视频监控技术的智能化趋势

• 智能化视频监控技术的进一步发展，仍然是仿生学引导的结果
• 智能化是视频监控的亮点，但又是视频监控技术的关键和难点
• 智能视频监控产业的发展需要采用新的符合智能监控要求的体系结构

基金项目：国家自然科学基金(60672134、61071091)

    视频监控是视频工程中重要的技术和应用领域，支撑其发展的视频技术在不到一个世纪的发展过程中，大致经历了3个跨越式的发展阶段。20世纪30年代，以电视广播为代表的视频技术走出了实验室，进入广播电视台和千万家庭，实现了从静止图像传输到活动图像传输的跨越；20世纪80年代末，以会议电视、视频监控等为代表的视频技术走出了实验室，进入众多的电视会议室、安防系统，实现了从模拟视频通信到数字视频通信的跨越；如今，以智能视频监控(IVS)为代表的视频技术，正处在走出实验室、进入到各行各业的应用阶段，将要实现从“机械”的视频信息处理向智能化视频信息处理的跨越。当前中国正处在这一跨越的关键时段。智能视频监控只是智能视频技术的一个部分，一个将视频技术引入智能时代的部分。

1 IVS的发展历程
    和人类许多技术一样，视频技术也是仿生学引导的结果。视频技术模仿人类眼睛的功能，把眼睛“拉”到实际难以到达的时空。电视广播提供了大量有声有色的娱乐节目，丰富了人们的文化生活；而视频监控的出现，不仅提供了栩栩如生的现场信息，更解决了安全和生产方面的问题，使人们深切感受到视频技术的应用范围之广和所起的重要作用。

    视频监控已有三四十年的发展，最早安装在银行营业厅的模拟视频监控设备，采用的是摄像头加磁带录像机；后来发展为数字监控，实际上是数字视频记录(DVR)，采用的是摄像头、采集卡加计算机（主要用于压缩、存储）；近几年的网络视频监控装置，主要是由嵌入式摄像机、传输网络和计算机构成。

    智能视频监控经过近四、五年的发展，已由简单的视频监控发展到具有人工智能的视频监控。视频监控的由来很简单，从需求层面来看：人们一直需要扩大眼睛的功能，希望在必要的地方“挂上”一只“眼睛”进行不间断的监控；从技术可行性的层面来看：传感器技术从单点传感器发展到多点，从一维传感器，发展到二维、三维传感器（图像、视频传感器），快速的发展为实现以看为主的监控提供了可能。实际上这一过程再次体现了仿生学对技术发展的巨大影响力：监控技术即智能化视频监控技术的进一步发展，仍然是仿生学引导的结果。从仿生学的角度出发，各种传感器的出现均模仿人类的各种感觉的结果，从触觉、嗅觉到听觉、视觉，如模仿人耳的麦克风和模仿人眼的摄像机。最近，如何在模仿视觉的基础上模仿人脑功能，使现有的监控设备具有一定的智能并、成为研究的焦点。智能的汇入使传感的内容、含义具有了主观“感觉”，能够给出分析、判断和结论，而并非只对传感对象的物理量作忠实的记录。

    早期的传感器往往比较简单，传感的是一维、单义的物理量，且易于分析、便于结论，如温度传感器，当所获得温度超过某一阈值时，说明发生了异常情况。以摄像机为代表的视觉传感器是一种多维、多义的传感器：面对记录的图像难以判断其内容的含义，如难以判断摄像机所面对的场景到底“发生”了什么事。现阶段该问题的解决主要靠人工完成：值班人员用眼睛对成百上千的摄像机信息进行屏幕“监视”，对存储的海量信息进行回放“检索”，对可疑信息进行人工对比、分析。但人（尤其是人的眼睛和大脑）是很容易疲劳的，有数据表明：如值班人员紧盯屏幕十几分钟后将会不自觉丢掉大部份信息。再如在伦敦地铁案中，安保人员为找到一点有价值的信息，往往要花几十小时查看大量的存储磁带。寻找不会疲劳的眼睛和大脑，分析所监控的内容，减轻负担，提高监控效率，这就是视频监控智能化的目标。

    监控智能化并不仅仅可以帮助我们紧盯屏幕，提高效率，还可以通过“智能”承担并实现更多工作。目前最典型的“智能”主要集中在以下4个方面：

    (1) 摄像机保护。这是首要任务，如果摄像机得不到保护，其它的一切都免谈。因此对摄像机被遮挡、被移动、模糊等情况能及时自动转移、报警并通知维护人员。

    (2) 入侵检测和运动目标跟踪。对非正常进入监视区域的可疑目标及时检测，能够识别单个或多个目标的运动情况（如运动方向、运动速度等）。在检测到可疑目标后，发送控制指令使摄像机自动跟踪目标，在物体超出该摄像机监控范围之后，自动通知邻近的摄像机协同工作，继续进行跟踪并发出报警信号。

    (3) 滞留物和搬移物报警。当场景中（如候机室、会议室等）某一物体(如包裹、手提箱等)在敏感区域停留的时间过长，或原场景中存在的物体（如手提电脑、贵重仪表）被无故搬移时，系统就发出报警信号，同时自动在前面的视频画面中查找放置滞留物或搬走原有物品的可疑人。

    (4) 群体行为分析。包含对人群、车流等目标的正常行为和异常行为分析。能够对场景中群体的正常行为进行分析，如统计穿越出入口或指定区域的人或车的数量、高速公路交通流量，识别人群的整体运动特征，包括速度、方向等。也能够对场景中群体的异常行为进行分析和判断，如检测、分类、跟踪和记录过往行人、车辆及其他可疑物体，判断公路上是否有车辆非法停靠、是否有故障车辆，是否有行人及车辆在禁区内发生长时间徘徊、停留、逆行等行为，检测公共场所是否有人员的集聚、奔跑、斗殴等异常行为。

    当然，智能视频监控能够做到的事不只如此。今后它可以帮我们做更多的事，但前提是我们要有足够的智能来设计并实现这样的智能视频监控系统。

2 IVS的技术难点
    IVS的前景十分美好，但仍面临漫长的探索路程。智能视频监控和普通视频监控本质的区别在于：普通监控视频只是帮助我们“看”；而智能视频监控不仅要“看”，而且能“看见”、能“理解”，能够搜寻目标，分析视频内容，处理视频监控的结果。

    这样的目标在技术实现上有很大难度，首先面临的问题是图像分割：把关注的目标从图像中分离出来。这是一个基本和图像处理同时诞生的老问题，但至今仍得不到很好的解决。在图像分割领域，各种方法层出不穷，基本是一个问题一种方法，或多种方法，但结果仍差强人意。

    除图像分割外仍有接踵而至的难题，如特征提取、目标匹配、目标描述、目标跟踪、多摄像机协同等。这些问题正是当前图像处理、视频分析的热点问题，虽然已取得一些成果，但距离人们的期望还相当遥远。总体上说，智能化是视频监控的亮点，但同时又是视频监控技术的关键和难点。智能视频监控技术的研究和应用仍处在萌芽状态，刚刚步入初级阶段[1-4]。

3 IVS产业的发展
    经过几十年的发展，视频监控已成长为一个新兴的IT产业，以6 000万人口的英国为例，已在全国范围内设置约420万个摄像机监控点。据统计和预测，全球安全市场2011年的产值，将从2001年的802亿美元，增长到2 658亿美元，成为全球重要产业之一[5]。

    作为一个产业，或者一类产品，必须满足人类所需或为人类增加效益才可能得到迅速的发展，如提供物品、文化或服务，替代人的工作，提高工作效率等。移动通信正是满足这样条件的产业，由视频通信和移动通信的发展情况可以看出：视频通信起步早，但发展较慢，而移动通信发展速度快、普及广。因为移动通信提供的是一种方便的通信方式，解除了通信终端对固定位置电线的束缚，不仅为人们提供了随处通信的自由，还增加了可观的经济效益和社会效益。因此，它的飞速发展在情理之中。相比之下，图像通信主要提供的是不同的通信内容，且至今还没有解决图像传送的畅通问题，在很大程度上仍属于“锦上添花”的应用，其发展的内在动力远远不足，因此发展速度滞后。如果视频传输能够畅通，且系统能够为人提供足够的智能服务，视频监控产业也会得到迅速的发展[6]。

    作为一个产业，视频监控属于视频通信的一部分。要加快视频监控的发展速度，首先需要了解并分析目前视频监控产业的特点和问题：

    (1) 个性大于共性。不同的用户对视频监控有不同的需求，如个人和企业、室内和室外、公开与隐蔽、大场景和小范围、移动和固定等，导致产品品种繁多难以扩大规模，大批量生产难以统一标准。

    (2) “运营”重于“生产”。监控产品的服务成分很大，并非只限于帮用户安装完成（如消费电子类产品）的环节。至少还应像通信运营商那样经营、维护、更新，为用户提供持续的服务，服务的复杂程度甚至要超运营商。例如，由于通信运营商建立面向社会的通用视频监控系统，建立面向特定部门的专用监控平台，开展运营级视频监控服务，就是一个很好的产业化发展模式。有数据统计，受运营级视频监控市场影响，从2006年开始，全球网络摄像终端市场的年增长速度达到70%以上。

    (3) 有效服务时间短。绝大部分的视频监控所感兴趣的是小概率事件，获得的有效数据占总数据的比例小，“备用”时间长。因此，需要具备海量数据存储能力、对无效数据的判断和丢弃能力，并同时在有效服务时间内确保有效服务，不允许轻易失误（如民用通信中用户信息有时会被无故中断）。

    (4) 涉及范围广。一是潜在用户涉及范围广，几乎没有单位和家庭不需要视频监控，只是需求的程度有所不同，以及现有的视频监控功能能否满足客户需要；二是配合单位涉及范围广，某一场景的监控常常涉及报警，报警又必然要涉及公安部门；监控大多涉及传输，传输必然涉及通信部门；环境监控必然涉及环保部门；交通监控当然要涉及公安和保险等部门等。没有多部门的配合，监控的作用将会大大缩减。

    智能视频监控产业的发展，必须针对这些特点采用新的符合智能监控要求的体系结构，如采用新的经营方式和服务方式，建立灵活的模块化的硬件平台和软件平台，具有多重保护的信息安全机制等。

4 IVS的发展前景
    视频监控技术正值蓬勃发展阶段，主要有以下几个发展趋势[7-8]：

    一是视频质量向高清化发展。这和整个数字视频高清化发展趋势是一致的。随着视频的采集、处理和显示器件的快速发展，随着传输带宽的增加和视频压缩技术的进步，高清晰度的视频监控，如720p、1080i、1080p甚至更高分辨率的视频质量，也将逐步实现。

    二是传输方式向网络化、无线化发展。这和整个通信网络的IP、无线、宽带化的发展趋势相一致。随着网络和通信技术的发展，为视频监控提供灵活的IP传输方式、方便的无线连接和足够的传输带宽等问题有望逐步得到解决，如基于3G网络、WiFi的视频监控系统等。

    三是视频监控技术向标准化发展。尽管这项工作在视频监控领域有相当大的困难，至今仍缺少统一的国际和国内标准，但是视频监控的标准化工作目前已在艰难中启动。在中国国内如中国电信“全球眼”和中国联通“宽视界”监控标准，国际上如安讯士、博世、索尼等企业联合推出的开放型网络视频接口论坛(ONVIF)，思科、IBM、ObjectVideo、松下等企业推出的实体安防互通联盟(PSIA)面向全球的标准。

    从总体上说，智能视频监控技术还处在发展的初级阶段。随着世界范围内对安全防范的重视，随着中国“国家应急体系”、“平安城市”、“科技强警”、“全球眼”、“宽视界”、“智慧小区”等重大工程项目的不断推进，以及亚运会、世博会等重要国际活动的开展，智能视频监控技术必然会加速发展。只要智能化程度足够高、足够可靠，其产品的市场前景会越来越好。IVS是一个充满技术瓶颈的产业，是一个充满变数的产业，但同时也是一个充满憧憬的产业。

5 参考文献
[1] TSAI???Luo Wei, HSIEH Jun Wei. Vehicle Detection Using Normalized Color and Edge Map[J]. IEEE Transactions on Image Processing, 2007, 16(3):850-864.
[2] AHMAD I, HE Z, LIAO M,et al. Special Issue on Video Surveillance[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2008, 18(8):1001-1005.
[3] NGHIEM A T, BREMOND F, THONNAT M, et al. ETISEO, Performance Evaluation for Video Surveillance Systems [C]// Proceedings of the IEEE International Conference on Advanced Video and Signal Based Surveillance (AVSS’07), Sep 5-7,2007,London,UK. 2007: 476-481.
[4] GELASCA E D, EBRAHIMI T. Application Dependent Video Segmentation Evaluation: A Case Study for Video Surveillance [C]// Proceeding of the 14th European Signal Processing Conference(EUSIPCO’06),Sep 4-8, 2006, Florence, Italy.2006.
[5] 李鹏飞, 陈朝武, 李晓峰. 智能视频算法评估综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报, 2010, 22 (2):352-360.
[6] 王素玉, 沈兰荪. 智能视觉监控技术研究进展[J]. 中国图像图形学报, 2007, 9 (12):1506 -1510.
[7] LIN Weiyao,SUN Ming Ting, Poovendran r, et al. Group event detection for video surveillance[C]// Proceedings of International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS’09), May 24-27, 2009, Taipei, China. New York,NY, USA:IEEE,2009: 2830-2833.
[8] MoSSgraber j, Reinert f, Vagts h. An Architecture for a Task-Oriented Surveillance System: A Service-and Event-Based Approach[C]// Proceedings of the 5th International Conference on Systems (ICONS’10),Apr 11-16,2010, Menuires, France. Piscataway, NJ,USA:IEEE,2010: 145-151.

收稿日期：2010-10-14

[摘要] 文章分析了视频技术的3个发展阶段，回顾了视频监控技术近年来发展情况，在此基础上，提出视频监控中智能化趋势是仿生学引领的自然产物；并例举部分智能视频监控的具体应用模式和应用场合，认为智能化是视频监控技术众多发展趋势中的最为重要也是最艰难的一步；最后探讨智能视频监控产业的特点及其发展对策。

[关键词] 视频技术，视频监控，视频分析，智能化

[Abstract] This paper analyzes three stages of video technology development and the development of video surveillance technology in recent years. A trend towards intelligent video surveillance (IVS), led by bionics, is predicted and models and application areas are discussed. Intelligence is perhaps the most important and difficult trend to achieve in video surveillance technology. Characteristics of the IVS industry are considered and an adaptive development strategy for IVS is proposed.

[Keywords] video technology, video surveillance, video analysis, intelligence