【導讀】隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無論是對小到多監(jiān)探頭，還是對大到如智慧城市這類復雜系統(tǒng)，都會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)及應用。
多傳感器信息融合是用于包含處于不同位置的多個或者多種傳感器的信息處理技術(shù)。隨著傳感器應用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機軟硬件技術(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科和技術(shù)。多傳感器信息融合技術(shù)應用到視頻監(jiān)控領域，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細化、智能化的安防監(jiān)控目標 。
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身體各種感覺(視覺、聽覺、觸覺等)信息進行綜合處理，將包括攝像頭在內(nèi)的各種傳感器進行多層次、多時間、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋。在這個過程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進行合理支配與使用，基于各傳感器獲得的分離觀測信息，通過對信息多級別、多方面組合導出更多有用信息。多傳感器彌補了純視頻監(jiān)控的不足，對多個環(huán)境量進行跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標區(qū)域的多方位立體監(jiān)控；同時，運用多傳感器信息整合技術(shù)，系統(tǒng)能夠有效提高對檢測區(qū)域或目標報警、智能分析、智能跟蹤的準確度;此外，大規(guī)模的傳感器集成系統(tǒng)能夠獲得比單個或少量傳感器集成系統(tǒng)更多信息，對這些大數(shù)據(jù)進行有效的綜合應用，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復雜和高階的功能，產(chǎn)生巨大的行業(yè)與社會價值。
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可以看作多傳感器集成，一臺接入了16路視頻信號的dvr也可以認為是多傳感器集成，這是廣義上的多傳感器視頻集成概念。但從嚴格意義上講，上述這些案例通常不被認為使用了多傳感器集成技術(shù)，因為它們只是將多源傳感器信息進行簡單羅列收集，并沒有對其融合分析和處理而達成某種決策，產(chǎn)生進一步的行為。
圖1：多傳感器視頻集成一般體系
嚴格意義上的多傳感器視頻集成強調(diào)多傳感器信息的融合運用，而這種信息整合技術(shù)在實際應用中可能非常簡單，也可能極為復雜。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)形成一種感觀上認識。
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在視頻監(jiān)控領域，有三種類型或?qū)哟紊系亩鄠鞲衅骷煞绞郊皯茫?/strong>
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)的紅外報警器，掉落的樹葉或飛過的小鳥都可能引起系統(tǒng)誤報，通常只適宜安裝在室內(nèi)而不能應用于室外。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單元的多氣體傳感器。這類傳感器將一個系統(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傳感器單元，但目的不是為了擴充傳感器的功能，而是綜合多個傳感單元的信息進行運算，來減少誤報，提高傳感器的識別率。如傳統(tǒng)的單紅外報警器，這幾年逐漸發(fā)展成了集主動、被動、微波檢測的三鑒探測器，當三個探測單元綜合判定探測目標為人時，才產(chǎn)生報警，能夠有效排除環(huán)境因素(如風、光照、小動物)的干擾，大大降低誤報率，使得紅外報警器也能很好地被應用到室外。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用的一種趨勢。
二 監(jiān)控產(chǎn)品集成
為了提高視頻效果或者提升產(chǎn)品對環(huán)境的適應性，一些視頻監(jiān)控產(chǎn)品自身也會集成或者支持接入圖像傳感器之外的傳感器，增強視頻監(jiān)控產(chǎn)品的功能。
如紅外攝像機、紅外球等產(chǎn)品，在晚上或光線比較暗的環(huán)境中，會啟動紅外攝像模式，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切換到正常模式，使所攝視頻恢復色彩，實現(xiàn)圖像高保真。 通常情況下，這種光線的變化由設備自身體通過分析視頻圖像來計算，但這種計算比較復雜，而且效果不理想環(huán)境適應性不強，因此，某些此類產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)允許的情況下，會在自身集成一個光敏傳感器，來直接感知和處理環(huán)境光的變化，將設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現(xiàn)白天黑夜工作的切換。一些高級的設備甚至集成了更多的傳感器，如配置兩個圖像傳感器，一個用于可見光成像，負責視頻圖像采集，另一個用于紅外熱成像，用于識別和發(fā)現(xiàn)目標，做精細化定位和跟蹤。同時，一些夜視儀中還配備了雷達信號接收接口，實現(xiàn)自動跟蹤。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，并實現(xiàn)對目標的精準跟蹤。
卡口攝像機等交通產(chǎn)品在車輛測速功能中也應用了多傳感器集成技術(shù)。車輛在公路上運行，速度通常比較快，通過分析圖像傳感器的視頻數(shù)據(jù)來測量車速，運算量巨大，時效性差，車速越高越不準確。因此，這類產(chǎn)品通常會配置線圈或雷達等傳感器接入接口，用外置的傳感器來測量車速。線圈和雷達，對車速的測試準確度比較高，但也有一些無法應對的情況，如車輛相連，雷達測速有時候在沒有車輛的情況下甚至會誤報，影響測量結(jié)果做為違法證據(jù)的有效性。因此，智能的卡口攝像機會同時評估來自圖像傳感器與外接測速傳感器的信息，來降低誤報和提高準確率。如當雷達上報車速信息時，設備同時對當前視頻圖像進行智能分析，確定圖像中有車輛，雷達測速信息才有效，否則，不采信雷達數(shù)據(jù)，有效地避免了誤報率。
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確率和環(huán)境適應性。更加嚴格意義上的多傳感器視頻集成是在監(jiān)控系統(tǒng)這個級別上運用多傳感器融合技術(shù)，來解決更加復雜的問題，產(chǎn)生更大的應用價值。如單個卡口攝像機能夠進行車牌識別和車速度測量，但無法確定某個車輛某段時間內(nèi)的運行軌跡，但智能交通系統(tǒng)則集成了這種成千上萬的攝像頭，每個攝像頭可以認為是系統(tǒng)中的一個圖像傳感器，通過整合和分析所有攝像頭的車牌檢出與車速測量等信息，查獲某輛車當前位置和運行路徑甚至預測其未來的軌跡，立刻變得輕而易舉，這正是多傳感器視頻集成技術(shù)強大威力的體現(xiàn)。
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家庭監(jiān)控系統(tǒng)是一個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)絡技術(shù)將安裝在家內(nèi)的視頻、音頻、報警器、等監(jiān)控設備和傳感器連接起來，通過中控電腦或設備的處理將有用信息存儲、傳輸和處理，實現(xiàn)對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，音頻視頻攝像機用存采集家中實時的音視頻數(shù)據(jù);門磁感應器、紅外傳感器與能夠檢測到門的關(guān)閉以及人的進出;煙霧傳感器與煤氣能夠檢測家中其他的異常。這些傳感器的信息統(tǒng)一匯集到監(jiān)控主機上，關(guān)聯(lián)這些信息，監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠滿足實時查看家中情況的基本需求，還可以檢測到家中異常，如著火、煤氣泄露、小偷侵入等，并采取進一步的操作，如發(fā)送警報、保存證據(jù)等。該系統(tǒng)對多個傳感器信息的關(guān)聯(lián)處理可能比較簡單，也可以做到復雜，如紅外傳感與門磁感應到有人侵入后，來自攝像頭的視頻信息甚至還能夠運用人臉識別技術(shù)確定進入的是主人還是陌生人，減少家人進出門的系統(tǒng)誤報。
動力環(huán)節(jié)監(jiān)測系統(tǒng)應用在機房、基部站等無人值守的環(huán)境中，對局站內(nèi)的通訊電源、蓄電池組、UPS、發(fā)電機、空調(diào)等智能、非智能設備以及溫濕度、煙霧、地水、門禁等環(huán)境量實現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”等功能。為了實現(xiàn)對多個量的監(jiān)測，動環(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”的一個經(jīng)典案例。同時，此監(jiān)控系統(tǒng)充分利用了通訊傳輸設備所能提供的各種傳輸信道資源，可以實現(xiàn)多級網(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。動環(huán)監(jiān)測系統(tǒng)的組成如下：
圖3：動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)組成及其級聯(lián)
智能交通系統(tǒng)(ITS)是將先進的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等有效地集成運用于整個交通運輸管理體系，而建立起的一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的、實時、準確、高效的綜合的運輸和管理系統(tǒng)。ITS可以看作是多傳感器視頻集成技術(shù)的大型應用。在這個系統(tǒng)中，集成了包括交通攝像機、光學檢測儀、線圈檢測器、雷達檢測器、移動測速儀、射頻感應器、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，這些傳感器分級接入系統(tǒng)并上報數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)，這些來自不同地點、不同時間的傳感器數(shù)據(jù)被有效組織和運用，實現(xiàn)各類交通管理功能，如識別違章車輛并在卡口攔截，評估和預測交通狀況實現(xiàn)有效的交通疏導和交通控制避免交通擁堵，跟蹤車輛運行軌跡組織貨物運輸提高物流效率，監(jiān)控和識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)控領域都能看到應用。該技術(shù)以多傳感器信息融合技術(shù)為理論基礎，但由于視頻監(jiān)控需求的多樣性，實際應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，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。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無論是對小到多監(jiān)探頭，還是對大到如智慧城市這類復雜系統(tǒng)，都會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。
