1.5 Анализ характеристик систем видеонаблюдения с детектором движения

Видеодетектор движения представляет собой аппаратно-программное средство, входящее в состав системы охранного наблюдения и обеспечивающее автоматическое обнаружение движущихся объектов в поточном видео. Так, при появлении человека или транспортного средства в поле зрения камеры видеодетектор передает сигнал (метаданные) на пульт охраны или на устройство видеозаписи [1].

Зона детекции движения  это область, в которой анализируется движение. Каждой зоне детекции движения сопоставлен идентифицирующий ее номер. Использование в предустановке нескольких зон детекции позволяет исключить необходимость контролировать наличие движения во всей области видимости детектора. Нумерация зон дает возможность однозначно определить зону в области видимости камеры, в которой было зафиксировано движение.

Видеодетекторы многократно повышают продуктивность работы сотрудников безопасности, снижают психологическую нагрузку и уменьшают время реакции. Метаданные, генерируемые детектором, могут использоваться в качестве индекса для оперативного поиска событий в видеоархиве. В этом случае отпадает необходимость изнурительного просмотра многодневной видеозаписи оператором.

Видеодетекторы могут быть реализованы программным образом на сервере системы безопасности или интегрированы непосредственно в камеру. В последнем случае производитель камеры использует сигнальный процессор (DSP) или заказную микросхему (ASIC) для обработки поточного видео в реальном масштабе времени. Многие современные ip-камеры обладают встроенным детектором движения.

В лабораторных условиях задача детектирования движения является несложной и с точки зрения разработки программного алгоритма обработки видеосигнала, и с точки зрения вычислительной нагрузки на процессор. В полевых условиях проблема обретает принципиально иной уровень сложности и переходит в класс нетривиальных задач машинного зрения и распознавания образов, над которыми продолжают усиленно работать ученые и инженеры.

Основными проблемами, которые не решены разработчиками до конца, являются [10]:

• устранение ложных срабатываний, которые обусловлены естественными изменениями во внешней среде (например, солнечные блики, тени, шевеление кустов, деревьев, воды), а так же объектами, не представляющий интерес службе охраны (например, животные, птицы, насекомые на объективе камеры, облака);

• хорошая чувствительность при детектировании объектов в условиях нестабильности сцены наблюдения (например, при значительных изменениях естественного или искусственного освещения, а так же на изменчивом фоне, таком как открытое водное пространство, лес, движимые сильным ветром);

• обеспечение простоты и удобства использования видеодетектора (трехмерная калибровка перспективы, задание классов детектируемых объектов, фильтрация ложных срабатываний).

Наиболее сложной задачей является поиск компромисса при одновременном решении трех перечисленных проблем. С одной стороны, видеодетектор должен обладать высокой чувствительностью к объектам непредсказуемой формы. Например, он должен эффективно регистрировать людей в камуфляжном костюме, группы людей произвольного размера, транспортные средства любого вида. С другой стороны, детектор не должен реагировать на «безобидные» воздействия внешней среды, например, раскачивания деревьев и бегущие тени облаков.

Решение этих задач предполагает наличие искусственного интеллекта высокого уровня сложности, способным не только детектировать движения в поле зрения камеры, но и выделять целевые объекты, представляющие интерес службе охраны. Таким образом, детектор должен классифицировать движущиеся объекты на актуальные и неактуальные во всех возможных проявлениях окружающего мира. Частота ложных срабатываний не должна превышать пороговое значение, при котором применение видеодетектора становится экономически невыгодным. Допустимый период между ложными тревогами зависит от сценария использования и может варьироваться от нескольких часов до нескольких месяцев.

Более остро рассмотренные проблемы проявляется в видеосистемах высокой четкости (HD), то есть с сенсорами свыше одного мегапиксела. Основными отличиями видеодетектора в системе HD по сравнению с системами стандартной четкости (SD) являются [11]:

• Более значительная детализация сцены HD приводит к учащению ложных срабатываний. В частности, собственные движения камеры, обусловленные ветром и вибрацией техники, приводят к значительным изменениям на изображении. Применение цифрового или механического стабилизатора изображения становится обязательным.

• Мегапиксельные камеры обладают большей дальностью действия или радиусом обзора. Диапазон масштабов объектов может более значительно, чем в системах SD . В системах HD необходимо применять принципиально другие алгоритмы перспективной калибровки и оптической коррекции. Обязательно применение многомасштабных алгоритмов моделирования фона и сегментирования объектов.

• Поток данных в системы HD многократно превышает поток данных SD. Большинство алгоритмов, используемых в интеллектуальных видеодетекторах, обладает нелинейной сложностью по отношению к размеру кадра, и нагрузка на процессор возрастает на несколько порядков. Таким образом, необходимо принципиально оптимизировать, а чаще создавать новые алгоритмы для работы с потоком HD.

В детекторах движения следует различать функции обнаружения активности и обнаружения вторжения [1].

Обнаружение активности (Activity) имеет целью поиск изменений в видеосигнале, соответствующих яркости отдельных участков изображения, и если эти изменения превышают установленный порог, то детектор активности трактует его как активность. К сожалению, изменения в освещенности объекта или, например, вибрации видеокамеры также будут истолкованы (в данном случае ложно) как активность.

Подобный метод используется в детекторах движения, применяемых в видеомультиплексорах - его использование приемлемо для тех контролируемых зон, где ложное обнаружение не имеет значения, и (или) активность не трактуется как тревожная ситуация, а само перемещение людей здесь является обычным и ожидаемым явлением, которое необходимо наблюдать и регистрировать. По сигналу детектора движения видеозапись и отображение сигнала от видеокамеры с активностью зоны происходят более информативно (с приоритетом).

Функция обнаружения вторжения (Intrusion) имеет целью поиск реального движения в зоне наблюдения запрещенного объекта и активизацию тревоги в случае его обнаружения. Она используется для мониторинга участков, где не разрешено или не предполагается перемещение людей. Если движение обнаруживается, то наиболее вероятно, что оно было вызвано чьим-то вторжением. Естественно, что для эффективной работы системы охранного телевидения детекторы вторжения должны вызывать минимум ложных тревог вследствие изменения освещенности, вибрации видеокамеры, случайных отражений света в зоне наблюдения и т.п. Поэтому основным отличием детектора вторжения от детектора активности являются широкие возможности отстройки от ложных тревог.

Детекторы движения можно классифицировать следующим образом:

• аналоговые или цифровые;

• одноканальные или многоканальные (с параллельной обработкой каждого видеосигнала);

• аппаратной или программной реализацией.

Аналоговые детекторы движения имеют достаточно простые функции, что определяет их экономическую эффективность. Такой прибор обычно имеет один сквозной видеопроход; прибор позволяет произвольным образом устанавливать на экране видеомонитора местоположение, например, четырех маркеров (в виде полупрозрачных прямоугольников), в которых контролируется изменение изображения, причем чувствительность срабатывания детектора движения может регулироваться. Например, один из маркеров может быть установлен по экрану в то место, где располагается дверь - при обнаружении изменения в сигнале (вызванного, открыванием двери) звучит зуммер, и срабатывают контакты реле. Для повышения секретности работы устройства отображение маркеров на экране видеомонитора может быть отключено. Подобные детекторы удобно использовать в местах с постоянным освещением (большей частью в помещениях).

Цифровые детекторы движения позволяют осуществлять обнаружение тревоги с достаточно высокой степенью достоверности за счет дифференциальной, а не интегральной (как в аналоговых приборах) оценки параметров видеосигналов. При этом изготовителями декларируются следующие опции:

• осуществляется достаточно гибкая отстройка от ложных тревог, вызванных облаками, падающей листвой, снегом, качанием видеокамеры и пр.;

• производится селекция контролируемых целей, по размеру, скорости и направлению перемещения.

Реальность решения перечисленных задач требует тщательной экспериментальной проверки.

Отображение тревожной ситуации сопровождается цветной окраской областей, в которых обнаружено движение.

Программирование цифровых детекторов движения осуществляется выбором в меню прибора специальной точечной сетки (например, 16x16, 24x32 и т.п.), накладываемой на изображение, как показано на рисунке 1.2, с последующим указанием активных зон, чувствительности и пр. Подобный метод позволяет достаточно гибко программировать охраняемые зоны (например, можно разместить активные зоны вдоль изображения забора, организуя таким образом охрану периметра).

При программировании зон детектора движения следует отключать активность зон, в которых может быть случайное, несущественное движение (раскачивание деревьев на ветру, движение автомобилей или людей в неконтролируемых зонах, изменяющееся отражение от окон, воды и других поверхностей). Например, при охране периметра оператором сформированы две зоны наблюдения – дневная и ночная, и заданы два различных наборов параметров для дневного и ночного времени, что видно из рисунка 1.3.

Рисунок	1.2	– Экран выбора зоны, чувствительной к
движению, цифрового видеомагнитофона

Что касается селекции по размеру, скорости и направлению, то она имеет свои ограничения, поскольку при обработке изображения используется монокулярное «зрение»

а) зона наблюдения в дневное время			б) зона наблюдения в ночное время
Рисунок	0.3	– Пример формирования оператором
различных зон детектора движения одного и того же объекта

видеокамеры, формирующее плоское изображение. При этом близко расположенный мелкий предмет и далеко расположенный крупный объект на экране видеомонитора будут иметь сопоставимые размеры. Искажающее представление о реальных размерах объекта и перемещении его в пространстве требует определенных навыков при настройке детекторов движения.

В связи с развитием компьютерных систем охранного телевидения появились детекторы движения с программной реализацией; возможности таких детекторов движения намного шире по сравнению с описанными выше приборами с аппаратной реализацией. В первую очередь это относится к количеству контролируемых зон (которых может быть более 1500). Кроме того, детекторы движения позволяют решить проблемы, которые принес с собой прогресс в области цифровых систем охранного телевидения, а именно:

• противоречие между желанием записывать изображения с максимальной скоростью при максимальном разрешении и ограниченностью дискового пространства компьютера;

• необходимость оперативного поиска требуемого фрагмента видеозаписи в больших архивах.

Не менее перспективным является активное использование детекторов движения в периметровых охранных системах.

В отличие от широко используемого анализа изменения изображения в дискретных зонах, прогрессивным направлением в области детекторов движения является обработка видеосигнала, соответствующего полному изображению. Однако для реализации этого в компьютерной системе охранного телевидения компрессия видеоизображения не должна предшествовать анализу видеосигнала в детекторе движения.

Следует отметить, что в последнее время в детекторах движения используется технология Slow Down Detection (детектирование замедления) - обнаружение оставленных или унесенных предметов (например, остановка движущегося автомобиля), а также детекторы движения, которые совместно с поворотными видеокамерами обеспечивают слежение за объектом в случае обнаружения цели заданного типа.

В качестве примера, рассмотрим детекцию направления движения и обнаружение подозрительных объектов, предложенные в многоканальной цифровой системе видеонаблюдения компании FAST Video Security [12].

Помимо обыкновенного видеодетектора, входящего в базовую конфигурацию ПО Alpha, система видеонаблюдения FAST позволяет инсталлировать программные средства серии SMARTS, разработанные для совершенствования охранных функций видеорегистраторов DVR. Эти программные приложения устанавливаются в дополнение к базовому ПО Alpha, которое инсталлируется производителем на внутренний жесткий диск.

Video Input Protection – приложение, предназначенное для обнаружения и оперативной реакции на акты вандализма по отношению к подключенным к системе телекамерам. При попытке засветить, перефокусировать или закрыть объектив телекамеры система генерирует сигнал тревоги на основании сравнения текущих кадров с предыдущими.

Intelligent Motion Detection – это видеодетектор, позволяющий не только обнаруживать движение в кадре, но и отслеживать появление подозрительных неподвижных предметов, например оставленных сумок в метро, на вокзалах, в аэропортах, т.е. дополнительно реализован детектор оставленных и унесенных предметов.

Advanced Intelligent Motion Detection – это видеодетектор, ориентированный на работу с видео телекамер, установленных в местах скопления людей. Функция слежения за объектом (Object Tracking) позволяет с помощью поворотной телекамеры непрерывно наблюдать за перемещением в кадре выбранного объекта. Кроме того, этот видеодетектор позволяет обнаруживать сектора скопления людей, а также помогает выявить начинающееся возгорание или задымление.