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视频移动探测器及其应用

发布时间:2016-06-08 10:45:21  浏览次数:
一、概述
  
  大家知道,规模较大的电视监控系统中充斥着大量的摄像机画面,它们一般以固定或轮流的方式显示到监视器的屏幕上;要想让安防人员对这么多的画面持续保持密切的注意是非常困难的。必须采取某种措施,使我们既能减少系统中监视器的数目,又能提高安防人员处理突发事件的能力。  

  视频移动探测器(Video Motion Detector,简称VMD)可以很好地满足上述要求。VMD的任务是对摄像机产生的图象进行电子分析,以检查图像中有否出现足够程度的变化。这种装置能够毫不疲倦地对摄像机画面进行长时间的监视,并在出现情况时通知安防人员,因此能够很好地弥补安全人员的不足。

  VMD主要通过数学计算来确定摄像机画面的某个区域内是否有移动目标出现。具体方法是:不断将某个视频帧内像素的亮度水平与下一个视频帧进行比较,以寻找被认为值得注意的变化。低成本的模拟式VMD则采用另外一种较简单的方法:将某画面中的大块区域与下一帧画面中的对应区域进行比较。这种方法在室内环境中是可行的,这是由于室内的光线条件和场景较少发生变化。在室外环境中,这种系统很容易因光线变化或摄像机的震动而产生误报。因此,室外应用中应使用功能较强的数字式VMD。数字式VMD是一种以微处理器为核心的电子装置,它可以同时对数千个图像布防单元进行跟踪分析。即使场景的亮度发生了明显的变化,系统也不容易产生误报。  

  内置VMD电路的摄像机可以当报警探头使用。检测电路首先会将静态图像贮存起来,之后,如果发现画面的变化量超过了预先设定的值,系统就会发出报警信号,以提醒安防人员或启动录像机。VMD电路有模拟式和数字式两种。模拟式电路主要通过检测布防区域的画面亮度来探知变化;数字式电路则可以对布防区域内成百上千个单元进行电子分析,可以在图像上标出检得异动的位置和移动目标的前进路径,并驱动警号或警灯发出警告信号。图1是一个典型的VMD系统的连接示意图,图中还说明了系统可提供的报警信息的内容。  

  VMD工作时会不断地从摄像机处收取视频图像,并与先前贮存的图像相比较,以了解场景有无发生变化。如果没有检测到明显变化,系统不会有任何动作。如果检测到了可度量的、达到某个标准的变化,系统会立即发出报警信号。

二、模拟式视频移动检测器  

  模拟式VMD设备已有多年的生产历史。这种设备能够以较低的成本实现对CCTV场景内移动目标的探测。但它们只适于对光照条件较为恒定、环境变化不大的室内图像进行检测;不应将它们用于室外图像的检测。  

  (1)模拟式VMD的工作原理  

   模拟式VMD的工作原理如图2所示。  

   最简单的VMD使用模拟减法对图像进行检测。将参照帧与新抓取的帧相减,如果得到的差值超过设定的水平,系统就输出一个报警信号。  

   所有模拟式VMD都允许用户在屏幕上设置移动目标探测区(即布防区域)。系统通过对画面照度的持续监测发现布防区域内出现的移动目标后,即发出报警信号。具体形式有:  

  ① 发出报警声;  

  ② 面板上的报警指示灯开始发光;  

  ③ 输出交流驱动信号,以启动使用交流电的信号装置;  

  ④ 输出一个开关信号(可用来驱动录像机、打印机、警铃或其它装置)。  

   模拟式VMD通过对摄像机画面进行的模拟式分析来确定场景有否发生变化。系统先将布防区域内的画面保存起来,再将当前画面与先前保存的画面相减,根据差值确定布防区域内的场景有无发生变化。如果有移动目标侵入,或场景的照度水平发生了较大变化,计算得到的差值应当能够达到总值的10%到25%。系统据此判断画面发生了较大变化,随即发出报警信号。报警信号可用来驱动警号/警灯等,还可以用来控制录像机进行录像。VMD与监视器或视频记录设备都没有什么紧密关联,也不会对它们造成干扰。  

  (2)模拟式VMD的布防区的设置  

  多数模拟VMD的布防区域都可以通过其前面板上的控制键进行调整,可调整的项目包括形状、大小和位置等。具体尺寸和配置应根据监视系统的实际需要确定。一些常见的布防区形状有:方形、三角形、L形、马蹄形等。  

   设置布防区域时,应当将可能出现侵入的位置都包括进去。虽然屏幕上显示的仍然是整个画面,系统却只对布防了的区块进行检测。布防区块之外即使有移动目标出现,系统也不会报警。设置时,布防区块在屏幕上显示为一个有边框线的闭合区,其形状和大小可以通过控制面板进行调节。设置完毕,屏幕上的框线会自动消失,因此屏幕上的画面看起来与平常一样。布防区块在屏幕上占据的面积最小为5%,最大可为95%。这类VMD系统的灵敏度一般相当于1%布防区域内的视频信号电平出现了25%的变化(几十分之一秒内)。
 三、数字式视频移动检测器  

   模拟式VMD只有在光线变化不大的室内应用中才能很好地工作。在室外应用中,各种环境条件往往无法得到有效的控制。阳光、云块、闪电等因素都会造成摄像画面光照水平的显著变化。数字式VMD必须采用专门的室外算法,以区分整个场景亮度快速变化和移动目标引起的部分场景的亮度变化。同时,还必须注意及时更新从布防区块中抽取的数据。当场景中出现移动目标时,数字式VMD必须在目标进入并离开场景期间抽取至少两组数据。如果数据的更新速度太慢,系统完全可能漏掉那些移动速度较快或体积较小的目标。  

   为确定系统中真的出现了值得注意的移动目标,还是发生误报,VMD设备必须能够辨别目标的速度、大小和形状。数字式VMD是唯一一种能够有效应用于室外环境的报警系统。  

  (1)数字式VMD的工作原理  

   图3是数字式VMD设备的基本原理框图。  

   摄像机产生的视频信号被送往数字式VMD后,VMD即将这种模拟信号转换成数字信号,并根据一定的探测模式(detection pattern)将抽取的数据分组保存起来。所谓探测模式,是指在布防区域内提取样本数据的点的分布模式。这种模式可以由用户设定,但有时则是烧录在机器内部的。不同厂家采用的抽样模式各不相同(不管是数量上还是位置上)。VMD内存中保存的图像对比数据定期更新,以反映场景内不断发生的那些与安全无关的微小变化。  

   数字式VMD系统会按预定的检测间隔从视频图像中抽取视频帧,并将其转换成数字信号,以方便与设备内存中的数据进行对比。如果场景内出现了移动目标,或抽样点的数据中有相当数量的数据发生了变化,系统就会发出报警信号。与安全无关的移动物件,如小动物或飞鸟都不会引发报警。但人员出入和门窗开关等活动则肯定会触发VMD设备。至于有多少抽样数据发生变化后才会令系统报警,不同厂家、不同型号的产品各有不同规定,有时这又取决于用户设置的灵敏度阈值。  

   根据设计的不同,多通道式VMD可以处理10路、16路、32路甚至64路视频信号。工作时VMD会顺次抽取各个通道的数据:先是1号通道,然后是2号、3号,依次类推,最后又绕回1号通道。有些系统能够同时从多个视频通道中取样,也同时对多个报警信号进行分析,并作出响应。VMD设备输出的报警信号可用来驱动多种设备。可以将报警画面切换到监视器上;可以驱动声光报警装置(以提醒工作人员);可以启动录像机进行记录;也可以将报警信号送到其它地方。  

  数字式VMD工作时首先将来自不同摄像机的画面转换成数字化了的数据;数据分组存放,每组对应监视器屏幕上的一个区块。每幅图像中可以划分出几千个区块。VMD将各个区块的亮度值存放到系统的内存中,亮度值共分16或256级。模拟电视系统只能区分10个不同的灰度级别,因此数字式VMD贮存的图像数据要精确得多。参照数据保存好后,VMD就开始不断地将后续画面进行分区和数字化处理,并将得到的数据与内存中的参照数据相比较。参照画面中某点的灰度级与当前画面中对应点的灰度级有1到2级的差别时,即可认定图像发生了变化。  

   数字式VMD可以将一幅画面分解成16,000个区块,并能够按这个标准同时处理16路视频信号。由于VMD具有如此强大的处理能力,即使入侵者只占整个画面的0.01%,系统也能轻易地将其“揪出”。对16通道的型号来说,这一比值更降低到了0.006%(与16只摄像机看到的全部场景面积相比)。数字式VMD通常都接有一台监视器;检测到某个通道图像中的移动目标后,系统会将该通道的图像切换到这台监视器上,同时发出声光报警信号。联动的录像机也会同时启动,将入侵场景记录下来备查。尽管入侵者在屏幕上占据的面积可能很小,借助VMD叠加的标志,安全人员仍能轻易地找到他。另外,由于屏幕上还显示了入侵者的移动路径,即使他躲藏起来,安全人员也可以知道他所在的大致位置。借助VMD设备,安全人员既知道侵入发生的地点,又知道入侵者所在的位置。这使得他能够马上将注意力集中到事故处理上,并尽快决定应采取何种行动。  

  现场平面图显示是VMD系统最有用的辅助功能之一。发生侵入时,系统能在监视器上叠放现场的平面图(其中标有每个摄像头和报警探头的具体位置),并使与报警有关的图标不停闪烁。为确保不漏掉任何侵入事件,特别是多重侵入,应当使用录像机对报警时的画面进行详细的记录。录像机能够将报警画面、入侵者、入侵者的移动路径、报警平面图等一齐保存到录像带上。有的VMD能够以顺序切换的方式在一台录像机上同时保存多个入侵场景的视频图像。录制时,系统先将第一个场景的画面送往录像机,并持续一段时间(可设置),接着是第二个场景的画面……如此循环往复。如果系统中的报警探头检测到了情况,系统也能够根据探头所在的位置将相应摄像机的画面录下来。屏幕上显示的图形信息的价值在于它能令安全人员迅速准确地对现场的情况作出判断,并能使入侵者声东击西的战术彻底曝光。

  (2)数字式VMD的抽样存贮过程  

  数字式VMD对移动目标的侦测是通过一系列的抽样和存贮过程来实现的,最初,系统会将参照用的画面存贮到系统内存中去。所贮存的内容是一系列抽样得到的数据,典型的VMD最多可以从一幅画面中抽取16384个离散点的数据,费时约33毫秒。系统能自动测量各抽样点的亮度(分16或256个灰度级),并将其与抽样点的座标值一起保存到内存中。在这个被称为“对比数据存贮”的过程中,画面中所有块区的数据都有贮存。之后,系统就开始不停地对相关数据进行比较。用来对比的数据是从当前图像(每秒钟更新30次)中抽取的。  

  如果经过对比发现某些采样点的亮度发生了变化,系统会将其位置和亮度值记录下来。电气噪声和背景场景的变化(如树枝、树叶和旗帜等)引起的亮度变化则会被系统自动忽略。如果有些区块不要求系统进行检测,系统可以将其屏蔽。  

  亮度发生变化的抽样点达到一定数目,系统就会输出一个报警信号。报警系统每秒钟共进行30次比较。测得变化的抽样点数目达到总积数的1/8时,系统即确认画面中出现了移动目标。在这里,1/8只是一个常规比例,实际上的阈值可以是任意值。每次抽取最新数据时,系统都会将前一次的对比结果清除,以防止发生累积。存储过程开始时,此计数值被清零。对比数据则每1/15秒到几秒钟更新一次,以滤除场景照度变化、天空中飘过的云块、摄像机内的电子漂移等因素引起的图像变化。系统确认某个画面中有移动目标出现时,会将该画面自动显示到监视器上。  

  有些数字式VMD能够同时处理几十路视频信号,这是通过采用分时技术来实现的。在分时技术中,VMD照一定的顺序从不同通道的视频画面中提取数据并加以处理。每个通道的布防区域和灵敏度都可以单独设置,以提高系统工作的效率和准确度。根据系统的安全需要,每个通道内可以设置多个不同的布防区。如果摄像机监看的场景范围较大,而预期出现的移动目标相对较小,屏幕上的布防区块就可以设置得小一些;如果摄像机监看的场景范围较小,要寻找目标在其中占的比例较大,则屏幕上的布防区块应当设置得大一些。  

  四、结束语  

  由上面的介绍可以看出,视频移动探测器是目前最有效的入侵报警器,但它必须从摄像机获取视频信号,因而它离不开摄像,所以它可以安装在摄像机内,也可以安装在摄像机外。目前硬盘录像机(DVR)均有此类装置与功能。  

  数字式VMD是所有数字化安防系统中的必不可少的组成部分。
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