智能视频监控系统的分析与设计论文Word下载.docx
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1.2课题任务11
1.2.1课题内容11
1.2.2本人承担的任务11
1.3论文结构11
第二章传统视频监控系统局限性及其发展方向12
2.1视频监控系统局限性分析12
2.2智能视频监控系统是未来发展方向13
2.3本章小结14
第三章智能视频监控系统需求分析14
3.1智能视频分析主要内容需求14
3.2智能视频监控系统软件需求15
3.2.1实现智能视频分析需求15
3.2.2软件人机界面需求16
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16
3.2.4智能视频分析软件系统开放性需求16
3.2.5智能视频分析产品的网络控制需求17
3.3本章小结17
第四章智能视频监控系统总体设计17
4.1智能视频监控系统设计原则17
4.2智能视频监控体系架构设计18
4.2.1智能视频监控系统组成18
4.2.2智能视频监控功能实现设计方式21
4.3智能视频分析服务器设计22
4.4本章小结24
第五章智能视频监控软件系统设计24
5.1智能视频监控软件系统架构设计24
5.1.1系统软件架构设计原则及基础24
5.1.2软件系统关键功能模块25
5.1.3系统质量要求26
5.1.4软件研发策略26
5.1.5系统软件逻辑架构26
5.1.6软件模块部署27
5.1.7智能视频监控软件工作流程27
5.2智能视频分析服务器软件操作系统的设计28
5.3智能视频分析软件设计29
5.3.1智能视频分析软件基本功能30
5.3.2智能视频分析软件算法思想30
5.3.3智能视频分析软件算法工作流程32
5.4智能视频监控系统与其他安防系统的联动设计33
5.5人机界面设计35
5.6智能视频分析软件功能36
5.7智能视频终端软件设计36
5.8本章小结37
第六章智能视频监控系统实际应用37
6.1北京地铁13号线37
6.1.1解决方案38
6.1.2系统工作原理38
6.1.3禁区分析报警38
6.1.4绊线分析报警39
6.1.5工程成效39
6.2坚强电网浙江电力变电站39
6.3北京公交枢纽场站39
6.3.1出入口车辆识别并统计39
6.3.2非运营时间场站停车区域警戒区40
6.3.3站台人流密度分析40
6.4本章小结40
第七章结束语40
7.1论文工作总结40
7.2问题和展望41
参考文献41
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。
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。
1.1.3智能视频分析技术
视频分析技术已在标清摄像机中进行一些应用，如越界、人员聚集等，但是标清摄像机由于取景范围受限，图像不清晰，尤其在快速变化的道路上很难实现有效地分析和取证。
随着高清摄像机的大量使用，高清图像的视频分析技术得以快速发展，已在城市智能交通系统中得到广泛应用，其中应用最多的是电子警察、交通卡口和动态车流量监测系统。
智能视频分析技术是第四代视频监控系统的关键技术及主要技术亮点，第二
代或第三代视频监控系统通过平滑引入智能视频分析服务器和监控平台软件等
核心产品，就可以有效提升视频监控系统智能化功能，迈进第四代视频监控系统
的门檻。
智能视频分析技术综合应用了计算机视觉、模式识别、计算机图像、人工智
能等技术；
通过主动地对视频图像中的目标进行实时检测、分类、识别和跟踪，
从而使计算机具备了理解和分析视频图像内容的能力，可以实时提取对于视频监
控和危险预警有用的关键信息。
智能视频分析技术从本质上来看是属于计算机视
觉的一个重要分支，在实际应用中大量使用了图像模式识别、人工智能的一些技
术基础。
主要表现在以下两点：
一、使用计算机图形学的增强现实技术，为场景
建立三维模型，并建立虚拟三维的防御墙或防御区域，取代现有的二维拌线和区域，对异常行为进行鲁棒的识别与报警。
二、使用图形学来展示智能分析的结果，
将系统获得的三维数据投影到原来建立的三维模型上，从而更好的展示智能监控
技术。
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，基本上来源于美国和欧洲；
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
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