第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1视频监控发展历程
随着科技的日新月异，视频监控市场也得到了飞速发展。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着互联网的大范围普及，以及计算机、网络图像处理和传输技术的飞速发展，视频监控技术也有长足的发展。视频监控已经渗透到多种领域。
视频监控系统经历了从模拟视频监控系统到数字化图像监控系统的发展过程。
1.模拟视频监控系统
主要是以模拟设备为主的闭路电视系统，一般由摄像机、解码器、监视器、录像机、控制矩阵、画面分割器等设备组成，以同轴电缆或光缆为图像传输介质，以屏蔽双绞线为控制信号传输介质。典型的模拟视频监控系统主要由前端设备、图像传输、控制设备和终端设备组成；通过在监控区域内安装固定摄像机或云台摄像机，对监控区域进行实时监控；通过传输线路将摄像机所收集到的信号传至字符发生器、图像分配放大器，然后再通过控制矩阵传入监视器，实现对监控区域的全面监视。
1.1前端设备
前端设备即图像摄像部分，是监控系统的前沿部分，包括摄像机、镜头、云台、解码控制器等设备，主要功能是完成目标景物到图像信息的转换。操作者通过前端设备获取必要的声音、图像及报警等需要被监视的信息。其质量的好坏直接影响系统所能达到的效果。
目前大多数视频设备所要求的输入信号为模拟的视频基带信号，一般多采用CCD摄像机。CCD摄像机目前已处于成熟期，灵敏度、图像分辨率、图像还原性等均巳达到了很高的水平，功能日臻完善。由于彩色摄像机的分辨率和图像视觉效果上的优势，它在系统中的应用比例不断提高。
1.2图像传输
图像传输是将前端设备采集到的信息传送到控制设备及终端设备的传输通道。对于图像信号的传输，主要要求在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声和失真，保证原始图像信号的清晰度和灰度等级没有明显下降等。在传输方式上，近距离或特殊环境多采用同轴电缆基带传输，较远距离多采用光纤传输。
1.3控制设备
系统控制是整个系统的重要部分，控制设备主要包括字符叠加器、视频分配器、视频矩阵切换，操作键盘、云台控制解码器等。系统控制部分的主要功能有图像信号的校正与补偿、字符叠加、视频信号分配、视频矩阵切换、云台的控制（遥控）等。对于图像质量影响最大的是放大与分配，经过校正和补偿的图像信号，再经分配（或放大），进入视频切换部分，然后送到监视器上显示。微处理器性能的提高，各种专用集成电路的出现，使得系统控制设备在功能、性能、可靠性和结构等方面都发生了很大的变化。系统的构成更加方便、灵活，与报警和出入口控制系统的接口趋于规范。
1.4终端设备
终端设备是系统对所获取的声音、图像、报警等信息进行综合后，以各种方式予以显示的设备。
系统正是通过终端设备的显示来提供给人最直接的铁路工程视觉、听觉感受，以及被监控对象提供的可视性、实时性及客观性的记录。系统终端设备主要包括监视器、录像机等。
在由多路视频组成的视频监控系统中，可以是一台监视器对应一路视频进行显示，也可以是多台摄像机的图像信号用一台监视器轮流切换显示，由于画面分割器的应用，用画面分割器把多台摄像机送来的图像信号同时显示在一台监视器上，把屏幕分成多个面积相等的小画面，每个画面显示一个摄像机送来的图像。
录像机可随时把发生情况的被监视场所的图像记录下来，以便事后备查或作为重要依据。模拟视频监控系统目前已达到了很高的水平，摄像技术、传输技术、显示技术、系统控制技术都取得了长足的进步。但传统的模拟闭路系统具有很
多其自身的局限性，主要有以下几点：
（1）系统设备繁多，结构复杂，布线麻烦，可扩容性差。
（2）需要专业维修及保养，系统运行成本高。
（3）使用模拟录像机和录像带保存图像，磁带消耗量大，录像查询回放极不方便。
2数字化图像监控系统
随着数字技术的发展，图像数据压缩编码技术及标准的改进，以及芯片成本的不断下降，数字视频监控系统也迅速发展起来。现在一般所说的数字化监控系统是指输入、控制、显示、存储四大部分均采用数字化图像压缩处理技术，而一般所说的数字化监控系统，是指监控系统的输入、控制、显示、存储四大部分均采用数字化图像压缩处理技术。它的一大特点是经过数字化处理图像，可利用现有的网络技术，将现场图像传输到远端监控中心。可以说数字化监控系统的两大技术核心就是图像压缩存储技术和网络传输技术，围绕这两种技术在监控系统中的应用，就是数字化监控发展的历程。
2.1准数字化图像监控系统
该系统以数字硬盘录像机（DVR）为核心产品构建，将模拟图像数字化压缩后，本机录像保存，并部分实现控制矩阵和画面分割器的功能，即模拟输入与数字压缩、显示和控制。因为核心设备是数字设备，因此，可以称为准数字视频监控系统。其主要特点如下。
（1）系统结构简化，系统操作简便。
（2）硬盘数字录像，可以实现录像资料的智能化检索、回放。
（3）网络功能较弱，无法实现复杂的网络控制传输。
（4）无法解决网络远程监控环境中的长延时，无法多路实时监控，集成性能差。
2.2全数字化网络视频监控系统
随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控进入了全数字化的网络时代，即全数字视频监控系统或网络数字视频监控时代。全数字化视频监控系统以网络为依托，以数字视频处理技术为核心，综合利用嵌入式计算机系统、数据传输网络及自控和人工智能等技术。其主要特点如下。具有准数字化本地图像监控系统的所有优点，而且结构更加简单；
基于IP网络实现视频、控制信号的传输，把监控中心和网络达及的任何地方的监控目标组合成一个系统，无限度地拓展了监控的范围；经济地实现了用户远程、实时、集散式监控的需求。
这两种监控系统除了摄像机有模拟和数字输出之不同外，系统的功能并没有本质的区别。
目前，大部分的数字视频监控系统还是通过图像编码卡将模拟摄像机传输过来的模拟视频图像转换为数字视频图像信号，因此，图像编码卡是基于PC机的数字视频监控系统中的关键设备，一块卡往往支持一路、四路或八路视频采集压缩，一台工控机可以插上1块至8块卡，从而支持1路到64路视频采集。采集编码卡的质量和性能的好坏直接影响整个系统的可靠性和稳定性。
基于PC机的数字视频监控系统采用软件来设计实现摄像机到监视器的视频矩阵切换、录像、云台和镜头的控制、通过串口连接报警设备的报警信息等。计算机是数字视频监控系统的核心，配备有大屏幕显示器、大容量硬盘，也可再配上光盘刻录机。计算机往往采用工业控制计算机，以提高系统的可靠性。数字视频监控系统能充分利用计算机的资源，使视频监控系统随计算机技术的发展而不断进步。该技术已经非常成熟，性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。
数字摄像机的出现产生了真正的全数字视频监控系统。数字摄像机直接传输数字后，压缩编码的数字视频图像流，通过网络将视频流传输到计算机中。这种数字摄像机还可以就地输出控制信号，控制云台解码器。
1.1.2视频监控系统的发展趋势
前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。
1.数字化
数字化是21世纪的特征，是以信息技术为核心的电子技术发展的必然，数字化是迈向成长的通行证，随着时代的发展，我们的生存环境将变得越来越数字化。
视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流（包括视频、音频、控制等）从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中其它各子系统问实现无缝连接，并在统一的操作平台上实
现管理和控制，这也是系统集成化的含义。
2.网络化
视频监控系统的网络化意味着系统的结构由集总式向集散式过渡。
集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应。组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强，开放性好，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等优点。
系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络系统硬件和软件资源共享以及任务和负载共享，这也是系统集成的一个重要概念。
1.1.4国内智能视频监控市场现状
随着中国经济的高速发展和国民财富的快速积累，社会对于生活环境、工作环境和公共环境的安全提出了更高要求，如：实时发现异常状况，及时制止非法行为等。视频监控系统作为行之有效的安防技术措施得到了极为广泛的应用。在经历了第一代模拟系统、第二代数字系统和第三代网络系统之后，以智能视频分析技术为核心的第四代智能视频监控系统已经出现；它克服了前三代系统人工低效监控和事后查找的痼疾，采用人工智能技术对监控图像进行分析，以计算机代替监控人员对画面进行实时监控，实现了在线智能分析、实时报警和系统智能联动等重要功能。
智能视频监控在国内还是个薪新的领域，中国目前没有真正具有自己品牌的智能视频监控产品。国内厂家已经开始意识到智能视频监控市场的巨大空间，因而积极开展相关技术的引进和研究。
然而，国内产品研发和市场推广依然存在很明显的缺陷。一、大多数企业的业务仍在非智能范畴，在监控系统中提到的“智能视频监控”实际上还依然停留在普通的网络视频监控（IP监控、数字化监控）的技术层面上，不真正具备“智能化”视频监控的技术内涵。二、目前中国市场上见到的智能视频监控产品，基本上来源于X和欧洲；绝大部分产品售价高、性能可靠性也不够。国外厂商控制了智能视频分析的核心技术，连产品的维护、安装都需要外方全方位参加；因此给我们的国家安全带来了巨大的隐患，也造成在大型的社会公共安全项目中无法安全可靠使用。
随着用户对智能视频监控的认识和兴趣的提高，市场上已经开始大量出现对智能视频分析的需求，国内众多厂商开始有意进入下一代技术领域。但由于缺乏智能视频分析的研发能力，而基本釆用引进国外知名厂商的智能视频软硬件产品的技术，以OEM的形式在国内销售。这种发展模式对于国内厂商来说，在短期内能够分到市场的一杯羹，但从长远来看，掌握不到核心算法，最后必然只能推广国外技术的应用。从产品实际应用层面来看，由于国外厂商的产品在国内几乎没有研发的能力，因此对于国内用户千差万别的应用需求难以及时响应和满足，也进一步影响了进口智能视频分析产品在中国的广泛使用。
1.1.5智能视频监控产品标准的情况
目前国内，针对智能视频监控产品而言，尚无国家、部委或行业标准，国际上也无相关标准。加快研制智能视频分析产品，经过各类行业的成功推广应用，从而使国内智能视频分析产品相关国家标准的制定工作。此项工作对于奠定中国在智能视频监控领域的地位具有重要作用。
1.2课题任务
1.2.1课题内容
本论文阐述了在第一代模拟化、第二代数字化和第三代网络化的视频监控的技术基础上，采用引入智能视频分析产品及提升监控中心软件平台自动视频分析能力的手段，构架智能视频监控系统（第四代视频监控系统）的设计理念与具体实施过程。重点阐述了智能视频监控系统的需求分析，描述了智能视频分析软件编制思想，明确了智能视频分析产品硬件设计以及平滑引入传统视频监控系统的设计过程。最后，以实证举例的方式，表明了智能视频监控系统已经在多个行业得到重点应用和推广，技术在不断持续演进中，未来视频监控技术发展道路必将走向智能化。
1.2.2本人承担的任务
本人在智能视频监控系统的设计中承担了市场调研、软件系统需求分析、软件系统概要设计，主要包括系统系统总体架构设计、软件架构设计、人机界面设计等。同时负责系统安装调试运行以及该项目研发的项目管理工作。
1.3论文结构
本论文第一章说明了本论文的研究背景和视频监控系统的发展历程。第二章从传统视频监控系统固有的缺陷产生的原因出发，论证了传统视频监控逐步被智能视频监控系统所取代的必然性。第三章对智能视频监控系统的用户需求进行了详细的分析，总结了现阶段客户对于智能视频分析的功能要求。第四章说明了之智能视频监控系统的总体设计方案，阐述了智能视频分析服务器的设计理念。第五章论述智能视频监控软件系统的设计和实现。主要包括软件系统架构设计、智能视频分析软件设计、人机界面设计、智能视频分析功能实现等内容，较为全面地展示了智能视频监控系统主要技术特点。第六章列举智能视频监控系统的实例，包括轨道交通、电力、公共交通等不同应用领域，说明视频监控系统逐步趋向智能化的实际需求。第七章对全文进行了总结，并说明智能监控系统的不足和
未来发展方向。
第二章传统视频监控系统局限性及其发展方向
传统视频监控系统已经完成模拟化、数字化和网络化三代技术体制的演进，在视频图像采集、存储、传输和显示等方面取得了巨大的技术进步。然而，视频监控系统的主要工作流程和监控模式依然延续人工操作、人工识别等传统方式，因此具有漏报率高、劳动强度大、监控效率低等固有局限性。本章对局限性进行了分析并提出智能视频分析技术是未来视频监控系统的发展方向。
2.1视频监控系统局限性分析
传统视频监控系统是指第一代模拟化系统、第二代数字化系统和第三代网络化系统，其工作流程均采用相同的模式，即前端摄像机采集视频图像信息，通过专用网络向监控中心回传视频图像数据；在视频监控中心设立电视墙，大量视频图像集中在电视墙上播放，操作人员阅读实时视频图像信息，捕捉提取处置异常情况并根据需求遥控前端摄像机、照明灯、警铃、电子门禁幵关等前端设备。该种工作模式或流程具有极大的局限性，具体如下：
1)人工监控效能低下，实时监控能力不足
传统视频监控系统以监控中心为核心，在需要监控场所、地段以及核心区域架设摄像机采集实时视频图像信息，利用有线或无线通信线路（主要采用电缆线路、计算机局域网络、光纤通道、无线局域网等）将图像信息回传至监控中心；利用磁带机、硬盘录像机等存储记录设备存储已备调阅，同时将实时图像信息显示在电视墙、投影或屏幕等人机界面上，为视频监控系统操作人员的提供视频捕捉、存储、分发、显示、播放、跟踪等功能。从而，在监控中心堆积了海量视频数据信息。
传统视频监控系统从监控功能实现模式上来看，单纯依赖操作人员阅读实时图像信息，即操作人员捕捉、识别异常事件并做出适当处理，如报警、跟踪、处置等。视频内容的判别只能依靠监控员的注意力、警惕性和对异常情况的反映能力；但视频监控图像远不如电视节目那样具有可观赏性，通常简单枯燥。在另一方面，很多情况下操作人员并非是一个可以完全信赖的观察者，无论是在观看实时视频图像，还是在观看录像回放，由于个体注意力不能集中、责任心疲沓、人员训练水平和综合素质较低等种种因素，操作人员往往无法从五彩续纷、瞬息万变的电视墙上及时捕捉提取异常行为，从而导致大量漏报现象的发生。
此外，由于摄像机监控通常情况下均采用固定视场，即一部摄像机仅监控一个固定区域，同时，异常情况（特别是犯罪行为）的发生往往仅仅持续较短的时
间和具有一定隐蔽性，反映在监控中心电视墙上，就表现为异常行为实时视频淹
没在海量视频信息之中，操作人员难以及时发现。
2)视频处理能力有限，难以及时处置海量视频信息
随着平安城市建设规模的不断扩大，视频监控系统的规模同比也发生了翻天覆地的发展。据最新统计，北京市各级视频监控系统所安装的摄像机的总数达到100万台以上。在如此海量的视频信息中，具有监控价值的信息微乎其微；但这微小比例的视频信息却具有巨大作用，对于社会治安根本好转、科研生产运营工作的顺利进行起到十分重要的意义。例如，城市交通监控系统中交通事故现场的实时视频对于城市交通调度和事故责任的判别具有巨大作用；社区治安监控系统中犯罪现场视频录像对于公安机关侦破案件是极为关键的证据。然而，如何在海量的视频信息中找到并有效利用关键视频信息是视频监控系统需求重点解决的问题。传统视频监控系统只能起到将视频信息汇集、存储和播放的功能，对于图像的判别和分析只有依赖操作人员；因此，视频信息的处理能力难以适应海量增长的视频信息。大量关键信息被掩埋于垃圾信息的废墟之中。
2.2智能视频监控系统是未来发展方向
被动监控向主动监控的转变是视频监控系统的发展方向。无论是第一代纯模拟视频监控系统，还是第二代、第三代经过部分或完全数字化之后的视频监控系统，均是视频监控系统在物理存储介质和信息传输模式上的技术进步；其信息处理能力来自系统操作人员的人工监控。随着视频监控系统规模的不断扩大，以及对于异常事件实时监控要求的不断提高，现有的被动监控模式己远远不能满足要求。智能视频监控改变了传统视频监控被动接收模式，以人工智能的方式主动实时地对监控现场视频进行分析，提取异常目标和行为。这是对现代安防业最具革命性的和最有实用意义的发展，将被动监控模式转化为主动监控模式，监控人员摆脱了屏幕监视这种繁重低效劳动，实现智能监控自动报警。
与传统监控系统相比最大的技术提升，是引进智能视频分析服务器或分析设备（IVAS)，实现对视频图像的主动分析和报警功能；以计算机代替人工对实时视频图像进行分析，根据预先设定的异常行为定义，自动捕获并提取异常目标信息。相对于传统视频监控系统人工监控的低效运行模式，智能视频监控系统对于异常目标的捕捉、响应和处理速度大为提升，有效提升了视频监控系统的监控效能。
IVAS被安装分布于摄像机后端、监控中心或监控分站，根据操作员事先设定的异常行为规则，自动分析视频图像信息。
2.3本章小结
传统视频监控系统主要存在人工监控效能低下、实时监控能力和视频处理能力有限、难以及时处置海量视频信息的局限性，其本质是由于采用完全依赖人工监控实时图像信息这种落后的被动监控动模式，导致了传统监控系统效能低下。智能视频监控系统采用主动监控模式，将是未来监控系统的发展方向。
第三章智能视频监控系统需求分析
3.1智能视频分析主要内容需求
智能视频分析内容主要有以下需求：
1)运动目标检测跟踪：在被控视频区域中检测出运动目标，并对其进行跟踪，描绘出其运动轨迹信息。
2)运动目标识别：在被控视频区域中检测出运动目标，同时根据先验模型，识别目标类别。
3)警戒区检测：检测进入警戒区的人、动物、汽车等移动目标。
4)警戒线检测模块：检测穿越警戒线的人、动物、汽车等移动目标。
5)物品遗留/丢失检测：通过智能图像处理技术，对需要保护的物品进行看护。
6)人数统计检测：分别统计监控区域内双方向穿越绊线的人或汽车等运动目标的数量。
7)流量拥堵检测分析：对人群密度进行分析统计，当密度达到一定等级后产生报警信息。
3.2智能视频监控系统软件需求
3.2.1实现智能视频分析需求
依据智能视频分析主要内容，智能视频监控软件应实现以下功能：
1)异常目标提取和识别
操作人员预先设定异常目标的定义，软件系统经过一段时间的自学习后，可以自主提取并识别异常目标；同时根据先验模型，识别出目标类别。如单人、群人、自行车、小汽车、大型公交车、渔船、军舰等各类目标；并对其进行跟踪，描绘出其运动轨迹信息。
2)禁区警戒需求
检测进入警戒区的人、动物、汽车等移动目标。可根据需要设置任意形状、
任意数量的警戒区域。一旦有满足预设条件的目标进入警戒区域，则自动产生告
警，并用告警框标识出进入警戒区域的目标，同时标示出其运动轨迹，提醒相关
人员注意有移动目标入侵。
检测穿越警戒线的人、动物、汽车等移动目标。在摄像机监视的视场范围内，
可以设置多条警戒线并规定其禁止穿越方向。一旦有移动目标按照禁止穿越方向
穿越警戒线即产生告警，并用告警框标示出该移动目标及其运动轨迹。提醒相关
人员注意有人或车穿越警戒线。
3)物品遗留/丢失检测需求
通过智能图像处理技术，对需要保护的物品进行看护。一旦所保护区域物品
被遮挡、移动或拿走超过预设的时间后（时间可自定义），立即发出告警，并用告警框标示出丢失物品的位置。
作为物品丢失检测的逆操作，需要软件具备物品遗留检测功能。对于敏感地
区：如车站、机场、XX机关等，恐怖袭击往往采用遗留物品的方式。物品遗留
报警可以有效地排除有关危险源。
4)人数统计检测需求
是警戒线检测的一种特殊应用，分别统计监控区域内双方向穿越洋线的人或汽车等运动目标的数量。
5)流量拥堵检测需求
对人群密度进行分析统计，与事先由用户自定义的等级比对，并得出量化等级。当人群密度达到一定等级及持续一定时间后，产生报警信息。
3.2.2软件人机界面需求
1)实时视频图像显示：人机界面中以根据用户实际需求，以选择显示、轮巡显示、多画面显示等模式将各类服务器采集的实时图像在人机界面上显示。
2)设定设备参数界面：操作人员通过人机界面可以具备远程设定或调整视频监控系统设备的工作参数，如：一体化摄像机、DVR、智能视频分析产品、网络传输设备等。
3)显示报警信息：采用适当的方式显示报警信息。主要采用列表显示、界面色彩变换提示、报警信息融合于实时图像中显示等多种模式。
4)视频图像的回放：操作人员根据实际需求，从视频服务器中调取并在人机界面中播放。
5)网络遥控设备运行：根据监控实际需求，通过人机界面控制摄像机、服务器、智能视频分析设备的运行状态。
6)电子地图与监控系统联动显示：在电子地图上标出异常目标出现的坐标点，并显示实时图像。
3.2.3智能视频分析与现有视频监控系统的信息交互需求
智能视频分析作为最新的安防技术手段，需要与现有的视频监控系统有效融合。视频监控系统作为安防系统的重要组成部分，在几十年的发展过程中得到了极为广泛的应用。XX机关、军队、公安、企事业单位已经投入大量资金并取得了较好的应用效果。智能视频分析产品必须具备无缝融入现有视频监控系统才能最大限度保护已有投资，如此才能发挥作用并获得更大的发展空间。
3.2.4智能视频分析软件系统开放性需求
智能视频分析产品开放其对外接口标准，允许前三代监控系统可以平滑吸纳智能视频分析产品。实时视频信息可以传输至智能视频分析产品内，分析结果可以传送至传统视频监控系统。
3.2.5智能视频分析产品的网络控制需求
智能视频分析产品纳入监控系统之后，被放置在视频监控系统的各处，监控中心软件平台应具备通过计算机网络远程设定智能视频分析产品工作参数、接收并显示报警信息、绘制异常目标运动轨迹等功能。从而，将智能分析功能在传统视频监控系统中实现。
3.3本章小结
智能视频监控系统应具备异常目标提取和识别、禁区警戒、物品遗留/丢失探测、人数统计、流量分析等多种智能分析功能；系统需要具有友好的人机界面，为操作人员提供人性化和便捷的工作环境，在保护顾客以往视频监控系统投资的基础上，满足顾客对于系统智能化和开放性的要求。
第四章智能视频监控系统总体设计
4.1智能视频监控系统设计原则
智能视频监控系统设计主要遵照以下设计原则：
(1)技术的先进性：整个系统选型、软硬件设备的配置均要符合高新技术的潮流，关键的视频数字化，压缩、解压、码流、传输均采用国内外工程建设中被广泛采用的技术与产品。在满足功能的前提下，系统设计具有先进性，并且在今后一段时间内保持一定的先进性。
(2)架构合理:采用先进成熟的技术来架构各个模块组成稳定可靠的系统，使其能安全平稳地运行，有效地消除各子系统可能产生的瓶颈，选用合适的设备来保证各子系统具有良好的扩展性。稳定性和安全性是我们最关心的问题，只有稳定可靠的系统才能确保各设备的正常运行；只有良好的数据共享，实时的故障修复，实时备份等才能形成完整的管理体系。
(3)产品主流：在设备选型时，主要依据顾客的实际情况结合目前我国市场上的占有率高的各类产品中选择具有最优性能价格比和扩充能力的产品。
(4)低成本、低维护量：所设计的系统和釆用的产品应该是简单、实用、易操作、易维护。系统的易操作和易维护是保证非计算机专业人员使用好本系统的条件。
(5)集中管理：前端现场设备，各分系统集中于中心统一控制，实施对所有远端设备的控制、设置，以保证系统的高效、有序性。
视频监控系统设计依据：
《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008
《安全防范系统验收规则》GA/308-2001
《入侵报警系统工程设计规范》GB50394-2007
《安全防范工程技术规范》GB 50348-2004
《视频安防监控系统工程设计规范》GB 50395-2007
《电子信息系统机房施工及验收规范》GB 50462-2008
《智能建筑设计标准》GB T50314-2006
《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94
《安全防范工程程序与要求》GA/T75-94
《入侵报警系统技术要求》GA/T368—2001
《电气装置安装工程施工及验收规范》GBJ232-90、92
《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92
《信息技术设备(包括电气事务设备)的安全》GB4943-95
《安全技术防范规范工程技术规范》GB/T75-94
《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》GB/T50311-2000
4.2智能视频监控体系架构设计
4.2.1智能视频监控系统组成
智能视频监控系统是以智能视频分析技术为核心，以数字化、网络化视频监控技术为基础，在实现基本实时视频监控的功能之上，引入人工智能技术，对视频图像进行实时分析，从而大幅度提升视频监控效能的第四代视频监控系统。因此，智能视频监控整体体系架构将参考第三代网络化视频监控系统，以大容量光纤网络或计算机网络为通信手段，前端摄像机（IP或数字)、监控中心或监控分站作为网络节点纳入通信网络，监控图像汇聚于监控中心实时播放、存储和处理。
与前三代监控系统最大的差异，也是智能视频监控系统的亮点，智能视频分析服
务器（或设备）被分布于摄像机后端、监控中心或分站，根据操作员事先设定的
异常行为规则，自动分析视频图像信息。
智能视频监控系统由视频输入设备、视频输出设备、监控中心管理平台、传输网络等组成，完成视频信号的采集、传输、切换、存储、显示、处理等视频监控功能，构成完整的视频监控系统。本系统按照功能模块可划分为三部分：前段信息采集部分、网络传输部分、集中控制管理部分。
1)前端信息采集
摄像机釆集被控区域的实时视频信号，同时在各监控分站或监控点上配置多路网络视频监控服务器，具有视频信息存储或（DVR+DVS)的功能；同时配置液晶显示器，显示所管辖区域内的摄像机图像画面，同时显示所管辖区域报警系统电子地图。
摄像机通过电缆(或光纤)将采集到的视频图像传输到网络视频监控服务器，对视频信号进行处理，将其压缩、存储到本地硬盘上。并可利用数字监控系统（数字硬盘录像机+视频服务器）的监控软件功能——预览、录像、检索、控制云镜、报警设防/撤防、上传视频信号和报警信息、接收远程控制命令等操作。
遍布监控区域的监控系统通信网络，将实时图像信息、报警信息及时传送到总控中心、如：派出所、公交安防总队和车站综控室、区间警亭等，为值班人员提供直观的线路监视图像和录像，以便对异常事件和行为进行防范和迅速的打击。实现警情自动上传，供远程控制中心进行远程监控。
2)网络传输
网络传输负责将前端视频监控系统采集的视频信号传送到智能视频监控中心，同时将控制中心的控制命令传送到站点网络视频监控服务器，达到远程监控的目的。远程总控中心与站点利用专用光纤网络（以太网）连接，光纤（以太网）通道可以同时传送分辨率为704X576的多路25顿/秒全实时图像。
网络传输的拓扑结构有二种方式，一是，这些视频信息经交换机的千兆接口，传送到交换机，然后通过光纤再传输到上一级交换机，经过逐级传递，最后传输到控制中心。该结构方式优势是节省光缆，但因远程视频监控信号集中在一条网络线路上同时传输，占用大量带宽资源，势必会造成网络带宽压力太大，甚至造
成数据的拥堵问题。网管也会相对复杂。
另一种方式是，采用星形连接方式，将视频信号经交换机千兆接口通过光纤直接到控制中心主交换机上，该方网络传输方式，网络简捷，占用带宽小，可以大大缓解网络压力，能够保证高速传输。但该方案使用光缆较多。两种方式各有利弊，在实际工程中酌情使用。
3)集中控制
集中控制（信息管理平台）以网络为基础条件，以数据库服务器为管理平台的核心，系统内所有设备信息、用户信息、电子地图信息及权限的分配统一配置于数据库服务器，操作方便且保障信息安全，使大型分布式监控系统更利于集中管理和维护。
监控中心通过局域网络，利用中心集中监控管理软件，处理前端网络视频服务器/网络硬盘录像机传来的视音频信号、报警信息和设备信号。同时亦可利用网络控制前端的网络视频服务器以及监控外设。
主要设备包括中心控制终端、管理服务器、电视墙服务器、流媒体服务器、WEB服务器、报警服务器、集中录像服务器、电视墙服务器及电视墙设备等。
4)视频信息传输设计
视频监控系统的本质是远程观察被控区域内所发生的事件或行为，并对图像信息进行实时判别和分析，为采取必要的干预或处置行动提供准确信息。视频信息远程传输是达成上述监控功能的基础条件之一。
视频信息的传输大致可以采取模拟线路、数字传输网络（有线线路和光纤线路）。随着摄像机、云台以及一体化摄像机数字化技术水平的快速提升，监控系统前端设备控制信息和视频信息的输入输出均已数字化。与此同时，监控系统后端设备，如硬盘录像机、监控服务器、交换机等，也以计算机技术为核心设计研发。作为连接监控系统前端和后端之间的信息传输通道，以大容量光纤网络为代表的数字化传输网络被设计为智能视频监控系统的视频信息传输通道。
基本设计思想为：以光纤网络为传输干线，在摄像机、云台等前端以计算机局域网汇聚视频图像信息到光交换机，并后传至监控中心。
5)存储设计
在安防行业，随着监控系统向高分辨率、大容量、实时图象的获取、处理和检测方向发展，对存储系统的要求越来越高，目前常用的存储技术有：DAS、NAS和SAN.其中SAN的存储速度和扩展性等综合性能最好。
SAN(Storage Area Network存储区域网络)是一个由存储设备和系统部件构成的网络，所有的通信都在一个与应用网络隔离的单独的网络上完成，可以被用来集中和共享存储资源。
在SAN技术中，IP-SAN既利用了IP网的可扩展性，也避免了FCSAN必须使用光纤通道交换机的高成本劣势。
IP-SAN存储系统包括ACCSTOR FS8000光纤磁盘阵列、SanRad iSCSI V
Switch 3000虚拟存储交换机、3Com千兆数据网络交换机及视频监控服务器等主
要设备。
6)智能视频分析设备的引入
智能视频分析设备实现人工智能分析视频图像的功能，操作人员设定视频分析功能，视频信息通过传输网络，以数字化方式传递给智能分析设备。为了保障智能视频分析功能在线更换和调整，该设备具备网络远程控制、算法参数调整等控制功能。
智能视频监控系统从设备组成上与传统第三代监控系统最大差异在于引进了智能视频分析设备。由于第三代监控系统已经大量存在并正常运行，因此基于保护已有监控系统建设投资以及技术平滑过渡，智能视频分析设备应被设计为网络化产品，视频信息通过网络输入监控设备，分析结果通过网络发布或传递。智能分析设备可以被作为第三代监控产品的网络节点，前端摄像机汇集的视频信息在网络上由视频监控服务、硬盘录像机以及视频分析设备共同分享；并行处理信息，并将各自处理结果上传监控中心。由此，第三代视频监控系统在平滑引入视频监控服务器之后，升级为第四代视频监控系统。
7)H.264视频编码标准
智能视频监控系统采用H.264视频编码标准，系统前端摄像机以该标准压缩视频编码，经由网络传输到监控中心解码后播放，并在智能视频分析设备上解码后进行视频处理分析。
4.2.2智能视频监控功能实现设计方式
为了提高视频监控系统的智能化水平，视频监控系统中引入智能视频分析设备。智能视频分析设备的作用是对监控摄像机所拍摄的视频图像进行自动分析，将影像中的人或物体的状态从背景中分离出来，加以辨认、分析与追踪，然后比对所追踪对象的行为模式与预设的规则，若发现违规之处，立刻进行报警，或采用其他对应处理方式。如果把摄像机看作人的眼睛，则智能视频分析服务器就相
当于人的大脑。智能视频分析系统主要由视频分析服务器组成。智能视频分析借
助计算机强大的数据处理功能，对视频画面中的海量数据进行高速分析，过滤掉
用户不关心的信息，为监控者提供有用的关键信息。
目前智能视频监控实现架构设计主要釆用两种方式：前端嵌入式视频分析和后端纯软件视频分析。
1)前端嵌入式视频分析
它是在前端直接对视频信息进行处理，减少了视频信息上传的网络带宽压力，并且安装简单易于系统集成。同时还可以支持前端存储，无需进行图像的远程传输，并因此可以对图像进行高质量的前端存储。如果用户需要获得图像信息，则可以通过分布式事件搜索完成，并通过点播获得高质量现场画面。更重要的一点是，前端嵌入式智能分析让每一个独立的分析单元可以成为单独的智能监控单元，即使整个系统的网络都擁痪了，这些独立的前端单元还可以继续独立工作、进行存储和报警，避开了系统网络通信瘫痪所带来的监控瘫疾的风险。但是智能监控这种架构开发复杂灵活性差，扩容与升级比较困难。
2)后端纯软件视频分析
它在视频监控系统的后端，往往将智能视频分析功能嵌入在平台软件上，由专门的视频处理服务器来实现的。这种模式产品智能功能比较强大，并且容易扩容，但是它需要视频监控系统前端将所有的视频信息都上传到服务器，这对网络带宽的压力是非常大的。此外，要在后端进行智能视频分析就必须对前端传来的图像进行解压再分析，这个过程占用了大量平台软件终端设备的资源，实际上并没有降低成本，反而使得作为观看与浏览图像的平台软件运行终端运行效率大幅下降，甚至无法支持很多路视频解压和显示。
从目前智能监控分析的使用情况来看，绝大多数采用的是后端分析模式，主要原因在于前端的DSP芯片和后端计算机的处理能力相比实在有限，视频分析运算量很大，而大多数DSP并没有足够大的内存和处理能力来实施有效运行，处理能力降低会造成分析准确性低下，导致误报增加。
本论文将主要研究后端纯软件智能视频分析实现方式。
4.3智能视频分析服务器设计
1)基本设计思想
智能视频分析服务器是承担视频分析工作的核心设备，是全系统最具特色的技术亮点所在。为了保护己有视频监控投资，该设备应具备平滑接入前三代视频监控系统，同时兼容现有的视频监控软件平台的能力。
综合考察前三代视频监控系统的存量资源，第一代模拟视频监控系统已逐步退出现役（模拟摄像机作为前端图像采集设备依然被广泛使用），目前主要以第二代数字化视频监控系统和第三代网络视频监控系统为主体，以其较高的性价比大量应用于XX、军队、厂矿、学校、交通等，遍布于社会各个角落，承担着区域安全防范、生产经营管理、调度指挥控制等重要作用。
智能视频分析产品在视频分析容量上也必须承担设定数量视频图像并行分析的能力，充分利用现有硬件资源的计算能力，最大限度地开展多路并行视频分析。
智能视频分析服务器应采用开放性通信协议，或提供第三方软件开发包，以便第三方视频监控软件平台可以接收并处理智能视频分析服务器的分析结果，以及远程指控视频分析服务器工作或远程配置智能视频分析算法。
综合考虑上述条件，智能视频分析产品设计为具备计算机网络通信功能、较强运算能力、多路模拟视频图像输入能力，嵌入式机箱结构、采用适当裁剪后的
LINUX操作系统、智能视频分析算法同时对多路视频进行分析并通过网络将告警信息输出到终端或第三方软件平台。
2)智能视频分析服务器基本参数和接口情况
视频信号接入数量：1~4路BNC
输入视频标准：PAL(625线，50场/秒）
输入视频顿率：PAL(1~25帧/秒）
嵌入式机箱结构
适当裁减后的UNUX操作系统
远程控制功能服务器
智能算法参数远程设定和启动智能视频终连接端最大个数：8台
电源指示灯（POWER)
电源开关
硬盘指示灯（H.D.D)
重启（RESET)按钮
视频输入：4路BNC
视频输出：1路VGA
网络接口：1个RJ45 10M/100M自适应以太网口
USB接口：4个USB2.0接口
电源接口：220VAC±10%，50Hz±5%
4)智能视频分析服务器工作流程：
a)获取数字视频数据
b)自动完成对视频数据的检测分析，并生成日志信息及报警信号.
c)上传报警及R志信息给管理控制台，进行综合管理及报警.
d)转发视频数据给显示器.（或显示客户端）.
e)管理控制台根据联动规则驱动与调节其他设备
4.4本章小结
智能视频监控系统以第三代视频监控系统网络化体系架构为基础框架。智能
视频分析服务器（或设备）作为网络节点平滑接入。前段摄像机将实时图像同时
传递给视频分析服务器、视频存储设备，同时升级监控系统软件平台，纳入视频
分析功能。如此，将传统视频监控系统升级为智能视频监控系统。
第五章智能视频监控软件系统设计
智能视频监控软件系统设计主要包括：软件系统总体架构和逻辑组件设计、智能视频分析服务器平台软件设计、智能视频分析软件设计（含算法软件设计）、系统人机界面设计等内容。阐述了软件系统总体设计思想、核心智能视频分析软
件设计思想、以及软件具体实现情况。
5.1智能视频监控软件系统架构设计
5.1.1系统软件架构设计原则及基础
1)智能视频监控软件架构设计主要遵循了以下设计原则。
充分满足用户主要需求
充分考虑主要核心产品现状
提高软件研发人员的工作效率。
2)系统软件架构的设计主要基于下述系统核心装备技术和用户要求。
基于视频监控系统的核心硬件设备已经实现了网络化和数字化的现状，智能视频监控系统的软件总体架构设计为C/S或B/S，用以适应监控设备规模大，监控布防范围广、与其他电子系统共享视频信息以及报警联动的实际需求。在系统实际使用中采用C/S架构。
现代监控摄像机云台主要采用一体化设计方式，与外界信息接口主要有以下几种：模拟视频输出接口、串行通信控制接口、标准网络通信接口以及光纤通信接口。随着摄像机分辨率的大幅提高，主流摄像机均釆用网络通信接口或光纤接口。因此，监控系统骨干传输网络也逐渐向高速计算机网络或光纤网络方向发展。
针对视频监控系统软件，其主要被部属于视频监控系统后端的指挥调度中心、监控管理中心、监控分中心及各类监控站，运行于服务器和监控终端，并融合于一张计算机局域/广域网络之内；实现视频/数据信息交换、共享和联动。由于监控系统属于安全防范类系统，对于视频信息实时性和安全性有一定的要求。
综合上述需求，智能视频监控系统软件采用C/S结构。以智能视频分析服务
器为代表的各类服务器端（SERVER)实时处理视频信息并输出报警/控制/指令等
各类信息；DVR数字硬盘录像机（或DVR服务器）也作为视频服务器端，为计算机网络内的所有合法用户提供实时视频信息；监控终端/操作终端作为客户端(CLIVER)接收并显示报警信息和实时图像信息；监控系统软件平台作为客户端从各类服务器获取信息并以适当的方式显示于人机界面。
5.1.2软件系统关键功能模块
根据上述软件需求分析，智能视频监控软件设计分为智能视频分析模块、通信模块和监控终端模块等三大主体部分，在此基础上有又细分成了智能视频分析算法、视频分析基础平台、视频解压缩、异常目标标注、运动轨迹跟踪等子功能
模块。
1)智能视频分析模块：整个软件系统的核心模块，实现对实时视频图像的智能分析，提取、锁定异常目标并产生报警信息。主要包括实时图像数据转换、视频分析、输出报警信息、绘制异常目标运动轨迹等四个流程。对上承接来自摄像机的实时视频信息流，对下发送报警信息并接受控制指令。
2)通信模块：该模块在视频分析模块和监控终端模块之间建立双向数据通信连接。传输报警信息、异常目标屏幕坐标信息、指令控制信息等
3)控制终端模块：该模块实现人机交互功能，显示被控区域图像、存储报警信息、标注异常目标、绘制目标运动轨迹、报警提示、远程控制等。
5.1.3系统质量要求
智能视频监控软件需要及时捕捉异常目标和威胁和报警，与此同时对于报警误报率也有要求。
实时性：视频分析模块实时处理4路CIF格式视频，无延迟时间
误报率：对于单路视频图像，24小时平均误报率小于等于2次
可靠性：软件系统平均故障间隔时间不低于200小时
漏报率：系统对于异常目标的漏报率为零。
异常目标捕捉时间：小于等于2秒。
5.1.4软件研发策略
智能视频监控软件设计采用软件复用和使用开源架构的软件研发策略。软件
系统的核心和基础组件具备较强可复用性，以便在未来产品系列化研制过程中，
面对不同用户的开展定制化研发过程中，大幅度较少研发人员、周期和经费。
5.1.5系统软件逻辑架构
智能视频监控系统的逻辑架构共分为四层，分别为第三方平台、开发平台架
构（DPA)、数据服务层以及应用层。
(1)第三方平台
由第三方提供的各种软件开发平台或SDK。用于采用C++语言，基于Windows操作系统，开发基于C/S架构或WinForm应用的基础函数库。第三方平台主要包括：Intel IPP、Intel IJL、Cximage、Ligos MPL、DH SDK、OpenCV等第三方运行库，根据应用需要可以进行扩充。
智能视频监控系统主要采用了不同厂家摄像机的SDK或软件开发平台，以便系统可以适应不同厂家的摄像机。各厂家的网络摄像机视频信息网络传输协议互不兼容，本系统在服务器端采用第三方平台具备采集指定品牌网络摄像机的视频流信息。
(2)DPA
DPA(Development Platform Architecture)软件开发平台架构，主要为基于C++语言开发的一套封装的共享函数与基础类库，便于在此基础上快速构建应用层程序框架，并提供了一定的自定义控件类，以完成复杂界面的美化功能。DPA主要包括：SNBasePlat、EBDatabasePlat、EBMediaPlat、EBMpegPlat、VDecodePlat五个中间件。
(3)数据层/业务层
数据层依赖于EBDatabasePlat，主要完成基于应用或业务的数据入库、数据检索与查询。数据服务平台需要与具体业务结合，进行代码重构，以便于应用、业务匹配。
业务层主要与具体的业务或服务相关，用于集成特殊业务运行库，如系统集成有“智能视频分析算法库”。
(4)应用层
应用层主要用于根据不同业务与项目需要，以来DPA，构建基于WinForm或C/S架构的应用层工程或项目。
5.1.6软件模块部署
智能视频监控软件模块分别部署于智能视频分析服务器和监控终端之上。其中智能视频分析模块部署于智能视频分析服务器，监控终端模块部署于位于监控中心的监控终端，网络模块在智能视频分析服务器和监控终端之上均有部署。
5.1.7智能视频监控软件工作流程
1)智能视频分析模块接收来自摄像机采集的图像信息，解压缩后转换成为专用编码格式。
2)智能视频分析算法分离图像背景和目标，识别跟踪目标。依据用户设定的异常行为或危险的判定原则和预设参数，自动判别异常目标。
3)智能视频分析模块输出报警信息和异常目标的屏幕坐标。
4)通信模块接收并传输报警信息和坐标信息到监控终端模块。
5)监控终端模块根据报警信息，从系统的视频服务器中调取实时图像信息，将来自智能视频分析模块的目标坐标信息叠加绘制在实时图像之上，并在人机界面中显示，同时保存异常目标报警信息和坐标信息。
5.2智能视频分析服务器软件操作系统的设计
智能视频分析服务器釆用Linux操作系统，构建以计算机技术为基础，软件可裁剪，适应于各种应用环境，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。如今各种各样的新型嵌入式系统设备正逐渐走入人们的生活。
嵌入式操作系统是嵌入式系统重要的组成部分，它为应用程序的开发提供了一个软件平台。实现嵌入式系统功能的第一步就是进行系统移植，其中包括操作系统内核、文件系统和各种设备驱动程序的移植。通过系统移植，嵌入式核心板就能运行经过裁剪的操作系统了。
Linux操作系统具有源代码开放性、可移植性、运算的高性能性和易维护性等种种特性，因此它已经成为嵌入式开发中的首选。在所有的操作系统中，Linux是一个发展最快的、应用最为广泛的操作系统。
虽然Linux具有内核小、效率高、源代码开放和内核直接提供网络支持等优点，但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，需要针对具体的硬件平台和要实现的特定功能，对各种功能模块进行裁剪，如一些不会用到的外设支持、驱动程序、协议、网络支持、文件格式等。Linux内核具有很好的模块性和伸缩性，在资源要求严格的情况下经过合理的裁减可获得明显的效果。因此在对Linux内核移植之前，必须先对其进行内核的裁剪。
首先，配置内核，把内核中多余的源代码屏蔽掉。Linux内核配置系统可以生成内核配置菜单，方便内核配置。配置系统主要包含Makefile、Kconfig和配置工具，可以生成配置界面。Linux内核配置命令有：make config、make menuconf ig和make xconfig,分别是字符界面、ncurses光标菜单和X-window图形窗口的配置界面。本论文选用ncurses光标菜单界面。在各级子菜单项中，选择相应的配置时，有3种选择，它们代表的含义为：Y—表示将该功能编译进内核，N—表示不将该功能编译进内核，M—表示将该功能编译成可以在需要时动态插入到内核中的模块。
执行raake menuconf ig命令，具体配置选择如下：
在Loadable module support中选择Enable loadable module support使内核支持模块动态加载。
在System Type中添加对系统平台的支持。对于不同的体系结构，显示不同的提示信息。ARM体系结构显示“ARM system type”。
在Device Drivers中选择所需要的设备驱动程序。在Memory technology device子菜单中添加对MTD设备的支持，在Multimedia Devices子菜单中添加对摄像头的支持。
其他选项可以直接使用其缺省值，配置完成后保存退出，再通过如下步骤完成内核编译：分别是建立内核依赖关系和创建内核镜像文件。命令如下：
make dep，创建内核依赖关系；
由于内核源码树中的大多数文件都与一些头文件有依赖关系。因此要顺利建立内核。内核源码树中的每一个Makefile就必须知道这些依赖关系。建立依赖关系往往发生在第一次编译内核的时候，它会在内核源码树中每个子目录中产生一个隐藏文件“.depend”文件，这个文件中包含了当前目录下每个文件所依赖的头文件列表。
make zImage,生成内核镜像文件；
这里建立的为压缩的内核映像。通常在Linux中，内核映像分为压缩的内核映像和未压缩的内核映像。其中，压缩的内核映像即zimage，位于
/arch/arm/boot目录，而未压缩的内核映像通常名为vmlinux，位于源码树的根目录下。到这一步就完成了内核源代码的编译，把生成的zlmgae内核映像文件，下载到目标平台的Flash中，就完成了Linux内核的移植。
5.3智能视频分析软件设计
智能视频监控系统的核心技术是智能视频分析软件，其主要功能是采用计算机软件，对摄像机采集的图像序列进行自动分析来对动态场景中的异常目标进行定位、识别、检测和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的异常行为报警，从而做到既能完成日常管理又能在异常情况发生的时候及时做出反应。
若使用更为形象的语言：
智能视频监控系统能够像人一样“看”一看到被监控场景中目标物体的行为；
智能视频监控系统能够像人一样“想”一想目标物体的行为意味着什么；
智能视频监控系统能够像人一样“说”一把想的结果用自然语言的形式表达出来。
5.3.1智能视频分析软件基本功能
智能视频监控系统在前端视频采集部分之后配置视频分析服务器，将需要进行分析的视频图像通过网络输入视频分析服务器，同时远程配置服务器内载的智能监控软件算法。通过软件算法对视频图像进行定义、检测、分析、定位和处理。一旦发现被控区域出现被设定提取监控的异常变化如：有异常行为的可疑人靠近、进入，可疑车辆停放在定义的区域，不明物品的出现的时候，立即发出通过网络向监控中心操作人员报警，并同时对可疑人或车辆进行自动跟踪监视及录像。如次，将能及时地对可疑目标——如可疑车辆、可疑的人、可疑的不明物等及异常行为进行检测、识别、判断和报警，即预先发现，提高突发事件/预警管理和应对能力。
5.3.2智能视频分析软件算法思想
智能视频分析算法具备行为识别能力，可以实时地检测威胁安全或定义为异常的可疑行为，通过计算机网络向智能视频终端报警，以便于采取及时有效的措施。该算法通过机器学习、多物体跟踪和行为识别等技术，可以一致地实现目前业界较高的识别准确率，并消除其他基于运动检测或基于简单跟踪检测系统常有
的误报警。
就目前技术而言，利用智能视频分析实现的主要功能为：运动物体检测、物体跟踪、行为特征分析：
1)运动物体检测
简单地说，运动检测就是发现图像中运动的物体。运动物体可以简单定义为图像中变化的部分。一些初级的运动检测算法就是基于这些概念，例如早期的DVR产品的运动侦测功能等。它们通常只是比较图像序列中前后两个两顿的变化。当有变化时即产生报警。因此，此类方法的误报警率太高，也没有跟踪功能，不适合用作实时报警系统。
因为，并不是所有图像中的变化都是我们感兴趣的运动物体。例如由相机自身引入的变化,它包括像素的噪声，相机自动光圈控制电路引起的整体亮度变化，图像传输中引入的高低频周期噪声信号，红外相机周期校准所带来的突变等。外界环境引入的变化包括地面光照在多云天气里迅速的变化，运动物体的阴影，水面波浪或者波光激鄰的现象，陆地上树枝的摆动，夜间汽车大灯造成的光晕，雨雪天气等现象。另外相机在大风天，尤其是高灯杆上容易抖动。由上述这些现象造成的图像变化通常是应该被过滤掉的。这些干扰源在智能视频分析算法中通过技术手段加以解决。如此，将大大降低算法的误报率。
本算法采用建立背景模型的方法，将运动目标从背景中“提取”出来。
2)多物体跟踪
现有视频分析算法和早期移动侦测最大的区别就在于是否对运动物体进行跟踪。运动物体检测和跟踪是视频分析的基础。这两方面做扎实了，才有可能对物体的行为特性进行分析，同时也才有可能较容易地针对某些特殊应用迅速开发出来新功能模块。跟踪实质上就是将在每一顿上发现的同一物体沿时间顺序串起来。此领域本身就是一个相对独立的活跃的研究领域。主要研究方向是在复杂环境下，如多个运动物体，多个相机，运动物体之间互相遮挡，消失及重现等情况下进行有效跟踪。例如在拥挤的地铁站台对某个人进行跟踪；对草丛里身着迷彩服沿一定方向爬行的士兵进行跟踪。虽然在每一巾贞里用肉眼无法辨明此士兵的位置，但是积累了一定巾贞数后，系统发现了他。以上实例主要还停留在实验室演示阶段。但是它们代表了跟踪算法的发展方向。
在实际监控应用中，尤其是对一些入侵报警的应用案例中，对跟踪算法的要求比较低。现有的商业系统对运动物体“融合”及其它复杂应用场景的跟踪效果并不理想。但是参照以往技术发展速度，这方面会很快完善起来。
③行为特征分析
行为特征分析是从图像中寻找满足预先设定的行为特征的事件。主要包括：
(1)分类：判断运动物体是人，车，船只，飞机。在本算法中，由于摄像机的场景是固定的，本算法依据从背景中提取的活动目标的离镜头的距离和目标自身的尺寸来判别运动物体的类别。
(2)行为分析：主要包括：
停止或者突然加速，例如车辆在隧道或者公路上抛错；大街上抢劫得手后逃跑等场景。
徘徊：例如在敏感区域外观察的人员。对正常通过的行人、车辆不报警。
遗留物：例如对在机场，油库等地放置爆炸物然后离开。
物品遗失：例如博物馆的贵重展品保护。当发现展品消失后，系统会立刻报警。
人员倒地：例如当人员由直立突然变成平躺。
在本算法中，实施提取、识别并记录运动目标（监控目标）在屏幕范围内的运动轨迹，算法通过对轨迹的方向、速率、几何面积等变化，依据人工设定的规则，判别活动目标的行为。
(3)统计功能：主要包括：
人数统计：例如对进入超市等场所的人数进行统计。并结合销售数据绘制一天当中平均消费额曲线。
人群密度：例如当聚集人员过多时报警。或者人群突然散开，如出现异常情况时，进行报警。
本算法通过监测活动目标运动轨迹穿越人工设定的屏幕中的一条虚拟线，来实现人数统计。通过检验在设定区域内的活动目标来计算人群密度。
5.3.3智能视频分析软件算法工作流程
1)实时背景建模
基于图像运动时空特性的自适应背景建模，通过分析单个像素和整幅图像运动特征的变化规律，可在景物改变、光照变化、摄像机位置改变以及物体低速运动等条件下快速、准确地进行背景生成与更新。
2)运动目标识别
在背景实时更新的基础上，根据目标的颜色与几何信息进行前景/背景分割，并作阴影消除。针对分割的得到的初始前景像素，采用连通域检测算法对前景区域进行标记，利用填充算法进行空洞消除，从而为后续的精确跟踪打下基础。
3)运动目标跟踪
在背景建模与精确分割的基础上，采用最近邻分析的方法，融合距离、颜色、形状、大小、速度等特征进行数据关联，实现了多种典型场景下的实时多目标跟
踪，并建立了相应的实验系统。
视频监控系统的一个重要需求就是24小时不间断监控，而要达到这个要求，需要解决的主要难点就是夜间场景下的准确目标检测。本系统中，实现了一种根据局部区域对比度变化来检测运动物体的算法，可以在夜间环境下实时鲁棒地检测出运动目标，并实施跟踪。
基于颜色的灰度融合图像增强算法，实现了IR图像与CCD图像的融合，视频图像序列增稳、融合与增强，保持融合后的图像的高分辨率。
4)异常行为的检测与报警
运动物体行为的异常检测与报警。运动物体行为的异常检测这一模块根据对运动对象的行为的解释，使得在无人工巡视的条件下，可以保证敏感区域和对象的安全。
异常行为的定义，都是立足于实际监控的需要，相应的检测和报警处理方法也以系统的检测、跟踪功能为基础来实现。
大量的实际测试，系统对异常行为的检测率都到达实际现场要求的水平。
5)多摄像机图像镶嵌，对大范围场景作环境建模
针对大范围场景监控的要求，我们实现了一种基于特征点跟踪和仿射变换的多摄像机图像镶嵌算法。该算法可以对一定范围内连续转动的球机主动摄像机所采集的图像数据进行融合。同时采用多个摄像机之间的协作，实现了相应的环境建模，并最终实现了智能电子地图，使摄像机之间形成了一个统一的相互联系的整体监控平台。
5.4智能视频监控系统与其他安防系统的联动设计
近年来，社会和企业对安防工作的要求越来越高，目前，由分立的视频监控、门禁控制和入侵报警等部分构成的安防系统已经不能满足用户的根本需求，网络化、集成化、智能化已然是安防系统的发展目标和大方向，因此，许多安防软件开发商和安防系统解决方案提供商把力量集中在综合管理系统，以及系统集成平
台软件的研发上，目前一些优秀的集成系统平台都具有以下五个特点：
集成性：各子系统的业务功能融合起来产生新的跨子系统功能
开放性：这个平台要能很好地兼容不同的异构子系统，不同的厂商、不同的技术、不同的产品都要能纳入到这个平台上来运行
独立性：每一个子系统对于安防都起到很重要的作用，因此即使某个子系统或者集成平台发生故障的时候，也不能影响其它子系统自身的正常运转。
一致性：集成平台和各子系统在管理信息上必须保持高度一致，比如用户管理、权限管理、设备配置等，否则一定会出现混乱。
可扩展性：用户所处的环境和安防需求千差万别，而且可能经常改变，尤其是对融合后的跨子系统功能来说更是如此，因此在提供基础功能的同时，提供强大的二次开发能力是必不可少的。进一步而言，用户并不是编程专家，所以集成平台的二次开发能力应该体现在直观易用、功能强大的图形化定制工具。
把各个子系统集成在一个平台之上，通过综合管理系统，对各个子系统进行集中控制和管理，使各子系统相互协调，实现信息的交换与共享，就可以达到提高安全防范水平的目标。
5.5人机界面设计
(1)用户管理界面设计
用户管理界面是操作人员登陆进入智能视频监控系统的界面。包括创建用户和修改密码等功能。
(2)智能视频终端人机界面设计
智能视频终端界面根据该设备的功能设计，具有用户管理、服务器管理、通道管理、报警参数设定报警日志管理等显示操作界面；实时视频图像与报警信息融合显示界面，服务器状态显示界面等。
(3)服务器管理界面设计
智能视频终端可以同时控制多个服务器，本界面用于选择在网络上运行的智能视频分析服务器，并在本机管理。
(4)报警参数管理界面设计
智能视频终端可以远程调整设定智能视频分析服务器的运行参数。对所连接的服务器各个通道根据需要启用相应的算法模块，并在图像中勾画出监控区域以
及配置报警参数。
(5)视频终端远程设定参数界面设计
终端软件通过网络可以远程设定视频分析服务器的参数。
(6)报警日志查询界面设计
对与该终端连接的8台视分服务器的报警信息进行查询。查询方式可以分为三种类型：按服务器编号查询、按时间段查询、按算法模块查询；也可以使用按时间段及算法联合查询。双击报警信息列表中的任一信息，可以显示对应的报警发生时刻的视频截图。
(7)智能视频分析算法设定人机界面
智能视频分析算法的有效运行需要人工设定算法参数，一方面提高算法适应
复杂背景环境的能力，另一方面定义异常行为。如：通过设定智能监控区域，减
少复杂背景对于智能视频分析的干扰；通过设定监控区域内活动目标移动方向，
将逆向活动目标定义为异常；算法根据人工定义的参数高效开展智能视频分析。
5.6智能视频分析软件功能
1)目标检测跟踪
在被控视频区域中检测出运动目标，并对其进行跟踪，描绘出其运动轨迹信息。
2)运动目标识别
在被控视频区域中检测出运动目标，同时根据先验模型，识别出目标类别。如单人、群人、自行车、小汽车、大型公交车、渔船、军舰等各类运动目标。
3)警戒区检测
检测进入警戒区的人、动物、汽车等移动目标。可根据需要设置任意形状、任意数量的警戒区域。一旦有满足预设条件的目标进入警戒区域，则自动产生告警，并用告警框标识出进入警戒区域的目标，同时标示出其运动轨迹，提醒相关人员注意有移动目标入侵。
4)警戒线检测模块
检测穿越警戒线的人、动物、汽车等移动目标。在摄像机监视的视场范围内，可以设置多条警戒线并规定其禁止穿越方向。一旦有移动目标按照禁止穿越方向穿越警戒线即产生告警，并用告警框标示出该移动目标及其运动轨迹。提醒相关
人员注意有人或车穿越警戒线。
5)物品遗留/丢失检测
通过智能图像处理技术，对需要保护的物品进行看护。一旦所保护区域物品被遗留、遮挡、移动或拿走超过预设的时间后（时间可自定义），立即发出告警，并用告警框标示出物品的位置。
6)人数统计检测模块
是警戒线检测的一种特殊应用，分别统计监控区域内双方向穿越洋线的人或汽车等运动目标的数量。
7)流量拥堵检测分析模块
对人群密度进行分析统计，与事先由用户自定义的等级比对，并得出量化等级。当人群密度达到一定等级及持续一定时间后，产生报警信息。
5.7智能视频终端软件设计
智能视频终端负责接收智能视频分析服务器对视频图像分析的结果，并将结果与实时视频图像相融合，为系统操作人员提供良好的人机界面。智能视频终端用于系统的后端，一般安装于系统中央控制室，是操作人员调度指挥整个视频监控系统运行的核心控制设备。
基于智能视频终端的使用需求，该设备一般采用标准台式计算和WINDOWS操作系统，人机界面简明；与智能视频分析服务器通过计算机网络交换数据；具备接收报警信息并与实时图像相融合功能，即在实时图像中将异常行为目标以红框框定，并随着目标变化而变化，始终向操作人员清晰提示异常目标位置，提醒
操作人员对异常物体进行关注并作出相应处置。
5.8本章小结
本章结合顾客的需求，阐述了软件系统架构设计、视频分析软件设计、视频监控系统与其他安防系统联动等设计思想。对于人机界面设计和视频分析功能的实现作了详细论述。
第六章智能视频监控系统实际应用
6.1北京地铁13号线
北京城市铁路是一条城市快速轨道交通新线，是北京市快速轨道交通线网规划中的第13号线，正线线路全长40.85公里。城铁13号线沿线环境复杂，许多路段位于偏僻的地带，周边树木繁茂，开通运营后2002年10月至2004年12月城铁沿线就发生了85起盗割电缆案件，全线15个区间有11个区间曾发生过电缆盗割案件，最为严重的望京西站发案达64起，城铁电缆被盗最直接的损失就是列车停运，仅2004年就有132公里的电缆被盗。由于犯罪分子盗割城铁电缆、疯狂偷窃城铁物资，严重影响了城铁的正常运行，造成多起城铁短时间停运的事故。
北京城铁13号线电缆防盗割技防工程，其主要功能如下：
对城铁线路设施进行全天候、无盲区、实时的监控和防护。
对于运行突发事件(例如恐怖袭击等)可提供有效监控手段，为监测线路安全情况提供辅助作用，为城铁13号线路的正常运营提供保障措施。
对于擅自闯入围栏者发出语音警告、灯光威慑(在计算机软件界面上可设置报警的自动或手动开启），同时向公安机关和内部保卫部门通报警情，以便于采取措施制止恶性事件的发生。
6.1.1解决方案
由智能视频分析服务器为核心设备构建的电缆防盗割系统工程，嵌入的智能分析模块的基本功能包括：禁区报警、绊线报警等。北京城铁13号线线路全长40.85公里，沿途共架设283个摄像头。该系统能对城铁13号线沿线的每一个角落进行24小时实时监控，系统与地铁运营公司监控指挥中心、北京市公安局监控指挥中心及城铁沿线的治安岗亭相连。一旦发生不法行为，警方、城铁内保人员和治安岗亭值班员将会同时接到报警信号，形成多方联动打击不法行为。
6.1.2系统工作原理
摄像机将采集到的原始图像数据通过数据线传送到视频处理主机，由视频处理主机处理这些原始图像数据，在已设定好的监控时间范围内，当检测到有人跨越电子绊线或禁区等异常行为时立即报警，引起监控室的保安人员注意，并且通知岗亭内的保安查看现场，同时发送报警信息到控制主机，通知监控中心发布报警信息给城铁安保人员以及附近的派出所。
6.1.3禁区分析报警
禁区分析报警是智能视频分析系统的一个最重要典型应用，它类似于传统的运动检测，但又比原有的运动检测具有更高可靠性和信任度，传统的运动检测只是在需要特别的关注区域划定一个（或一些）矩形敏感区域，当该区域像素发生变化、并达到一定程度时触发报警，这种检测方式存在一些明显的缺陷，1)敏感区域在光照或颜色突然变化时，极易发生误报警；2)所设定的敏感区域内不能包含任何可运动或随时变化的场景、物体，如闪烁的灯光、水面的波动、树影的摇动等等，智能视频分析的禁区报警不是简单地根据像素亮度、颜色的变化而判断是否异常，而是通过对可能出现的目标大小、形态、运动规律识别后才触发报警，智能视频分析系统可以准确地判断、区别出人、车、船舶等目标的不同，仅针对需要关注的目标出现才给出提示，而排除树影、水波的干扰，如：在道路上排除车辆的运动仅识别出道路中有人穿行的异常，因此，禁区分析报警可以应对复杂的环境，给出真实的违反安全规则的警报，此外，由于禁区的数量、形状、大小、位置设置均可自由设定，不在是单一的矩形方块，因此，更为对于防范目标区域的设置更为细致、精确。
6.1.4绊线分析报警
绊线分析是在视频图像中人为设定一条“警戒线”，主要用于对超越该警戒线的行为给出提示，这种提示也是可以根据不同目标来进行的，通常，警戒线的穿越方向是可以设定的，它可以是单向穿越报警或双向穿越报警，所谓单向报警
就是从一个方向穿越报警而另外一个方向穿越则不报警，它可以用于对各种只允
许单向通过的区域进行设防，而双向方式则用于那些不得进、出的设防区域或门
口。
6.1.5工程成效
北京城铁13号线电缆防盗割工程建成投入使用至今，已经制止几十起盗割电缆事件，抓获多名犯罪嫌疑人，盗割电缆事件呈每年下降的趋势，2004年和2005年每年的报案记录都有100余起，2007年有6起报案记录其中3起当场抓获犯罪嫌疑人，2008年至今一直没有发生盗割电缆事件，在保障北京城铁13号线安全运营方面付出了突出贡献，北京多家媒体都对此进行了报道。
6.2坚强电网浙江电力变电站
浙江电网网内变电站多为无人值守的高压变电站，对安全防范等级要求非常高。为了保障变电站的财产安全及人身安全，变电站是严禁未经许可擅自闯入的，利用变电站四周围墙架设的监控摄像机，应用的智能分析模块包括：禁区报警、绊线报警，可以实现全天候值守。
6.3北京公交枢纽场站
北京市公交集团分布在全市范围内有100余个公交场站及枢纽，具有分布地域广、安全防范和综合管理难度大等特点。2009年6月率先在鲁谷公交场站完成系统安装并投入使用，运用智能视频分析系统对场站出入口及场站内车辆，人
员进行实时监控，及时发现异常情况，为场站的正常运营和夜间的车辆安全提供
了有力的技术支持；对站台的人员密度进行实时分析；防止人群过度拥挤，为公
交场站的调度提供参考依据。应用的智能分析模块包括：禁区报警、绊线报警，
人群密度分析。系统的主要功能如下：
6.3.1出入口车辆识别并统计
利用场站入口/出口处的摄像机，对驶入/驶出场站的车辆进行识别并统计。既能够识别出车辆的种类：公交车或非公交车以及非机动车或行人。并对按规定方向行驶的公交车进行计数统计，形成报表；对逆行的公交车以及驶入/驶出场站的非公交车、非机动车、行人即时报警。识别准确率达到95%以上。
6.3.2非运营时间场站停车区域警戒区
利用能覆盖全场的高位摄像机进行非运营时间场站停车区域警戒区闯入目标的识别报警。系统能够识别出在非运营时间闯入场站停车区域的一切运动目标，包括机动车、非机动车及行人，并标记出目标的运动轨迹。系统拥有自动学习功能，当摄像机转至下一个预置位时，系统能够在实时的条件下八秒钟内完成背景建模，进行实时报警。
6.3.3站台人流密度分析
利用位于候车站台遮阳棚顶部的摄像机进行站台人流拥挤度分析。拥挤度可分级，拥挤度达到一定级别并持续一定时间后产生报警。鲁谷公交场站，运用智能视频分析系统对场站出入口及场站内车辆，人员进行实时监控，及时发现异常情况，为场站的正常运营和夜间的车辆安全提供了有力的技术支持；对站台的人员密度进行实时分析，防止人群过度拥挤，为公交场站的调度提供参考依据。应用的智能分析功能包括：禁区报警、绊线报警，人群密度分析。
6.4本章小结
目前，智能视频监控系统技术发展迅猛。在XX机关、外交使领馆、军队、轨道交通、电力、公共交通等不同应用领域均得到实际应用，有力地说明市场对于智能视频监控系统的需求迅速上升，视频监控系统快速趋向智能化、网络化和数字化。
第七章结束语
7.1论文工作总结
本论文阐述了智能视频监控系统工作原理、系统组成、软件体系和关键技术要点，着重分析了视频监控行业必将走向智能分析工作模式必要性、可行性和有效性以及核心软件系统的设计理念、体系架构和实现步骤。
1.本论文提出了一种人工智能软件为主要手段，以嵌入式智能视频分析服务器为主要设备的视频监控系统设计思路；将智能视频分析技术平滑引入传统视频监控系统，从而改造或提升传统视频监控系统为智能视频监控系统；由“被动监控”转变为“主动监控”，从而大幅度提升视频监控系统的效能，降低系统操作人员的工作强度，有效震慑违法事件的发生。
2.本论文简要阐述了智能视频监控系统关键技术：智能视频分析技术的主要工作原理：采用计算机软件，对摄像机图像序列进行自动分析来对动态场景中的目标进行定位、识别、检测和跟踪，并在此基础上分析和判断目标的异常行为报警，从而做到既能完成日常管理又能在异常情况发生的时候及时做出反应；能捕捉到被监控场景中目标物体的行为；可以理解并判断目标物体的行为；并以适
当的方式提示监控人员。
3.本论文例举了以智能视频监控系统在北京地铁、浙江电网、北京公交等用户的实际运行范例。进一步说明了中国智能视频监控行业技术正在飞速发展，智能视频分析引领了未来行业的发展方向，展示了智能视频分析技术具有的巨大应用前景。
7.2问题和展望
智能视频分析技术属于新兴技术领域，由于分析算法处于初级阶段，具备固定视场内捕捉、提取、识别、跟踪异常目标；然而，对于异常目标的动作细节尚无正确判断能力，如无法区分打架和跳舞；与客户对于智能视频分析的期望尚有巨大的差距。这一点是智能视频监控系统发展过程中最为核心的问题。
传统视频监控系统现阶段重点发展方向在于逐步提高视频图像的分辨率，其解决方案是将高清摄像头和光缆引入系统，为操作人员提供更加清晰的现场图像质量。然而，高清化之后的监控系统依然面临瞬时海量视频信息回传和阅读的瓶
颈问题，智能化是唯一有效的解决方案。
未来视频监控系统的发展将在用户“看得清、辨得准”的总体需求牵引下，从高清化和智能化两个方向开展技术演进，为用户提供高效能的智能视频监控系统。
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