基于高空瞭望圖像識別的智能識別檢測分析

譚坤淋

關(guān)鍵詞：高空瞭望；圖像識別；預警

在現(xiàn)代城市安全防護中，智能圖像監(jiān)控已經(jīng)成為重要的組成元素，是打造“數(shù)字城市”的關(guān)鍵一環(huán)?！案呖詹t望”屬于一種傳統(tǒng)的城市防范思路，在工業(yè)化發(fā)展下，其也被賦予新的理念?；谠撍悸罚诤舷冗M科技，達到區(qū)域全景覆蓋的效果。

1高空瞭望圖像智能識別

高空瞭望技術(shù)通常是指在超過30m的高空，安設(shè)高倍的監(jiān)控設(shè)備，可對幾百米乃至數(shù)千米范圍內(nèi)的事物進行監(jiān)控。該項技術(shù)具有遠程、全天候等特點，近年來多用在交通、電力與公安等領(lǐng)域。智能圖像識別則基于計算機視覺與圖像處理等現(xiàn)代技術(shù)，在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置相應的智能模塊，并利用計算機后臺數(shù)據(jù)進行處理，以篩掉無價值或是具有干擾性內(nèi)容，自動識別出監(jiān)控視頻中的物體，提取其中有價值的數(shù)據(jù)，迅速完成異常定位，并能隨即響應。

2高空瞭望智能圖像識別系統(tǒng)設(shè)計原則

高空瞭望系統(tǒng)是面向道路交通、城市管理等需要進行設(shè)計，涉及視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸、識別、總指揮調(diào)度等，具有較高的智能化水平，而且能夠確保系統(tǒng)運行的實時性。概括來講，其設(shè)計原則包含下述幾個方面。

（1）先進性和適用性。高空瞭望識別系統(tǒng)匯集多項前沿技術(shù)，內(nèi)置功能具有高效性和可操作性、便利性等特點。而且，系統(tǒng)安裝與調(diào)試、使用都比較容易，保證了對各類場景的適用性[1]。（2）經(jīng)濟性和實用性。高空瞭望系統(tǒng)設(shè)計，必須根據(jù)具體用途需求與當前信息技術(shù)水平，結(jié)合應用場景，制定滿足用戶所需的系統(tǒng)功能方案，并在合理組合的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)使用的性價比，在控制總投入的同時，確保系統(tǒng)的可用性和穩(wěn)定性。（3）可靠性和安全性。該類系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的成果應當保障其可靠性，即使日后系統(tǒng)由于自身故障或是外部干擾無法繼續(xù)工作，也能保留既有數(shù)據(jù)信息，便于檢修恢復。（4）開放性。在系統(tǒng)開發(fā)中，可把既有成熟系統(tǒng)當作設(shè)計對象，并綜合分析應用場景附近通信條件，并根據(jù)實際用途和已有系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動運行，以保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的開放性與可利用性。（5）可擴展性。無論該類系統(tǒng)被用到何種場景中，在初期設(shè)計中，相關(guān)人員均要考慮未來技術(shù)升級與功能需求增加等方面的問題，所以系統(tǒng)需具備更新與擴容等類似功能，可按照系統(tǒng)需求變化，合理、高效拓展。在初期設(shè)計中可留出冗余部分，以適應日后發(fā)展。

3高空瞭望智能圖像識別系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計分析

本文以高空監(jiān)控城區(qū)為基本需求方向，以實現(xiàn)全時段、全域監(jiān)控為目標進行系統(tǒng)規(guī)劃建設(shè)方面的討論。

3.1系統(tǒng)架構(gòu)

高空瞭望系統(tǒng)基礎(chǔ)框架應包含視頻采集與識別預警、監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)4個主要模塊。（1）視頻采集模塊。該部分主要由大量前端設(shè)備構(gòu)成，包括高清透霧攝像機及其長焦鏡頭，為進一步確保采集視頻信號的清晰度，還搭配紅外夜視成像與激光輔助照明等，并且在室外設(shè)置了高精度云臺。另外，在視頻采集模塊還設(shè)有防護罩與防雷、接地設(shè)施、前端控制柜等。（2）識別預警模塊。將視頻圖像分析功能進行硬件化處理，選擇模塊化的設(shè)計思路，對應用場景視頻加以分析，以實現(xiàn)智能識別預警。此處討論的系統(tǒng)識別預警率超過98%，而且錯報與漏報的概率非常小。（3）監(jiān)控中心管理模塊。裝配具有回放、儲存與顯示功能的設(shè)備，內(nèi)置相應的管理系統(tǒng)，在高空瞭望系統(tǒng)中起到指揮中樞的作用?？紤]到城市干道監(jiān)控的應用場景，可直接把前端點位連接到本地交警部門的智能管理平臺中。（4）數(shù)據(jù)傳送模塊。本系統(tǒng)選擇PON（無源光纖網(wǎng)絡）專線，這能提升圖像數(shù)據(jù)的獨立性，并降低外界條件的影響，同時保障信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

3.2技術(shù)特點

（1）智能雨刷。因為高空瞭望裝置通常布設(shè)于區(qū)域制高點，日常養(yǎng)護與運維難度較大，再加上高空處的設(shè)備極易被霧霾、風沙等干擾，在鏡頭表面產(chǎn)生附著物，影響視頻圖像采集的質(zhì)量，所以應定期清理鏡頭。但普通高空處監(jiān)控裝置，僅能在后臺人工操控下完成清掃動作，這并不符合智能識別檢測的需要[2]。因此，本系統(tǒng)采取智能化的設(shè)備，利用軟件程序智能控制雨刷，通過自動定期清掃，能有效縮短人工運維的時間與節(jié)約成本，同時使監(jiān)控裝置始終處于最優(yōu)運行狀態(tài)，以保證采集到的數(shù)據(jù)都具備可用性。

（2）超遠距離監(jiān)控。此處討論的高空瞭望系統(tǒng)裝載設(shè)備，最遠能監(jiān)控到8km處的事物，支持搭配750mm焦距規(guī)格的光學鏡頭。正常光線下，白天能采集到距離8km的圖像，而夜間的監(jiān)控距離也能達到5km左右，并且在白天能準確識別出1—3km內(nèi)的車牌信息。

（3）透霧功能。霧霾是很多地區(qū)比較常見的天氣狀況，而在該種天氣條件下一般攝像機設(shè)備無法采集到畫面清晰的視頻圖像，所以在系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計中考慮裝配具備透霧性能的設(shè)備以實施監(jiān)控。該項動態(tài)視頻透霧技術(shù)，主要基于灰霾、煙塵與霧氣等成像基本特征形成數(shù)字建模，并借助圖像處理技術(shù)，將畫面顏色表現(xiàn)與細節(jié)處加以恢復，以實現(xiàn)透霧功能，從而提高系統(tǒng)的環(huán)境適應性與可用性。

3.3傳輸網(wǎng)絡

在高空瞭望系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳送選用PON連接形式，各點連人8M標準寬帶，平臺移動機房與交警部門之間的信號傳輸帶寬單獨設(shè)置成224M。其中，PON內(nèi)不設(shè)置任何電子器件與電源，以各類無源器件為主，也不涉及有源電子設(shè)備。在每個無源光網(wǎng)絡體系內(nèi)，設(shè)置OLT（光線路終端）和配套的ONUs（光網(wǎng)絡單元），前者安設(shè)在中心控制站，后者則分布在用戶場所。同時，二者之間的ODN（光配線網(wǎng)）中有管線與無源分光器，抑或是耦合器。

該種傳輸網(wǎng)絡的可用性比較突出，一是整體造價相對較少，日常運維難度低，支持功能擴展，符合后期系統(tǒng)升級需要。在PON體系下，數(shù)據(jù)傳輸過程無需電源與各類電子部件，所以現(xiàn)場布設(shè)施工比較簡單，幾乎不用運維，長期使用與管理的成本投入較少，符合大面積布設(shè)監(jiān)控設(shè)備的需要。二是純介質(zhì)網(wǎng)絡，這樣能有效預防電磁干擾與雷電威脅，可以適應絕大多數(shù)自然、復雜的使用場景。三是資源占用少。裝配PON的監(jiān)控系統(tǒng)平臺，由于PON僅占用極少的系統(tǒng)資源，使初期建設(shè)投資比較少，后期擴展也非常簡單，投入回報率高，同時具有良好帶寬，上下對稱帶寬可達到2.5Gb/s。另外，PON服務范圍較廣。其是“點一多點”的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，整體呈現(xiàn)“扇形”狀態(tài)，可節(jié)約大量資源，在條件固定的情況下能服務更多的用戶，加之系統(tǒng)共享局端設(shè)備與光線，也能控制前期投入規(guī)模。其帶寬配置也非常靈活，可按照應用場景的變化進行調(diào)整[3]。

3.4云臺設(shè)置

3.4.1功能要求

考慮到本系統(tǒng)主要應用于城市干線交通監(jiān)控中，前期規(guī)劃把本地路口、車站與交通樞紐等場所作為主要監(jiān)控區(qū)域。云臺設(shè)計方面，本系統(tǒng)采用3km、5km、8km三個監(jiān)控距離規(guī)格，視頻采集范圍覆蓋周圍3—8km的區(qū)域。系統(tǒng)前端裝配高清攝像機，支持各個監(jiān)控場所需要，選擇不同焦距規(guī)格的鏡頭，實現(xiàn)在1—3km的遠處清楚采集到車牌圖像。在高空瞭望系統(tǒng)中，云臺可實現(xiàn)的功能如下。（1）精準對焦。系統(tǒng)支持自動對焦，可以改變視頻信息的清晰度。（2）迅速完成目標定位。系統(tǒng)配置高性能云臺模塊，讓前端攝像機可以保持在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中，并根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析確認的異常點鎖定目標。（3）無抖動顯示。系統(tǒng)云臺本身擁有硬件防抖性能，即使在對所搜目標進行定位的過程中，也可使視頻畫面保持平穩(wěn)o （4）預設(shè)位功能。本系統(tǒng)云臺支持預設(shè)數(shù)百個點位，操作管理人員可結(jié)合監(jiān)控需要進行增減、修改。云臺會自動保存預設(shè)點，并迅速在相應位置進行動態(tài)監(jiān)控。（5）控制功能。此處討論的系統(tǒng)云臺支持不同規(guī)格的數(shù)字接口，在系統(tǒng)后端便可操作云臺，實現(xiàn)調(diào)焦與轉(zhuǎn)動等控制功能。除了以上幾項基本使用功能，考慮到應用場景環(huán)境條件的不確定性，確保在遇到較為惡劣的天氣時，系統(tǒng)可以保持正常的工作狀態(tài)，所選云臺以及有關(guān)設(shè)施對于溫濕度的適應力應較強，并且能抵御大風的干擾。同時，加裝避雷設(shè)備與自動雨刷，使系統(tǒng)具有防雷、耐腐蝕、防塵與防水的性能。

3.4.2云臺選擇

高空瞭望系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計中，選擇的云臺主要有3種。（1）焦距為6.25～300mm。其在白日能實現(xiàn)3km范圍內(nèi)的視頻動態(tài)檢測，信噪比為55 dB，同時可遮擋隱私，共24個區(qū)域，最多能將8個區(qū)域的資料呈現(xiàn)在一個畫面上，加之寬動態(tài)效果，無論是白天，還是黑夜都能清楚呈現(xiàn)采集到的圖像。內(nèi)置激光補光，有效范圍超過0.8 km。系統(tǒng)運行中，云臺能按照倍率距離，自動調(diào)整激光燈強度與角度，讓采集圖像處于最優(yōu)狀態(tài)中[4]。（2）焦距在11—350 mm，在白日可采集5 km范圍內(nèi)的信息。其在隱私遮擋方面，與上一種畫面區(qū)域條件相同，并且能進行多邊形遮擋。寬動態(tài)效果搭配良好降噪性能，保障了圖像清晰度。激光補光范圍與前者一致，紅外照射能達到360 m的距離。并且，同樣是利用倍率距離改變照射角度與強度。云臺在靜止狀態(tài)下，功耗為22 W。監(jiān)控視野方面，水平3600、垂直（-35°）～ 90°沒有盲區(qū)，水平與垂直方向操控速度分別是0.1°～ 160°/s．0.1°～60°/s。另外，支持設(shè)定5條巡航線，以及24條模式路徑，單位記錄時間均超過15 min。（3）焦距為12.5～750 mm，白日監(jiān)控范圍達到8 km。其他基本技術(shù)性能和前兩種類似，此處不再贅述。

4高空瞭望智能圖像識別系統(tǒng)建設(shè)實例討論

某地總面積為6597km2，建成區(qū)約占14%，其中主城區(qū)在120km2左右。為盡早發(fā)現(xiàn)火情，當?shù)叵嚓P(guān)部門早在20世紀就建設(shè)了人工瞭望臺，并配以高倍的望遠鏡。在城市逐漸發(fā)展中，大量高樓拔地而起，原本瞭望臺觀察視線受阻，慢慢被取消。

4.1建設(shè)難點

（1）氣相干擾。高空瞭望系統(tǒng)中的攝像機安裝位置非常高，容易受大風與本身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動影響，導致拍攝畫面失穩(wěn)，降低圖像質(zhì)量。所以，使用抗風水平較高的云臺，并提高攝像機本身的工作精度，以滿足所需圖像質(zhì)量要求。另外，攝像機自我清掃以及其他運維保護都關(guān)系到整體運行狀態(tài)。（2）智能識別火警圖像。因為遇到雨雪霧天均會影響動態(tài)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時市區(qū)內(nèi)熱源高密度分布，以及建筑物形成“熱島效應”，都會提高識別火災的難度。（3）高空瞭望系統(tǒng)和GIS連接。在通過高空瞭望系統(tǒng)確認火情后，應當立刻鎖定發(fā)生位置。但因為攝像機位于高空，對地面點位的識別容易產(chǎn)生巨大誤差，導致錯過最佳的救援時間。

4.2系統(tǒng)構(gòu)成

在該系統(tǒng)中包括云臺攝像機與網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)庫、圖像智能分析。前文對于前兩個部分有詳細闡述，此處主要介紹后兩者。其中，圖像智能分析是基于突發(fā)類的熱源圖像識別，對監(jiān)控范圍內(nèi)全部場景加以統(tǒng)計分析，繼而檢測識別出突發(fā)熱源；數(shù)據(jù)庫用于保存大量監(jiān)控信息，可作為系統(tǒng)智能分析的依據(jù)。下文以圖像智能分析為例，討論其運行過程。

4.3圖像智能分析

高空瞭望條件下，對有效范圍內(nèi)全部場景實施自動統(tǒng)計，主要運行環(huán)節(jié)如下。（1）360°圖像畫面拼接。高空識別平臺上，將水平方向上360°的圖像數(shù)據(jù)拼接起來，得到全景圖。該項功能借助特征匹配算法，系統(tǒng)會自動生成變換矩陣，將周視畫面拼成完整圖像[5]。（2）完成拼接處理后，系統(tǒng)平臺通過混合高斯模型，不斷更新和積累全景圖數(shù)據(jù)。進一步通過統(tǒng)計分布模型對全景圖加以描述，并根據(jù)圖像序列建立統(tǒng)計分布模型，繼而判斷場景內(nèi)的異常目標。在該過程中，背景更新依托計算機的視覺系統(tǒng)，并通過目標跟蹤功能，在背景中提取到目標信息。而背景更新算法對應收斂性，以及相關(guān)數(shù)字模型估計可靠性，決定了系統(tǒng)對于突變點的響應效率與識別準確度。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)突發(fā)類熱源在全景圖上的特殊性，系統(tǒng)自動鎖定熱源，并迅速報警。另外，系統(tǒng)對于固定熱源和突發(fā)熱源的識別，由于前者具有長期存在的特點，且分布相對規(guī)律，缺乏奇異性，所以不會對突發(fā)類熱源的智能識別檢測產(chǎn)生干擾。

5結(jié)束語

在高空瞭望圖像識別下，依托高清攝像機與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，對監(jiān)控場景范圍進行全面識別檢測，以便及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)異常點。借助其高度自動化與智能化，能夠有效減少有關(guān)工作者的任務量，即使無人值守，也能高效獲得相關(guān)事件信息。