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索尼高清监控摄像机在平安城市项目的应用

2011-03-24 10:18:00 来源:安防知识网 作者:索尼中国专业系统集团 高琪
安全自动化杂志征稿

[摘要] 近年来,我国大力宣扬和倡导“构建社会主义和谐社会”这一惠及全民的国家建设目标,和谐是城市社会建设的最新理念和最高要求,平安则是社会经济又好又快发展的重要基础,是社会和谐的重要保障。有计划、有目标地大力开展平安城市建设,通过人防、物防与技防相结合的模式建立一套稳定、高效地城市安全防范体系是构建和谐社会,达到长治久安目标的必要途径之一...

  一、概述

  近年来,我国大力宣扬和倡导“构建社会主义和谐社会”这一惠及全民的国家建设目标,和谐是城市社会建设的最新理念和最高要求,平安则是社会经济又好又快发展的重要基础,是社会和谐的重要保障。有计划、有目标地大力开展平安城市建设,通过人防、物防与技防相结合的模式建立一套稳定、高效地城市安全防范体系是构建和谐社会,达到长治久安目标的必要途径之一。这其中“技防”是指通过现代化的科技手段进行防范措施,它是决定着社会安全防范体系成败的关键因素。

  从2004年第一批平安城市建设至今,以城市为单位的视频安防监控系统正经历着从无到有,从点到面,从简单到复杂,从功能单一到智能灵活的发展和革新,曾经系统前端以模拟监控摄像机为主的应用模式如今正朝着以构建网络化、整合化、智能化和高清化为目标的数字化网络监控新模式全速前进。本文着眼于数字监控系统的前端——网络监控摄像机,在分析和总结目前各平安城市项目在建设和使用中遇到的有关摄像机的诸多不足和瓶颈后,着重介绍索尼网络监控产品在平安城市构建中的技术特点和应用优势。

  二、平安城市项目中监控摄像机的应用现状和瓶颈分析

  目前,各地市正在大力推进平安城市项目的建设,从实际使用的情况来看还存在一些问题亟待解决和完善。这其中以视频监控图像的源头——监控摄像机存在的问题尤甚。本节将在分析众多平安城市项目中监控摄像机暴露出的种种缺陷和不足的基础上,归纳总结这些问题发生的原因和本质。

  1、看得见图像,却看不清图像细节

  通常情况下,当出现突发性事件需要调看录像回放时,安保人员会发现事件发生的来龙去脉都可以被监控摄像机从头到尾,毫无遗漏地捕捉,但是当公安人员希望看清事件发生现场的细节之处(例如犯罪嫌疑人的面貌,机动车牌照等)时,就遇到了难题,如图2-1所示。当把一副看上去还算清晰的图像的某些关键区域放大时,会出现严重的“马赛克”以致无法获取任何有价值的信息,这正是由于传统图像的画面分辨率过低造成的。


  图2-1 放大后的细节无法为破案提供依据

  还有另外两种在使用中经常遇到的尴尬情形。一是由于摄像机的动态范围小,无法同时兼顾到画面中的亮处和暗处,导致当监控场景明暗对比非常强烈时,要么亮处非常亮,只能看到一片白,要么暗处非常暗,只能看到一片黑,要么亮处和暗处都看不清楚,如图2-2所示。二是由于平安城市的监控摄像机需要24小时连续不间断地工作,尤其是夜间更是恶性事件的高发期,这就要求摄像机对相同的监控场景在夜晚也能做到清晰地成像。然而有时摄像机白天的效果无可挑剔,但是到了夜晚时,拍摄的效果则一片漆黑,无法为破案提供必要的线索,这种情形的出现与摄像机的灵敏度有直接的关系,灵敏度不高的摄像机在夜晚条件下对可见光或红外光感光能力偏弱,从而导致无法充分还原监控现场的夜间效果。


  图2-2 无法同时兼顾到亮处和暗处的图像细节[nextpage]

  2、差异化的使用环境对摄像机参数设定提出不同的要求

  城市街道路面以及道路卡口等处的摄像机,承担着实时监看,违章拍摄,应急指挥等重要任务。以实时监看道路上正常速度行驶的机动车为例,白天由于光照条件充足,为了拍摄流畅无拖尾的视频图像,通常情况下摄像机使用高速快门,例如快门速度设置为1/250或者更高。而夜间的光线条件差,这时就需要降低快门速度以保证有充足的曝光时间,从而提高画面的可视性。这组相互矛盾的参数是由于摄像机的成像原理造成的,如图2-3所示。考虑到实际使用过程中的易用性,不可能要求客户对参数改来改去。那么既然必须固定同一组参数,又要同时保证白天和晚上的拍摄效果,能否使用图像处理技术来达到要求呢?


  图2-3 使用1/250秒快门时白天和夜间的图像效果

  3、室外摄像机的物理安全和网络安全问题

  平安城市项目中的摄像机大部分需要被安装在室外环境中,为了保证这些摄像机可以正常工作,设备自身的物理安全防范也尤为重要。一方面有些地区的自然环境温差较大,这就要求摄像机在各种恶劣环境下,都具备出色的稳定性;另一方面,安置在室外的摄像机偶尔会受到人为的蓄意破坏,例如可能会遭到弹弓或石块的袭击等。具有坚固的外壳并且遇到袭击或故障时能够及时自检报警,才能最大程度满足室外环境的使用要求,同时有效降低项目实施后的维修成本。

  此外,曾经一度被忽视的网络安全也尤为重要。恶意入侵者可能会透过安防监控网络远程访问摄像机,获取摄像机实时视频的同时窥探隐私区域,或者修改摄像机内部的参数使之无法正常工作。如果一款网络监控摄像机可以提供多种手段来验证访问者的信息并对访问者的操作行为加以判断,则可以大大提高系统的网络安全性能,避免不必要的损失。

  4、依赖于人工方式的被动监控的监控效率亟待提高

  目前大多数的平安城市项目中,仍然是依赖于人工的方式去发现问题和解决问题。有时一名安保人员要同时面对多达几十个监控画面,既要集中精神去发现问题,又要第一时间对突发事件做出响应。在这种长时间精神高度集中的工作状态下,很容易产生疲劳感而降低工作效率。尽管摄像机或软件平台具有分析报警功能,可是其误报率和漏报率很高,难以达到令人满意的程度。如何提高摄像机的监控效率,成为能否解放警力,及时处置突发事件的重要因素。

  5、维修率高,后期维护工作量大

  监控摄像机的质量与使用年限密切相关。应用在平安城市项目中的摄像机一般实际使用时间长达五年甚至更多,这就要求摄像机具备出色的稳定性和可靠性,以保证在自然环境中,即使在恶劣的天气状况下也能保证全天候不间断地工作。这与摄像机的物理架构设计是否合理,做工用料是否考究密切相关。摄像机的故障会导致过高的维修费用,由此带来的维修成本和后期维护成本也将是一笔不小的开销,而通常这笔开销在项目招投标期间和系统使用初期是很容易被忽略的。

  6、能耗过大,电费支出不可小觑

  节能减排是实现科学发展,构建资源节约型和环境友好型社会的重要举措,是国家“十一五”规划确定的两个约束性指标之一,也是国家“十二五”规划的重中之重。以目前平安城市项目中使用的监控摄像机为例,大功率高耗能的设备时常可见。而如果每台摄像机的功率降低10w,按照一个省会级城市需要安装15万只摄像机计算,一年可以节约用电量超过1314万度,一年可节省的电费将超过1000万元。

  以上几点简要列举了目前应用于平安城市项目中的前端监控摄像机在使用过程中遇到的比较常见的一些亟待我们解决的难题。除此之外,还有诸如“如果设备故障了,如何能够第一时间发现问题和找到故障原因?”等需要从系统的角度来分析的情形。在此,本文将把主要精力放在对监控摄像机的探讨上,所以这部分的内容不作过多阐述。

  三、未来安防监控产品的发展趋势

  随着安防行业的不断发展,传统的模拟闭路监控系统正在逐步地被网络监控系统所代替,传统意义上的模拟监控摄像机、视频电缆、切换控制矩阵和监视器的流行组合正在被网络监控摄像机、服务器的未来组合所取代。安防行业经过了几十年的累积和发展,现在乃至未来的视频监控系统将是以融合了数字化、整合化、高清化和智能化的网络监控系统为理念不断发展前行。

  特别是进入二十一世纪后,无论是在电视节目转播还是在影视作品的制作方面,与视频图像有关的领域都在朝着高清的方向发展,安防视频监控行业自然也包含其中,监控图像的高清化已势不可挡。

  什么是高清?简单说,高清即为“高分辨率”。根据我国高清电视的标准,高清图像(HD)是指图像分辨率超过720P或1080i,同时视频宽纵比为16:9。当物理分辨率达到1080P时称为全高清(Full HD),如图3-1所示。


  图3-1 标清图像与高清图像的对比[nextpage]

  相比目前业内主流的标清视频格式(SD),这种清晰度更高而且宽纵比更大的视频图像,更适合于在众多平安城市项目中的应用。一方面当需要对图像细节加以甄别判断时,在视频图像放大到相同倍数的情况下,分辨率越高的图像越可以获得清晰细腻的效果,而分辨率低的图像可能会产生“马赛克”,如图3-2所示。高分辨率,对于在平安城市项目中要求看清人脸、车牌以及监控场景中的各局部区域或行为细节的需求就显得尤为重要。


  图3-2 对相同区域放大相同倍数后,标清与高清图像的对比

  另一方面,宽纵比更大的图像可以有效地增加对横向区域的监控范围,就平安城市项目而言,对路口或街道等区域的监控区域将大大扩宽,从而可以极大地提高摄像机的使用效率,实现更大的应用价值。


  图3-3 宽纵比更大的图像可呈现更多的监控场景

  四、索尼高清摄像机的技术优势及在平安城市项目中的应用

  那么,索尼如何根据平安城市项目的新功能和新特点,依托各项技术和应用优势,有效解决上述应用难题呢?

  1、索尼高品质的感光芯片,打造出色优异的图像质量

  索尼摄像机之所以具有高质量的图像效果和出色的色彩还原能力,与摄像机的核心——感光芯片是密不可分的。索尼从上世纪七、八十年代开始从事感光芯片的研发,经过了三十多年的技术积累和沉淀,截至目前已经有上百款各种功能定位的感光芯片。行业内常见的感光芯片主要有两种:CCD和CMOS。一直以来,应用于索尼模拟监控摄像机中的感光芯片以CCD为主,因为其相比CMOS,具有灵敏度高,色彩还原效果好的特点。

  随着摄像机,特别是网络摄像机图像的分辨率逐步提升,从传统的标清向高清乃至全高清逐步提升的过程中,CMOS的使用优越性也逐步彰显出来。如表4-1所示,传统意义上的CCD与CMOS的性能优劣势对比。


  表4-1 传统意义上的CCD与CMOS的优劣势对比[nextpage]

  针对高清图像对感光芯片的要求,在索尼高清网络监控摄像机中应用的是新一代的Exmor CMOS感光芯片。不同于传统意义上的CMOS,Exmor CMOS是一款基于CCD像素技术开发而来的感光芯片,使得其灵敏度与以往CMOS相比大幅提升。同时通过列集成数模转换器的架构设计,应用高速数字信号降噪技术,使得Exmor CMOS具有更高的性噪比和更快的读出速度。

  夜晚时段是平安城市项目最为关注的时段之一,以低照度效果为例,笔者选取了环境照度低于1lux的测试环境,相比索尼高清网络监控摄像机与市场中同系列的产品,效果比较结果如图4-2所示。


  图4-2 索尼SNC-CH240(左)与市场同类型产品在相同低照度环境下的效果对比

  与此同时,基于感光元器件,各种视频图像处理技术也被融入到摄像机中,针对于几大类使用环境,相关处理技术高效地还原出监控场景内的点滴变化:

  (1)逐行扫描和动态帧合成技术

  平安城市项目中大部分摄像机被应用于道路卡口,路段中部等位置,用于实现车辆监控和违法行为监控等。就车辆监控而言,一般城市内机动车的速度限制在40 km/h ~60km/h,在这种情况下,能够清晰地辨识车牌号码是基本要求,有些城市还要求能够看清楚驾驶员和副驾驶员的面部、衣着等特征。

  正如上文所提到的,当车速过快时,拍摄到的监控图像会有明显的拖尾现象发生;在夜晚监控时由于光照条件不好,这种拖尾的现象就更加明显。此时,车牌号码很难被清晰的捕捉到,更别提看清楚驾驶员的面部和衣着特征了!拖尾现象产生的原因一方面与感光芯片的扫描方式有关,另一方面也和使用现场环境的光照条件、以及摄像机的光圈、快门等参数设置存在关联。针对于这个难题,就摄像机本身而言,索尼网络监控摄像机应用了逐行扫描技术和动态帧合成技术。其中,逐行扫描技术应用在感光芯片中,力求从扫描方式上消除拖尾现象的发生。动态帧合成技术主要是针对于那些隔行扫描的CCD而言,经过对图像处理后,有效地减轻拖尾现象的发生。

  (2)超宽动态技术(View-DR)

  宽动态技术是应用于明暗对比强烈的环境中,使得监控画面同时兼顾到亮区和暗区的一种图像处理技术。在平安城市项目中,该项技术可以被应用在园区、车库的出入口等光线反差大的区域。夜间环境下清晰地看清车牌也是在宽动态场景中的一种典型应用。目前市场上常见的宽动态技术其性能可达到52dB,而索尼最新的超宽动态技术最大可达到125dB,远远领先于同类产品。

  应用于索尼网络监控摄像机中的超宽动态技术(View-DR)是基于Exmor CMOS平台,综合运用了可视性增强技术和快门多次曝光技术的一项全新处理科技,它可以在增加监控图像的宽动态范围的同时,大幅提升其灵敏度和对比度,从而获得同时兼顾到亮区和暗区的图像效果,如图4-3所示。


  图4-3 超宽动态功能关闭和开启的实测对比

  可视性增强技术是以图像中单个像素点为单位对整体图像加以优化,提升画面中暗区亮度的同时,降低亮区的亮度,从而实现亮区和暗区的有效整合。此外,快门多次曝光技术的实现过程如图4-4所示。常见的宽动态技术大多使用的是两次快门成像的原理,而索尼的超宽动态技术使用了四次快门曝光,包括一次标准快门和三次不同速度的高速快门,拍摄的四幅图片将监控场景中无论亮区还是暗区的每个细节都逐一采集和还原,再把每个区域从呈现最好的那幅图像中提取出来,通过自然合成的方法合并为一幅高对比度的超宽动态图像。


  图4-4 超宽动态技术的实现过程[nextpage]

  (3)聚光筒功能和超级动态降噪技术

  该项技术应用于光照条件不足的监控场景下。聚光筒功能自动将原本四个像素点接收到的光强合聚成一个像素点的光强,从而使监控画面的亮度提升四倍;超级动态降噪技术可以有效地区分出图像中的静态区域和动态区域,对于静态区域应用降噪技术使其噪点明显降低,对于动态区域则应用图像处理的手段来平滑移动物体的边缘,从而获得一幅低噪点、高清晰的移动图像。

  2、强大的智能分析功能

  随着安防监控系统的不断发展与完善,系统规模越来越大,功能越来越多。一方面用户对监控图像质量有着越来越高的要求,另一方面变被动为主动的监控思路也越来越被更多的用户所提及和青睐。因此智能化将是未来网络监控系统的发展趋势之一。索尼网络监控摄像机中融入了强大的智能分析功能(包括针对视频和音频的智能分析,以及摄像机自身防破坏的检测),从而为用户带来不同的应用价值。在平安城市项目中,DEPA智能视频分析功能的应用比较常见,其常被应用于辅助进行车辆违法的抓拍以及公共安全事件发生前的预警。

  索尼网络监控摄像机自带有DEPA智能视频分析功能,可针对动态目标和静态目标进行独立检测和分析,并将分析结果发送给管理平台,如图4-5所示。


  图4-5 DEPA智能视频分析功能的实现方式

  从功能的实现方式上看,目前市场上各种智能视频分析功能主要有两种实现方式,前端分析和后端分析,大部分监控系统采用的是后端分析。顾名思义,后端分析就是在管理平台上通过平台软件对实时图像进行分析处理,遇到违反规则的情况发生时及时做出报警联动。这种处理方式受制于平台服务器的硬件性能。当同时分析的图像路数过多时,会造成系统消耗过大,从而导致图像帧率下降、分析结果的准确性降低等情形发生。

  由于索尼网络监控摄像机自带有智能视频分析功能,因此可以通过前端分析的方式来实现。每台摄像机除了拍摄实时图像外,还需要对该路图像进行智能视频分析,一旦有违反规则的情况发生时,及时产生报警信号并将其与图像一起发送至管理平台,由管理平台做出相应的联动报警。这种方式一方面大大地缓解了由于执行图像处理算法而占用大量的系统资源,另一方面也极大地提高了系统配置部署的灵活性,使得在管理平台品牌的选择上对前端摄像机而言,不是那么重要和唯一。

  从功能可以实现的规则看来,DEPA智能视频分析功能针对移动目标的分析可以提供五类规则,包括“外观”、“消失”、“现有”、“容量”、“正在移动”等,基于这些规则,可以实现平安城市项目中诸如非法停车的判别,车辆逆向行驶的检测,机动车违法压线抓拍,人流量或车流量的统计,围界的防护,区域内数量限制等常见应用。其针对静态目标的分析,可以提供两大类规则,包括“无人值守”和“已移除”等,这些规则在实际应用中常被用于贵重物品的看管和可疑物品遗留等,如图4-6所示。


  图4-6 DEPA智能视频分析功能的规则举例[nextpage]

  从功能的实现原理看,无论哪种编码方式,传统的移动侦测方法都是通过比较相邻两帧之间的不同来实现的。然而DEPA智能视频分析技术是通过将当前帧与之前15帧做比较的结果来决定是否触发相应的报警设置,这种检测方法最大的好处是可以有效地过滤掉环境因素(例如晃动的树叶、移动的人影、水面的涟漪、图像噪声等等)对分析结果的干扰,从而提高分析质量,降低误报率和漏报率。

  3、适合于平安城市应用的其它特点

  在平安城市项目大规模使用后期,索尼网络监控摄像机的易操作性和易维护性使得用户对其操作和维护更加简便,同时优良的制作工艺保证了产品的低维修率和高稳定性。本节将围绕着这些特点简要介绍。

  (1)双码流输出

  索尼网络监控摄像机尤其是高清摄像机具有双码流输出的功能,其可同时支持MJPEG、MPEG4、H。264等三种编码方式,以及任意两种编码方式的双码流输出。在实际应用中,实时监看的画面可以采用MPEG4或H。264的编码方式,以保证低带宽的情况下获得流畅连贯的图像。而存储的图像可以采用MJPEG的编码方式,以保证高清晰度,为日后回放录像时放大重要的细节区域提供充足的分辨率资源。

  (2)反篡改技术

  索尼网络监控摄像机可以提供反篡改技术。这是一种基于公共密钥基础结构(PKI)的数字签名技术。每部摄像机都会被创建一个数字证书,并对该摄像机拍摄的所有图像应用元数据的形式进行数字签名。在后端管理平台软件上,将解码后的数字签名与接收到的图像的元数据进行校对,从而保证每部摄像机制作的图像仅对该摄像机来说是唯一的。

  (3)PoE供电技术

  PoE供电技术是通过以太网架构,在传输数据信号的同时还为网络终端提供直流供电的技术。在网络监控系统中使用PoE供电技术,网络监控摄像机不仅无需使用额外的电源,而且还可以把摄像机通过UPS集中进行供电和管理,这样一方面可以节省大量的使用成本(就一线城市的平安城市项目而言,由于监控摄像机点数众多,每年可以节约大量的电费资源),另一方面还可以对前端设备进行远程复位等管理和操作。

  (4)无线网络应用

  在某些不方便铺设有线网络的特殊区域,可以使用无线网络来实现音视频图像的传输,这就使得摄像机不受网络的限制,在无线网络覆盖的任何范围内,尽管没有网线也可以将摄像机连接入监控网。

  (5)丰富的行业标准接口

  索尼网络监控摄像机在已经实现对音视频数据数字化处理的同时,还在机身集成了众多行业标准接口,以满足用户实现安防监控系统与其它弱电系统(诸如报警系统、门禁系统等)的联动和大弱电系统整合的业务需求,如图4-7所示。


  图4-7 索尼网络监控摄像机丰富的设备接口

  (6)可靠精良的工艺设计

  以工艺复杂性最高的快球型摄像机为例,室外快球型摄像机满足IP66的防护等级,具有防破坏坚固型的合金外壳并且具备防雷功能。其内置了两个加热模块和五个散热风扇,确保设备可以在-40℃~+50℃的环境下正常工作。部分半球型摄像机的抗冲击力还达到IK10的国际标准。[nextpage]

  (7)开放的软件集成开发包

  为了满足不同行业不同用户的差异化需求,索尼网络监控摄像机还可免费提供功能强大的SDK开发包和CGI命令文档。用户通过在应用软件中对各种函数的调用,可以从功能上进一步扩展摄像机的应用环境。除此之外,索尼与另外两家企业联合创建了ONVIF行业标准化组织,所有的产品均兼容ONVIF标准的各项规定。

  4、索尼高清摄像机的部分成功案例

  综上所述,在索尼高清摄像机众多技术实现与特点给力于平安城市项目的同时,本节简要介绍两个高清平安城市项目的成功案例。

  (1)武汉平安城市项目

  武汉平安城市项目中使用了约2000台索尼智能高清室外快球型摄像机SNC-RH164,主要应用于城区重要区域的实时监控和防范。该高清快球型摄像机是专为适应诸如广场、城市街道、交通卡口等场所所需要大视场,宽视角的监视场合而设计的。其突出的特点包括监控图像具有720P分辨率的效果,具备可视性增强技术和XDNR降噪技术,以及DEPA Advanced智能视频分析功能;其机械性能具备360°无限旋转,最大每秒400°的旋转速度,垂直方向达到270°的可视范围;同时具备IP66和IK10的防护等级。它是武汉平安城市项目中核心设备之一。在该项目中,用户选择这款索尼的快球型摄像机,就是看中了其优越的性能指标,使用后的高稳定性和低故障率,工程上安装方便,并且支持ONVIF协议和SIP协议,能够很好地与其它产品组成联网系统,扩大其应用范围。

  (2)濮阳平安城市项目

  濮阳平安城市项目一期选用了160台索尼全高清枪式摄像机SNC-CH240,这些摄像机主要被安装在道路卡口等位置,用于实现违法违章的车辆拍摄,以及其它违法行为的监控。SNC-CH240是一款分辨率达到1080P的全高清枪式摄像机,备有超宽动态技术、可视性增强技术和XDNR降噪技术,其灵敏度高,图像还原效果出色,配合DEPA Advanced智能视频分析功能,非常适合平安城市,交通,厂矿,金融和园区等各种场合的应用。这些全高清的网络监控摄像机在濮阳市的各个路段的实际应用,一方面达到了用户的设计要求,使得濮阳市区具有了现代化高质量的可视化管理手段,另一方面也增强了濮阳市安全信息化管理的技术水平。

  五、结束语

  随着行业应用的不断发展,平安城市项目建设的具体落实,相信在不久的未来,以索尼为代表的高清智能网络监控摄像机将会出现在平安城市的每个角落,保证你我的安全。高清智能网络视频监控所带来的革命性冲击,必将引领视频监控行业迈入新的阶段。

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[责任编辑:郭小青]

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