摘要: 当前，视频监控系统在系统应用、数据应用方面存在诸多问题。对此，遵循合理性、可靠性、先进性、标准性、扩展性的设计原则，总体设计一套具备“视频监控实时查看、特征信息智能提取、数据态势全局呈现”功能的智慧图像架构。其中，逻辑架构包括感知层、网络层、数据层、应用层、展现层、统一标准规范体系、信息安全保障体系；物理架构包括GIS地图服务器、平台服务器、AI视频分析网关、高清视频服务网关、磁盘阵列；功能架构包括实景地图、视频监控、态势呈现。
Abstract: Currently, there are many problems with video surveillance systems in terms of system and data applications. In this regard, following the design principles of rationality, reliability, progressiveness, standardization and expansibility, a set of intelligent image architecture with the functions of “real-time viewing of video monitoring, intelligent extraction of feature information, and global presentation of data situation” is generally designed. Among them, the logical architecture includes the perception layer, network layer, data layer, application layer, presentation layer, unified standard specification system, and information security assurance system; the physical architecture includes GIS map servers, platform servers, AI video analysis gateways, high-definition video service gateways, and disk arrays; the functional architecture includes real-life maps, video surveillance, and situational presentation.
1. 现状分析
近年来，园区利用各种工程建设了相对完善的视频监控系统，基本涵盖楼宇、道路、周界等各个场所。但是由于建设时间跨度大、技术标准不统一等问题，没有统一的图像管理平台，视频资源整合、图像数据挖掘能力不足。
系统应用存在问题：一是系统建设规划不统一。系统建设时缺少统一规划，分散独立存在，在架构、标准、接口、数据等方面未做到统一，存在“信息孤岛”的现象，系统之间信息交互、共享困难。二是系统功能作用不完善。随着形势任务转变和信息技术发展，园区建设信息化需求逐渐增多，早年建设的部分系统不能满足现阶段的业务需要，也难以满足园区下一步建设要求。三是系统智能化水平不高。系统只能提供简单局部态势，基于数据的综合分析、判断、决策的智能化、自动化水平较低，不能提供多维、立体、动态的全局态势。
数据应用存在问题：一是数据存储分散。目前各个系统数据库数据独立分散存储在不同的硬盘录像机和操作终端上，数据整体存储较为分散，缺少有效的集中管理手段。二是数据共享困难。各类数据特别是底层系统数据库数据独立存在和工作，无法在不同的系统间进行共享，给数据融合、构建统一数据库设置了障碍。三是数据效能打折。目前各系统底层数据对立存在、难以共享，无法通过系统综合分析处理，进行充分数据挖掘，使得数据使用率大打折扣，信息资源利用水平较低。
随着现代信息技术的革新，简单的实时监控、录像回放、事件告警已经不能满足新形势下园区管理需求，海量视频图像的资源治理、数据挖掘、智慧赋能显得尤为必要，智慧图像系统由此孕育而生。智慧图像系统是指遵循“设备全网贯通、数据实时共享、信息一图可视”的理念，按照“全要素物联、全方位可视、全态势掌握”的思路，通过整合园区各类图像资源，运用智能分析、模式识别、自动控制等技术，建设具备“视频监控实时查看、特征信息智能提取、数据态势全局呈现”功能的一套信息系统，实现图像流向信息流转变、人工核验向自动判别转变、事后查看向事前预防转变[1]。
2. 设计原则
(1) 合理性
系统建设需要根据园区实际情况和具体要求，满足监、控、存、查、管、用的基本要求，硬件和软件平台界面友好、易学易用、使用方便、图像清晰，充分满足在使用中的各项功能要求，保证整个系统从设备配置到系统构成的合理性。
(2) 可靠性
系统可靠第一，在设计、生产、调试等环节都严格执行行业相关标准和园区有关要求，注重系统结构、设备性能、技术支持、维修保障，要求广商信誉良好、产品质量过关、售后服务周到，确保系统运行的可靠性和稳定性。
(3) 先进性
随着计算机及通信技术高速发展，系统设计不但要充分利用当前最新技术，而且能够适应技术发展的潮流不断融入新技术，满足未来几年信息化建设与应用的要求，保证其在相当长的时间内始终充满活力，保持一定的先进性。
(4) 标准性
采用的硬件及软件均支持国内、国际通用的标准网络协议，选用的设备和技术均符合国标、行标的统一要求，符合总体设计要求。采用开放的通信协议和技术标准，提供开放的软件接口，接受SDK封装接入，消除产品标准差异性[2]。
(5) 扩展性
充分考虑到数据采集、数据传输、数据存储、数据处理等大数据处理过程中的资源冗余及弹性扩展，对关键设备的负载能力进行详细阐述，对存储格式、通信协议、接口类型等进行参数细化，保障系统后续的互联、扩展或升级。
3. 总体设计
3.1. 逻辑架构设计
智慧图像系统逻辑架构包括感知层、网络层、数据层、应用层、展现层、统一标准规范体系、信息安全保障体系，具体组成详见图1。
Figure 1. Logical architecture diagram of intelligent image system
图1. 智慧图像系统逻辑架构图
(1) 感知层
感知层是系统运行的支撑环境，通过摄像头、门禁机、考勤机、道闸机、硬盘录像机、AI视频分析网关、高清视频服务网关等前端设备，随时随地对视频图像进行信息采集，具备全面感知的核心能力。
(2) 网络层
网络层采取接人–汇聚–核心的三层网络架构，利用无线和有线相结合方式，通过互联网、内部网、物联网等网络，实现前端设备与中心平台的数据信息通信、泛在互联，为上层的应用提供服务支持。
(3) 数据层
数据层用于视频效据、地图数据、分析数据、日志数据、用尸数据、配直数据等各类数据资源的统一组织和管理，通过建设数据平台汇集数据、清洗数据、转换数据、分析数据、校验数据、统计数据，为数据交换和态势展现提供支撑。
(4) 应用层
应用层以数据为中心，综合运用人脸识别、车牌识别、区域入侵、移动侦测、越线告警、烟火告警、离岗告警、工装识别、老鼠识别、手机识别、吸烟识别、云台控制、媒体转发、三维建模等技术，将各类数据进行重新梳理整合，提供典型应用信息化、智能化、自动化的功能支持和辅助判决。
(5) 展现层
展现层是平台应用效果的集中体现，包括实景地图分系统、视频监控分系统和态势呈现分系统，通过监控中心大屏和各级值班室用户终端，提供数据的存储、查询、理解以及基于数据的决策和行为。
(6) 统一标准规范体系
平台软件选用国产自主可控或开源操作系统、数据库和开发环境，开发语言采用JavaPython、NodeJS、C++等跨平台编程语。平台软件支持Windows操作系统、Linux操作系统，支持Oracte、MySQL，以及达梦等国产数据库。平台软件采用B/S架构，基于面向服务的体系架构(SOA)技术进行设计，WEB服务遵循WEB2.0技术和XML协议标准。平台支持符合ONVIF、PSIA、国标GB/T28181等标准要求的设备接入。系统内部进行视频、音频、数据等信息传输、交换、控制时，使用RTP/RTCP、RTSP、HTTP、SIP等通用标准协议。媒体编码支持MPEG4、H.264、G.711G.726、AMR等编码标准[3]。
(7) 信息安全保障体系
平台软件支持SSL协议等加密方式进行传输，系统默认使用HTTPS访问，通过授信证书降低恶意中间人服务劫持安全风险。平台软件采用数据库代理、数据库中间件等数据库访问技术，不能直接对外开放数据库通讯端口。平台软件支持严格的系统权限管理，系统提供完善的用户授权和权限分配和验证机制，用户操作均记录日志，以便进行审计。用户密码等高敏感安全数据存储采用防篡改及不可逆加密算法；重要业务信令强制加密传输，其他信令和媒体数据可选加密传输；重要数据加密存储，其他数据和媒体数据可选加密存储；信息加密上使用AES加密算法[4]。
3.2. 物理架构设计
智慧图像系统物理架构包括GIS地图服务器、平台服务器、AI视频分析网关、高清视频服务网关、磁盘阵列，具体组成详见图2。
(1) GIS地图服务器
3DWEBGIS模块基于cesium前端架构+geoserver后端架构开发。cesium是一个不需要插件在浏览器中创建3D地球和2D地图的javaScript库，geoserver遵循OpenGISWeb服务器规范的后端java架构。基于GIS地图引擎的三维模型能力、倾斜摄影技术及视频融合技术，将物联信息数据结合地理信息数据的时空属性予以直观的可视化呈现，营造虚实结合的空间场景，使用户能多维度掌握物联数据信息动态果[5]。
(2) 平台服务器
平台服务器支撑各项图像业务的信息化管理和整个图像系统的信息化建设，实现信息资源的按需交互和融合联动。通过HTTP请求接收AI视频分析网关上报的识别记录，以及摄像头、考勤机、门禁机、道闸机本身产生的记录信息，利用按照相关业务场景，基于相关业务数据，进行统计分析，为综合态势显示提供数据支撑。
(3) AI视频分析网关
AI视频分析网关通过RTSP传输协议获取摄像头、硬盘录像机视频，将视频拆分成一帧一帧的YUV
Figure 2. Physical architecture diagram of intelligent image system
图2. 智慧图像系统物理架构图
视频图片，利用傅立叶变换、高斯模糊、边缘检测、图像分割等图像处理算法，利用HOG、SIFT、SURF、LBP等特征提取算法，对每帧YUV视频图片进行人工智能推理，产生结构化分析结果数据。根据逻辑判断将分析结果数据翻译成告警信息，将YUV图片转换为JPG图片，最后将告警信息和JPG图片转换封装为JSON数据，通过HTTP请求上报平台服务器[6]。
(4) 高清视频服务网关
高清视频服务网关通过RTSP传输协议获取摄像头视频，将H.265格式视频转换成支持B/S架构播放的H.264格式视频，再封装成FLV、HLS、RTMP、RTSP传输协议。系统使用SIP信令响应用户服务请求，云台控制直接通过网关将命令发送至摄像头，视频预览和录像回放则采用点播技术和组播方式向用户推送视频流。
(5) 磁盘阵列
磁盘阵列内置CVR服务器，调取底层SDK直接取流存储，可以更好的满足视频子系统7*24小时不间断运行的需求。平台图片数据存入ASW组件(存储接入服务)，支持可覆盖的存储及不可覆盖的存储配置。平台业务结构化数据统一存入关系数据库中，方便增删改查等各类关系数据操作。平台资源数据集中存储在目录服务(LDAP)中，提供直观的树形结构，方便查询及共享。
3.3. 功能架构设计
3.3.1. 实景地图
(1) 三维建模
在GIS地图上内置园区高清地图，利用3DGIS技术建立园区三维仿真场景，提供多尺度、多维度、多领域的地理空间数据，支持对地图放大缩小旋转等360˚全方位操作，支持在WEBGIS界面上叠加展示多种样式和分辨率的图层，前端会根据缩放比例自动选择展示哪个级别的图层。
(2) 视频投影
在三维虚拟场景中插入视频监控图层，支持多个视频投影图层拼接，支持室内室外多场景视频投影，实现虚拟与现实融合的监控模式。3DGIS三维实景地图指定点位与园区内摄像头进行互联，图像可以进行实时观看、录入、回放、调出及存储等操作。
(3) 资源上图
用户查询组织树各节点下的各类资源类型，可以获取该资源的详情信息。指定点位可以展示识别数据、告警信息、统计图表等。支持在浏览器页面上灵活地集成各类数据、图表、视频、动画等元素，且不需要额外安装插件。
3.3.2. 视频监控
(1) 实时监控
支持视频监控点资源数据展示监控点在线/离线状态。支持视频播放窗口布局切换。支持双击区域节点查看该区域下的所有监控点。支持监控点预览画面进行抓图。支持在实时预览时进行即时回放。支持监控点分组轮巡对视频画面进行显示。
(2) 录像回放
支持按录像类型进行查询，包括计划录像、报警录像。支持录像回放窗口布局切换。支持按时间段查找录像和按时间点定位录像两种方式搜索录像。支持对录像回放画面进行监控操作。支持对录像片段进行锁定和解锁。支持录像回放显示智能信息，包括警戒线、区域等。
(3) 云台控制
支持实现倍率的控制，焦点、光圈的调整，灯光控制、雨刷控制、一键聚焦、3D放大等功能。支持预制点的设置和启动，并根据设置的预制点进行巡航路径设置和预制点巡航控制支持进行轨迹录制和轨迹播放。支持云台等级权限配置，高等级的用户可抢占低等级用户的云台权限。支持监控点视频参数调整，包括亮度、色度、对比度、饱和度。
3.3.3. 态势呈现
(1) 态势显示
园区安全：显示告警数量和告警处置率，显示时间分为工作时段和敏感时段，显示地点分为一般场所和重要场所，显示级别分为普通时间和紧急事件。
管理制度：显示保安值班、员工着装、车辆停放、人员考勤、工作秩序、园区环境、禁用手机等园区管理制度落实情况。
人车状况：显示外来人员、内部人员、外来车辆、内部车辆进出大门等重点要害部位情况，显示园区内部在位人员、车辆数量。
(2) 态势分析
关联分析：结合时间段、告警类型、告警区域、涉及人员和车辆进行关联分析，方便管理者快速获取相关事件的关联性。
轨迹分析：根据人脸识别和车牌识别记录，绘制人车在园区内的活动轨迹，详细掌握人车活动规律和特点。
趋势分析：根据告警事件的事件、类型、区域进行统计分析，预判可能发生的安全隐患和事故苗头，提前采取预防措施。
(3) 态势查询
图表绘制：对于各类智能分析结果，用户可以按照时间、地点、人员、车辆、告警类型等通过柱状图、饼状图、折线图等图表查询。
表单导出：用户可以根据需求导出各种查询图表进行存档，也可针对原始数据导出WORDEXCEL等表格。
以图搜图：通过上传目标图片，搜索比对结果；上传的照片支持单图或多图，多图模式可在分析结果中选择要搜索的目标图片。
4. 结语
智慧图像系统综合应用计算机视觉智能算法，实现图像多维呈现、数据处理推送、态势综合分析，推进管理模式由手工粗放管理向自动精确管理转变，由主观定性为主向客观定量为主转变，由数量规模型向质量效能型转变，增强园区基于图像数据综合分析、判断、决策的信息化、智能化、自动化管理水平。