【導(dǎo)讀】隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無論是對(duì)小到多監(jiān)探頭，還是對(duì)大到如智慧城市這類復(fù)雜系統(tǒng)，都會(huì)在多傳感器集成上提出越來越多的需求。本文將介紹多傳感器視頻集成技術(shù)及應(yīng)用。
多傳感器信息融合是用于包含處于不同位置的多個(gè)或者多種傳感器的信息處理技術(shù)。隨著傳感器應(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和工業(yè)化控制技術(shù)的發(fā)展成熟，多傳感器信息融合技術(shù)已形成一門熱門新興學(xué)科和技術(shù)。多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用到視頻監(jiān)控領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)化、智能化的安防監(jiān)控目標(biāo) 。
多傳感器視頻集成技術(shù)的基本原理
多傳感器視頻集成技術(shù)的基本原理有如人的大腦對(duì)身體各種感覺(視覺、聽覺、觸覺等)信息進(jìn)行綜合處理，將包括攝像頭在內(nèi)的各種傳感器進(jìn)行多層次、多時(shí)間、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對(duì)觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋。在這個(gè)過程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，基于各傳感器獲得的分離觀測(cè)信息，通過對(duì)信息多級(jí)別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。多傳感器彌補(bǔ)了純視頻監(jiān)控的不足，對(duì)多個(gè)環(huán)境量進(jìn)行跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的多方位立體監(jiān)控；同時(shí)，運(yùn)用多傳感器信息整合技術(shù)，系統(tǒng)能夠有效提高對(duì)檢測(cè)區(qū)域或目標(biāo)報(bào)警、智能分析、智能跟蹤的準(zhǔn)確度;此外，大規(guī)模的傳感器集成系統(tǒng)能夠獲得比單個(gè)或少量傳感器集成系統(tǒng)更多信息，對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的綜合應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和高階的功能，產(chǎn)生巨大的行業(yè)與社會(huì)價(jià)值。
多傳感器視頻集成的概念，僅從字面上來看，不難理解。“多”有兩種含義，一是“多類型”，就是系統(tǒng)中集成了多種類型的傳感器；二是“多數(shù)量”，多個(gè)同類型的傳感器也能稱之為多傳感器集成。如，組合了一路音視頻采集的攝像機(jī)可以看作多傳感器集成，一臺(tái)接入了16路視頻信號(hào)的dvr也可以認(rèn)為是多傳感器集成，這是廣義上的多傳感器視頻集成概念。但從嚴(yán)格意義上講，上述這些案例通常不被認(rèn)為使用了多傳感器集成技術(shù)，因?yàn)樗鼈冎皇菍⒍嘣磦鞲衅餍畔⑦M(jìn)行簡(jiǎn)單羅列收集，并沒有對(duì)其融合分析和處理而達(dá)成某種決策，產(chǎn)生進(jìn)一步的行為。
圖1：多傳感器視頻集成一般體系
嚴(yán)格意義上的多傳感器視頻集成強(qiáng)調(diào)多傳感器信息的融合運(yùn)用，而這種信息整合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能非常簡(jiǎn)單，也可能極為復(fù)雜。筆者并不打算在此文中描述多傳感器信息融合技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，而是介紹一些多傳感器視頻集成的相關(guān)產(chǎn)品或者方案，使大家能夠?qū)@種技術(shù)形成一種感觀上認(rèn)識(shí)。
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在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，有三種類型或?qū)哟紊系亩鄠鞲衅骷煞绞郊皯?yīng)用：
一 傳感器內(nèi)部集成
傳統(tǒng)的傳感器，存在功能單一、使用環(huán)環(huán)境受限、安裝不便等多種局限。如傳統(tǒng)的紅外報(bào)警器，掉落的樹葉或飛過的小鳥都可能引起系統(tǒng)誤報(bào)，通常只適宜安裝在室內(nèi)而不能應(yīng)用于室外。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些集成多種傳感單元的傳感器產(chǎn)品，用來解決傳統(tǒng)傳感器的弊端。
一種集成技術(shù)是多功能傳感器，這類傳感器中集成了多種用途不同的傳感單元，用于解決傳統(tǒng)傳感器功能單一、安裝不便等問題，并降低系統(tǒng)集成成本。如將溫度、濕度傳感單元集成到一起的溫濕度傳感器，再如集成多種氣體檢測(cè)單元的多氣體傳感器。這類傳感器將一個(gè)系統(tǒng)需要的幾種相關(guān)的傳感器集成到一起，便于使用，是未來傳感器發(fā)展的一個(gè)方向。
另一種集成技術(shù)是雙監(jiān)、多監(jiān)傳感器，這種傳感器同樣集成了多個(gè)傳感器單元，但目的不是為了擴(kuò)充傳感器的功能，而是綜合多個(gè)傳感單元的信息進(jìn)行運(yùn)算，來減少誤報(bào)，提高傳感器的識(shí)別率。如傳統(tǒng)的單紅外報(bào)警器，這幾年逐漸發(fā)展成了集主動(dòng)、被動(dòng)、微波檢測(cè)的三鑒探測(cè)器，當(dāng)三個(gè)探測(cè)單元綜合判定探測(cè)目標(biāo)為人時(shí)，才產(chǎn)生報(bào)警，能夠有效排除環(huán)境因素(如風(fēng)、光照、小動(dòng)物)的干擾，大大降低誤報(bào)率，使得紅外報(bào)警器也能很好地被應(yīng)用到室外。集成多傳感單元的傳感器集成技術(shù)是未來安防傳感器應(yīng)用的一種趨勢(shì)。
二 監(jiān)控產(chǎn)品集成
為了提高視頻效果或者提升產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，一些視頻監(jiān)控產(chǎn)品自身也會(huì)集成或者支持接入圖像傳感器之外的傳感器，增強(qiáng)視頻監(jiān)控產(chǎn)品的功能。
如紅外攝像機(jī)、紅外球等產(chǎn)品，在晚上或光線比較暗的環(huán)境中，會(huì)啟動(dòng)紅外攝像模式，使圖像傳感器依然能夠取獲清晰的黑白視頻，在光線充足的情況下又自動(dòng)切換到正常模式，使所攝視頻恢復(fù)色彩，實(shí)現(xiàn)圖像高保真。 通常情況下，這種光線的變化由設(shè)備自身體通過分析視頻圖像來計(jì)算，但這種計(jì)算比較復(fù)雜，而且效果不理想環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)，因此，某些此類產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)允許的情況下，會(huì)在自身集成一個(gè)光敏傳感器，來直接感知和處理環(huán)境光的變化，將設(shè)備切換到正確的工作模式。
激光夜視產(chǎn)品也使在了同樣集成了光敏傳感器在實(shí)現(xiàn)白天黑夜工作的切換。一些高級(jí)的設(shè)備甚至集成了更多的傳感器，如配置兩個(gè)圖像傳感器，一個(gè)用于可見光成像，負(fù)責(zé)視頻圖像采集，另一個(gè)用于紅外熱成像，用于識(shí)別和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，做精細(xì)化定位和跟蹤。同時(shí)，一些夜視儀中還配備了雷達(dá)信號(hào)接收接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。多種傳感器的集成，使得夜視儀能夠在各種環(huán)境下獲得清晰的視頻圖像，并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤。
卡口攝像機(jī)等交通產(chǎn)品在車輛測(cè)速功能中也應(yīng)用了多傳感器集成技術(shù)。車輛在公路上運(yùn)行，速度通常比較快，通過分析圖像傳感器的視頻數(shù)據(jù)來測(cè)量車速，運(yùn)算量巨大，時(shí)效性差，車速越高越不準(zhǔn)確。因此，這類產(chǎn)品通常會(huì)配置線圈或雷達(dá)等傳感器接入接口，用外置的傳感器來測(cè)量車速。線圈和雷達(dá)，對(duì)車速的測(cè)試準(zhǔn)確度比較高，但也有一些無法應(yīng)對(duì)的情況，如車輛相連，雷達(dá)測(cè)速有時(shí)候在沒有車輛的情況下甚至?xí)`報(bào)，影響測(cè)量結(jié)果做為違法證據(jù)的有效性。因此，智能的卡口攝像機(jī)會(huì)同時(shí)評(píng)估來自圖像傳感器與外接測(cè)速傳感器的信息，來降低誤報(bào)和提高準(zhǔn)確率。如當(dāng)雷達(dá)上報(bào)車速信息時(shí)，設(shè)備同時(shí)對(duì)當(dāng)前視頻圖像進(jìn)行智能分析，確定圖像中有車輛，雷達(dá)測(cè)速信息才有效，否則，不采信雷達(dá)數(shù)據(jù)，有效地避免了誤報(bào)率。
三 監(jiān)控系統(tǒng)集成
無論是傳感器內(nèi)部集成還是監(jiān)控產(chǎn)品多傳感器集成，其涉及的傳感器個(gè)數(shù)都比較有限，解決的只是一些比較原始的問題，如多監(jiān)探頭，解決的只是傳感器自身的準(zhǔn)確率和環(huán)境適應(yīng)性。更加嚴(yán)格意義上的多傳感器視頻集成是在監(jiān)控系統(tǒng)這個(gè)級(jí)別上運(yùn)用多傳感器融合技術(shù)，來解決更加復(fù)雜的問題，產(chǎn)生更大的應(yīng)用價(jià)值。如單個(gè)卡口攝像機(jī)能夠進(jìn)行車牌識(shí)別和車速度測(cè)量，但無法確定某個(gè)車輛某段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行軌跡，但智能交通系統(tǒng)則集成了這種成千上萬的攝像頭，每個(gè)攝像頭可以認(rèn)為是系統(tǒng)中的一個(gè)圖像傳感器，通過整合和分析所有攝像頭的車牌檢出與車速測(cè)量等信息，查獲某輛車當(dāng)前位置和運(yùn)行路徑甚至預(yù)測(cè)其未來的軌跡，立刻變得輕而易舉，這正是多傳感器視頻集成技術(shù)強(qiáng)大威力的體現(xiàn)。
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家庭監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)小型的多傳感器視頻集成監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將安裝在家內(nèi)的視頻、音頻、報(bào)警器、等監(jiān)控設(shè)備和傳感器連接起來，通過中控電腦或設(shè)備的處理將有用信息存儲(chǔ)、傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭安全的全方位監(jiān)控。典型的家庭監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如下：
圖2：家庭監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)典方案組成
其中，音頻視頻攝像機(jī)用存采集家中實(shí)時(shí)的音視頻數(shù)據(jù);門磁感應(yīng)器、紅外傳感器與能夠檢測(cè)到門的關(guān)閉以及人的進(jìn)出;煙霧傳感器與煤氣能夠檢測(cè)家中其他的異常。這些傳感器的信息統(tǒng)一匯集到監(jiān)控主機(jī)上，關(guān)聯(lián)這些信息，監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠滿足實(shí)時(shí)查看家中情況的基本需求，還可以檢測(cè)到家中異常，如著火、煤氣泄露、小偷侵入等，并采取進(jìn)一步的操作，如發(fā)送警報(bào)、保存證據(jù)等。該系統(tǒng)對(duì)多個(gè)傳感器信息的關(guān)聯(lián)處理可能比較簡(jiǎn)單，也可以做到復(fù)雜，如紅外傳感與門磁感應(yīng)到有人侵入后，來自攝像頭的視頻信息甚至還能夠運(yùn)用人臉識(shí)別技術(shù)確定進(jìn)入的是主人還是陌生人，減少家人進(jìn)出門的系統(tǒng)誤報(bào)。
動(dòng)力環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)房、基部站等無人值守的環(huán)境中，對(duì)局站內(nèi)的通訊電源、蓄電池組、UPS、發(fā)電機(jī)、空調(diào)等智能、非智能設(shè)備以及溫濕度、煙霧、地水、門禁等環(huán)境量實(shí)現(xiàn)“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)”等功能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)量的監(jiān)測(cè)，動(dòng)環(huán)系統(tǒng)集成了各種類的傳感器，是多傳感器集成系統(tǒng)傳感器“多類型”的一個(gè)經(jīng)典案例。同時(shí)，此監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了通訊傳輸設(shè)備所能提供的各種傳輸信道資源，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)網(wǎng)管，能夠?qū)λ芯终镜娜珔?shù)、全方位的監(jiān)控，這又很好體現(xiàn)了多傳感器集成系統(tǒng)傳感器“多數(shù)量”的一面。動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成如下：
圖3：動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)組成及其級(jí)聯(lián)
智能交通系統(tǒng)(ITS)是將先進(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合的運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。ITS可以看作是多傳感器視頻集成技術(shù)的大型應(yīng)用。在這個(gè)系統(tǒng)中，集成了包括交通攝像機(jī)、光學(xué)檢測(cè)儀、線圈檢測(cè)器、雷達(dá)檢測(cè)器、移動(dòng)測(cè)速儀、射頻感應(yīng)器、GPS等多類傳感器，而且各類傳感器數(shù)量非常巨大。透過無線和有線網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器分級(jí)接入系統(tǒng)并上報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)，這些來自不同地點(diǎn)、不同時(shí)間的傳感器數(shù)據(jù)被有效組織和運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)各類交通管理功能，如識(shí)別違章車輛并在卡口攔截，評(píng)估和預(yù)測(cè)交通狀況實(shí)現(xiàn)有效的交通疏導(dǎo)和交通控制避免交通擁堵，跟蹤車輛運(yùn)行軌跡組織貨物運(yùn)輸提高物流效率，監(jiān)控和識(shí)別交通事故提供快速救援等。
通過上述案例的介紹，我們不難看成，多傳感器視頻集成技術(shù)并不神秘，在各種監(jiān)控領(lǐng)域都能看到應(yīng)用。該技術(shù)以多傳感器信息融合技術(shù)為理論基礎(chǔ)，但由于視頻監(jiān)控需求的多樣性，實(shí)際應(yīng)用中傳感器集成度有高有低，所涉及的融合技術(shù)有繁有簡(jiǎn)，因此形成了幾種不同的層次的集成方向，代表著不同需求下的多傳感視頻集成的趨勢(shì)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無論是對(duì)小到多監(jiān)探頭，還是對(duì)大到如智慧城市這類復(fù)雜系統(tǒng)，都會(huì)在多傳感器集成上提出越來越多的需求，推出多傳感器視頻集成技術(shù)的完善與發(fā)展，使多傳感器視頻集成成為視頻監(jiān)控的主流方案。
