)、檢出并跟蹤的過(guò)程，也是對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化解釋、提取有用信息、建模運(yùn)算的過(guò)程。高空拋物智能算法具有多樣性，如幀差法、背景差分法、光流法等。但傳統(tǒng)的高空拋物智能算法有一定的局限性，如幀差法對(duì)樹(shù)葉、衣物等存在一定的誤檢率，光流法也有同樣的問(wèn)題，檢測(cè)準(zhǔn)確率尚不足?，F(xiàn)代智能拋物圖像算法在原有算法的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，有些算法通過(guò)采用背景差分+目標(biāo)移動(dòng)距離并結(jié)合特定的跟蹤算法實(shí)現(xiàn)對(duì)拋物事件的有效檢出，有些算法則對(duì)圖像智能識(shí)別、聚類分析、特征選取與提取、人工智能深度學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行挖掘，彌補(bǔ)了原有算法的不足，對(duì)提取到的有效圖像信息進(jìn)行智能算法分析和統(tǒng)籌運(yùn)算，包括計(jì)算下落物體大小、下落速度、并發(fā)高拋物體數(shù)量等，大大提高了對(duì)高空拋物類事件的捕獲率和檢出率，可提取并排除高空拋物干擾事件，包括雨、雪、飛鳥(niǎo)、樹(shù)葉、衣物或其他飛行物等，從而有效甄別拋物事件和常規(guī)類似拋物事件。

2.3事件追蹤、智能抓拍、報(bào)警推送

高空拋物監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)時(shí)追蹤從高層建筑拋出的墜落物軌跡。普通視頻監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)量大，提取高空拋物事件信息記錄工作繁瑣，無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)事件進(jìn)行追蹤鎖定。為了方便后期對(duì)錄像文件進(jìn)行檢索，可以當(dāng)采集終端檢測(cè)到有物體下落時(shí)自動(dòng)打上標(biāo)簽，通過(guò)此功能可實(shí)現(xiàn)快速檢索目標(biāo)錄像文件，避免后期翻看大量錄像文件。高空拋物監(jiān)控設(shè)備可對(duì)高空拋物事件進(jìn)行抓拍并可將視頻圖像存儲(chǔ)于云端，同時(shí)可根據(jù)事件的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)等屬性進(jìn)行分類，并將相關(guān)告警信息推送至后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)或WEB端，監(jiān)控平臺(tái)可通過(guò)記錄標(biāo)簽找到對(duì)應(yīng)的視頻圖像、回放墜落物軌跡圖并判斷墜落事發(fā)處和墜落地點(diǎn)，使相關(guān)人員可以實(shí)時(shí)處理高空拋物事件，及時(shí)鎖定拋物點(diǎn)及拋物肇事者。

2.4定位功能

實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)控后臺(tái)會(huì)接入不止一臺(tái)高空拋物監(jiān)控采集終端，例如小區(qū)管控拋物監(jiān)控平臺(tái)不僅只是針對(duì)一棟居民樓進(jìn)行監(jiān)控，若小區(qū)較大，需要安裝幾臺(tái)甚至幾十臺(tái)視頻采集終端且安裝位置分散，若在高空拋物監(jiān)控采集終端集成了設(shè)備定位功能，則可大大方便監(jiān)控中心快速鎖定拋物監(jiān)控地點(diǎn)，及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施。管控平臺(tái)如圖1所示。

圖1 智慧社區(qū)高空拋物管控平臺(tái)

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1高分辨率、高幀率

高分辨率是保證圖像清晰度的重要前提。標(biāo)準(zhǔn)清晰度攝像機(jī)對(duì)遠(yuǎn)距離、高速下落、像素占比小的物體拍攝時(shí)清晰度不足，當(dāng)放大監(jiān)控畫(huà)面之后，畫(huà)面則變得非常模糊。因此，高空拋物監(jiān)控設(shè)備多采用分辨率不小于1080P的高清晰度攝像機(jī)。另外，高空墜落物的下落速度很快，普通的低幀率攝像機(jī)無(wú)法捕捉目標(biāo)變化趨勢(shì)、不能進(jìn)行圖像建模計(jì)算，嚴(yán)重影響高空拋物事件的檢出率，因此高空拋物監(jiān)控設(shè)備通常選用幀率不小于25fps的攝像機(jī)。

3.2 圖像傳感器尺寸

圖像傳感器是通過(guò)內(nèi)置光感應(yīng)器采集光信號(hào)并對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的一種處理模塊。這種模塊有兩種類型：CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器。CCD圖像傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是可配置較高分辨率、圖像動(dòng)態(tài)范圍廣、靈敏度強(qiáng)且兼具高信噪比。CMOS圖像傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是具有很好的影像控制能力，包括自動(dòng)增益控制、自動(dòng)亮度、自動(dòng)白平衡，圖像對(duì)比度、圖像邊緣增強(qiáng)技術(shù)以及伽馬矯正技術(shù)等。根據(jù)不同場(chǎng)景和需求可以選擇適合的圖像傳感器類型。傳感器靶面尺寸大小有多種格式，如果兩臺(tái)攝像機(jī)具有相同的像素，則比較其內(nèi)置傳感器靶面尺寸，尺寸大小與感光面積成正比，尺寸越大，處理光線能力越強(qiáng)，圖像內(nèi)容則更加層次化、更豐富、圖像質(zhì)量更高。由于高空拋物監(jiān)控區(qū)域范圍大，對(duì)光線敏感度高，因此，為得到較大的視場(chǎng)角度和較高的圖像清晰度，一般選用較大尺寸的圖像傳感器。

3.3鏡頭

鏡頭按結(jié)構(gòu)分類，有自動(dòng)光圈、手動(dòng)光圈等多種類型。高空拋物攝像機(jī)的鏡頭一般選用自動(dòng)光圈變焦鏡頭。高空拋物使用的視頻采集終端多在室外安裝，室外光線的動(dòng)態(tài)范圍變化較大，夏天陽(yáng)光充足時(shí)環(huán)境照度可達(dá)10000Lx-100000Lx，夜間環(huán)境照度低于50Lx，自動(dòng)光圈鏡頭在環(huán)境光線變化時(shí)能適應(yīng)光線明暗需求自動(dòng)調(diào)整通光量，很好地呈現(xiàn)當(dāng)時(shí)畫(huà)面。鏡頭按焦距分類，有短焦距、中焦距、長(zhǎng)焦距和變焦距等不同類型，高空拋物事件監(jiān)控樓層高度不固定、監(jiān)控物體持續(xù)運(yùn)動(dòng)位置不固定，所以應(yīng)使用變焦鏡頭。

3.4 最低照度

照度是攝像機(jī)對(duì)光照強(qiáng)度的反應(yīng)能力。在一定光照條件下，攝像機(jī)剛好能看到物體時(shí)測(cè)試得到的照度值，我們稱之為最低照度，它可以反映攝像機(jī)在環(huán)境光足夠低時(shí)能夠呈現(xiàn)物體圖像的能力。

可通過(guò)測(cè)量攝像機(jī)的最低照度，對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)：

1)普通級(jí)：最低照度≥0.1Lux；

2)低照度級(jí)：最低照度≤0.1Lux且≥0.01Lux；

3)月光級(jí)：最低照度≤0.01Lux且≥0.001Lux；

4)星光級(jí)：最低照度≤0.001Lux。

小區(qū)的夜間光照通常不足，實(shí)際生活中為保證業(yè)主休息，不能通過(guò)補(bǔ)光等方式來(lái)提高環(huán)境照度，但普通的紅外監(jiān)控設(shè)備無(wú)法拍攝到墜落物的顏色、大小和特征，因此無(wú)法很好地呈現(xiàn)下落物體的顏色及顯著特征。為在夜間也能采集到清晰可用的拋物視頻圖像，需要使用低照度視頻采集終端。隨著圖像傳感技術(shù)的提高，以及圖像降噪算法的應(yīng)用，月光級(jí)、星光級(jí)以及黑光等低照度攝像機(jī)不僅白天拍攝畫(huà)面清晰，夜晚也可借助周圍的輔助光源、憑借其出色的低照度效果和柔光補(bǔ)光效果獲得全彩色實(shí)時(shí)視頻圖像，顯示彩色監(jiān)控畫(huà)面。普通低照度攝像機(jī)在光線不足環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而月光級(jí)、星光級(jí)攝像機(jī)具有超靈敏度圖像傳感器，運(yùn)用了獨(dú)有的噪點(diǎn)控制技術(shù)和電子放大技術(shù)，極大地提高了圖像質(zhì)量，可在白天和夜間呈現(xiàn)全彩色實(shí)時(shí)圖像，滿足了夜間圖像視頻采集需求，對(duì)高空拋物視頻監(jiān)控具有重要意義。

3.5 寬動(dòng)態(tài)

當(dāng)拍攝畫(huà)面出現(xiàn)強(qiáng)逆光照射或其他原因引起畫(huà)面過(guò)暗時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)人眼無(wú)法辨別的暗區(qū)域，當(dāng)在超強(qiáng)光源下拍攝畫(huà)面時(shí)，畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)過(guò)曝光的亮區(qū)域，如果一副圖像兼具暗區(qū)域和亮區(qū)域則無(wú)法獲取圖像細(xì)節(jié)，在高空拋物視頻采集時(shí)會(huì)形成無(wú)效圖像，無(wú)法還原拋物過(guò)程。要解決這一問(wèn)題，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)必不可少。具備寬動(dòng)態(tài)的攝像機(jī)可以解決輸出圖像因?yàn)榱羺^(qū)域過(guò)曝光成為白色和暗區(qū)域曝光不足成為黑色的現(xiàn)象。如圖2所示，圖(a)為未開(kāi)啟寬動(dòng)態(tài)功能拍攝的圖片，存在明顯的明暗對(duì)比區(qū)域，而圖(b)為開(kāi)啟了寬動(dòng)態(tài)功能拍攝的圖片，圖像質(zhì)量明顯高于前者。

圖2 寬動(dòng)態(tài)功能對(duì)比

3.6 透霧

冬季有霧霾時(shí)，攝像機(jī)會(huì)因?yàn)殪F霾阻擋看不清拍攝圖像，抓拍及錄像視頻也會(huì)因?yàn)殪F霾覆蓋而丟失畫(huà)面的關(guān)鍵信息和細(xì)節(jié)圖像。當(dāng)監(jiān)控畫(huà)面中發(fā)生高空拋物事件時(shí)，將會(huì)缺失有效數(shù)據(jù)信息，降低視頻監(jiān)控采集圖像的實(shí)用性，因此越來(lái)越多的高空拋物監(jiān)控設(shè)備內(nèi)置了透霧功能。光學(xué)透霧是利用近紅外波能夠繞射微小顆粒的原理，使攝像機(jī)在監(jiān)控過(guò)程中避免霧霾煙塵等干擾，呈現(xiàn)高品質(zhì)畫(huà)面。算法透霧則是通過(guò)算法加強(qiáng)圖像中的有用特征、抑制無(wú)用信號(hào)，改善圖像質(zhì)量。隨著技術(shù)的進(jìn)步，有些攝像機(jī)已經(jīng)集成了光學(xué)透霧和算法透霧功能，可以通過(guò)設(shè)置透霧級(jí)別等方式實(shí)現(xiàn)最佳區(qū)域透霧效果。

3.7 防水防塵性能

因高空拋物監(jiān)控設(shè)備均安裝在室外，室外環(huán)境常伴隨風(fēng)、霜、雨、雪等不確定因素及雨雪等長(zhǎng)期侵蝕會(huì)對(duì)視頻采集終端設(shè)備造成損壞。因此，高空拋物設(shè)備必須具備高防水高防塵的性能要求。通常對(duì)高空拋物視頻采集終端的外殼防護(hù)需要滿足不低于GB/T 4208-2017外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）中IP66的要求。

3.8 防雷保護(hù)

高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備安裝位置較高，因此防雷是必備的功能。特別是雷雨頻繁的地區(qū)，若不具備防雷功能，不僅設(shè)備容易損壞，而且有可能引發(fā)火災(zāi)。因此，高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備應(yīng)具有防雷擊保護(hù)裝置。

3.9 智能識(shí)別算法指標(biāo)

高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備的智能化指標(biāo)主要是檢出率和誤報(bào)率。新刑法落地后，高空拋物監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)了百花齊放、百家爭(zhēng)鳴的局面，各個(gè)廠家研發(fā)投入及技術(shù)能力各不相同，內(nèi)置智能化算法也各有不同，不同廠家生產(chǎn)的高空拋物監(jiān)控設(shè)備的智能化指標(biāo)能力參差不齊。因此，規(guī)范檢測(cè)高空拋物事件的檢出率和誤報(bào)率具有重要意義。高空拋物事件的檢出率=（抓拍到的高空拋物事件/實(shí)際發(fā)生的高空拋物事件）*100%，高空拋物事件的誤報(bào)率=｛抓拍到的疑似高空拋物事件/（抓拍到的疑似高空拋物事件+抓拍到的實(shí)際發(fā)生的高空拋物事件）｝*100%。

同時(shí)，高空拋物監(jiān)控設(shè)備后臺(tái)控制平臺(tái)需具備智能報(bào)警推送、異常畫(huà)面自動(dòng)彈出、一鍵回放、高空拋物事件記錄、事件查詢等功能。當(dāng)前端檢測(cè)到有高空拋物事件發(fā)生時(shí)，能夠自動(dòng)抓拍拋物圖像或視頻，并在后臺(tái)控制平臺(tái)彈出圖像或者視頻，及時(shí)提醒監(jiān)控中心值守人員。當(dāng)需要查詢指定高空拋物事件時(shí)，可通過(guò)關(guān)鍵字檢索或自動(dòng)標(biāo)簽索引查看指定視頻或圖像，從而大大降低監(jiān)控中心值守人員的工作量，提高工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

高空拋物事件的有效預(yù)警是公安執(zhí)法人員辦案取證的重中之重。隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的蓬勃發(fā)展及智能算法的不斷迭代，對(duì)高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備的質(zhì)量監(jiān)管也在逐步提升。公安部檢測(cè)中心秉持公平、公開(kāi)、公正的態(tài)度，深入了解高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備的基本功能及性能要點(diǎn)，對(duì)此類設(shè)備的檢測(cè)能力不斷提升，對(duì)小區(qū)物業(yè)監(jiān)管、公安取證、企業(yè)提高設(shè)備能力方面都起到了有效的助推作用。

本文以新刑法的實(shí)施為基礎(chǔ)，探討了智能圖像識(shí)別算法的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合高空拋物視頻監(jiān)控的特點(diǎn)對(duì)高空拋物智能識(shí)別監(jiān)控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了描述，對(duì)規(guī)范安防領(lǐng)域內(nèi)高空拋物智能監(jiān)控設(shè)備的性能、生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行此類設(shè)備開(kāi)發(fā)、小區(qū)物業(yè)按需求采購(gòu)以及保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。