基于視頻監(jiān)控的步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫沛文?楊成林?張家俊?夏麗萍

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，身份識(shí)別領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)也在飛速發(fā)展，諸如虹膜識(shí)別、人臉識(shí)別等生物識(shí)別技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但在某些條件下無(wú)法對(duì)用戶身份進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別?；诖?，設(shè)計(jì)了一種基于視頻監(jiān)控的步態(tài)識(shí)別身份系統(tǒng)，在原有的步態(tài)識(shí)別技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)、升級(jí)，提高了身份識(shí)別的效率以及準(zhǔn)確性，為生物識(shí)別技術(shù)提出了新的設(shè)計(jì)構(gòu)思，也對(duì)社會(huì)資源的解放以及服務(wù)社會(huì)等方面發(fā)揮了積極作用。

關(guān)鍵詞：生物識(shí)別；視頻監(jiān)控；步態(tài)識(shí)別；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

一、前言

基于人工智能的推動(dòng)，平安城市建設(shè)已經(jīng)成為公共安全的著力點(diǎn)和落腳點(diǎn)。2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，對(duì)人工智能在公共安全領(lǐng)域的深度應(yīng)用高度重視。2019年國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于印發(fā)國(guó)務(wù)院2019年立法工作計(jì)劃的通知》，其中包含由公安部起草的《公共安全視頻圖像信息系統(tǒng)管理?xiàng)l例》。因此，基于智能信息處理算法的智慧監(jiān)控已經(jīng)成為當(dāng)前及未來(lái)國(guó)際高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

隨著視頻監(jiān)控部署規(guī)模越來(lái)越大，監(jiān)控設(shè)備的多樣性和場(chǎng)景的復(fù)雜性給監(jiān)控視頻的分析與理解帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為視覺(jué)場(chǎng)景“看不清”、視覺(jué)要素“找不到”、視覺(jué)內(nèi)容“看不懂”。因此，探索研究針對(duì)監(jiān)控視頻與步態(tài)圖像識(shí)別的系統(tǒng)，為維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定與公共安全提供面向智慧監(jiān)控的視覺(jué)感知與理解技術(shù)[1]，具有十分重要的意義，還可以針對(duì)大型的空間區(qū)域進(jìn)行人流量分析，為其他領(lǐng)域的相關(guān)分析提供數(shù)據(jù)。

二、需求分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)人民的生活水平與質(zhì)量不斷發(fā)展提高，但也涌現(xiàn)出許多的安全問(wèn)題。比如由于工作繁忙等問(wèn)題，中青年人陪護(hù)小孩和老人的時(shí)間極為有限，導(dǎo)致老人小孩走失的事件頻頻發(fā)生。一方面，在機(jī)場(chǎng)、火車站、大型賣場(chǎng)、景區(qū)等公共場(chǎng)所，老人、兒童也容易與家人走散，通常的解決方式是向公共場(chǎng)所的管理部門求助發(fā)起廣播尋人、微信群等溝通工具擴(kuò)散消息以發(fā)動(dòng)群眾協(xié)助等，甚至向110報(bào)警求救。雖然目前已經(jīng)擁有視頻追蹤這一項(xiàng)重要偵查手段，在偵查破案中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但應(yīng)用于惡意破壞ATM機(jī)、盜刷失主銀行卡等實(shí)際場(chǎng)景時(shí)，由于視頻光線、圖像分辨率、攝錄距離等客觀條件影響，尤其是在嫌疑人故意偽裝躲避、有遮擋的情況下，傳統(tǒng)視頻偵查方法難以突破追蹤瓶頸，這已成為圖像偵查技術(shù)躲不開(kāi)、繞不過(guò)的堵點(diǎn)和痛點(diǎn)，亟須解決。另一方面，目前在視頻監(jiān)控畫(huà)面中查找目標(biāo)，主要依靠人的肉眼查看，在海量視頻數(shù)據(jù)中查找效率極為低下，且人力資源終究是有限的，難免有所疏漏。

綜上，本系統(tǒng)主要目的是對(duì)大空間區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行身份的識(shí)別和人流量的統(tǒng)計(jì)。

（一）功能性需求

本文系統(tǒng)要完成的功能包括：

1.對(duì)空間內(nèi)人員的流動(dòng)進(jìn)行捕獲并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中；

2.對(duì)大型公共場(chǎng)所中特定人員身份進(jìn)行識(shí)別；

3.對(duì)特定的時(shí)間、地點(diǎn)、區(qū)域的人群進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為其他統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支持。

（二）非功能性需求

1.使用的環(huán)境大部分為大型公共場(chǎng)所，如超市、旅游景點(diǎn)等，未來(lái)可能會(huì)向醫(yī)院等特殊但又人流量大的場(chǎng)所投入使用；

2.使用時(shí)對(duì)于周圍生態(tài)環(huán)境的需求不強(qiáng)，只需保證拍攝的環(huán)境明亮即可，便于攝像頭捕捉到清晰的影像；

3.硬件方面，所需硬件均為市面上可購(gòu)買到的材料，功能正常即可使用，除攝像頭需要紅外夜視功能以外無(wú)其他需求；

4.用戶界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔明了，易上手操作。

三、功能設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)具有身份識(shí)別、人流量輔助統(tǒng)計(jì)等功能[2]。其中，系統(tǒng)通過(guò)攝像頭捕捉到人體的步態(tài)信息，并將其記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶身份的鑒別。當(dāng)人員身份異常時(shí)，報(bào)警器將開(kāi)啟報(bào)警功能，否則繼續(xù)進(jìn)入后續(xù)工作。另外，本文系統(tǒng)還具有大型公共場(chǎng)所人流量統(tǒng)計(jì)和簡(jiǎn)單的人群分析的功能，為以后的工作提供基礎(chǔ)的人群數(shù)據(jù)。

四、硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、圖像采集模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊構(gòu)成，具體的工作流程為：圖像采集模塊1對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將監(jiān)控的視頻圖像通過(guò)USB接口傳輸給下位機(jī)2，下位機(jī)2進(jìn)行視頻圖像的分析，如監(jiān)控中有用戶出現(xiàn)，則將相應(yīng)的視頻圖像利用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊3通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)4，上位機(jī)4獲得視頻監(jiān)控圖像序列后，通過(guò)步態(tài)識(shí)別進(jìn)行用戶身份驗(yàn)證[3]，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果產(chǎn)生不同的反饋信號(hào)，反饋信號(hào)則通過(guò)以太網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊3傳送給下位機(jī)2。下位機(jī)2根據(jù)收到接收的反饋信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示模塊5和報(bào)警模塊6工作，其中識(shí)別結(jié)果為合法用戶的，顯示模塊5顯示“valid user”字樣，否則顯示“illegal user”字樣并啟動(dòng)報(bào)警模塊6報(bào)警。其中，圖像采集模塊1為網(wǎng)絡(luò)攝像頭；下位機(jī)2使用的是ARM開(kāi)發(fā)板；網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊3使用的是以太網(wǎng)模塊；上位機(jī)4使用的是PC機(jī)；顯示模塊5使用的是LCD液晶屏；報(bào)警模塊6使用的是蜂鳴報(bào)警器。

（二）硬件選材

1.圖像采集模塊

對(duì)于步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)而言，精準(zhǔn)的捕捉到人員行走時(shí)的影像尤為重要，因此在攝像頭的選擇方面，將采用市面上口碑較好的高清攝像頭進(jìn)行人體步態(tài)影像的捕捉。目前市面上的攝像頭基本具備紅外、夜視等功能，可以較好地保證高質(zhì)量的拍攝環(huán)境。因此，通過(guò)性價(jià)比、功能、安裝方式等幾個(gè)方面的篩選，最終確定了索瑞特公司的800萬(wàn)攝像頭4K高清夜視監(jiān)控?cái)z像頭作為本系統(tǒng)的攝像頭，其具有全景視野、智能追蹤、高清畫(huà)質(zhì)、全彩夜視、手機(jī)PC雙向報(bào)警、云存儲(chǔ)、耐溫防水等特點(diǎn)。

2.顯示模塊

對(duì)于顯示器，主要顯示識(shí)別數(shù)據(jù)以及被捕獲的人體影像，所以高清屏幕以及分辨率良好的影像素質(zhì)作為重要的因素。本系統(tǒng)選擇了方正（Founder）公司的24英寸IPS電腦顯示器作為上下位機(jī)的顯示器。

3.網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

本系統(tǒng)主要通過(guò)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳輸，所以選擇了TP-LINK的TL-SG1005D以太網(wǎng)交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。

4.報(bào)警模塊

本系統(tǒng)在識(shí)別到不符合條件的步態(tài)影像時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警器，所以對(duì)報(bào)警器的反應(yīng)速度以及報(bào)警強(qiáng)度要求較高。因此，本系統(tǒng)選擇了伊萊科（ELECAL）閃光蜂鳴器AD16-22SM作為報(bào)警器。

5.開(kāi)發(fā)板的選擇

開(kāi)發(fā)板負(fù)責(zé)整套系統(tǒng)的集成安裝，帶動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，本系統(tǒng)選擇采用正點(diǎn)原子精英STM32F103ZET6 ARM開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)運(yùn)行主板。

五、軟件設(shè)計(jì)

（一）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及算法選擇

本文系統(tǒng)通過(guò)去噪算法中的NL-Means算法（Non-Local Means）[4]、歸一化中的圖像歸一化算法搭配卷積深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)（CNN）進(jìn)行圖像的處理[5]，以提高身份識(shí)別效率、精準(zhǔn)率以及健壯性[6]。

（二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

對(duì)于視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，由于需要存放大量的圖像、視頻、用戶個(gè)人數(shù)據(jù)信息，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量龐大。因此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)具有存儲(chǔ)空間大、回應(yīng)率高、自動(dòng)覆蓋周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，本文擬使用“臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)+云數(shù)據(jù)庫(kù)”的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其中，臨時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存放近期捕獲到的或者使用過(guò)的步態(tài)數(shù)據(jù)，便于隨時(shí)調(diào)用；云數(shù)據(jù)庫(kù)則將自動(dòng)覆蓋周期內(nèi)的步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，甚至未來(lái)還可以與其他生物識(shí)別技術(shù)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行云計(jì)算與共享，提高生物識(shí)別領(lǐng)域的技術(shù)。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

已在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室、操場(chǎng)等場(chǎng)所開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)性能如表1所示。實(shí)驗(yàn)表明，本文系統(tǒng)在進(jìn)行人員身份識(shí)別時(shí)相較于其他生物識(shí)別技術(shù)普遍存在的問(wèn)題，不管是效率、精準(zhǔn)度、魯棒性、實(shí)用性等方面都有較大的提升；而且作為目前尚未廣泛使用的生物識(shí)別技術(shù)[7]而言未來(lái)研究發(fā)展的前景良好。

七、結(jié)語(yǔ)

步態(tài)識(shí)別技術(shù)彌補(bǔ)了同等條件下人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用盲點(diǎn)[8]，具有受視頻質(zhì)量影響小、數(shù)據(jù)易采集、步態(tài)形體長(zhǎng)期偽裝困難等特點(diǎn)。因此，本文在已有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)與深入地研究。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)提高了身份識(shí)別的效率、精準(zhǔn)度、魯棒性，為生物識(shí)別技術(shù)提供了向上發(fā)展的空間與可能，也對(duì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響。

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基金項(xiàng)目：2022年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于視頻監(jiān)控的步態(tài)識(shí)別系統(tǒng)”（課題編號(hào)：S202213123032）

作者單位：陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院