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(yīng)用技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(xué)科和技術(shù)。多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用到視頻監(jiān)控領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)更加精細(xì)化、智能化的安防監(jiān)控目標(biāo) 。

 
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(jìn)行綜合處理，將包括攝像頭在內(nèi)的各種傳感器進(jìn)行多層次、多時間、多空間的信息互補(bǔ)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(jìn)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(dǎo)出更多有用信息。多傳感器彌補(bǔ)了純視頻監(jiān)控的不足，對多個環(huán)境量進(jìn)行跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的多方位立體監(jiān)控；同時，運(yùn)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(biāo)報(bào)警、智能分析、智能跟蹤的準(zhǔn)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(jìn)行有效的綜合應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和高階的功能，產(chǎn)生巨大的行業(yè)與社會價(jià)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(jī)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(rèn)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(yán)格意義上講，上述這些案例通常不被認(rèn)為使用了多傳感器集成技術(shù)，因?yàn)樗鼈冎皇菍⒍嘣磦鞲衅餍畔⑦M(jìn)行簡單羅列收集，并沒有對其融合分析和處理而達(dá)成某種決策，產(chǎn)生進(jìn)一步的行為。

 

圖1：多傳感器視頻集成一般體系

 

嚴(yán)格意義上的多傳感器視頻集成強(qiáng)調(diào)多傳感器信息的融合運(yùn)用，而這種信息整合技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能非常簡單，也可能極為復(fù)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(rèn)識。

 

　　

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(bào)警器，掉落的樹葉或飛過的小鳥都可能引起系統(tǒng)誤報(bào)，通常只適宜安裝在室內(nèi)而不能應(yīng)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(kuò)充傳感器的功能，而是綜合多個傳感單元的信息進(jìn)行運(yùn)算，來減少誤報(bào)，提高傳感器的識別率。如傳統(tǒng)的單紅外報(bào)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(dāng)三個探測單元綜合判定探測目標(biāo)為人時，才產(chǎn)生報(bào)警，能夠有效排除環(huán)境因素(如風(fēng)、光照、小動物)的干擾，大大降低誤報(bào)率，使得紅外報(bào)警器也能很好地被應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)視頻監(jiān)控產(chǎn)品的功能。

 

如紅外攝像機(jī)、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(fù)色彩，實(shí)現(xiàn)圖像高保真。 通常情況下，這種光線的變化由設(shè)備自身體通過分析視頻圖像來計(jì)算，但這種計(jì)算比較復(fù)雜，而且效果不理想環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)，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(shè)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(shí)現(xiàn)白天黑夜工作的切換。一些高級的設(shè)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(fù)責(zé)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(biāo)，做精細(xì)化定位和跟蹤。同時，一些夜視儀中還配備了雷達(dá)信號接收接口，實(shí)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(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)跟蹤。

 

卡口攝像機(jī)等交通產(chǎn)品在車輛測速功能中也應(yīng)用了多傳感器集成技術(shù)。車輛在公路上運(yùn)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(yùn)算量巨大，時效性差，車速越高越不準(zhǔn)確。因此，這類產(chǎn)品通常會配置線圈或雷達(dá)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(dá)，對車速的測試準(zhǔn)確度比較高，但也有一些無法應(yīng)對的情況，如車輛相連，雷達(dá)測速有時候在沒有車輛的情況下甚至?xí)`報(bào)，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(jī)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(bào)和提高準(zhǔn)確率。如當(dāng)雷達(dá)上報(bào)車速信息時，設(shè)備同時對當(dāng)前視頻圖像進(jìn)行智能分析，確定圖像中有車輛，雷達(dá)測速信息才有效，否則，不采信雷達(dá)數(shù)據(jù)，有效地避免了誤報(bào)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(zhǔn)確率和環(huán)境適應(yīng)性。更加嚴(yán)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(yùn)用多傳感器融合技術(shù)，來解決更加復(fù)雜的問題，產(chǎn)生更大的應(yīng)用價(jià)值。如單個卡口攝像機(jī)能夠進(jìn)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(yùn)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(rèn)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(dāng)前位置和運(yùn)行路徑甚至預(yù)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(qiáng)大威力的體現(xiàn)。

 

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(luò)技術(shù)將安裝在家內(nèi)的視頻、音頻、報(bào)警器、等監(jiān)控設(shè)備和傳感器連接起來，通過中控電腦或設(shè)備的處理將有用信息存儲、傳輸和處理，實(shí)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(jī)用存采集家中實(shí)時的音視頻數(shù)據(jù);門磁感應(yīng)器、紅外傳感器與能夠檢測到門的關(guān)閉以及人的進(jìn)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(jī)上，關(guān)聯(lián)這些信息，監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠滿足實(shí)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(jìn)一步的操作，如發(fā)送警報(bào)、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(fù)雜，如紅外傳感與門磁感應(yīng)到有人侵入后，來自攝像頭的視頻信息甚至還能夠運(yùn)用人臉識別技術(shù)確定進(jìn)入的是主人還是陌生人，減少家人進(jìn)出門的系統(tǒng)誤報(bào)。

 

動力環(huán)節(jié)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在機(jī)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(jī)、空調(diào)等智能、非智能設(shè)備以及溫濕度、煙霧、地水、門禁等環(huán)境量實(shí)現(xiàn)“遙測、遙信、遙控、遙調(diào)”等功能。為了實(shí)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(shè)備所能提供的各種傳輸信道資源，可以實(shí)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(jìn)的信息技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地集成運(yùn)用于整個交通運(yùn)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(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合的運(yùn)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(yīng)用。在這個系統(tǒng)中，集成了包括交通攝像機(jī)、光學(xué)檢測儀、線圈檢測器、雷達(dá)檢測器、移動測速儀、射頻感應(yīng)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(luò)，這些傳感器分級接入系統(tǒng)并上報(bào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過信息處理系統(tǒng)，這些來自不同地點(diǎn)、不同時間的傳感器數(shù)據(jù)被有效組織和運(yùn)用，實(shí)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(yù)測交通狀況實(shí)現(xiàn)有效的交通疏導(dǎo)和交通控制避免交通擁堵，跟蹤車輛運(yùn)行軌跡組織貨物運(yùn)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(lǐng)域都能看到應(yīng)用。該技術(shù)以多傳感器信息融合技術(shù)為理論基礎(chǔ)，但由于視頻監(jiān)控需求的多樣性，實(shí)際應(yīng)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(fù)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。