高空抛物智能识别及解决方案简析

2021-11-06杭州海康威视数字技术股份有限公司张森炎徐晶王伟起小钦郑立敏

中国安全防范技术与应用 2021年4期

■ 文/杭州海康威视数字技术股份有限公司张森炎徐晶王伟起小钦郑立敏

关键字：高空抛物智能识别高空抛物摄像机场景化设计

1 引言

2021年2月22日最高人民法院审判委员会第1832次会议，2021年2月26日最高人民检察院第十三届检察委员会第六十三次会议，分别通过了《最高人民法院最高人民检察院关于执行<中华人民共和国刑法>确定罪名的补充规定（七）》，该《规定》明确了高空抛物罪罪名。2021年3月1日，最新刑法修正案生效，“高空抛物”正式入刑。当天，江苏常州溧阳市人民法院审理了一起高空抛物案件：被告人徐某某高空抛物行为构成高空抛物罪，判处其有期徒刑6个月，并处罚金2000元。这是全国首例高空抛物罪案件。

随着越来越多智慧社区的建设完成，人们生活的便利性大大提升，而愈演愈烈的高空抛物现象已然成为威胁人民群众生命财产安全的重大隐患。依据常见的隐患处理原则，相关部门需要做到事前预防避免事故发生，事中干预降低事故损失，事后追溯判断事故责任。但高空抛物具有突发性、瞬时性等特点，在物品抛出的一刻，高空抛物就已经进入到事中环节，瞬时结束，很难进行人为干预，所以做好事前预防和事后追溯成为监管高空抛物的重心。

事前预防以行为文明和普法宣传为主，事后追溯以视频监控技术手段为主，突出监控威慑力，双管齐下治理高空抛物。但并非所有的视频监控设备都适合应用在高空抛物场景，本文将从科技创新角度浅析高空抛物安全防范技术与应用，主要包括以下几部分：

1）高空抛物的智能识别；

2）高空抛物摄像机的场景化设计；

3）高空抛物解决方案。

2 高空抛物的智能识别

高空抛物常见方案是对高层住宅外立面进行视频监控，从而起到取证和震慑作用，但仅仅通过视频监控并没有办法做到及时告警和对抛物事件进行快速的追溯追责。通过人工智能技术的加持，高空抛物监控摄像机可以变得聪明起来，不但能够“看到”并记录高空抛物，还能够识别和分析高空抛物的过程和轨迹并主动告警，进而配合相关部门执法和物业管理人员上门督导，形成业务闭环。

实现高空抛物的智能检测告警需要分为三步，一是对动态目标的检测和跟踪，侧重于保障抛物目标的检出；二是利用深度学习法对识别出的目标进行抛物行为判断，侧重于提升报警的检出率和检准率；三是形成事件处理闭环，在告警呈现上最大化满足追溯要求。

高空抛物系列摄像机内置智能快速运动检测算法，相比于常用的背景建模、帧差法和光流检测算法具有显著优势。例如帧差法无法避免摄像机轻微摇晃和树叶晃动的误检，也无法适应光线变化。快速运动检测算法结合高空抛物快、小的特点可以将对动态目标的检测转换成一个二分类问题，简单理解为判断每个像素点的特征变化情况。快速运动检测算法对树叶抖动等干扰因素在算法层面可以进行过滤，结合自主研发的硬件模块，实现高准确率和高效目标提取。

快速运动检测算法可以过滤掉很多有规律的动态目标，比如树叶或者晾晒衣物的晃动，但是可能存在一些误报。跟踪算法可以将目标组成轨迹帮助解决这一问题。一般的跟踪算法都是采用框的重叠和关联实现，但高空抛物的目标具有尺寸较小、运动速度快等难点，因此针对高空抛物自上而下运动方向规律，轻重物体抛下产生速度等物理规律情况，我们对跟踪做了专项优化，可以利用这些抛物的规律及轨迹连续性进行预测等特殊处理，从而提升目标跟踪的稳定性，进而提升抛物的检出率。

为了提升事件判断的准确性，高空抛物系列摄像机利用自主研发的深度学习算法对抛物行为进行识别，主要采用一种多模态信息融合算法，将图像和序列的多源信息进行融合，取长补短实现多源信息的互补，同时结合高空抛物的运动特性，提升识别准确率,在保证检出率的同时大幅降低误报数量。自主研发的深度学习算法能够检出运动快、尺寸小的目标，同时也能够实现雨滴、飞鸟、昆虫、相机抖动等引起的误报过滤。

在业务闭环方面，主要诉求是提升追溯检索的便利性。依据跟踪算法可以描点绘出抛物过程的轨迹，摄像机可以直接输出叠加轨迹抓拍图，并在输出视频中打上高低置信度告警标签，从而提高管理人员对长时间监控视频的检索效率。

为检测出较小目标，高空抛物算法需要在大分辨率、高帧率的视频中进行检测，需要有较高的算力支撑。现阶段市面上多数普通摄像机无法承载高空抛物算法，常用的视频编码方式比如H.264、H.265等都不是无损编码方式，特别是快速运动的小目标在编解码后很容易丢失关键信息，因此，在编码前对于图像进行算法分析效果是最优的。

高空抛物智能摄像机内嵌了自研的高空抛物算法，摄像机在前端实现智能运算可获得较好的目标检出效果，也能大大减少中心端集中处理海量视频的压力。

图1 高空抛物示例图

3 高空抛物专用摄像机场景化设计

科技创新不仅体现在视频监控智能检测，同时包括满足各类细分业务需求的场景化产品设计。高空抛物场景相比于常规监控场景最显著的差别是视场仰角的差异，由此带来了一系列问题，传统的监控摄像机不能满足实际要求，需要具备一些功能特性。

3.1 防水特性

摄像机仰拍的安装方式导致摄像机前盖面临长时间暴晒和雨水侵蚀等问题，这会加速前盖密封部件的老化。调研多个早期建设的高空抛物项目均反馈存在此类问题。高空抛物专用摄像机需具备比普通设备更优良的防水特性。

高空抛物系列摄像机重新设计了防水密封结构，确保摄像机在各种条件下的防水密封性能。摄像机使用疏水/亲水玻璃防止雨水积聚成水滴，在结构设计上尽量减小视窗面积，改变周边集水区域的水流流向，从而尽量降低雨水对视窗的影响。

3.2 自清洁特性

落尘对画面效果的影响非常大，特别是在我国广大的干旱/半干旱地区，雨水较少难以经常冲洗落尘，长时间使用后设备摄像效果堪忧。同时，摄像机一般都使用立杆安装，人工维护成本很高，给业主带来很大的不便。

凝霜、凝露、降雪等天气现象对于仰视的摄像机影响也非常大，严重时会导致摄像机完全无法正常成像。

高空抛物系列摄像机实现自主清洁功能是一次大胆的创新，也是一个成功的解决方案。雨天时通过雨水冲刷配合雨刷完成清洗工作，而长时间不下雨时设备则通过冷凝器收集从空气中冷凝析出的水分进行定期冲刷清洗，时刻保持设备视窗干净透亮，给维护人员带来方便，减少人工成本。同时，摄像机支持视窗玻璃加热功能，根据不同的情形自动调整加热功率，实现除雾、除霜、除雪的功能，确保视窗透亮清晰。具体示例参见上图2。

图2 高空抛物自清洁摄像机外观示意图

3.3 防杂光干扰特性

在建筑物周边仰拍监控，经常会出现路灯、广告牌等杂光干扰使画面出现发朦现象。自清洁摄像机具备独特的遮光罩设计。遮光罩与摄像机视场相接，最大限度地遮挡摄像机视场外的干扰光线，保障成像质量，具体参见图3。

图3 自清洁摄像机遮光罩示例图

3.4 夜间全彩成像特性

高空抛物时间具有全天候性质，所以要求摄像机具备7＊24小时有效监控检测能力。但因为场景的限制，补光是不可接受的，一方面是因为监控距离远，范围大，补光强度要求高；另一方面是因为在补光条件下，近距离的浮尘，小飞虫等反光强，会完全掩盖远处的微小抛落目标。因此，摄像机需要有很强的低照度环境下的成像能力。

高空抛物系列相机采用“全彩”成像技术，通过F1.0超大光圈和1/1.2超大感光靶面来保障夜晚成像效果，呈现丰富的色彩和细节。其中F1.0超大光圈相较于普通摄像机F1.6光圈进光量提升约150%，让色彩还原更精确，图像细节更清晰，从而有效提升智能检测的准确率。

图4 某小区夜晚21:43效果图

3.5 隐私遮蔽

高空抛物特殊的仰拍安装方式常常引起人们对隐私保护的担心，特别是对低楼层住户。考虑到高低楼层伤害性和危害性的不同，摄像机架设时应适当放弃对2-3楼以下的区域覆盖。

另一方面，高空抛物系列摄像机支持16个隐私遮蔽区域，能充分满足中低楼层窗户遮蔽需求。并且隐私遮蔽区域不影响智能分析，事件发生时的抓图和视频记录仍能做到绘出抛物轨迹清晰溯源，而平时无事件发生时，业主的隐私可以得到很好的保护。

4 高空抛物解决方案

现有技术手段无法完全做到事件无漏报、无误报。因此，强调事件的检出并允许一定比例的误报是比较合适的处理策略。多数高空抛物方案均配套有7＊24小时全量存储，确保录像不缺失。对于所有检测到的事件都予以存储并打上标签，方便后续快速检索查询。对于高置信度的抛物事件则进行弹窗报警，以便物业和相关部门及时有效处理。

高空抛物系列摄像机负责监控和智能抛物检测，视频和事件告警通过网络统一接入到中心端进行存储与管理，相关告警可实时同步到展示大屏或手机终端，具体参见图5。