AR三维实景融合技术在安防行业的应用

2021-05-17中航安贞浙江信息科技有限公司方磊叶铭马孝长

中国建设信息化 2021年8期

文｜中航安贞（浙江）信息科技有限公司方磊叶铭马孝长

1 AR 三维实景融合技术简介

为了维护社会治安、减少公共安全隐患，近年来政府部门和企业机构都在不断加大社会公共安全建设方面的投入，开展实施了很多大型安防类项目，例如天网工程、平安城市、雪亮工程、大型综合体物业管理等。同时，很多安防项目中都引入了视频监控、三维GIS、BIM 等新技术，这些新技术的应用有效提高了安防管理的信息化和智能化水平。但综合分析来看，目前这些技术的应用大多相对独立，且各自存在优缺点。

在视频监控方面，随着前端视频监控设备的不断发展，在CMOS 感光技术、超高清技术、枪球联动高低点联动、人脸识别、车辆识别技术的加持下已经逐步解决了看得见、看得清、看得懂的问题。但其技术瓶颈也很明显，画面独立看不全，视角分散不直观，画面位置不明确，视角信息难获取，缺少真三维下的空间立体感和全局视角。

BIM 源自建筑工程领域，通过数字化技术建立虚拟的建筑工程三维模型，并形成工程建设全过程的信息库。BIM 技术在设计开发、建造施工、建设模拟、建设质量评估等方面的应用已经日趋成熟，但是高成本的BIM 在建设施工完成后大多被束之高阁。因此，当前更需要关注的是如何将BIM 技术的应用从项目前中期的设计和施工阶段转移至后期运维管理阶段，尤其是已建成的大型建筑场馆在投入使用过程中需要解决场所、空间、人流、物流等安全问题，建模精细程度较高的BIM 数据在内部空间、设施、应急管理等方面有着极高的应用价值。

在GIS 地图方面，三维GIS 采用可视化和直观化的表现形式将抽象难懂的空间信息呈现出来，更符合人类的视觉感知和空间理解能力。与传统二维GIS 相比，三维GIS 能提供更加复杂、动态和抽象的空间分析功能，例如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等。但其缺点与BIM 一样，虚拟构建的三维场景通常都是提前制作的静态模型数据，无法展示真实世界的动态现状，细节纹理也不够丰富真实。

因此，AR 三维实景融合技术应运而生，将视频、BIM、三维GIS 三者集成，监控视频展示现场真实情况，三维GIS 和BIM模型提供室内室外一体化的地理空间信息和空间分析功能。三者互为补充、联动协同，构建真实完整的三维立体实景空间，图形化展示城市的空间地理信息和实时现状，为城市安防管理提供服务。

2 AR 三维实景融合技术的特点

2.1 宏观与微观相结合

图1 三维模型与视频无缝融合

通过AR 三维实景融合技术，可以在三维场景漫游模式下快速掌握保护区域的整体情况，如自然环境、建筑物、道路和公共设施等，以及所有监控点的名称、分类、位置、监控范围和监控角度，以全局视角快速获取需要的信息，精准定位想要查看的目标区域。室内漫游时，BIM 数据精确还原建筑内部空间信息，通过BIM 剖切还可以查看监控视频拍不到的隐蔽空间，如吊顶、通风管道等；切换至监控画面模式时，实时监控画面将展示现场的真实情况，补充三维模型中缺失的动态现状和细节纹理信息。实现从宏观到微观，多方位、一体化的查询展示。如图1所示。

2.2 虚拟与现实相结合

监控视频采集现场的真实情况，反映的是一种“现实”状态，但是这种“现实”通过平面化的图像传递给管理人员，对画面信息的解译依靠人的视觉分辨能力和经验。遇到一些不易分辨的场景时，例如统一规划设计的大型社区内部，建筑、道路和绿化看上去极为相似，难免会给查看监控视频的人员带来不便和困惑。

为了解决这些问题，需要在“现实”的基础上进行“增强”。虚拟的三维模型场景为实时监控画面补充了周边环境、经纬度、方位角、距离、位置等信息。还可通过矢量要素、图标和标签等方式给画面中的一些特殊位置、特殊建筑物等添加描述信息，监控画面上会直接显示GIS 信息（如边界线）、POI 信息和特定业务信息（如预警点）等。这些虚拟的增强信息将帮助屏幕前的安保人员及时有效地处理视频画面捕捉到的异常及突发情况。

2.3 视频分析与空间分析相结合

安防管理中常利用视频分析技术来实现目标物的识别及跟踪，视频分析本质上是基于二维图像的分析技术，在实际应用中有时无法完全满足安防管理的需要，例如分析人员、车辆等运动目标的轨迹灵活调取相应的监控视频，再如发生突发事件需要规划疏散或者救援路线。通过AR 三维实景融合技术，三维场景作为背景数据为视频图像提供空间坐标，解决了视频图像不能有效表达空间深度信息的问题。视频图像中任意对象都可快速获取其空间位置信息，将锁定的目标对象带入三维空间进行再分析，并将分析结果在三维场景中立体化展示出来，实现视频画面要素全面的可查、可测、可控。

2.4 数据展示与信息承载相结合

AR 三维实景融合技术所构建的三维实景空间既是可视化的展示数据，同时也是一个信息集成平台，例如报警器BIM 模型，既可以直接展示报警器形态和空间位置，还可以挂接设备属性、运行数据、历史报警记录等业务信息。三维实景空间将成为信息的载体，集成安防管理所需要的各类信息和数据，提供统一的数据管理和查询服务，实现数据的协同共享。

3 AR 三维实景融合技术在安防管控中的应用

3.1 监控点管理

视频监控系统作为一种有效的安防手段已经得到了广泛的应用，一些大型监控系统接入的监控点多达几十、上百个，传统的监控管理系统大多采用图像矩阵的方式集中显示或轮播监控画面，用示意图或二维地图的方式标注监控设备的安装位置，这种管理方式最大的缺点是无法快速判断视频图像在监控地点或场景中的定位，尤其在高密度、复杂楼宇空间中，摄像头所在的位置和方向更难确定。如果不能快速图像定位就意味着无法对图像显示的应急情况及时进行处置，因此急需一种集中化、直观化的管理方法。

采用AR 三维实景融合技术，监控系统所展示的不再是电视墙上的孤立图像，而是包含地理空间关系的三维场景，所有监控点的坐标位置、监控角度和监控范围一目了然，可快速定位到想要查看的目标位置。在单景视频画面中可看到当前视域范围内其他监控点的位置，可直接点击相应监控点位图标进行切换跳转。

利用三维GIS 的可视域分析、通视分析和空间统计功能，可测算出现有监控点的覆盖范围和监控盲点，以及指定范围内监控点的数量和几何分布图形，为监控改装和加装提供依据，确保监控面全覆盖。如图2所示。

3.2 日常巡检

AR 三维实景融合技术集成了遥感影像、DEM、矢量要素、BIM 模型和视频流等多种数据，可还原建筑场馆、道路、安防设施等现场真实情况，拥有三维场景和实时监控视频两种显示模式，通过调节监控画面的透明度或切换显示模式来实现两种场景画面的对比和切换。通过三维漫游就可完成室内室外全区域查看，还可设置巡检路线或监控播放顺序，进行依次、巡回等多种模式的自动巡检，及时了解保护区域整体情况，完成日常巡检工作。如图3所示。

3.3 危险行为识别

在高危区或重点安防区域安装高清摄像机，利用图像识别、目标检测等视频分析技术分离场景中的背景和目标物，在视频与三维场景融合的基础上，快速获取目标物的位置信息，并将目标对象同步带入三维场景中进行空间分析，结合三维GIS数据，例如防范区域或作业区域界线等，判断目标对象是否存在非法入侵、跨界、徘回、非法聚集等安全隐患行为。

在视频中发现异常情况时，可直接在视频画面中添加预警标注，同时事故的空间位置信息也一并保存记录下来，以便快速定位到现场进行核实处置。事后还可利用这些空间位置信息进行统计分析，作为判定事故高发地段的依据。

图2 监控覆盖范围分析

图3 自动巡检

3.4 目标聚焦及跟踪

当发生突发事件时，根据事发地点的位置信息，计算出能拍到该位置的所有监控点位，快速调取能覆盖事发地点的全部监控视频，从不同空间角度对同一位置点的事件进行监控，并按距离和角度等条件要素进行智能排序，优先显示距离最近、视角最好的监控视频，帮助管理者快速掌握保护区的实时情况。如图4所示。

针对运动状态的目标对象时，当目标物离开当前监控区域或遇到视线遮挡等情况，可根据其运动轨迹快速计算目标对象瞬时位置，调取对应的监控点视频，实现目标物跟踪。

3.5 人员部署和调度

三维GIS 的地理空间框架与BIM 模型相结合，构建室外室内一体化的空间坐标体系，接入人员定位系统的数据后可实时显示人员位置，还可根据历史定位数据生成运动轨迹图。利用BIM 模型数据的可拆分性，可以很方便的按区块或楼层进行划分，指定安保责任人，并输入安保人员信息，如姓名、手机号等。在视频监控中发现异常情况后，可快速查出负责该区域的安保人员信息，及时通知其到现场查看，实现人员的部署和调度。

3.6 应急预案模拟

一些大型建筑场馆内部结构复杂，安全出口众多，二维或静态的应急预案已经无法满足现代安防应急管理的需求。基于精细的BIM 模型，可以分建筑单体、分楼层制定详细应急预案，根据需要用不同颜色和样式的图标来标绘疏散路线和重点防护区域，在三维场景和视频画面中同步显示。将使得制定的应急预案更加清晰易懂，可操作性更强。如图5、图6所示。

4 结束语

AR 三维实景融合技术脱胎于城市安防建设中的常见应用场景，结合视频、BIM、三维GIS 等多种技术手段，实现“全视界”三维实景空间复刻，提供三维实景展示和空间分析功能，可以解决传统基于二维地图和单纯监控画面的安防指挥管理中存在的诸多问题。

文中只简单介绍了一部分AR 三维实景融合技术在安防管理中的应用方案，除此之外还可以通过集成云台、安检、消防、交通路况等系统的数据，辅助实现视频调度、人流监控、消防隐患排查、GPS 车辆查询定位等更多安防管理中的应用需求。AR 三维实景融合技术作为一项跨学科、跨领域的新兴技术还处在初步发展阶段，还有更多的应用方式和应用场景有待发掘和拓展。