基于高空瞭望圖像識(shí)別的智能識(shí)別檢測(cè)分析

譚坤淋

關(guān)鍵詞：高空瞭望；圖像識(shí)別；預(yù)警

在現(xiàn)代城市安全防護(hù)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。基于該思路，融合先進(jìn)科技，達(dá)到區(qū)域全景覆蓋的效果。

1高空瞭望圖像智能識(shí)別

高空瞭望技術(shù)通常是指在超過(guò)30m的高空，安設(shè)高倍的監(jiān)控設(shè)備，可對(duì)幾百米乃至數(shù)千米范圍內(nèi)的事物進(jìn)行監(jiān)控。該項(xiàng)技術(shù)具有遠(yuǎn)程、全天候等特點(diǎn)，近年來(lái)多用在交通、電力與公安等領(lǐng)域。智能圖像識(shí)別則基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(yīng)的智能模塊，并利用計(jì)算機(jī)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以篩掉無(wú)價(jià)值或是具有干擾性內(nèi)容，自動(dòng)識(shí)別出監(jiān)控視頻中的物體，提取其中有價(jià)值的數(shù)據(jù)，迅速完成異常定位，并能隨即響應(yīng)。

2高空瞭望智能圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

高空瞭望系統(tǒng)是面向道路交通、城市管理等需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，涉及視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸、識(shí)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(yùn)行的實(shí)時(shí)性。概括來(lái)講，其設(shè)計(jì)原則包含下述幾個(gè)方面。

（1）先進(jìn)性和適用性。高空瞭望識(shí)別系統(tǒng)匯集多項(xiàng)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(diǎn)。而且，系統(tǒng)安裝與調(diào)試、使用都比較容易，保證了對(duì)各類場(chǎng)景的適用性[1]。（2）經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。高空瞭望系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須根據(jù)具體用途需求與當(dāng)前信息技術(shù)水平，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)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(jià)比，在控制總投入的同時(shí)，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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的成果應(yīng)當(dāng)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(wú)法繼續(xù)工作，也能保留既有數(shù)據(jù)信息，便于檢修恢復(fù)。（4）開(kāi)放性。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，可把既有成熟系統(tǒng)當(dāng)作設(shè)計(jì)對(duì)象，并綜合分析應(yīng)用場(chǎng)景附近通信條件，并根據(jù)實(shí)際用途和已有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，以保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的開(kāi)放性與可利用性。（5）可擴(kuò)展性。無(wú)論該類系統(tǒng)被用到何種場(chǎng)景中，在初期設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員均要考慮未來(lái)技術(shù)升級(jí)與功能需求增加等方面的問(wèn)題，所以系統(tǒng)需具備更新與擴(kuò)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(jì)中可留出冗余部分，以適應(yīng)日后發(fā)展。

3高空瞭望智能圖像識(shí)別系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)分析

本文以高空監(jiān)控城區(qū)為基本需求方向，以實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、全域監(jiān)控為目標(biāo)進(jìn)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(yīng)包含視頻采集與識(shí)別預(yù)警、監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)4個(gè)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(jī)及其長(zhǎng)焦鏡頭，為進(jìn)一步確保采集視頻信號(hào)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(tái)。另外，在視頻采集模塊還設(shè)有防護(hù)罩與防雷、接地設(shè)施、前端控制柜等。（2）識(shí)別預(yù)警模塊。將視頻圖像分析功能進(jìn)行硬件化處理，選擇模塊化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景視頻加以分析，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別預(yù)警。此處討論的系統(tǒng)識(shí)別預(yù)警率超過(guò)98%，而且錯(cuò)報(bào)與漏報(bào)的概率非常小。（3）監(jiān)控中心管理模塊。裝配具有回放、儲(chǔ)存與顯示功能的設(shè)備，內(nèi)置相應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景，可直接把前端點(diǎn)位連接到本地交警部門的智能管理平臺(tái)中。（4）數(shù)據(jù)傳送模塊。本系統(tǒng)選擇PON（無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)）專線，這能提升圖像數(shù)據(jù)的獨(dú)立性，并降低外界條件的影響，同時(shí)保障信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

3.2技術(shù)特點(diǎn)

（1）智能雨刷。因?yàn)楦呖詹t望裝置通常布設(shè)于區(qū)域制高點(diǎn)，日常養(yǎng)護(hù)與運(yùn)維難度較大，再加上高空處的設(shè)備極易被霧霾、風(fēng)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(yīng)定期清理鏡頭。但普通高空處監(jiān)控裝置，僅能在后臺(tái)人工操控下完成清掃動(dòng)作，這并不符合智能識(shí)別檢測(cè)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(guò)自動(dòng)定期清掃，能有效縮短人工運(yùn)維的時(shí)間與節(jié)約成本，同時(shí)使監(jiān)控裝置始終處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)，以保證采集到的數(shù)據(jù)都具備可用性。

（2）超遠(yuǎn)距離監(jiān)控。此處討論的高空瞭望系統(tǒng)裝載設(shè)備，最遠(yuǎn)能監(jiān)控到8km處的事物，支持搭配750mm焦距規(guī)格的光學(xué)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(dá)到5km左右，并且在白天能準(zhǔn)確識(shí)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(jiàn)的天氣狀況，而在該種天氣條件下一般攝像機(jī)設(shè)備無(wú)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(jì)中考慮裝配具備透霧性能的設(shè)備以實(shí)施監(jiān)控。該項(xiàng)動(dòng)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(xì)節(jié)處加以恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)透霧功能，從而提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性與可用性。

3.3傳輸網(wǎng)絡(luò)

在高空瞭望系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳送選用PON連接形式，各點(diǎn)連人8M標(biāo)準(zhǔn)寬帶，平臺(tái)移動(dòng)機(jī)房與交警部門之間的信號(hào)傳輸帶寬單獨(dú)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(wú)源器件為主，也不涉及有源電子設(shè)備。在每個(gè)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)體系內(nèi)，設(shè)置OLT（光線路終端）和配套的ONUs（光網(wǎng)絡(luò)單元），前者安設(shè)在中心控制站，后者則分布在用戶場(chǎng)所。同時(shí)，二者之間的ODN（光配線網(wǎng)）中有管線與無(wú)源分光器，抑或是耦合器。

該種傳輸網(wǎng)絡(luò)的可用性比較突出，一是整體造價(jià)相對(duì)較少，日常運(yùn)維難度低，支持功能擴(kuò)展，符合后期系統(tǒng)升級(jí)需要。在PON體系下，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程無(wú)需電源與各類電子部件，所以現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)施工比較簡(jiǎn)單，幾乎不用運(yùn)維，長(zhǎng)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(luò)，這樣能有效預(yù)防電磁干擾與雷電威脅，可以適應(yīng)絕大多數(shù)自然、復(fù)雜的使用場(chǎng)景。三是資源占用少。裝配PON的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，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(kuò)展也非常簡(jiǎn)單，投入回報(bào)率高，同時(shí)具有良好帶寬，上下對(duì)稱帶寬可達(dá)到2.5Gb/s。另外，PON服務(wù)范圍較廣。其是“點(diǎn)一多點(diǎn)”的網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(yīng)用場(chǎng)景的變化進(jìn)行調(diào)整[3]。

3.4云臺(tái)設(shè)置

3.4.1功能要求

考慮到本系統(tǒng)主要應(yīng)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(chǎng)所作為主要監(jiān)控區(qū)域。云臺(tái)設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)采用3km、5km、8km三個(gè)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(jī)，支持各個(gè)監(jiān)控場(chǎng)所需要，選擇不同焦距規(guī)格的鏡頭，實(shí)現(xiàn)在1—3km的遠(yuǎn)處清楚采集到車牌圖像。在高空瞭望系統(tǒng)中，云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)的功能如下。（1）精準(zhǔn)對(duì)焦。系統(tǒng)支持自動(dòng)對(duì)焦，可以改變視頻信息的清晰度。（2）迅速完成目標(biāo)定位。系統(tǒng)配置高性能云臺(tái)模塊，讓前端攝像機(jī)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(rèn)的異常點(diǎn)鎖定目標(biāo)。（3）無(wú)抖動(dòng)顯示。系統(tǒng)云臺(tái)本身?yè)碛杏布蓝缎阅?，即使在?duì)所搜目標(biāo)進(jìn)行定位的過(guò)程中，也可使視頻畫面保持平穩(wěn)o （4）預(yù)設(shè)位功能。本系統(tǒng)云臺(tái)支持預(yù)設(shè)數(shù)百個(gè)點(diǎn)位，操作管理人員可結(jié)合監(jiān)控需要進(jìn)行增減、修改。云臺(tái)會(huì)自動(dòng)保存預(yù)設(shè)點(diǎn)，并迅速在相應(yīng)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控。（5）控制功能。此處討論的系統(tǒng)云臺(tái)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(tái)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦與轉(zhuǎn)動(dòng)等控制功能。除了以上幾項(xiàng)基本使用功能，考慮到應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境條件的不確定性，確保在遇到較為惡劣的天氣時(shí)，系統(tǒng)可以保持正常的工作狀態(tài)，所選云臺(tái)以及有關(guān)設(shè)施對(duì)于溫濕度的適應(yīng)力應(yīng)較強(qiáng)，并且能抵御大風(fēng)的干擾。同時(shí)，加裝避雷設(shè)備與自動(dòng)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(tái)選擇

高空瞭望系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，選擇的云臺(tái)主要有3種。（1）焦距為6.25～300mm。其在白日能實(shí)現(xiàn)3km范圍內(nèi)的視頻動(dòng)態(tài)檢測(cè)，信噪比為55 dB，同時(shí)可遮擋隱私，共24個(gè)區(qū)域，最多能將8個(gè)區(qū)域的資料呈現(xiàn)在一個(gè)畫面上，加之寬動(dòng)態(tài)效果，無(wú)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(bǔ)光，有效范圍超過(guò)0.8 km。系統(tǒng)運(yùn)行中，云臺(tái)能按照倍率距離，自動(dòng)調(diào)整激光燈強(qiáng)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(jìn)行多邊形遮擋。寬動(dòng)態(tài)效果搭配良好降噪性能，保障了圖像清晰度。激光補(bǔ)光范圍與前者一致，紅外照射能達(dá)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(qiáng)度。云臺(tái)在靜止?fàn)顟B(tài)下，功耗為22 W。監(jiān)控視野方面，水平3600、垂直（-35°）～ 90°沒(méi)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(shí)間均超過(guò)15 min。（3）焦距為12.5～750 mm，白日監(jiān)控范圍達(dá)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(shí)別系統(tǒng)建設(shè)實(shí)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(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門早在20世紀(jì)就建設(shè)了人工瞭望臺(tái)，并配以高倍的望遠(yuǎn)鏡。在城市逐漸發(fā)展中，大量高樓拔地而起，原本瞭望臺(tái)觀察視線受阻，慢慢被取消。

4.1建設(shè)難點(diǎn)

（1）氣相干擾。高空瞭望系統(tǒng)中的攝像機(jī)安裝位置非常高，容易受大風(fēng)與本身基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滑動(dòng)影響，導(dǎo)致拍攝畫面失穩(wěn)，降低圖像質(zhì)量。所以，使用抗風(fēng)水平較高的云臺(tái)，并提高攝像機(jī)本身的工作精度，以滿足所需圖像質(zhì)量要求。另外，攝像機(jī)自我清掃以及其他運(yùn)維保護(hù)都關(guān)系到整體運(yùn)行狀態(tài)。（2）智能識(shí)別火警圖像。因?yàn)橛龅接暄╈F天均會(huì)影響動(dòng)態(tài)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)市區(qū)內(nèi)熱源高密度分布，以及建筑物形成“熱島效應(yīng)”，都會(huì)提高識(shí)別火災(zāi)的難度。（3）高空瞭望系統(tǒng)和GIS連接。在通過(guò)高空瞭望系統(tǒng)確認(rèn)火情后，應(yīng)當(dāng)立刻鎖定發(fā)生位置。但因?yàn)閿z像機(jī)位于高空，對(duì)地面點(diǎn)位的識(shí)別容易產(chǎn)生巨大誤差，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)最佳的救援時(shí)間。

4.2系統(tǒng)構(gòu)成

在該系統(tǒng)中包括云臺(tái)攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、圖像智能分析。前文對(duì)于前兩個(gè)部分有詳細(xì)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(shí)別，對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)全部場(chǎng)景加以統(tǒng)計(jì)分析，繼而檢測(cè)識(shí)別出突發(fā)熱源；數(shù)據(jù)庫(kù)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(yùn)行過(guò)程。

4.3圖像智能分析

高空瞭望條件下，對(duì)有效范圍內(nèi)全部場(chǎng)景實(shí)施自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，主要運(yùn)行環(huán)節(jié)如下。（1）360°圖像畫面拼接。高空識(shí)別平臺(tái)上，將水平方向上360°的圖像數(shù)據(jù)拼接起來(lái)，得到全景圖。該項(xiàng)功能借助特征匹配算法，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(tái)通過(guò)混合高斯模型，不斷更新和積累全景圖數(shù)據(jù)。進(jìn)一步通過(guò)統(tǒng)計(jì)分布模型對(duì)全景圖加以描述，并根據(jù)圖像序列建立統(tǒng)計(jì)分布模型，繼而判斷場(chǎng)景內(nèi)的異常目標(biāo)。在該過(guò)程中，背景更新依托計(jì)算機(jī)的視覺(jué)系統(tǒng)，并通過(guò)目標(biāo)跟蹤功能，在背景中提取到目標(biāo)信息。而背景更新算法對(duì)應(yīng)收斂性，以及相關(guān)數(shù)字模型估計(jì)可靠性，決定了系統(tǒng)對(duì)于突變點(diǎn)的響應(yīng)效率與識(shí)別準(zhǔn)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(dòng)鎖定熱源，并迅速報(bào)警。另外，系統(tǒng)對(duì)于固定熱源和突發(fā)熱源的識(shí)別，由于前者具有長(zhǎng)期存在的特點(diǎn)，且分布相對(duì)規(guī)律，缺乏奇異性，所以不會(huì)對(duì)突發(fā)類熱源的智能識(shí)別檢測(cè)產(chǎn)生干擾。

5結(jié)束語(yǔ)

在高空瞭望圖像識(shí)別下，依托高清攝像機(jī)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，?duì)監(jiān)控場(chǎng)景范圍進(jìn)行全面識(shí)別檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)異常點(diǎn)。借助其高度自動(dòng)化與智能化，能夠有效減少有關(guān)工作者的任務(wù)量，即使無(wú)人值守，也能高效獲得相關(guān)事件信息。