基于UWB 室內(nèi)定位與人像識別的軌跡溯源方法研究

劉博斐 朱雨豪 盧琛

（中電科新型智慧城市研究院有限公司 廣東省深圳市 518000）

1 引言

當(dāng)下室內(nèi)爆發(fā)疫情屢見不鮮，大量工作人員被派往現(xiàn)場快速調(diào)查、隔離感染人員，然而，經(jīng)常耗費大量人力、物力才能尋找到一絲跡象。

目前軌跡追溯的方法主要是通過事后研判的方式，現(xiàn)有技術(shù)手段主要利用基站定位、智能視頻監(jiān)控技術(shù)來對視頻和圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，目前的解決方法主要為以下幾種：

（1）通過基站定位快速尋找業(yè)務(wù)目標(biāo)的行程軌跡，然而，基站定位誤差較大，一旦信號出現(xiàn)漂移，系統(tǒng)自動將大量人員誤判為密接者。

（2）結(jié)合業(yè)務(wù)目標(biāo)的人物畫像、行程描述，事后通過海量視頻流進(jìn)行人工研判，但該方法無法精細(xì)判斷業(yè)務(wù)目標(biāo)曾在具體哪個鏡頭下出現(xiàn)，何時出現(xiàn)，因此，只能通過大量人工查看不同鏡頭中可能出現(xiàn)的畫面，耗費巨大的人力。如圖1 所示。

圖1：人像軌跡流程圖（人臉抓拍）

（3）通過智能前端采集的人像圖片數(shù)據(jù)，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)精確判斷業(yè)務(wù)目標(biāo)的活動軌跡和時間。然而，智能前端在室內(nèi)覆蓋不均勻，易受角度、光線等原因?qū)е聰?shù)據(jù)錯漏，同時不同智能前端觸發(fā)的臨界點不同，導(dǎo)致存在漏拍或誤拍的情況，因此人臉抓拍的數(shù)據(jù)采集也十分有限。如圖2 所示。

圖2：人像軌跡流程圖（人臉抓拍）

（4）視頻流數(shù)據(jù)通過高密GPU 計算資源快速解析人臉并提取人臉特征，通過與人臉庫中業(yè)務(wù)目標(biāo)的人臉特征值進(jìn)行相似度比較，當(dāng)相似度達(dá)到閾值時，系統(tǒng)產(chǎn)生告警，并在地圖上展示軌跡信息。

以上四種現(xiàn)有解決方法中，由于普通視頻監(jiān)控需要耗費大量人力通過肉眼捕捉業(yè)務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)的畫面，其效率極低；智能前端抓拍機數(shù)據(jù)集通常有限，且觸發(fā)人臉捕捉畫面的臨界點難以把控，導(dǎo)致人臉數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯漏場景；然而，高清視頻監(jiān)控中的視頻資源解析需要高密計算資源全天候24 小時不斷提取特征、快速比對，所需的計算資源成本較高。與此同時視頻監(jiān)控（含智能）的位置信息以GPS 為主，而室內(nèi)GPS 坐標(biāo)無法描述具體的軌跡信息。

本文提出一種UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）與人像識別的聯(lián)合溯源研究方法，將有效避免以上解決方法中存在的缺陷。UWB 的主要優(yōu)勢是低功耗、對信道衰落（如多徑、非視距等信道）不敏感、抗干擾能力強、不會對同一環(huán)境下的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾、穿透性較強（能在穿透一堵磚墻的環(huán)境進(jìn)行定位），具有很高的定位準(zhǔn)確度和定位精度。系統(tǒng)依托UWB 室內(nèi)定位技術(shù)，獲取業(yè)務(wù)目標(biāo)的軌跡信息，通過軌跡信息快速定位智能視頻中存在的錯漏數(shù)據(jù)集，有效破解室內(nèi)定位技術(shù)無法精準(zhǔn)辨認(rèn)業(yè)務(wù)目標(biāo)是否為本人這一難題?？臻g位置信息和視頻信息的疊加將有效提高軌跡研判效率。

2 異構(gòu)系統(tǒng)時鐘同步模型探討

隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對時間精確度的要求也越來越高。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對時鐘的精度要求較低，而基于TDOA 的UWB 無線室內(nèi)定位系統(tǒng)具有較高的時鐘精度要求，本文重點采用基于PTP（Precision Time Protocol）的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過搭建PTP 的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)，將其中一臺授時服務(wù)器作為主時鐘，其他授時服務(wù)器充當(dāng)從時鐘進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搭建。

依托室內(nèi)精準(zhǔn)定位技術(shù)，快速高效解決智能視頻在軌跡溯源問題的缺陷，本文將重點研究如何利用UWB 室內(nèi)定位技術(shù)有效提升智能視頻快速尋找和發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。

實時時鐘同步模型是智能視頻系統(tǒng)與室內(nèi)定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)支撐，統(tǒng)一的身份ID 和時間戳能夠快速實現(xiàn)位置信息與視頻流、圖片流的關(guān)聯(lián)，因此本系統(tǒng)將部署統(tǒng)一NTP 授時服務(wù)，如圖3 所示。

圖3：時鐘同步方案

兩套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)首先向服務(wù)端發(fā)送NTP 包，NTP 包中包含了發(fā)送時間戳T1，當(dāng)服務(wù)端接收到NTP 包時，依次填入包到達(dá)的時間戳T2、包離開的時間戳T3，然后立即把包返回給客戶端?？蛻舳嗽诮邮盏巾憫?yīng)包時，記錄包返回的時間戳T4。客戶端通過上述4 個時間參數(shù)就能夠計算出2 個關(guān)鍵參數(shù)：NTP 包的往返延遲d 和客戶機與服務(wù)器之間的時鐘偏差t。客戶端使用時鐘偏差來調(diào)整本地時鐘，以使其時間與服務(wù)器時間一致。

假設(shè)NTP 的請求和回復(fù)包延時相等，而T1、T2、T3、T4 為已知。那么

由此可見t 與T2、T3 差值無關(guān)，即兩種技術(shù)的客戶端時鐘與服務(wù)器處理請求所需的時間無關(guān)。因此，客戶端可通過T1、T2、T3、T4 計算出時差t 去調(diào)整本地時鐘。

3 融合定位方法研究

融合定位方法中，業(yè)務(wù)目標(biāo)攜帶的標(biāo)簽向基站發(fā)送信息，基站接收信息后通過到達(dá)時間差法（TDOA）實時計算標(biāo)簽的位置坐標(biāo)。TDOA 是測量不同基站接收到同一標(biāo)簽的定位信號的時間差，并由此計算出標(biāo)簽到不同基站的距離差。假設(shè)標(biāo)簽到任何一個基站的距離差為d，可在兩個基站之間呈現(xiàn)一條雙曲線。當(dāng)同時有k( k ≥3) 個基站參與定位時，多個雙曲線之間的交匯區(qū)域就是對用戶位置的估計，由式4 可以計算出用戶的位置。

以二維空間為例。信息節(jié)點Ni 和參考節(jié)點Nj 之間的每個距離Dji 都決定了一個以Dji 為半徑、Nj 為中心的圓Ni的位置是由中心位于（N1，…，Nk）半徑為（D1i，…，Dki）的k 個圓的交點來決定。

由此，UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)以上方法可快速計算并獲取業(yè)務(wù)目標(biāo)的坐標(biāo)信息。在UWB 室內(nèi)定位系統(tǒng)中輸入業(yè)務(wù)目標(biāo)ID，快速檢索業(yè)務(wù)目標(biāo)的歷史活動軌跡，并輸出坐標(biāo)點位集(Xi,Yi)和對應(yīng)的時間戳Ti，以(Xi,Yi)和Ti 為基準(zhǔn)，智能視頻系統(tǒng)快速檢索抓拍的相似人臉圖片集Di 與對應(yīng)的時間戳T'。

當(dāng)Ti=T^'時，每一 (Xi,Yi)中，當(dāng)Di ≥1 時，即相似人臉圖片集Di 中存在至少1 張相似圖片，則室內(nèi)定位系統(tǒng)與智能視頻系統(tǒng)兩條軌跡完全匹配，圖片數(shù)據(jù)可能存在遺漏，但不影響軌跡信息，即任一軌跡均可實現(xiàn)溯源。該情況為理想狀態(tài)，具體系統(tǒng)流程圖4 所示。

圖4：系統(tǒng)流程圖

當(dāng)Ti=T'時，每一(Xi,Yi)中，當(dāng)存在部分Di=0 時，即在(Xi,Yi)中存在部分相似圖片數(shù)據(jù)為空，則以(Xi,Yi)與Ti為基準(zhǔn)，通過智能視頻系統(tǒng)調(diào)取視頻流，通過視頻流確認(rèn)業(yè)務(wù)目標(biāo)是否經(jīng)過，如經(jīng)過則說明智能視頻系統(tǒng)存在遺漏數(shù)據(jù)，將視頻截圖導(dǎo)入智能視頻系統(tǒng)完成軌跡拼接；如未經(jīng)過則說明室內(nèi)定位系統(tǒng)采集的坐標(biāo)非業(yè)務(wù)目標(biāo)本人。

當(dāng)Ti=T'時，每一(Xi,Yi)中，當(dāng)Di=0 時，即在(Xi,Yi)中存在全部相似人臉圖片數(shù)據(jù)為空，則以(Xi,Yi)與Ti 為基準(zhǔn)，通過智能視頻系統(tǒng)調(diào)取視頻流，通過視頻流確認(rèn)業(yè)務(wù)目標(biāo)是否經(jīng)過，如經(jīng)過則智能視頻系統(tǒng)遺漏所有數(shù)據(jù)（存在業(yè)務(wù)目標(biāo)偽裝、智能視頻監(jiān)控抓拍功能未開啟兩種情況），將視頻截圖導(dǎo)入智能視頻系統(tǒng)完成軌跡溯源；如未經(jīng)過則說明室內(nèi)定位系統(tǒng)采集的坐標(biāo)非業(yè)務(wù)目標(biāo)本人；如未經(jīng)過，且檢測到視頻流顯示斷續(xù)，則判定智能視頻系統(tǒng)前端在該時刻處于離線狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

通過UWB 室內(nèi)精準(zhǔn)定位技術(shù)可快速確定業(yè)務(wù)目標(biāo)在室內(nèi)活動軌跡，系統(tǒng)獲取其活動坐標(biāo)信息和時間戳后，有效捕捉鏡頭位置信息和鏡頭中業(yè)務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)的視頻幀畫面和圖片畫面，根據(jù)抓拍圖片和視頻流的視頻幀畫面的可進(jìn)行研判，同時可判斷是否存在同行者和密接者。本文提出的方法將結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)有效關(guān)聯(lián)視頻、圖片數(shù)據(jù)與定位數(shù)據(jù)。具體方法如下：

（1）標(biāo)簽位置信息實時存儲至中心節(jié)點，即業(yè)務(wù)目標(biāo)在室內(nèi)活動的節(jié)點時間、位置存儲在中心節(jié)點；視頻流和圖片流的數(shù)據(jù)、屬性信息（鏡頭編號、IP 地址、通道號、GPS信息）等存儲在視頻中心節(jié)點，室內(nèi)精準(zhǔn)定位的中心節(jié)點與視頻中心節(jié)點提取特征值并對身份信息加密后均上傳至區(qū)塊鏈平臺。如圖5 所示。

圖5：視頻、圖片與空間位置存儲方案

（2）區(qū)塊鏈平臺利用唯一身份ID 遍歷業(yè)務(wù)目標(biāo)的室內(nèi)軌跡和時間戳，與視頻中心節(jié)點中存儲的前端視頻監(jiān)控的點位、時間進(jìn)行匹配，從海量視頻流中快速定位業(yè)務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)的時間點，截取視頻流片段；從海量圖片流中快速定位業(yè)務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)的抓拍圖片，通過人臉識別、特征比對確定目標(biāo)，快速完成業(yè)務(wù)目標(biāo)在室內(nèi)的軌跡溯源。

運用區(qū)塊鏈技術(shù)對每個業(yè)務(wù)目標(biāo)賦予唯一的身份識別ID 溯源，實時監(jiān)測人員的工作動態(tài)，對異常狀態(tài)及時生成報警，實現(xiàn)對人員的活動軌跡追蹤溯源。同時對入鏈的數(shù)據(jù)經(jīng)過特定的加密技術(shù)加密，降低了數(shù)據(jù)外泄的可能，提高數(shù)據(jù)安全性，而且利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以大幅提升數(shù)據(jù)的法律效力，避免數(shù)據(jù)可能被人為操作修改的情況。

4 結(jié)語

本文主要針對室內(nèi)大規(guī)模視頻監(jiān)控覆蓋場景，如高鐵站、地鐵站及大型商超等。通過融合室內(nèi)精準(zhǔn)定位技術(shù)，高效快速回溯業(yè)務(wù)目標(biāo)的軌跡信息，結(jié)合軌跡信息、時間戳快速定位視頻流和圖片流。然而，單一技術(shù)存在一定缺陷，室內(nèi)定位可快速獲取人員軌跡，智能視頻技術(shù)可對真實畫面進(jìn)行二次確認(rèn)，只有兩種技術(shù)的融合才能精準(zhǔn)、快速、高效的捕捉業(yè)務(wù)目標(biāo)和密接者的軌跡。如室內(nèi)定位可快速獲取人員軌跡，智能視頻技術(shù)可對真實畫面進(jìn)行二次確認(rèn)。融合技術(shù)的研究一方面有助于實現(xiàn)UWB 定位系統(tǒng)聯(lián)合視頻監(jiān)控（含智能）的快速回溯，即通過UWB 室內(nèi)精準(zhǔn)定位技術(shù),確定業(yè)務(wù)目標(biāo)在室內(nèi)活動軌跡，系統(tǒng)獲取其活動坐標(biāo)信息和時間戳后，快速獲取鏡頭位置信息和鏡頭中業(yè)務(wù)目標(biāo)出現(xiàn)的視頻幀畫面和圖片畫面，獲取抓拍圖片和視頻流的視頻幀畫面可快速進(jìn)行研判，同時可判斷是否存在同行者和密接者。另一方面有助于UWB 定位系統(tǒng)快速輔助視頻監(jiān)控（含智能）定位遺漏數(shù)據(jù)方法，即視頻監(jiān)控（含智能）在室內(nèi)覆蓋不均勻，同時易受角度、光線等原因?qū)е聰?shù)據(jù)錯漏，UWB 室內(nèi)定位正好彌補這一缺陷，反之亦然。通過UWB 定位系統(tǒng)能夠快速回溯業(yè)務(wù)目標(biāo)的軌跡信息，系統(tǒng)結(jié)合軌跡信息、時間戳信息快速定位視頻監(jiān)控（含智能）中的畫面，可快速結(jié)合視頻幀畫面確認(rèn)圖片抓拍庫中是否存在遺漏圖片數(shù)據(jù)。