智能视频监控技术在水利枢纽工程中的应用

张 夏，张 洋

（海河水利委员会水利信息网络中心，天津 300170）

近年来，视频监控技术在水利枢纽上的普及应用，为水利枢纽管理部门提供了直观图像，进而提高了水利枢纽工程运行维护的效率。目前，大多数水利枢纽的视频监控方式都是采用视频摄像头获取被监控场景信息，然后利用人工实时监视或者软件目的性监测的方式进行。这种监控方式一是人为因素影响较大；二是绝大部分的数据只是作为事后证据记录，很大程度上失去了监控系统应该具有的实时性和预防性；三是后期的查询数据量大，提取历史图像需要大量的人力去浏览；四是原始数据未经处理直接存储，长时间的静止监视对象的视频耗费了大量的存储资源，并没有提供有效的参考价值；五是与监视对象的周边环境不能有效的联动。

水利管理部门要求工程精细化管理，对视频监控系统提出了更多的要求：在海量的数据中快速有效地查询到有用的图像；在枢纽的重点管理区域能够及时发现异常，提高预警能力，提醒和帮助监控人员；在复杂的环境下（例如夜晚低照度下）要求摄像头能够基本还原闸门启闭情况；避免人为因素，减少误报漏报情况等等。结合上述需求，在北方海河流域某水闸工程中应用了智能视频监控技术，有效地满足了水利管理部门的要求。

1 智能视频监控技术概述

智能视频（Intelligent Video）技术源自计算机视觉（Computer Vision）与人工智能（Artificial Intelligent）的研究。智能视频监控是利用计算机视觉技术对视频信号进行处理、分析和理解，在不需要人为干预的情况下，通过序列图像自动分析对监控场景中的变化进行定位、识别和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的行为，在异常情况发生时及时发出警报或提供有用信息，有效地协助有关人员进行处理，并最大限度地降低误报和漏报现象。其工作的基本原理，如图1 所示。用户可以通过在不同摄像机的场景中预设不同的报警规则，一旦目标在场景中出现了违反预定义规则的行为，系统会自动发出报警，监控工作站自动弹出报警信息并发出警示音，实现报警的场景重组并采取相关措施。

图1 智能视频监控原理

智能视频监控分为三类，具体为视频分析类、视频识别类和视频优化类。

智能视频监控技术的实现方式有前端嵌入式、后端软件分析和前后端相结合的方式3种。

2 案例分析

2.1 北方海河流域某水闸工程视频监控系统概况

某水闸工程位于北方海河流域内的某河主槽上，由节制闸（9 孔闸）和船闸组成。其工程视频监控系统共有22 个监控点，前端设备采用720P 高清网络摄像头，设备选型为瑞典AXIS 公司P 系列摄像头。所有摄像头均采用POE 供电方式。前端摄像头采集的视频信息通过光纤传输到中控室，中控室配置视频服务器和硬盘录像机，采用集中式IPSAN 存储方式，通过DLP 屏显示图像。上级主管部门通过连接到中控室的微波通信传输通道调用图像。

2.2 智能监控系统在枢纽中的应用

北方海河流域某水闸工程智能视频监控系统是利用DSP 嵌入方式和NVR 软件算法相结合的方式实现的。其中，前端DSP嵌入摄像头中，在监控前端对视频进行分析，并进行相应的处理和联动；后台NVR 软件根据需要对传送至工控机的图像进行算法处理。智能视频分析的内容很多，在该项目中主要应用如下几种。

2.2.1 视频缺失、镜头遮挡检测

该监控系统能够自动检测因摄像机工作异常（损坏、遭人为恶意破坏）或视频传输环节故障而引起的视频缺失或者遮挡，并同步向管理人员发出声音报警，并在报警数据库中记录时间标签。

2.2.2 区域入侵检测

北方海河流域某水闸工程启闭机房是重点监控区域，为防止无关人员进入机房，并且查看启闭机操作人员是否规范操作，利用了区域入侵检测技术。入侵检测技术是利用运动目标的智能视频分析原理，首先在摄像机监视的场景范围内按需设置警戒区域，系统可以自动检测入侵到警戒区域内的运动目标并根据设置规则条件启动报警。

一旦有人员进入启闭机房，系统会向管理人员发送报警信息，同时触发录像。由于该录像是重要取证录像，根据管理部门要求，通过设置摄像头参数可以做到触发时间点前25 s开始录像。入侵拌线设置，如图2所示。

图2 入侵拌线设置示意

2.2.3 移动侦测

移动侦测是通过摄像头按照不同帧率采集得到的图像被处理器按照一定算法进行计算和比较，当画面有变化时，计算比较结果得出的数字会超过阈值并指示系统能自动作出相应的处理。移动侦测技术在北方海河流域某水闸工程应用于监视闸门的启闭情况。一旦闸门处于上升或下降状态，摄像头会根据规则设置（摄像头移动侦测规则设置及示意如图3 所示，白色框内为移动侦测区域）向NVR 发送报警信息，提醒管理人员进行监控。实际上，闸门大多数时间处于静止状态，长时间的静止画面的录像没有任何参考价值。因此，利用移动侦测的规则可以同时触发录像，可以有效地节省录像存储空间。区域入侵和移动侦测的录像属于报警录像，录像时长较短。

图3 摄像头移动侦测规则设置及示意

2.2.4 移动手机终端

为方便管理部门移动查看的需要，定制了移动手机客户端，客户端使用安卓2.0版本以上智能手机，通过3G访问NVR。移动客户端系统结构，如图4所示。

图4 移动客户端系统结构

客户端软件主要功能有：实时监看，采用H.264和JPG 格式；回放任意摄像机录像视频；PTZ 控制；报警管理等。移动客户端截图和设置截图，如图5所示。

图5 移动客户端截图和设置截图

2.2.5 图像可用性

通过对多个工程中的图像效果分析，发现大多时候的视频并没有满足管理部门的实际需要，往往在查看图像时大失所望。因此，在本工程中特别提出了图像的可用性，它是指摄像机能够拍摄出满足监控需求的图像。图像的可用性也是图像优化的内容。像素和镜头的选择、安装的位置、周边的光线环境，季节变化下的不同场景等等都会影响到图像的可用性。

在充分了解管理部门需求的基础上，对该监控系统摄像头监控等级进行细化。监视闸室下游远景的摄像机监控级别要求为认识，监视闸室、闸门状况和出入口情况的摄像机监控级别为识别，监视办公院内摄像机监控级别为侦测级别。监控级别以侦测最低、识别最高，根据不同的监控级别设置不同的规则。在工程中，为了确保图像的可用性以及图像的最优化，采取以下主要措施。

（1）动态带宽。动态带宽是指摄像机根据系统网络带宽的变化而自动调整录像图像的帧数，以自动适应系统所在网络波动情况。该监控系统网络采用光纤传输，其理论传输带宽足够满足摄像机录像传输所需带宽的要求。但是考虑到网络交换机的交换能力，在摄像头前端依旧配置了动态带宽，这样可以有效地保证控制室内图像连续稳定。摄像机动态带宽配置，如图6所示。

图6 摄像机动态带宽配置示意

（2）宽动态。宽动态是当场景过亮或过暗时，摄像机能够将场景还原出清晰影像的一种技术。宽动态主要用于摄像机监视对象周边的亮度比摄像机周边强很多的情况。摄像机宽动态配置如图7 所示，宽动态配置前后效果对比如图8所示。

图7 摄像机宽动态配置

图8 宽动态配置前后效果对比

（3）低照度。该闸的摄像机有时需要在夜间也就是低照度环境下工作。根据有关资料，在满月明净的夜晚下光线指标为0.25 Lux。大多时候，北方天气的夜晚下的光线要比0.25 Lux 低很多。在工程中，采用了AXIS 中特有的“觅光者”技术，能够在0.15 Lux 下正常工作。“觅光者”技术是通过镜头、背照式CMOS 传感器（传统的是正照式）、DSP 芯片计算以及抑噪处理来实现的。普通摄像机和“觅光者”摄像机图像对比，如图9所示。从图9可以看出，“觅光者”摄像机可以有效地还原现场实际场景。

图9 普通摄像机和觅光者摄像机图像对比

但是，“觅光者”摄像机并不是万能的，为获得更好的画面质量，在使用“觅光者”摄像机时仍需要做大量的前期工作。在收集当地的气象数据后，与管理部门沟通，确认摄像机夜晚工作的几个要点：摄像机在夏天、秋天时工作的重要性要大于冬天和春天；在汛期调度时启闭机房会给闸门摄像机提供微弱照明；办公楼院内值班室外晚上会提供20 W 节能灯照明；部分摄像机需要在全黑状况下工作。

根据以上要点，确定摄像头需要遵循的几个原则：安装位置避免光线死角；尽量距离收集环境光特别是周边路灯和监控区域越近越好；尽量选择F 值低的镜头；将曝光控制调节设置在75。

在完全黑暗情况下工作的摄像机，必须采用外部补光技术。常用的外部补光有红外线和外部光源。由于红外线补光对监控对象的还原失去色彩，所以在工程中采用外部光源方式。为避免出现手电筒效应，需要调整补光灯的角度，将灯光打到监控对象旁边具有漫散射性的物体上。

2.2.6 图像存储和检索查询

图像的存储和检索查询是视频监控系统的最基本功能。智能化的存储和检索查询不但可以降低工程运行成本，还可以有效地提高管理部门工作效率。

（1）图像存储。该枢纽视频图像采用集中存储方式，图像存储时间为15 d。对管理部门和运行维护人员来说，存储资源和业务需求永远是相矛盾的，但两者都希望能在有效的存储空间内存储更多必需的、有效的信息。因此，选择合适的存储策略可以有效地提高存储能力。

在该工程中，主要采用了以下存储策略，有连续录像、计划录像、移动侦测录像、报警事件录像和变帧录像。根据不同的监控要求，采取不同的存储策略。例如，出入口摄像机采取连续录像和变帧录像，闸门摄像机采取移动侦测录像和报警事件录像等。

（2）检索查询。该工程中对图像的检索查询，是指事件发生时管理人员可实时或非实时地通过事件发生地的摄像机对事件情况进行关注。因此，将检索查询按需分为实时检索查询和录像检索查询。

实时检索查询就是快速定位摄像机。首先将22 个摄像机进行编号和命名，然后按照区域管理原则，根据摄像机分类建立不同的管理区，如闸门区、办公区、外景区等。这样可以通过摄像机编号和命名、管理层级以及模糊查询来快速定位摄像机。

录像检索查询主要通过时间线、报警事件进行检索查询。在时间点和报警事件不准确的情况下，可以将一段时间的录像等分切成几十片，或从某个时刻开始以固定的时间间隔进行切片，生成数十张缩略图，再通过缩略图进行画面的快速检索。

录像回放是帮助管理人员对已经发送的事件进行确认和查证。在录像回放中，采用高效定位的时间线方式，录像回放时间线示意如图10所示。从图10 可以看出，时间线上用不同的区域表示该时段内不同的事件发生状况，包括摄像机内SD 卡断线回补、图像有动态变化（以及动态变化有无报警信息），图像基本静止不需太多关注。管理人员可以根据时间线的不同区域，实现快速查询。

图10 录像回放时间线示意

3 结语

随着光电信息技术、视频分析技术、多媒体数据库、人工智能技术的发展，智能化视频系统是视频监控系统发展的必然趋势。由于智能视频分析是基于监控目标和图像的逻辑关系的，相比传统的视频监控系统，智能监控系统具有毫秒级的反应时间，可以大大提高工作效率，同时具有强大的数据检索和分析功能等特点。智能视频监控技术在北方海河流域某水闸工程上的应用，很好地满足了水利管理部门的实际需求。实践证明，这一技术在今后水利工程（含水闸和水库）乃至流域管理中都具有很好的推广价值。