基于音视频监控技术的校园夜视三维防范系统研究

0 引言

随着GIS技术的广泛应用，集成二维地图等空间位置信息的视频监控系统解决方案在视频监控领域正逐步成为热点。与传统的单纯获取监控目标的实时音频、视频信息的视频监控系统相比，集成了空间位置信息的三维视频监控系统更能有效预防安全隐患。近年来高等院校正在大力推行创建“平安校园”工作，但尚缺少针对校园突发事件的有效防范体系，尤其是夜间防范。现有校园监控系统更多的是基于单纯视频监控技术，其分辨率低且应用范围局限性大，夜间监控只是通过简单的红外探头来进行侦测，弊端众多。

在“平安校园”建设任务中，校园夜间防范是安全隐患最大环节，建立高效可靠的校园夜间安防体系是实现对校园安全有效管理和排除隐患的重中之重。本文提出了一种基于音视频监控技术的校园夜视三维防范系统构建方法，通过三维实景校园夜间虚拟表现方式，实时反馈安全隐患最多的场景现状，这对校园夜间突发性事件预防有着重要意义。

系统对夜间隐患场所中出现的人员进行有效检测后快速地联动音频监控，从而大幅度减少隐患的辨别时间，同时系统采用了三维夜视虚拟显示，可给出监控区域的准确定位和突发事件实时视觉效果，为提出突发性事件的初步应急方案提供依据。由于红外图像缺乏对象细节信息，为了形成更好的防范体系，除了虚拟三维显示之外，与音频监控的联动至关重要，音频监控的核心部件是拾音器，由于音频与视频设备的独立很难达成同步，常常造成声音与图像的相对延迟。如今在许多领域音频监控已经成为了不可或缺的一部分，尤其是对于缺乏细节信息的红外图像而言，音视频监控已成为及时预判突发事件的最佳手段，IHS也预测在2014年将会看到视频监控系统的音讯功能被重视。

1 校园三维模型构建

虚拟校园将虚拟现实技术引入到“数字校园”的研究中，为校园的安全防范提供了一种全新的手段，不仅能自然、真实、形象地表达现实世界的对象，而且拓展了现实校园的时间和空间维度，从而扩展其功能。本文以浙江工商职业技术学院的校园三维建筑、道路及植被等为研究对象，利用Google Earth影像为数据源，以Sketchup为三维建模工具，基于谷歌地球实现了浙江工商职业技术学院三维虚拟校园的可视化与简单交互。

构建方法利用 sketchup三维建模软件实现校园的三维模型构建，且该模型将被嵌入于互联网Google Earth软件之中（图1为Google Earth中的二维校园地貌），便于后续防范系统联网设计。Sketchup建模出的校园（图2为Google Earth中建模的三维建筑效果），不仅能够全视角观测校园地貌，而且还可以方便地构建三维监控体系，使音频点与视频点被明确地标注在3D校园之中，确保在夜间可以实时反馈校园安全隐患场景的现状，并及时作出预警。

图1 Google Earth二维校园地貌

图2 Google Earth三维建筑效果

2 音视频夜视三维监控思路

方案中音视频安防监控点位设计将在校园三维模型基础之上进行，该环节的设计主要包括音频点与视频点的设置、选型与统计，最终确定校园音视频监控方案三维点位信息。系统在产品选型上以红外网络型摄像机和网络枪式摄像机为主，网络摄像机连带拾音器，通过 IP信息能够迅速定位事故所在地，并能快速联动音频，这样的设计可以有效地监控校园夜视安全状态。

以浙江工商职业技术学院为例，占地面积551亩，建筑面积近23万平方米。其中教学楼有3幢，宿舍楼13幢，实训楼3幢，办公大楼、图书馆和体育馆各一栋。本次工程主要是对学校的夜视监控系统控安全进行改造，在道路上，以及高楼楼顶上安装摄像头，本次方案使用网络化视频三维监控系统，安装高清摄像机以IP 的方式接入监控系统，利用网络化传递高清视频信号、报警信号，控制信号存储系统以 IP方式为高清摄像机提供存储服务，并对外提供点播服务。就各大高校来说，都有个共同地特点：场地分散、面积大、管理人员少，学生人数众多、生性好动、防范意识差。学校消控、监控室、图书馆、实训基地、网络中心、档案室、保密室、财务室、广播室、配电房、锅炉房等部位为学校重点防范区域。

方案设计拟采用安防区域级别设定以及监控点位级别设定，当某一安防区域有检测到安全隐患问题时，该区域便会变色预警，同时突显隐患点位的相机，此时可点击相机实时观测场景实况。对于不同级别的预防区域设定的预警颜色有所不同；对于不同级别的监控点位所设定的报警优先级也会不同，系统不仅可以实时观测现场实景，还可以为未来实现依据图像处理算法进行实景的虚拟重现奠定基础，使实景内容在三维模型中直接显现虚拟画面，为解决安全问题提供重要的预处理依据。此外该方案中拟采用较先进的红外网络相机，通过 IP信息以实现对每一个监控点位的唯一定址。

3 系统软硬件构架

设计方案系统硬件中的摄像头拟采用红外网络型相机，集成拾音器的为首选，结合硬盘录像机以及分层电脑系统进行控制，底层电脑运行辅助软件，负责图像保存及视频分析处理，顶层电脑主机负责系统主软件的实际运行，底层关键数据都将与顶层主机以通信的方式进行传递；系统主软件设计则拟采用安防区域级别设定以及监控点位级别设定，当某一安防区域有检测到安全隐患问题时，该区域便会变色预警，同时突显隐患点位的相机，此时可点击相机实时观测场景实况。对于不同级别的预防区域设定的预警颜色有所不同；对于不同级别的监控点位所设定的报警优先级也会不同，系统软件不仅可以实时观测现场实景，还可以实现依据图像处理算法进行实景的虚拟重现，使实景内容在三维模型中直接显现虚拟画面，为解决安全问题提供重要的预处理依据。此外该方案中采用较先进的红外网络相机，能够通过相机独有ID信息实现对每一个监控点位的唯一定址。

系统软件主要包括辅助软件和主软件。辅助软件由若干视频图像处理算法构成，主要包括有①移动对象检测算法；②基于感兴趣区域的对象提取算法；③双目相机定位算法；④报警相机地址信息的优先级排序与传输算法，辅助软件为主软件提供的信息包括是否存在移动对象、移动对象的数量或面积、移动对象的位置信息，以及检测出预警信号的相机地址信息及区域信息。主软件则是整个系统的核心软件，其子功能主要包括有①管理员与监控员的独立操作界面；②管理员界面的三维模型导入；③管理员界面的监控点位布控（音频与视频）；④管理员界面的区域级别设定；⑤管理员界面的相机参数及级别设定；⑥监控员界面的报警区域显示；⑦监控员界面的三维模型显示；⑧监控员界面三维模型中报警相机的提示；⑨监控员界面报警相机实况监测功能；⑩监控员界面报警相机的虚拟对象生成功能；⑪监控员界面的指定拾音器通讯功能。此外，网络相机还设有独立的手机配套软件，实现手机用户的实时观测。