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。 

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。

    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？ 

无法同时兼顾到亮出而和暗处的图像细节

使用1/250秒快门的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。 [Page]

    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久，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。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1,314万度，一年可节省的电费将超过1,000万元。

    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。 

标清图像与高清图像的对比

对相同区域放大相同倍数后，标清与高清的对比

宽纵比更大的图像可呈现更多的监控场景

    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。

    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。 [Page]

    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。   

    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。 

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

    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。

    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： 

     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。  

DEPA智能视频分析功能的实现方式

DEPA智能视频分析功能的规则举例

    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。 [Page]

    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系统资源问题，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。

    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。

    四、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。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。