平安城市項目中監控攝像機的應用現狀和瓶頸分析

    一、概述

    近年來，我國大力宣揚和倡導“構建社會主義和諧社會”這一惠及全民的國家建設目標，和諧是城市社會建設的最新理念和最高要求，平安則是社會經濟又好又快發展的重要基礎，是社會和諧的重要保障。有計劃、有目標地大力開展平安城市建設，通過人防、物防與技防相結合的模式建立一套穩定、高效地城市安全防范體系是構建和諧社會，達到長治久安目標的必要途徑之一。這其中“技防”是指通過現代化的科技手段進行防范措施，它是決定著社會安全防范體系成敗的關鍵因素。

    從2004年第一批平安城市建設至今，以城市為單位的視頻安防監控系統正經歷著從無到有，從點到面，從簡單到復雜，從功能單一到智能靈活的發展和革新，曾經系統前端以模擬監控攝像機為主的應用模式如今正朝著以構建網絡化、整合化、智能化和高清化為目標的數字化網絡監控新模式全速前進。本文著眼于數字監控系統的前端——網絡監控攝像機，在分析和總結目前各平安城市項目在建設和使用中遇到的有關攝像機的諸多不足和瓶頸后，著重介紹索尼網絡監控產品在平安城市構建中的技術特點和應用優勢。

    二、

    目前，各地市正在大力推進平安城市項目的建設，從實際使用的情況來看還存在一些問題亟待解決和完善。這其中以視頻監控圖像的源頭——監控攝像機存在的問題尤甚。本節將在分析眾多平安城市項目中監控攝像機暴露出的種種缺陷和不足的基礎上，歸納總結這些問題發生的原因和本質。

    1、看得見圖像，卻看不清圖像細節。

    通常情況下，當出現突發性事件需要調看錄像回放時，安保人員會發現事件發生的來龍去脈都可以被監控攝像機從頭到尾，毫無遺漏地捕捉，但是當公安人員希望看清事件發生現場的細節之處（例如犯罪嫌疑人的面貌，機動車牌照等）時，就遇到了難題，如圖2-1所示。當把一副看上去還算清晰的圖像的某些關鍵區域放大時，會出現嚴重的“馬賽克”以致無法獲取任何有價值的信息，這正是由于傳統圖像的畫面分辨率過低造成的。

圖2-1 放大后的細節無法為破案提供依據

    還有另外兩種在使用中經常遇到的尷尬情形。一是由于攝像機的動態范圍小，無法同時兼顧到畫面中的亮處和暗處，導致當監控場景明暗對比非常強烈時，要么亮處非常亮，只能看到一片白，要么暗處非常暗，只能看到一片黑，要么亮處和暗處都看不清楚，如圖2-2所示。二是由于平安城市的監控攝像機需要24小時連續不間斷地工作，尤其是夜間更是惡性事件的高發期，這就要求攝像機對相同的監控場景在夜晚也能做到清晰地成像。然而有時攝像機白天的效果無可挑剔，但是到了夜晚時，拍攝的效果則一片漆黑，無法為破案提供必要的線索，這種情形的出現與攝像機的靈敏度有直接的關系，靈敏度不高的攝像機在夜晚條件下對可見光或紅外光感光能力偏弱，從而導致無法充分還原監控現場的夜間效果。

圖2-2 無法同時兼顧到亮處和暗處的圖像細節

    2、差異化的使用環境對攝像機參數設定提出不同的要求

    城市街道路面以及道路卡口等處的攝像機，承擔著實時監看，違章拍攝，應急指揮等重要任務。以實時監看道路上正常速度行駛的機動車為例，白天由于光照條件充足，為了拍攝流暢無拖尾的視頻圖像，通常情況下攝像機使用高速快門，例如快門速度設置為1/250或者更高。而夜間的光線條件差，這時就需要降低快門速度以保證有充足的曝光時間，從而提高畫面的可視性。這組相互矛盾的參數是由于攝像機的成像原理造成的，如圖2-3所示。考慮到實際使用過程中的易用性，不可能要求客戶對參數改來改去。那么既然必須固定同一組參數，又要同時保證白天和晚上的拍攝效果，能否使用圖像處理技術來達到要求呢？

圖2-3 使用1/250秒快門時白天和夜間的圖像效果

    3、室外攝像機的物理安全和網絡安全問題

    平安城市項目中的攝像機大部分需要被安裝在室外環境中，為了保證這些攝像機可以正常工作，設備自身的物理安全防范也尤為重要。一方面有些地區的自然環境溫差較大，這就要求攝像機在各種惡劣環境下，都具備出色的穩定性；另一方面，安置在室外的攝像機偶爾會受到人為的蓄意破壞，例如可能會遭到彈弓或石塊的襲擊等。具有堅固的外殼并且遇到襲擊或故障時能夠及時自檢報警，才能最大程度滿足室外環境的使用要求，同時有效降低項目實施后的維修成本。

    此外，曾經一度被忽視的網絡安全也尤為重要。惡意入侵者可能會透過安防監控網絡遠程訪問攝像機，獲取攝像機實時視頻的同時窺探隱私區域，或者修改攝像機內部的參數使之無法正常工作。如果一款網絡監控攝像機可以提供多種手段來驗證訪問者的信息并對訪問者的操作行為加以判斷，則可以大大提高系統的網絡安全性能，避免不必要的損失。

    4、依賴于人工方式的被動監控的監控效率亟待提高

    目前大多數的平安城市項目中，仍然是依賴于人工的方式去發現問題和解決問題。有時一名安保人員要同時面對多達幾十個監控畫面，既要集中精神去發現問題，又要第一時間對突發事件做出響應。在這種長時間精神高度集中的工作狀態下，很容易產生疲勞感而降低工作效率。盡管攝像機或軟件平臺具有分析報警功能，可是其誤報率和漏報率很高，難以達到令人滿意的程度。如何提高攝像機的監控效率，成為能否解放警力，及時處置突發事件的重要因素。

    5、維修率高，后期維護工作量大

    監控攝像機的質量與使用年限密切相關。應用在平安城市項目中的攝像機一般實際使用時間長達五年甚至更多，這就要求攝像機具備出色的穩定性和可靠性，以保證在自然環境中，即使在惡劣的天氣狀況下也能保證全天候不間斷地工作。這與攝像機的物理架構設計是否合理，做工用料是否考究密切相關。攝像機的故障會導致過高的維修費用，由此帶來的維修成本和后期維護成本也將是一筆不小的開銷，而通常這筆開銷在項目招投標期間和系統使用初期是很容易被忽略的。

    6、能耗過大，電費支出不可小覷

    節能減排是實現科學發展，構建資源節約型和環境友好型社會的重要舉措，是國家“十一五”規劃確定的兩個約束性指標之一，也是國家“十二五”規劃的重中之重。以目前平安城市項目中使用的監控攝像機為例，大功率高耗能的設備時常可見。而如果每臺攝像機的功率降低10w，按照一個省會級城市需要安裝15萬只攝像機計算，一年可以節約用電量超過1314萬度，一年可節省的電費將超過1000萬元。

    以上幾點簡要列舉了目前應用于平安城市項目中的前端監控攝像機在使用過程中遇到的比較常見的一些亟待我們解決的難題。除此之外，還有諸如“如果設備故障了，如何能夠第一時間發現問題和找到故障原因？”等需要從系統的角度來分析的情形。在此，本文將把主要精力放在對監控攝像機的探討上，所以這部分的內容不作過多闡述。

三、未來安防監控產品的發展趨勢

    不可當ing 隨著安防行業的不斷發展，傳統的模擬閉路監控系統正在逐步地被網絡監控系統所代替，傳統意義上的模擬監控攝像機、視頻電纜、切換控制矩陣和監視器的流行組合正在被網絡監控攝像機、服務器的未來組合所取代。安防行業經過了幾十年的累積和發展，現在乃至未來的視頻監控系統將是以融合了數字化、整合化、高清化和智能化的網絡監控系統為理念不斷發展前行。

    特別是進入二十一世紀后，無論是在電視節目轉播還是在影視作品的制作方面，與視頻圖像有關的領域都在朝著高清的方向發展，安防視頻監控行業自然也包含其中，監控圖像的高清化已勢不可擋。

    什么是高清？簡單說，高清即為“高分辨率”。根據我國高清電視的標準，高清圖像（HD）是指圖像分辨率超過720P或1080i，同時視頻寬縱比為16:9。當物理分辨率達到1080P時稱為全高清（Full HD），如圖3-1所示。

    相比目前業內主流的標清視頻格式（SD），這種清晰度更高而且寬縱比更大的視頻圖像，更適合于在眾多平安城市項目中的應用。一方面當需要對圖像細節加以甄別判斷時，在視頻圖像放大到相同倍數的情況下，分辨率越高的圖像越可以獲得清晰細膩的效果，而分辨率低的圖像可能會產生“馬賽克”，如圖3-2所示。高分辨率，對于在平安城市項目中要求看清人臉、車牌以及監控場景中的各局部區域或行為細節的需求就顯得尤為重要。

圖3-2 對相同區域放大相同倍數后，標清與高清圖像的對比

    另一方面，寬縱比更大的圖像可以有效地增加對橫向區域的監控范圍，就平安城市項目而言，對路口或街道等區域的監控區域將大大擴寬，從而可以極大地提高攝像機的使用效率，實現更大的應用價值。

圖3-3 寬縱比更大的圖像可呈現更多的監控場景

    四、索尼高清攝像機的技術優勢及在平安城市項目中的應用

    那么，索尼如何根據平安城市項目的新功能和新特點，依托各項技術和應用優勢，有效解決上述應用難題呢？

    1、索尼高品質的感光芯片，打造出色優異的圖像質量

    索尼攝像機之所以具有高質量的圖像效果和出色的色彩還原能力，與攝像機的核心——感光芯片是密不可分的。索尼從上世紀七、八十年代開始從事感光芯片的研發，經過了三十多年的技術積累和沉淀，截至目前已經有上百款各種功能定位的感光芯片。行業內常見的感光芯片主要有兩種：CCD和CMOS。一直以來，應用于索尼模擬監控攝像機中的感光芯片以CCD為主，因為其相比CMOS，具有靈敏度高，色彩還原效果好的特點。

    隨著攝像機，特別是網絡攝像機圖像的分辨率逐步提升，從傳統的標清向高清乃至全高清逐步提升的過程中，CMOS的使用優越性也逐步彰顯出來。如表4-1所示，傳統意義上的CCD與CMOS的性能優劣勢對比。

	CCD	CMOS
優勢	*感光度高； *成像質量好；	*單芯片結構簡單，功耗低； *可隨機訪問； *讀出速度快，無拖影；
劣勢	*有拖影； *需要外部脈沖驅動；	*有噪聲；

表4-1 傳統意義上的CCD與CMOS的優劣勢對比

    針對高清圖像對感光芯片的要求，在索尼高清網絡監控攝像機中應用的是新一代的Exmor CMOS感光芯片。不同于傳統意義上的CMOS，Exmor CMOS是一款基于CCD像素技術開發而來的感光芯片，使得其靈敏度與以往CMOS相比大幅提升。同時通過列集成數模轉換器的架構設計，應用高速數字信號降噪技術，使得Exmor CMOS具有更高的性噪比和更快的讀出速度。

    夜晚時段是平安城市項目最為關注的時段之一，以低照度效果為例，筆者選取了環境照度低于1lux的測試環境，相比索尼高清網絡監控攝像機與市場中同系列的產品，效果比較結果如圖4-2所示。

圖4-2 索尼SNC-CH240（左）與市場同類型產品在相同低照度環境下的效果對比

    與此同時，基于感光元器件，各種視頻圖像處理技術也被融入到攝像機中，針對于幾大類使用環境，相關處理技術高效地還原出監控場景內的點滴變化：

    （1）逐行掃描和動態幀合成技術

    平安城市項目中大部分攝像機被應用于道路卡口，路段中部等位置，用于實現車輛監控和違法行為監控等。就車輛監控而言，一般城市內機動車的速度限制在40 km/h ~60km/h，在這種情況下，能夠清晰地辨識車牌號碼是基本要求，有些城市還要求能夠看清楚駕駛員和副駕駛員的面部、衣著等特征。

    正如上文所提到的，當車速過快時，拍攝到的監控圖像會有明顯的拖尾現象發生；在夜晚監控時由于光照條件不好，這種拖尾的現象就更加明顯。此時，車牌號碼很難被清晰的捕捉到，更別提看清楚駕駛員的面部和衣著特征了！拖尾現象產生的原因一方面與感光芯片的掃描方式有關，另一方面也和使用現場環境的光照條件、以及攝像機的光圈、快門等參數設置存在關聯。針對于這個難題，就攝像機本身而言，索尼網絡監控攝像機應用了逐行掃描技術和動態幀合成技術。其中，逐行掃描技術應用在感光芯片中，力求從掃描方式上消除拖尾現象的發生。動態幀合成技術主要是針對于那些隔行掃描的CCD而言，經過對圖像處理后，有效地減輕拖尾現象的發生。

    （2）超寬動態技術（View-DR）

    寬動態技術是應用于明暗對比強烈的環境中，使得監控畫面同時兼顧到亮區和暗區的一種圖像處理技術。在平安城市項目中，該項技術可以被應用在園區、車庫的出入口等光線反差大的區域。夜間環境下清晰地看清車牌也是在寬動態場景中的一種典型應用。目前市場上常見的寬動態技術其性能可達到52dB，而索尼最新的超寬動態技術最大可達到125dB，遠遠領先于同類產品。

    應用于索尼網絡監控攝像機中的超寬動態技術（View-DR）是基于Exmor CMOS平臺，綜合運用了可視性增強技術和快門多次曝光技術的一項全新處理科技，它可以在增加監控圖像的寬動態范圍的同時，大幅提升其靈敏度和對比度，從而獲得同時兼顧到亮區和暗區的圖像效果，如圖4-3所示。

圖4-3 超寬動態功能關閉和開啟的實測對比

    可視性增強技術是以圖像中單個像素點為單位對整體圖像加以優化，提升畫面中暗區亮度的同時，降低亮區的亮度，從而實現亮區和暗區的有效整合。此外，快門多次曝光技術的實現過程如圖4-4所示。常見的寬動態技術大多使用的是兩次快門成像的原理，而索尼的超寬動態技術使用了四次快門曝光，包括一次標準快門和三次不同速度的高速快門，拍攝的四幅圖片將監控場景中無論亮區還是暗區的每個細節都逐一采集和還原，再把每個區域從呈現最好的那幅圖像中提取出來，通過自然合成的方法合并為一幅高對比度的超寬動態圖像。

圖4-4 超寬動態技術的實現過程

    （3）聚光筒功能和超級動態降噪技術

    該項技術應用于光照條件不足的監控場景下。聚光筒功能自動將原本四個像素點接收到的光強合聚成一個像素點的光強，從而使監控畫面的亮度提升四倍；超級動態降噪技術可以有效地區分出圖像中的靜態區域和動態區域，對于靜態區域應用降噪技術使其噪點明顯降低，對于動態區域則應用圖像處理的手段來平滑移動物體的邊緣，從而獲得一幅低噪點、高清晰的移動圖像。

2、強大的智能分析功能

    隨著安防監控系統的不斷發展與完善，系統規模越來越大，功能越來越多。一方面用戶對監控圖像質量有著越來越高的要求，另一方面變被動為主動的監控思路也越來越被更多的用戶所提及和青睞。因此智能化將是未來網絡監控系統的發展趨勢之一。索尼網絡監控攝像機中融入了強大的智能分析功能（包括針對視頻和音頻的智能分析，以及攝像機自身防破壞的檢測），從而為用戶帶來不同的應用價值。在平安城市項目中，DEPA智能視頻分析功能的應用比較常見，其常被應用于輔助進行車輛違法的抓拍以及公共安全事件發生前的預警。

    索尼網絡監控攝像機自帶有DEPA智能視頻分析功能，可針對動態目標和靜態目標進行獨立檢測和分析，并將分析結果發送給管理平臺，如圖4-5所示。

    從功能的實現方式上看，目前市場上各種智能視頻分析功能主要有兩種實現方式，前端分析和后端分析，大部分監控系統采用的是后端分析。顧名思義，后端分析就是在管理平臺上通過平臺軟件對實時圖像進行分析處理，遇到違反規則的情況發生時及時做出報警聯動。這種處理方式受制于平臺服務器的硬件性能。當同時分析的圖像路數過多時，會造成系統消耗過大，從而導致圖像幀率下降、分析結果的準確性降低等情形發生。

    由于索尼網絡監控攝像機自帶有智能視頻分析功能，因此可以通過前端分析的方式來實現。每臺攝像機除了拍攝實時圖像外，還需要對該路圖像進行智能視頻分析，一旦有違反規則的情況發生時，及時產生報警信號并將其與圖像一起發送至管理平臺，由管理平臺做出相應的聯動報警。這種方式一方面大大地緩解了由于執行圖像處理算法而占用大量的系統資源，另一方面也極大地提高了系統配置部署的靈活性，使得在管理平臺品牌的選擇上對前端攝像機而言，不是那么重要和唯一。

    從功能可以實現的規則看來，DEPA智能視頻分析功能針對移動目標的分析可以提供五類規則，包括“外觀”、“消失”、“現有”、“容量”、“正在移動”等，基于這些規則，可以實現平安城市項目中諸如非法停車的判別，車輛逆向行駛的檢測，機動車違法壓線抓拍，人流量或車流量的統計，圍界的防護，區域內數量限制等常見應用。其針對靜態目標的分析，可以提供兩大類規則，包括“無人值守”和“已移除”等，這些規則在實際應用中常被用于貴重物品的看管和可疑物品遺留等，如圖4-6所示。

圖4-6 DEPA智能視頻分析功能的規則舉例

    從功能的實現原理看，無論哪種編碼方式，傳統的移動偵測方法都是通過比較相鄰兩幀之間的不同來實現的。然而DEPA智能視頻分析技術是通過將當前幀與之前15幀做比較的結果來決定是否觸發相應的報警設置，這種檢測方法最大的好處是可以有效地過濾掉環境因素（例如晃動的樹葉、移動的人影、水面的漣漪、圖像噪聲等等）對分析結果的干擾，從而提高分析質量，降低誤報率和漏報率。

    3、適合于平安城市應用的其它特點

    在平安城市項目大規模使用后期，索尼網絡監控攝像機的易操作性和易維護性使得用戶對其操作和維護更加簡便，同時優良的制作工藝保證了產品的低維修率和高穩定性。本節將圍繞著這些特點簡要介紹。

    （1）雙碼流輸出

    索尼網絡監控攝像機尤其是高清攝像機具有雙碼流輸出的功能，其可同時支持MJPEG、MPEG4、H.264等三種編碼方式，以及任意兩種編碼方式的雙碼流輸出。在實際應用中，實時監看的畫面可以采用MPEG4或H.264的編碼方式，以保證低帶寬的情況下獲得流暢連貫的圖像。而存儲的圖像可以采用MJPEG的編碼方式，以保證高清晰度，為日后回放錄像時放大重要的細節區域提供充足的分辨率資源。

    （2）反篡改技術

    索尼網絡監控攝像機可以提供反篡改技術。這是一種基于公共密鑰基礎結構（PKI）的數字簽名技術。每部攝像機都會被創建一個數字證書，并對該攝像機拍攝的所有圖像應用元數據的形式進行數字簽名。在后端管理平臺軟件上，將解碼后的數字簽名與接收到的圖像的元數據進行校對，從而保證每部攝像機制作的圖像僅對該攝像機來說是唯一的。

    （3）PoE供電技術

    PoE供電技術是通過以太網架構，在傳輸數據信號的同時還為網絡終端提供直流供電的技術。在網絡監控系統中使用PoE供電技術，網絡監控攝像機不僅無需使用額外的電源，而且還可以把攝像機通過UPS集中進行供電和管理，這樣一方面可以節省大量的使用成本（就一線城市的平安城市項目而言，由于監控攝像機點數眾多，每年可以節約大量的電費資源），另一方面還可以對前端設備進行遠程復位等管理和操作。

    （4）無線網絡應用

    在某些不方便鋪設有線網絡的特殊區域，可以使用無線網絡來實現音視頻圖像的傳輸，這就使得攝像機不受網絡的限制，在無線網絡覆蓋的任何范圍內，盡管沒有網線也可以將攝像機連接入監控網。

    （5）豐富的行業標準接口

    索尼網絡監控攝像機在已經實現對音視頻數據數字化處理的同時，還在機身集成了眾多行業標準接口，以滿足用戶實現安防監控系統與其它弱電系統（諸如報警系統、門禁系統等）的聯動和大弱電系統整合的業務需求，如圖4-7所示。

圖4-7 索尼網絡監控攝像機豐富的設備接口

    （6）可靠精良的工藝設計

    以工藝復雜性最高的快球型攝像機為例，室外快球型攝像機滿足IP66的防護等級，具有防破壞堅固型的合金外殼并且具備防雷功能。其內置了兩個加熱模塊和五個散熱風扇，確保設備可以在-40℃~+50℃的環境下正常工作。部分半球型攝像機的抗沖擊力還達到IK10的國際標準。

    （7）開放的軟件集成開發包

    為了滿足不同行業不同用戶的差異化需求，索尼網絡監控攝像機還可免費提供功能強大的SDK開發包和CGI命令文檔。用戶通過在應用軟件中對各種函數的調用，可以從功能上進一步擴展攝像機的應用環境。除此之外，索尼與另外兩家企業聯合創建了ONVIF行業標準化組織，所有的產品均兼容ONVIF標準的各項規定。

    4、索尼高清攝像機的部分成功案例

    綜上所述，在索尼高清攝像機眾多技術實現與特點給力于平安城市項目的同時，本節簡要介紹兩個高清平安城市項目的成功案例。

    （1）武漢平安城市項目

    武漢平安城市項目中使用了約2000臺索尼智能高清室外快球型攝像機SNC-RH164，主要應用于城區重要區域的實時監控和防范。該高清快球型攝像機是專為適應諸如廣場、城市街道、交通卡口等場所所需要大視場，寬視角的監視場合而設計的。其突出的特點包括監控圖像具有720P分辨率的效果，具備可視性增強技術和XDNR降噪技術，以及DEPA Advanced智能視頻分析功能；其機械性能具備360度無限旋轉，最大每秒400度的旋轉速度，垂直方向達到270度的可視范圍；同時具備IP66和IK10的防護等級。它是武漢平安城市項目中核心設備之一。在該項目中，用戶選擇這款索尼的快球型攝像機，就是看中了其優越的性能指標，使用后的高穩定性和低故障率，工程上安裝方便，并且支持ONVIF協議和SIP協議，能夠很好地與其它產品組成聯網系統，擴大其應用范圍。

    （2）濮陽平安城市項目

    濮陽平安城市項目一期選用了160臺索尼全高清槍式攝像機SNC-CH240，這些攝像機主要被安裝在道路卡口等位置，用于實現違法違章的車輛拍攝，以及其它違法行為的監控。SNC-CH240是一款分辨率達到1080P的全高清槍式攝像機，備有超寬動態技術、可視性增強技術和XDNR降噪技術，其靈敏度高，圖像還原效果出色，配合DEPA Advanced智能視頻分析功能，非常適合平安城市，交通，廠礦，金融和園區等各種場合的應用。這些全高清的網絡監控攝像機在濮陽市的各個路段的實際應用，一方面達到了用戶的設計要求，使得濮陽市區具有了現代化高質量的可視化管理手段，另一方面也增強了濮陽市安全信息化管理的技術水平。

    五、結束語

    隨著行業應用的不斷發展，平安城市項目建設的具體落實，相信在不久的未來，以索尼為代表的高清智能網絡監控攝像機將會出現在平安城市的每個角落，保證你我的安全。高清智能網絡視頻監控所帶來的革命性沖擊，必將引領視頻監控行業邁入新的階段。