智能視頻監(jiān)控技術在水利樞紐工程中的應用

張 夏，張 洋

（海河水利委員會水利信息網絡中心，天津 300170）

近年來，視頻監(jiān)控技術在水利樞紐上的普及應用，為水利樞紐管理部門提供了直觀圖像，進而提高了水利樞紐工程運行維護的效率。目前，大多數(shù)水利樞紐的視頻監(jiān)控方式都是采用視頻攝像頭獲取被監(jiān)控場景信息，然后利用人工實時監(jiān)視或者軟件目的性監(jiān)測的方式進行。這種監(jiān)控方式一是人為因素影響較大；二是絕大部分的數(shù)據(jù)只是作為事后證據(jù)記錄，很大程度上失去了監(jiān)控系統(tǒng)應該具有的實時性和預防性；三是后期的查詢數(shù)據(jù)量大，提取歷史圖像需要大量的人力去瀏覽；四是原始數(shù)據(jù)未經處理直接存儲，長時間的靜止監(jiān)視對象的視頻耗費了大量的存儲資源，并沒有提供有效的參考價值；五是與監(jiān)視對象的周邊環(huán)境不能有效的聯(lián)動。

水利管理部門要求工程精細化管理，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了更多的要求：在海量的數(shù)據(jù)中快速有效地查詢到有用的圖像；在樞紐的重點管理區(qū)域能夠及時發(fā)現(xiàn)異常，提高預警能力，提醒和幫助監(jiān)控人員；在復雜的環(huán)境下（例如夜晚低照度下）要求攝像頭能夠基本還原閘門啟閉情況；避免人為因素，減少誤報漏報情況等等。結合上述需求，在北方海河流域某水閘工程中應用了智能視頻監(jiān)控技術，有效地滿足了水利管理部門的要求。

1 智能視頻監(jiān)控技術概述

智能視頻（Intelligent Video）技術源自計算機視覺（Computer Vision）與人工智能（Artificial Intelligent）的研究。智能視頻監(jiān)控是利用計算機視覺技術對視頻信號進行處理、分析和理解，在不需要人為干預的情況下，通過序列圖像自動分析對監(jiān)控場景中的變化進行定位、識別和跟蹤，并在此基礎上分析和判斷目標的行為，在異常情況發(fā)生時及時發(fā)出警報或提供有用信息，有效地協(xié)助有關人員進行處理，并最大限度地降低誤報和漏報現(xiàn)象。其工作的基本原理，如圖1 所示。用戶可以通過在不同攝像機的場景中預設不同的報警規(guī)則，一旦目標在場景中出現(xiàn)了違反預定義規(guī)則的行為，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警，監(jiān)控工作站自動彈出報警信息并發(fā)出警示音，實現(xiàn)報警的場景重組并采取相關措施。

圖1 智能視頻監(jiān)控原理

智能視頻監(jiān)控分為三類，具體為視頻分析類、視頻識別類和視頻優(yōu)化類。

智能視頻監(jiān)控技術的實現(xiàn)方式有前端嵌入式、后端軟件分析和前后端相結合的方式3種。

2 案例分析

2.1 北方海河流域某水閘工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)概況

某水閘工程位于北方海河流域內的某河主槽上，由節(jié)制閘（9 孔閘）和船閘組成。其工程視頻監(jiān)控系統(tǒng)共有22 個監(jiān)控點，前端設備采用720P 高清網絡攝像頭，設備選型為瑞典AXIS 公司P 系列攝像頭。所有攝像頭均采用POE 供電方式。前端攝像頭采集的視頻信息通過光纖傳輸?shù)街锌厥?，中控室配置視頻服務器和硬盤錄像機，采用集中式IPSAN 存儲方式，通過DLP 屏顯示圖像。上級主管部門通過連接到中控室的微波通信傳輸通道調用圖像。

2.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)在樞紐中的應用

北方海河流域某水閘工程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用DSP 嵌入方式和NVR 軟件算法相結合的方式實現(xiàn)的。其中，前端DSP嵌入攝像頭中，在監(jiān)控前端對視頻進行分析，并進行相應的處理和聯(lián)動；后臺NVR 軟件根據(jù)需要對傳送至工控機的圖像進行算法處理。智能視頻分析的內容很多，在該項目中主要應用如下幾種。

2.2.1 視頻缺失、鏡頭遮擋檢測

該監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動檢測因攝像機工作異常（損壞、遭人為惡意破壞）或視頻傳輸環(huán)節(jié)故障而引起的視頻缺失或者遮擋，并同步向管理人員發(fā)出聲音報警，并在報警數(shù)據(jù)庫中記錄時間標簽。

2.2.2 區(qū)域入侵檢測

北方海河流域某水閘工程啟閉機房是重點監(jiān)控區(qū)域，為防止無關人員進入機房，并且查看啟閉機操作人員是否規(guī)范操作，利用了區(qū)域入侵檢測技術。入侵檢測技術是利用運動目標的智能視頻分析原理，首先在攝像機監(jiān)視的場景范圍內按需設置警戒區(qū)域，系統(tǒng)可以自動檢測入侵到警戒區(qū)域內的運動目標并根據(jù)設置規(guī)則條件啟動報警。

一旦有人員進入啟閉機房，系統(tǒng)會向管理人員發(fā)送報警信息，同時觸發(fā)錄像。由于該錄像是重要取證錄像，根據(jù)管理部門要求，通過設置攝像頭參數(shù)可以做到觸發(fā)時間點前25 s開始錄像。入侵拌線設置，如圖2所示。

圖2 入侵拌線設置示意

2.2.3 移動偵測

移動偵測是通過攝像頭按照不同幀率采集得到的圖像被處理器按照一定算法進行計算和比較，當畫面有變化時，計算比較結果得出的數(shù)字會超過閾值并指示系統(tǒng)能自動作出相應的處理。移動偵測技術在北方海河流域某水閘工程應用于監(jiān)視閘門的啟閉情況。一旦閘門處于上升或下降狀態(tài)，攝像頭會根據(jù)規(guī)則設置（攝像頭移動偵測規(guī)則設置及示意如圖3 所示，白色框內為移動偵測區(qū)域）向NVR 發(fā)送報警信息，提醒管理人員進行監(jiān)控。實際上，閘門大多數(shù)時間處于靜止狀態(tài)，長時間的靜止畫面的錄像沒有任何參考價值。因此，利用移動偵測的規(guī)則可以同時觸發(fā)錄像，可以有效地節(jié)省錄像存儲空間。區(qū)域入侵和移動偵測的錄像屬于報警錄像，錄像時長較短。

圖3 攝像頭移動偵測規(guī)則設置及示意

2.2.4 移動手機終端

為方便管理部門移動查看的需要，定制了移動手機客戶端，客戶端使用安卓2.0版本以上智能手機，通過3G訪問NVR。移動客戶端系統(tǒng)結構，如圖4所示。

圖4 移動客戶端系統(tǒng)結構

客戶端軟件主要功能有：實時監(jiān)看，采用H.264和JPG 格式；回放任意攝像機錄像視頻；PTZ 控制；報警管理等。移動客戶端截圖和設置截圖，如圖5所示。

圖5 移動客戶端截圖和設置截圖

2.2.5 圖像可用性

通過對多個工程中的圖像效果分析，發(fā)現(xiàn)大多時候的視頻并沒有滿足管理部門的實際需要，往往在查看圖像時大失所望。因此，在本工程中特別提出了圖像的可用性，它是指攝像機能夠拍攝出滿足監(jiān)控需求的圖像。圖像的可用性也是圖像優(yōu)化的內容。像素和鏡頭的選擇、安裝的位置、周邊的光線環(huán)境，季節(jié)變化下的不同場景等等都會影響到圖像的可用性。

在充分了解管理部門需求的基礎上，對該監(jiān)控系統(tǒng)攝像頭監(jiān)控等級進行細化。監(jiān)視閘室下游遠景的攝像機監(jiān)控級別要求為認識，監(jiān)視閘室、閘門狀況和出入口情況的攝像機監(jiān)控級別為識別，監(jiān)視辦公院內攝像機監(jiān)控級別為偵測級別。監(jiān)控級別以偵測最低、識別最高，根據(jù)不同的監(jiān)控級別設置不同的規(guī)則。在工程中，為了確保圖像的可用性以及圖像的最優(yōu)化，采取以下主要措施。

（1）動態(tài)帶寬。動態(tài)帶寬是指攝像機根據(jù)系統(tǒng)網絡帶寬的變化而自動調整錄像圖像的幀數(shù)，以自動適應系統(tǒng)所在網絡波動情況。該監(jiān)控系統(tǒng)網絡采用光纖傳輸，其理論傳輸帶寬足夠滿足攝像機錄像傳輸所需帶寬的要求。但是考慮到網絡交換機的交換能力，在攝像頭前端依舊配置了動態(tài)帶寬，這樣可以有效地保證控制室內圖像連續(xù)穩(wěn)定。攝像機動態(tài)帶寬配置，如圖6所示。

圖6 攝像機動態(tài)帶寬配置示意

（2）寬動態(tài)。寬動態(tài)是當場景過亮或過暗時，攝像機能夠將場景還原出清晰影像的一種技術。寬動態(tài)主要用于攝像機監(jiān)視對象周邊的亮度比攝像機周邊強很多的情況。攝像機寬動態(tài)配置如圖7 所示，寬動態(tài)配置前后效果對比如圖8所示。

圖7 攝像機寬動態(tài)配置

圖8 寬動態(tài)配置前后效果對比

（3）低照度。該閘的攝像機有時需要在夜間也就是低照度環(huán)境下工作。根據(jù)有關資料，在滿月明凈的夜晚下光線指標為0.25 Lux。大多時候，北方天氣的夜晚下的光線要比0.25 Lux 低很多。在工程中，采用了AXIS 中特有的“覓光者”技術，能夠在0.15 Lux 下正常工作?！耙捁庹摺奔夹g是通過鏡頭、背照式CMOS 傳感器（傳統(tǒng)的是正照式）、DSP 芯片計算以及抑噪處理來實現(xiàn)的。普通攝像機和“覓光者”攝像機圖像對比，如圖9所示。從圖9可以看出，“覓光者”攝像機可以有效地還原現(xiàn)場實際場景。

圖9 普通攝像機和覓光者攝像機圖像對比

但是，“覓光者”攝像機并不是萬能的，為獲得更好的畫面質量，在使用“覓光者”攝像機時仍需要做大量的前期工作。在收集當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)后，與管理部門溝通，確認攝像機夜晚工作的幾個要點：攝像機在夏天、秋天時工作的重要性要大于冬天和春天；在汛期調度時啟閉機房會給閘門攝像機提供微弱照明；辦公樓院內值班室外晚上會提供20 W 節(jié)能燈照明；部分攝像機需要在全黑狀況下工作。

根據(jù)以上要點，確定攝像頭需要遵循的幾個原則：安裝位置避免光線死角；盡量距離收集環(huán)境光特別是周邊路燈和監(jiān)控區(qū)域越近越好；盡量選擇F 值低的鏡頭；將曝光控制調節(jié)設置在75。

在完全黑暗情況下工作的攝像機，必須采用外部補光技術。常用的外部補光有紅外線和外部光源。由于紅外線補光對監(jiān)控對象的還原失去色彩，所以在工程中采用外部光源方式。為避免出現(xiàn)手電筒效應，需要調整補光燈的角度，將燈光打到監(jiān)控對象旁邊具有漫散射性的物體上。

2.2.6 圖像存儲和檢索查詢

圖像的存儲和檢索查詢是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的最基本功能。智能化的存儲和檢索查詢不但可以降低工程運行成本，還可以有效地提高管理部門工作效率。

（1）圖像存儲。該樞紐視頻圖像采用集中存儲方式，圖像存儲時間為15 d。對管理部門和運行維護人員來說，存儲資源和業(yè)務需求永遠是相矛盾的，但兩者都希望能在有效的存儲空間內存儲更多必需的、有效的信息。因此，選擇合適的存儲策略可以有效地提高存儲能力。

在該工程中，主要采用了以下存儲策略，有連續(xù)錄像、計劃錄像、移動偵測錄像、報警事件錄像和變幀錄像。根據(jù)不同的監(jiān)控要求，采取不同的存儲策略。例如，出入口攝像機采取連續(xù)錄像和變幀錄像，閘門攝像機采取移動偵測錄像和報警事件錄像等。

（2）檢索查詢。該工程中對圖像的檢索查詢，是指事件發(fā)生時管理人員可實時或非實時地通過事件發(fā)生地的攝像機對事件情況進行關注。因此，將檢索查詢按需分為實時檢索查詢和錄像檢索查詢。

實時檢索查詢就是快速定位攝像機。首先將22 個攝像機進行編號和命名，然后按照區(qū)域管理原則，根據(jù)攝像機分類建立不同的管理區(qū)，如閘門區(qū)、辦公區(qū)、外景區(qū)等。這樣可以通過攝像機編號和命名、管理層級以及模糊查詢來快速定位攝像機。

錄像檢索查詢主要通過時間線、報警事件進行檢索查詢。在時間點和報警事件不準確的情況下，可以將一段時間的錄像等分切成幾十片，或從某個時刻開始以固定的時間間隔進行切片，生成數(shù)十張縮略圖，再通過縮略圖進行畫面的快速檢索。

錄像回放是幫助管理人員對已經發(fā)送的事件進行確認和查證。在錄像回放中，采用高效定位的時間線方式，錄像回放時間線示意如圖10所示。從圖10 可以看出，時間線上用不同的區(qū)域表示該時段內不同的事件發(fā)生狀況，包括攝像機內SD 卡斷線回補、圖像有動態(tài)變化（以及動態(tài)變化有無報警信息），圖像基本靜止不需太多關注。管理人員可以根據(jù)時間線的不同區(qū)域，實現(xiàn)快速查詢。

圖10 錄像回放時間線示意

3 結語

隨著光電信息技術、視頻分析技術、多媒體數(shù)據(jù)庫、人工智能技術的發(fā)展，智能化視頻系統(tǒng)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。由于智能視頻分析是基于監(jiān)控目標和圖像的邏輯關系的，相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，智能監(jiān)控系統(tǒng)具有毫秒級的反應時間，可以大大提高工作效率，同時具有強大的數(shù)據(jù)檢索和分析功能等特點。智能視頻監(jiān)控技術在北方海河流域某水閘工程上的應用，很好地滿足了水利管理部門的實際需求。實踐證明，這一技術在今后水利工程（含水閘和水庫）乃至流域管理中都具有很好的推廣價值。