experience the next
 
Главная  > Журнал «Experience the Next»  > Статьи из журнала

Крик детектора

24.07.2006

Удивительные вещи происходят порой в поле зрения телекамеры. Она же фиксирует все, как принято говорить, бесстрастно. Это качество телевизионной техники полезно для документального кино, но вредно для систем безопасности. Поэтому в них используются детекторы активности. С их помощью система видеонаблюдения реагирует на происходящее. "Растолкать" охранника, включить на запись видеорегистратор, переслать сигнал тревоги куда следует, в том числе, возможно, на сотовый телефон хозяину внезапно атакованного имущества – все это сделает система видео- наблюдения, если вовремя примет сигнал от детектора.

Самый сложный и перспективный вид детектора – видеодетектор. Он предвосхитил использование интеллектуальных алгоритмов обработки изображения в разных сферах, в первую очередь в той, в которой лучше всего прижился он сам, – безопасности.

Чем хорош видеодетектор, какие его свойства пригодились в интеллекту- альных видеосистемах, которые, по большому счету, только зарождаются? И вообще: какие есть основания рассчитывать, что видеодетектор не "проспит" главного или что, наоборот, сигнал его не будет ложным, и он даст оператору вздремнуть?

"Конечная цель – ничто, движение – все"

Это знаменитое изречение основоположника мирового ревизионизма очень хорошо выражает главный принцип работы детекторов движения, применяемых в системах безопасности. Ведь большинство этих систем служит для охраны помещений, в которых никого нет.

Представим себе пустынные ночные помещения охраняемого нами объекта. Везде расставлены телекамеры – несколько десятков, если объект не слишком мал. Изображение с них видит перед собой оператор системы безопасности. Чтобы он не упустил момента, когда в коридорах и комнатах появится посторонний человек, нужно везде понаставить датчиков, которые сообщат ему об этом.

Датчики охранной сигнализации различаются принципом действия. Одни фиксируют радиоизлучение, отраженное от тела нарушителя, другие реагируют на звук разбитого стекла. Действие третьих основано на пересечении нарушителем невидимых инфракрасных лучиков. Типов датчиков охранной сигнализации множество, их стоимость различна, но видеодетектор не только опережает их по многим параметрам, но и заметно обогащает возможности системы безопасности.

Как правило, любой видеодетектор создается в меню компьютерной программы, которая составляет основу системы видеонаблюдения или даже интегрированной системы безопасности.

Выведя на монитор изображение с телекамеры, "настройщик системы" заходит в нужную часть меню и начинает задавать видеодетекторы. Прямо на изображении он мышью очерчивает некую область – зону детектирования. Все, что попробует двигаться в этой области, будет обнаружено, все, что находится за ее пределами – пусть себе шевелится, как хочет. Иначе это называется "поставить на охрану зону детектирования".

Можно поступить наоборот – настроить систему на регистрацию движения во всем кадре, т.е. "поставить телекамеру на охрану", а затем, если требуется, создать маски – области, в которых детектировать движение не нужно.

Уже из вышесказанного видно первое преимущество видеодетектора движения перед всеми другими датчиками – полнота охвата охраняемой территории, универсальность его срабатывания. Например, датчик разбития стекла не подаст сигнал тревоги, если нарушитель войдет, не сокрушив ничего хрупкого. Датчику инфракрасного излучения нужно, чтобы человек оказался между ним и источником, а не в другом углу комнаты. А вот видеодетектор регистри- рует движение во всей зоне детектирования – если понадобится, хоть во всем кадре. Поэтому даже весьма большую территорию на улице можно поставить под охрану с помощью видеодетектора движения, если она попадает в поле зрения телекамеры.

Зон детектирования может быть много. Для телекамеры, расположенной внутри комнаты, стоит сразу выделить в отдельную зону детектирования дверь. Можно задать еще одну такую зону возле сейфа или возле стола важного начальника. Ведь второе важное преимущество видеодетектора движения перед всеми охранными датчиками в том и состоит, что в нем можно очень точно задавать охраняемую область. Достаточно при рисовании области детектирования просто обойти те участки, где движение произойти не может, или где оно нас не интересует. Словом, эта работа – более творческая, чем прокладка проводов к датчикам охранной сигнализации.

Третье преимущество видеодетектора: им можно управлять, гибко меняя его настройки. Поскольку, как уже говорилось, он задается с помощью манипуляций мышью на мониторе, то менять его параметры, ликвидировать и заводить новые детекторы очень легко – было бы желание, а лучше – необходимость.

Для этого достаточно зайти в программу настройки детекторов движения и немного поводить мышкой по монитору. Можно дать охраннику права делать это самому, а можно не давать, оставить эту функцию только за администратором системы или, при желании, только лично за генеральным директором.

Датчик разбития стекла не сработает,
если нарушитель войдет, не сокрушив ничего хрупкого

Казалось бы, ничто не мешает использовать эту гибкость настроек видеодетекторов, чтобы встроить систему безопасности в повседневную работу организации. Например, тот же важный начальник мог бы сам отключать видеодетектор, когда приходит на рабочее место, и включать, когда выходит куда-нибудь. Сейф пусть снимает с охраны только тот, кому положено его открывать. Если в "красном углу" за стеклом хранится ценный предмет, то его можно поставить на круглосуточную охрану, которую снимает только администратор или уборщица, вытирающая с него пыль.

Все, однако, не так просто. Пока алгоритмы детектирования движения не столь надежны, чтобы можно было вот так легко и непринужденно использовать их на каждом шагу. И потому настраивает видеодетекторы не сам пользователь, а инсталлятор системы безопасности.

В крайнем случае, пользователь может самостоятельно заняться настройкой реакции системы на срабатывание видеодетектора. Тем более что в современных комплексах безопасности заложены достаточно развитые и универсальные инструменты для таких настроек. В принятом при этом формализме срабатывание видеодетектора является одним из типов событий, на которые система должна реагировать.

Как работает видеодетектор движения

В основе детектирования движения лежат три базовых метода:

  1. Cравнение двух последова- тельных кадров. Яркость каждого пиксела из одного кадра вычитается из яркости пиксела, имеющего те же координаты и входящего в другой кадр. Те участки, в которых произошло значительное изменение яркос- ти, провозглашаются движущимися.
  2. Вычитание фона. Если навести телекамеру на объект, то изображе- ние, полученное в тот момент, когда в кадре ничего нет, можно считать фоном. При работе детектора этот фон вычитается из каждого вновь получаемого кадра, разумеется, также «попиксельно».
  3. Оптический поток. Уж на что, казалось бы, больших вычис- лительных ресурсов требуют первые два метода, а алгоритм оптического потока многократно превос- ходит их в этом. Представьте себе, что у вас есть два кадра, на которых запечатлелось движение опреде- ленного предмета. Вы можете посмотреть, как сдвинулись отдельные точки этого предмета, – наложить кадры и провести стрелку из старого положения одной точки в новое, затем еще одну стрелку для другой точки и т.д.
    Выбрав такие точки с определенной плотностью, мы получим набор векторов. Их сумма – это оптический поток. Там, где он имеет большую величину, движение есть, там, где он мал, – движения нет.
    Как компьютер определяет, куда проводить такие вектора? Чаще всего, перебором, это ему проще всего. На одном кадре выбирает участок, перемещает его по-разному, смотрит, где он мог оказаться во втором кадре. Если совпадение найдено, значит, вот оно, движение!
    Другой вариант – сравнивать части изображений, взятые из разных кадров, не по яркости, а по пространственным гармоникам. За этим красивым названием скрывается еще один из «простейших» для компьютера способов – сравнение двух участков изображения. Каждый участок специальная программа раскладывает в ряд, т.е. представляет как сумму периодических функций, например, косинусов. Если после разложения коэффициенты при этих функциях получились одинаковые, значит это – один и тот же объект, который смещается от кадра к кадру. Вот и «сидит» компьютер, выделяет кусочки изображения, сравнивает. Поэтому сей метод и является ресурсоемким.

Важное преимущество видеодетектора
движения перед всеми охранными датчиками
состоит в том, что в нем можно очень точно задавать охраняемую область

На самом деле использование любого из этих трех методов – лишь начало построения работоспособного видеодетектора движения. Чтобы детектор был достаточно надежным, обычно комбинируют эти три метода, добавляя к ним еще и различные приемы по обработке сигнала. Совершенствование алгоритмов детектирования идет постоянно, в этом и суть эволюции видеодетектора. А пока это происходит, сделать работу детектора более корректной помогут параметры его настройки.

Параметры настройки видеодетектора движения

Чувствительность или нижний порог срабатывания - это очень важный параметр. Разница между двумя кадрами есть всегда. Играют блики от солнца, колышутся листики на ветру, возникает рябь на воде. Все это не должно быть истолковано системой как движение.

Не только солнце, воздух и вода ставят под вопрос корректность работы детектора движения. Электрический сигнал, возникающий в телекамере, подвергается воздействию шумов и помех. Сам принцип работы современных регистрирующих устройств, которые преобразуют свет, прошедший через объектив, в электрический сигнал, также предполагает наличие флуктуаций - отклонений от среднего значения.

Для того чтобы избавить детектор движения от всей этой «напраслины», и нужен нижний порог чувствительности: если изменение яркости изображения меньше порога, то детектор на это изменение не реагирует. Разумеется, не следует при этом исключать и такой метод защиты от ложных срабатываний, как вышеупомянутое правильное задание областей детектирования.

Еще один метод борьбы с дрожанием листвы, который, безусловно, не может быть отнесен к числу простых - автоматическое выделение периодических во времени процессов и вычитание их из изображения.

Здесь кого-то вправе посетить шальная мысль: а не может ли злоумышленник обмануть видео детектор движения - красться настолько медленно, что его шевеление останется ниже порога чувствительности? Конечно, может. Надо лишь применить подход, полностью аналогичный классическому способу бега по воде: бежать надо так, чтобы время касания на каждом шаге было меньше, чем время оседлой жизни молекул воды - десять в минус десятой степени секунд.

Другой важный параметр - минимальный размер регистрируемого объекта. Его назначение - обозначить «круг лиц», появление которых нас интересует. Подняв порог чувствительности повыше, можно абстрагироваться от появления в кадре мелких животных или, скажем, сброшенных сквозняком предметов. Наверное, лучше, если охранник будет в курсе того, что на его объект заползла змея, но это каждый потребитель систем видеонаблюдения решает для себя сам.

Следует отметить, что правильный выбор параметров настройки детектора - очень непростое дело, и далеко не всегда эта задача имеет правильное решение. Например, размер объекта, то есть то количество пикселов, которое он занимает на изображении, зависит от расстояния между объектом и телекамерой. Пчелка, пролетевшая возле объектива, будет иметь в кадре такой же размер, как автобус, который едет вдали.

Поэтому параметры детектора выставляются на те значения, которые лучше подходят для решения конкретной задачи. Если телекамера обозревает тротуар перед входом в охраняемое здание, то главная задача системы - отслеживать тех, кто подходит близко. Ночью детектор вполне может реагировать на любое движение на тротуаре, а автомобили, которые проезжают вдали, практически не представляют для системы интереса, и хорошо, если их удастся проигнорировать с помощью настроек, таких, как размер объекта.

Правильный выбор параметров настройки
  детектора
- очень непростое дело

Немалую помощь в правильной селекции объектов по размерам оказывает еще один параметр, влияющий на работу детектора движения, -максимальная скорость предметов, которые будут обнаружены. Его использование делает быстрые объекты «невидимыми» для детектора. Так снижается влияние на работу детектора движения дождя, снега и других подобных помех, а также насекомых, проносящихся перед объективом.

Следующий параметр задается в двоичном представлении: «можно -нельзя». Это разрешение либо запрет на снятие данной зоны детектирования с охраны.

Детектирование направления движения

Еще один параметр - направление движения. При настройке системы можно задать направления, по которым должен перемещаться в кадре объект, чтобы это перемещение было обнаружено. В хорошей системе видеонаблюдения таких направлений восемь: влево, вправо, вверх, вниз и четыре диагональных.

Существует немало вариантов применения детектора движения, при которых именно направление движения выходит на первый план. Такой детектор используется там, где в определенные периоды времени люди или автомобили должны двигаться только в одну сторону. Например, на предприятиях с повышенными требованиями безопасности, где перемещение людей по территории достаточно жестко контролируется, он может следить за тем, чтобы никто из вышедших в положенное время из цеха не попытался вернуться туда.

Этот же подход применим и при организации массовых мероприятий, когда людскими потоками надо четко управлять.

В школе объявлена пожарная тревога, которая впоследствии, к счастью, окажется учебной. Детектор направления движения игнорирует всех, кто бежит к выходу, но подаст сигнал, если кто-то в панике побежал не в ту сторону. Этот пример, конечно, выглядит несколько надуманным, но зато он посвящен столь благородному вопросу, как спасение детей.

При мониторинге дорог детектор направления движения поможет обнаруживать случаи выезда автомобилей на встречную полосу. Включив при этом телекамеру на запись, он поможет получить доказательства вины нарушителя.

Детектор оставленных предметов

Важное дело - автоматическое нахождение в кадре предметов, лежащих в общественных местах без присмотра и таящих в себе опасность. Проблема эта, к сожалению, актуальна и не требует дополнительных разъяснений. Занимается этим детектор оставленных предметов. В метрополитене, на вокзалах - в любых общественных местах система видеонаблюдения может круглосуточно контролировать большие территории и передать сигнал тревоги в случае, если подозрительный предмет будет ею обнаружен.

Детектор оставленных предметов
обнаружит подозрительный предмет,

не реагируя на тех, кто мельтешит в кадре

Один способ превратить детектор движения в детектор оставленных предметов - построить его на методе вычитания фона, накапливать разностные кадры, полученные вычитанием текущего кадра из фона. Далее надо сравнивать между собой эти разностные кадры и считать достойными внимания только те объекты, которые неизменно присутствуют во всех разностных кадрах в течение длительного времени. Само это «длительное время» - типичный параметр работы детектора, который можно менять в зависимости от конкретной задачи.

В итоге все, кто мельтешит в кадре, бегая туда-сюда, не будут выявляться детектором, а предмет, принесенный в кадр и оставленный в нем - будет.

Другой способ - усреднять кадры, полученные в течение немалого времени, а затем сравнивать результат нескольких таких процедур усреднения. В данном случае усреднение состоит в том, чтобы попик-сельно сложить, скажем, 100 кадров, а затем результат разделить на 100. Тогда тело, которое постояло в поле зрения телекамеры секунд 20, войдет в усредненный кадр в 5 раз менее ярким, чем на отдельном изображении, а если оно быстренько протопало через кадр, то и того бледнее. При этом яркость «оставленного предмета» не уменьшится, если он все эти 100 секунд провалялся неподвижно там, где его забыли.

Кстати, делить на 100 не обязательно, но тогда процедуру надо назвать не усреднением, а интегрированием или даже - получением интегрального кадра. Так, кстати, гораздо солиднее.

Сама процедура поиска состоит в сравнении таких серий кадров, получаемых с периодом несколько минут. Если некий предмет до какого-то момента отсутствовал в интегральном кадре, а потом появился, значит это то, для нахождения чего и создан детектор оставленных предметов.

Конечно, и все эти интервалы времени, и число кадров - параметры, которые надо задавать так, как это требуется. И тогда в руках у пользователя окажется полноценное средство автоматического выявления «ящика», к которому пора вызывать саперов, а заодно и просто забытых ротозеями предметов.

Детектор исчезнувших предметов

С точки зрения работы алгоритма детектирования нет особой разницы, появился ли в кадре оставленный предмет или исчезла вещь, которая должна в нем всегда быть. Поэтому детектор оставленных предметов легко превращается в детектор предметов исчезнувших.

Он очень пригодится в музее, где с его помощью можно охранять экспонаты. В этом случае детектор исчезнувших предметов настраивается один раз и надолго. А если речь идет о защите автомобиля на парковке, то здесь сполна проявляется гибкость видеодетекторов: хозяин машины, собираясь уехать, дает указание диспетчеру снять его «железного коня с охраны». Тот заходит в меню компьютера, щелкает мышью и дело сделано.

Остановка запрещена

Близкое к детектированию оставленных предметов действие - обнаружение неправильно остановившихся автомобилей. Принцип здесь тот же: наводим телекамеру на заветное место, включаем детектор - назовем его - неправильной парковки.

Те машины, которые проносятся мимо, детектор «в упор не видит». А вот остановившийся автомобиль будет сразу обнаружен и постовой инспектор ГАИ будет оповещен об этом условным сигналом, который он сам же выберет в меню программы.

Обзор больших территорий

Искать оставленные предметы приходится порой не только на станции метро, но и на бескрайних просторах нашей или еще чьей-нибудь родины. Такую задачу уместно решать с помощью самолета либо иного летательного средства, которое промчится над протяженным объектом, скажем, трубопроводом, и снимет видеоизображение полосы определенной ширины, прилегающей к «трубе» с двух сторон.

Когда телекамера надежно закреплена на стене, как, например, при поиске оставленных предметов в метро, вычитание фона из очередного кадра дается системе относительно легко. Но самолет, дважды прошедший над одним и тем же местом, сделает это с разницей в несколько десятков метров.

Значит, полоса, попадающая в поле зрения телекамеры, тоже будет заметно смещаться влево-вправо от той территории, которую нужно промо-ниторить. Поэтому для съемки фона самолет с телекамерой на борту должен пройти над этим объектом несколько раз. Затем результаты таких облетов усредняются. Система должна сдвинуть изображение, полученное при втором облете и правильно наложить его на результат первого облета. Потом той же процедуре подвергается результат третьего облета и всех последующих. Усредненное изображение принимается за фон.

Теперь самолет может совершать дежурные облеты, чтобы выявлять какие-либо неполадки в состоянии трубы. Получаемое при этом изображение система тоже сдвигает, чтобы получить наилучшее совмещение с фоном.

Дальше следует вычитание и возможное детектирование появившейся возле «трубы» новой детали пейзажа. В роли «оставленного предмета» здесь выступают последствия утечек нефти, в том числе рукотворных.

Другое применение такой системы видеоконтроля - проверка состояния линии электропередач. Система автоматически обнаружит дерево, упавшее на провода или опасно зависшее над ними, другие посторонние предметы.

Сервисные детекторы

Целое семейство видеодетекторов служит для того, чтобы защитить саму систему видеонаблюдения от попыток злоумышленников вывести ее из строя.

Детектор фокусировки отслеживает наличие четких контуров в кадре. Если их не стало, значит, на изображении пропала резкость.

Детектор стабильности сигнала возвещает о резком возрастании уровня помех. Его работа тоже связана с контролем присутствия четких контуров в кадре.

Злоумышленники, которые проникли на охраняемый объект и знают о наличии на нем видеонаблюдения, могут применить яркий свет для того, чтобы на получаемом системой изображении ничего не было видно. Об этом должен мгновенно сообщить детектор засветки телекамеры. Он контролирует гистограмму, показывающую зависимость числа пикселов от яркости, и реагирует на ее резкое изменение.

Если же, наоборот, будет предпринята попытка заслонить объектив телекамеры, то сработает детектор закрытия объектива. Он также следит за изменениями в гистограмме изображения.

При подготовке к своим недобрым делам люди, которые не хотят попасть в кадр, могут попросту отвернуть телекамеру в сторону. Чтобы это не сошло им с рук, нужен детектор поворота телекамеры. Его задача - проще, чем у детектора движения. Ведь при повороте телекамеры все изображение будет двигаться относительно границ кадра как единое целое. Так что процедура обнаружения такого события более надежна, чем просто детектирование предмета, который перемещается в поле зрения телекамеры.

* * *

Кстати, о надежности. Борьба за нее определяет основное направление развития видеодетекторов. При этом потребители интеллектуальных видеосистем не ждут, когда в этой работе будут получены очередные результаты, а начинают применять еще более интеллектуальные системы. Об этом - следующая статья.


Полезные материалы