Video Intelligence 在 IP Surveillance系統架構下的分散式應用
撰稿:建騰創達 李方奇協理

 

建騰創達 (ACTi) 致力於安全監控領域,因具備彈性及高度整合的系統架構,是國內少數能夠進軍全球國際化市場的安控公司。


 ACTi能夠於國際化市場中脫穎而出,並受到業界合作夥伴的肯定,是因於研發領域中有著工程師專精的執著,客戶需求就是我們要達成的目標。公司由IC 設計、模組、分位、…、等等,各個階段都實作並且累積不少的實務經驗。

ACTi在產品開發上有幾個主軸:

1. 看得清楚: 開發 MPEG-4 / H.264 以及 Megapixel IP Camera
2. 隨時隨地都可以看: 開發出IP Surveillance所需要的各種軟體以及應用系統
3. 看得明白: 開發Video Intelligence Surveillance系統,並能做出主動式的回應

具備彈性及高度整合的架構

如圖1,ACTi有著面面俱到的系統架構,這無論是由硬體或軟體都可看出我們的用心,我們先由輸入端來看,軟體輸入端有Media Adaptor能夠整合各種不同的Media Source,以及本公司設計高品質的IP Camera,視訊格式可選擇H.264、MPEG-4、MJPEG。硬體方面除了能夠整合數位化的影像資料已外,透過ACTi Video Server還可以接收CCTV的攝影機。換句話說,只要採用ACTi的系統架構就可以很輕鬆整合既有的監控系統,舊的監控系統所投資的成本仍然可以保留,加上ACTi之後舊系統就輕鬆升級為數位化管理等級。

接著輸出端的部分,透過Media Server可以將視訊傳送給手機、PDA、Media Player、…、等等。透過Video Decoder可將數位化視訊轉換輸出至電視螢幕或是監視器。只要是網路暢通的環境下,ACTi設備都能夠在類比與數位之間自由切換,同樣的就算是在無線網路環境,ACTi設備也一樣能夠調整到適合的頻寬,將影像傳送出去。因此我們可以將Media Server看成多通訊協定、多規格、多分位的服務,能夠輸出眾多平台相容的視訊資源。除此之外,硬體也具備事件驅動器,可以藉由軟體控制觸發,輸出訊號到外部控制設備,例如:收銀機、紅外線控制器、自動門、…、等等。這將監視系統的觸角延伸到自動控制的領域,更加發揮了創意及想像。

藉由完善的主體架構,我們的NVR系統可以掛上其他的模組,像是ACTi IVS(Intelligence Video Surveillance)、ACTi CMS(Center Management System)、Plug-in module (Intelligence Video、POS、Access Control)等等,或者是由您自行開發設計的模組,都可以簡單的整合起來。整個內部中心採用ACTi自訂的H.264、MPEG-4、Motion-JPEG格式在運作,而中心外部能夠廣納方圓,接收各種的來源,並成為各種設備的輸出。換句話說,我們不是閉門造車,而是廣泛學習,大大提升了ACTi System的相容性,也因此不論是傳統的CCTV與其他廠牌的IP Camera,都可以輕易的加入ACTi的解決方案,更加上 ACTi 採用的 H.264、MPEG-4、Motion-JPEG都可以由open source 標準的decoder (如 Intel IPP、XviD、DivX)。軟硬體有著高相容度之外,對於合作夥伴的開發設計師,我們直接開放SDK,讓第一線的研發工程師能夠接觸到最新最好的資訊,整套的SDK包含著各種範例原始碼及詳細的手冊,提供給開發設計師下載,並常常更新。線上問答部分有專業工程師的支援,讓合作夥伴能夠以最短的時間解決問題,獲得高效率的稱讚。



感覺像量身訂作的系統


如圖2,ACTi非常重視客戶的需求,每個需求我們都加以討論及解決,因而有許多的應用軟體。IP Utility可以幫助您找到網路上的監視攝影機,讓您方便管理;Camera Doctor與AP Doctor就像醫生一樣,細心準確的診斷安控系統的健康;NVR建立起管理視訊及分派命令的任務;Mobile Explorer讓您簡單的在行動設備上遠端監控。更多有效率的工具讓您輕鬆管理,整合容易,您可以很簡單在我們解決方案中找到您的需求。

如圖3,ACTi開發出一套完整的 NVR (Network Video Recorder) ,並且已經在全球已經有500 多個使用ACTi全方案的成功案例。

 

 

 ACTi 智慧型監控研發

如圖4,ACTi是一家鑽研智慧型視訊分析軟硬體的公司,大力投資在研發上,獲得良好的經驗與實績。如何透過ACTi的平台發展智慧型視訊監控系統呢?本公司提供SDK-10000的軟體開發套件,藉由開發套件可獲得視訊影像資料,將二維的資料分析轉化為一維的事件訊息,基於SDK-10000穩定高效,視訊分析研發工程師可以專注於視訊分析,不必擔心其他問題。

在一個已經定義好的規則下,NVR將會傳送規則設定命令到Plug-in的模組,當模組分析有事件發生時,就會產生Metadata。接下來Encoder SDK編碼資料透過Streaming Engine到NVR,再由Plug-in Medadata Parser來剖析,經過Process處理後就會知道如何顯示事件訊息以及資料庫紀錄。因此,視訊分析研發工程師在ACTi既有的基礎下,只要專注於Modules的開發,透過規則整合就可以完成整個智慧型監視系統。

ACTi的智慧型監視系統解決方案中,提供了幾十種的演算法。都可整合到架構上。可以被廣泛的應用在機場、零售業、交通運輸、港口船運、博弈業、公共建築、…、等等,在這麼多複雜的設備環境中,除了擁有自訂格式外,廣納各平台的整合成功實績已是享有名聲。

 ACTi智慧型監控系統技術導覽

由於影像資訊數位化,因而可以藉由數學的理論去實作,智慧視訊(IV,Intelligent Video)源自電腦視覺(CV,Computer Vision)技術。而電腦視覺技術是人工智慧(AI,Artificial Intelligent)研究的分支之一,它能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關係,從而使電腦能夠通過數位影像處理和分析來理解視頻畫面中的內容。

監視系統產業所截取的畫面,多是即時影像,而分析預測也必須能夠即時反映,以數位影像處理技術而論,主要在於「動」與「靜」之間,以術語而言就是「前景」與「背景」的分類,要取得前景資訊才能夠做接下來特徵抽取、特徵分析…等等。獲得前景資訊是相當重要的,也就是所謂的Motion Detection,前景基本上就是會產生行為的物件。

我們可藉由圖5了解整個運作的流程。整個智慧型監視系統架構易於擴充,分析影像的IVS(Intelligent Video Surveillance)可採取異地裝設,可多台也可單台。當IP Camera獲得影像時,將影像原始資料傳送給NVR Server,由NVR Server統籌處理影像串流的進出,設定好的IVS接收由NVR Server送出的影像資料,IVS分析原始資料後轉為XML格式,透過XML傳遞自動操作訊息,告知NVR Server該採取的行動,例如:備份、即時錄影、通知NVR Workstation…等。

ACTi智慧視訊解決方案

在競爭激烈的國際市場中,我們是如何突破重圍獲得肯定呢?首先由應用需求來分析,我們區分為四大塊,分別是交通運輸、重要的公共建設、校園環境、國土安全。可以參考圖6,了解我們是如何以適當的演算法來服務這四大塊需求。

交通運輸在現代社會中是非常重要的一環,與人類生活息息相關,意外的發生往往是無法預料的,因此無論日夜我們的設備都可傳回清晰影像,確保道路交通的順暢。

重要的公共建設是大眾的利益,非常需要人們的維護,在公眾的場合中要掌握每個人的行蹤是非常困難的,但透過我們的分析可以讓使用者獲得清楚的資訊,預防意外的可能。

校園安全是每位家長所關心的,在學校除了老師及警衛的保護之外,校外若有可疑人士逗留,我們的設備可以自動將可疑的部分標示出來,讓警衛可以預先處理。

國土安全是國際性的話題,事實上無論是否有恐怖主義的存在,國土安全防線都是重要的議題,高科技能夠便利人類,在國界交界處採用我們的方案,可以多一層的智慧保護。

ACTi智慧判斷演算法實務展示

以下是實際測試的結果,以及定義說明。

Shift Object (物體移位):
如圖7只要有物體在畫面中移動,停止動作後就會顯示出標示框。

Missing Object (物體遺失):
如圖8當物體在畫面中消失,停止動作後就會出現標示框。

Unattended Object (物體遺留):
如圖9當物體由外面移入,停止動作後就會出現標示框。

Tracking Object for near Items (近物追蹤):
如圖10待測物佔畫面大小於十六分之一以上,則為近物,可追蹤近物移動的範圍及軌跡。

Tracking Object for tiny Items (遠物追蹤):
如圖11待測物佔畫面大小十六分之一到一百四十四分之一,則為遠物,可追蹤遠物移動的範圍及軌跡。

Forbidden Area (入侵偵測):
如圖12啟用演算法之後,會出現提示視窗,請用滑鼠在畫面中標示出禁止區域,為一個矩形區域,當有移動物體進入禁止區域後,標示框會變成紅色。

Object Classification (Near, Person) (近物分類、人物):
待測物佔畫面大小為十六分之一以上,則為近物,可追蹤人物移動的範圍及軌跡。

Object Classification (Near, Vehicle) (近物分類、車輛):
待測物佔畫面大小為十六分之一以上,則為近物,可追蹤車輛移動的範圍及軌跡。

Object Classification (Tiny, Person) (遠物分類、人物):
待測物佔畫面大小為十六分之一到一百四十四分之一,則為遠物,可追蹤人物移動的範圍及軌跡。

Object Classification (Tiny, Vehicle) (遠物分類、車輛):
待測物佔畫面大小為十六分之一到一百四十四分之一,則為遠物,可追蹤車輛移動的範圍及軌跡。

Video Enhance Quality (影像增強):
如圖13當影像灰暗不明時,可使用影像增強,讓灰度值擴展到最大範圍。

Flame Detection (火焰偵測):
如圖14當有火焰出現於畫面中時,標示框會標示出火焰的位置。

 

Motion Detection (移動偵測):
如圖15當有任何物體在畫面中移動時,會標示出移動的範圍。

 Loitering Detection (滯留偵測):
當有物體由外部進入畫面中,經過一段時間後會出現標示框

結論

由於數位影像處理所獲得資訊,皆是以灰階像素或色彩空間為主,從某一種方面來看,就是被侷限在灰階像素或色彩空間內,因此當有物體顏色與背景顏色相似,或者將色彩轉為灰階時,往往很難判斷出物體的移動,這時候就要考量是否要採用Tracking的方法,但追蹤就會增加計算量,並且必須參考到過往的資料,這是現階段即時影像處理所遇到的困難點。但隨著硬體演化進展,這問題獲得解決是指日可待。目前這個問題是各家廠商尚未解決的難題。

動量偵測與物件偵測是智慧型監視系統必備的條件之一,可說是智慧型監視系統的核心智慧,因為唯有獲得物件,才能記錄、分析、條理、判斷、決策對該物件的處理方式。這個過程可以說是將資料轉換為資訊的一個步驟。

隨著頻道(Channel)數越來越多,目前最多為100 Channel,單純的繪圖(Render)方法已經不敷使用,效能表現不佳,因此未來勢必採用GPU來協助處理有關繪圖的部分。這或許是GPU自遊戲跟美工以來的另外一種用途。

產業界一直努力朝向Mega-Pixel發展,除了可以製作更清晰的Digital Zoom之外,策略上也是為了提升解析度,因此未來如何用較少的資料結構或模型去描述Mega-Pixel的資訊是一件值得突破及研究的課題。

節省頻寬一直是網路型監視系統的重點之一,隨著解析度的發展,有效的壓縮是一種需求趨勢,目前因為晶片的設計不易更改,還不能馬上採用小波轉換,小波轉換是一種平衡的選擇,於解析度上它能夠有比DCT轉換更好的效果,於頻寬需求上也能夠滿足使用,未來朝向使用以小波轉換的壓縮晶片,將會更有效率的運作,且能獲得比DCT更加的效果。

智慧型監視系統的軟體架構應該要很有彈性,可隨時掛載及取下,而且彼此之間不應該互相影響,除了能有效管理更版作業,對於使用者的需求也能有完整的配套措施。

實測幾家智慧監視系統軟體之後,發現目前智慧型監視系統只能稱為「看得清楚」的階段,還沒有到達「看得懂」的階段,因為有了物件偵測之後,就可以加上標示框,或是警示框,讓保全監視可以多加注意,但至於發生了甚麼事情,框內的內容是甚麼意義,還是必須由人類去分析判斷。也許未來判斷準確度提高之後,將物件資訊數位化就可以進一步的利用資料探勘,進而分析或預測可能的結果。

目前國內研究方面有四年的學界科專,專門研究數位智慧型監視系統,最近的成果也相當豐碩,人體姿態識別及全景監視系統是最近較為突出的研究,可看出學界在這方面投注不少心力,若能產學合作相信是雙贏的結果。