书名:智能物联安防视频技术基础与应用
ISBN:978-7-115-64152-6
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编 著 王豪博
责任编辑 秦 健
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本书深入浅出地介绍了智能物联安防的相关知识,内容涵盖智能物联安防基础、音视频基础、网络摄像机、网络传输技术、视频存储技术、视频大屏系统、安防云、人工智能安防、视频监控综合管理系统软件、安防安全、物联网与安防监控,以及安防监控工程规范等多个方面。此外,本书探讨了当前热门的物联网与安防监控整合应用,并展望了智能物联未来的发展方向。本书既有理论深度,又有实践应用,旨在帮助读者全面了解智能物联安防领域的动态和技术进展,为相关从业者提供有益的参考和指导。
本书内容丰富,案例翔实,适合高等院校相关专业的师生、视频监控系统从业者、安防行业从业者、设计院与政府相关部门工作人员及运维人员阅读。
我与本书作者相识已近二十年,在科技领域内我们相互扶持,共同成长。作者凭借其在安防领域的多年深耕,以及对专业知识的深厚积累和丰富的实战经验,逐渐在安防视频技术领域崭露头角,成为一位广受认可的资深专家。他深刻理解理论与实践相结合对安防行业发展的重要性,因此将多年的行业洞察和深刻理解毫无保留地倾注于这本《智能物联安防视频技术基础与应用》,旨在为读者提供一份宝贵的知识财富。
这本书不仅介绍了安防视频技术的基础和应用,更是一本具备实战指导意义的宝典。从声光电物理原理的基础到信号采集、芯片技术的详细介绍,从数据帧处理到网络传输编解码的深入剖析,从视频码率优化到安防系统存储的全面探讨,这本书都进行了详尽而系统的阐述。此外,作者还结合自己多年的实战经验,从安防设备的选型、工程实施与项目管理的角度,为读者提供了宝贵的实践指南。
更值得一提的是,这本书还涉及了平台系统设计、视频数据与人工智能应用的融合,以及多个行业场景的实践案例。从系统架构设计到网络安全等保测评的探讨,这本书展现了极高的专业性和实用性。这种全面而深入的内容安排,使得这本书不仅适合作为视频安防领域爱好者和新入行者的入门教程,也适合作为安防领域的从业人员、分析人员和研究人员的实战指南。
我相信,无论是对于初学者还是有一定经验的从业者,这本书都具有极高的参考价值。它不仅能帮助他们更好地理解和掌握安防视频技术,还能指导他们在实际工作中运用所学,提升工作效率和水平。因此,我强烈推荐这本书给所有对安防视频技术感兴趣或从事相关工作的人。
孙宇
加州州立理工大学计算机系终身教授
范德堡大学计算机系终身教授
Coding Mind公司创始人
AIoT(人工智能物联网)融合AI(Artificial Intelligence,人工智能)技术和IoT(Internet of Things,物联网)技术,通过物联网产生、收集海量的数据并存储于云端、边缘端,再通过大数据分析,以及更高形式的人工智能应用,实现万物数字化、万物智联化。在安防视频监控系统中,物联网技术主要体现在对视频感知系统的应用方面。视频感知系统是物联网感知体系的重要组成部分。物联网通过前端感知系统的数据采集,经过传输网络的数据汇总,进而实现海量感知数据的应用,同时促进安防系统逐步从单纯的安防视频监控向行业安全和可视化管理方面转变,相应的架构也从简单孤立的系统向与业务密切相关的综合性管理系统演变。
安防1.0:产品
安防1.0时代以硬件产品为核心。这种类型的企业以大规模制造安防产品为主、软件为辅,在整个产品线中硬件所占的比重远高于软件,甚至部分企业以免费提供软件服务的方式来提高硬件的销售量。在这种模式下,产品分散而不集中,一家企业不能生产和制造一个系统需要的所有类型的产品。产品的生产企业各有侧重点,所开发的产品的技术核心仅限于局部的创新或发明。就企业所生产的产品而言,其他企业也可以生产、仿造或者跟进。
安防2.0:解决方案
● 产品与系统解决方案。一家企业可以提供一个系统所需的全部产品,并能够形成一个完整的系统。如果一家企业可以针对一个需求提供对应的所有产品,它就是一家系统解决方案提供商。尽管部分企业无法提供一个系统所需要的全部产品,但系统所缺少的产品可以由第三方提供。
● 行业解决方案。针对某种特定的行业或市场而开发的产品或服务称为垂直市场。典型的垂直市场包括平安城市、智能交通、智能建筑、金融、司法、校园、医疗、能源、商业零售等。针对垂直市场,不管有什么样的应用和需求,若一家企业可以提供所需要的全部产品,而且是很有针对性的产品,那么这家企业可以称为行业解决方案提供商。
安防3.0:一体化的视频服务
安防 3.0 时代是智能时代。人工智能是最具代表性的技术符号,整个安防行业都将围绕感知、识别、筛选、分析来深挖。安防3.0时代之前都是被动防范阶段,而安防3.0时代正式宣告安防进入主动预警、防范,甚至事中干预阶段。
安防行业已在信息的采集、传输、存储方面做了很多工作,从摄像机、高清联网到大数据中心。安防企业在前 3 个环节已经出色地完成使命,但却在信息的分析与计算及信息反馈关键点投入较少。这两个关键点是人工智能的应用天地,也是人工智能在整个安防行业的核心价值体现。这也是本书将深入探讨的。
全书分为14章。第1章主要介绍视频监控系统的发展历程及视频监控技术的发展方向;第2章主要介绍音视频的基础知识;第3章~第6章主要介绍网络摄像机、网络传输技术与视频存储技术等知识;第7章介绍安防云的相关知识;第8章围绕人工智能的基本概念、技术原理和安防应用进行介绍;第9章介绍视频监控综合管理系统软件的相关知识;第10章介绍安防安全的相关知识;第11章介绍物联网与安防监控结合的相关知识;第12章介绍安防监控工程规范;第13章介绍与智能物联相关的行业应用案例;第14章介绍智能物联未来的发展方向。
● 系统:本书内容不仅覆盖前端、传输与后端平台系统,而且包含工程实施、国家标准与行业应用案例分析等,可以为行业人员提供完整、系统的技术体系。
● 精练:在阐明理论知识的同时辅以相应的实践应用案例,为读者提供系统设计、应用、维护案例参考,力图达到以极简篇幅涵盖智能物联安防的主流应用知识体系的目的。
● 新技术、新产品和新方案:本书对高清监控的各个环节,尤其是视频智能分析、视频编解码技术、云计算、物联网和大数据等都有阐述;有针对性地让读者更加深入地了解行业主流产品和发展趋势;相关案例,如智慧工地、智慧森林防火、智慧社区、雪亮工程都是经典应用;对5G、云原生、数字孪生、数据中台、AR/VR等新兴技术与安防视频监控的结合应用进行了探讨与发展趋势分析。
本书以普及视频监控系统、人工智能基础技术为目的,不涉及具体的技术细节探讨、硬件的具体设计或者编程实践,主要面向高等院校相关专业的学生、视频监控系统从业者、安防行业从业者、设计院与政府相关部门工作人员及运维人员。
由于作者的水平有限,加上编写时间仓促,书中难免存在疏漏,恳请读者批评指正。如果你有更多的宝贵意见,欢迎通过出版社与作者取得联系,期待能够得到你们的真挚反馈。
王豪博
要感谢的公司与个人太多了,没有你们的大力支持和帮助,本书不可能顺利出版。
感谢海康威视、大华股份等企业为本书提供的相关技术、产品和解决方案。尤其是本书最后介绍的案例都是近些年与这些企业合作完成的优秀商业案例。
感谢华为“火花奖”获得者、青年科学家江泽鑫为本书出版提供的非常有建设性的意见与帮助。
感谢人民邮电出版社的编辑团队为本书出版给予的专业指导与帮助。
感谢这些年在一个又一个物联网安防类项目中一起奋斗过的“云视”团队成员,他们分别是陈戈、晏昕、杨建浩、祝庆丰、覃荣华、徐文鑫、彭长生、汤建华、宫艳超、黄家浚、魏利浩和许自超等。
当然,还有一些人是需要特别感谢的。感谢我的家人,没有你们的理解和支持,我无法安静写作。这本书献给你们!
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人类可以通过视觉、嗅觉、听觉、味觉及触觉来感受外界的信息,其中大约85%的外界信息是通过视觉刺激获取的。视频图像技术在现代社会中有广泛的应用,如机器视觉、视频监控、高清广播电视、视频会议等,每种应用都会根据不同的需求衍生出不同的系统。
视频监控系统在传统意义上是安全防范系统的重要子系统,广泛应用在平安城市、智能交通、智慧环保等领域。随着人工智能、物联网、5G/6G通信、图像压缩等技术的飞速发展,视频监控技术呈现多元化、行业化的发展趋势。
本章首先对安防行业进行介绍,然后回顾视频监控系统的发展历程,最后结合业界主流厂商的技术和解决方案展望视频监控技术未来的发展方向。
安防,可以理解为“安全防范”的缩写。所谓安全,就是没有危险、不受侵害、不出事故;所谓防范,就是防备、戒备,而防备是指做好准备以应对攻击或避免受害,戒备是指防备和保护。安防系统其实由多个系统组合而成,根据公安部及全国安全防范报警系统标准化技术委员会(简称全国安防标委会)制定的安防行业国家标准《安全防范工程技术标准》
(GB 50348—2018)的定义,安防系统主要包括以安全防范为目的,利用各种电子设备构成的系统。安防系统通常包括入侵和紧急告警、视频监控、出入口控制、停车(库)场安全管理、防爆安全检查、电子巡查、楼宇对讲等子系统。安防系统构成如图1-1所示。
图1-1 安防系统构成
其中,视频监控系统是社会应用最广泛的安防子系统,它承担现场图像的实时监控、视频存储与取证以及人员与行为的智能分析与识别等功能,是安防系统中重要的构成部分。该子系统与其他子系统紧密结合,如门禁一卡通系统、电子巡更系统、信息发布系统等,构成了一个严密的安全防范系统工程。
常见的安全防范手段有人力防范(简称人防)、物体防范(简称物防)和技术防范(简称技防)3种。其中,人防和物防是传统防范手段,它们是安全防范的基础。随着科学技术的不断进步,这些传统防范手段也不断融入新科技的内容。技防是在近代科学技术用于安全防范领域并逐渐形成独立防范手段的过程中所产生的一种新的防范概念。
安全防范的3个基本要素是探测、延迟与反应,如图 1-2 所示。探测是指感知显性和隐性风险事件的发生并发出告警信息;延迟是指延长和推延风险事件发生的进程;反应是指组织力量为制止风险事件的发生而采取的行动。
图1-2 安防的3个基本要素
在安全防范的3种手段中,要实现防范的最终目的,都要围绕探测、延迟、反应这3 个基本要素开展工作、采取措施,以预防和阻止风险事件的发生。探测、延迟和反应3个基本要素之间是相互联系、缺一不可的关系。探测要准确无误,延迟时间长短要合适,反应要迅速。
视频监控是安防产业链中最重要的链条之一,其产值在安防产品中占比过半,是安防产业链中产值最大、行业发展最快的子行业。从技术演进来看,以视频监控技术的发展为轨迹,视频监控子行业主要经过模拟标清时代、网络数字高清时代和数据智能时代3个发展阶段,并正在快速向新一代智能物联的发展方向演进。表1-1展示了视频监控的时代特点。
表1-1 视频监控的时代特点
发展阶段 |
总体特征 |
核心技术 |
应用架构 |
系统架构 |
思维模式 |
---|---|---|---|---|---|
模拟标清时代 |
看得见 |
模拟标清 |
小规模联网 |
级联式 |
项目思维 |
网络数字高清时代 |
看得清 |
数字高清 |
大规模联网 |
层级式 |
系统思维 |
数据智能时代 |
看得明、透、懂 |
数据智能 |
云服务 |
分布式 |
互联网思维 |
智能物联时代 |
看得明、透、懂,全方位 |
数据融合 |
云服务 |
分布式 |
大数据思维 |
视频监控起源于CCTV(Closed Circuit Television,闭路电视)。最早的视频监控由摄像机通过视频线点对点连到监视器,这一时期视频监控的典型特征是“监视基本靠瞅”“存储基本没有”,还不能称其为一个完整的视频监控系统。
随着技术的发展,视频监控系统开始更新换代,逐步形成包含“视频采集—网络传输—控制切换—视频存储—视频显示”的完整系统,这个系统可以称为模拟闭路电视监控系统。
模拟闭路电视监控系统由多种模拟设备组合而成。系统由“前端设备”和“监控中心设备”两部分组成:前端设备包括摄像机、云台、解码器等;监控中心设备包括监视器(电视墙)、视频分割器、切换矩阵、控制键盘、盒式录像机(Video Cassette Recorder,VCR)等。这两部分设备由视频线、控制线等连接,如图1-3所示。模拟闭路电视监控系统在当时技术成熟、性能稳定,短距离实时性好且图像清晰,但是由于整个系统采用模拟信号机制,在长距离传输、存储容量等方面存在天然劣势,例如多级级联接力后视频图像质量显著降低(长距离传输信号衰减大)、大规模视频源的控制与管理困难(连接线数量多,施工及维护风险大)、数据存储和调用困难(模拟信号存储量大,磁带易受潮、粘连)、与信息系统无法交换数据(与计算机和网络系统无法结合)。以上劣势导致这个阶段的视频监控系统规模小,主要适用于小范围的区域监控。
图1-3 模拟闭路电视监控系统组成
网络数字高清时代,摄像机内置Web服务器,并直接提供以太网端口。这些摄像机生成JPEG或者MPEG4数据文件,可以供任何经授权的客户端从网络中任何位置访问、监视、记录,而不是生成连续模拟视频信号形式的图像。网络数字高清时代的视频监控系统具有以下优势。
● 简便性。所有摄像机都通过经济高效的有线或者无线以太网简单连接到网络。用户能够利用现有局域网基础设施。用户可采用5类网络电缆或者无线网络方式传输摄像机输出图像以及水平、垂直、变倍(PTZ)控制命令(甚至可以直接通过以太网提供)。
● 强大的中心控制能力。一台工业标准服务器和一套控制管理应用软件就可以运行整个视频监控系统。
● 易于升级及全面可扩展;可以轻松添加更多摄像机。中心服务器能够方便升级到更快速的处理器、更大容量的硬盘驱动器及更大的带宽等。
● 全面远程监视。任何经授权的客户端都可以直接访问任意摄像机,也可以通过中心服务器查看监视图像。
● 坚固冗余存储器。可同时利用SCSI、RAID备份存储技术永久保护监视图像不受硬盘驱动器故障影响。
网络数字高清时代的视频监控系统的组成如图1-4所示。
图1-4 网络数字高清时代的视频监控系统的组成
自2004年起,我国启动全国“平安城市”建设和“科技强警示范城市”建设,引爆了网络数字高清时代安防视频监控新一轮的技术变革。在这个阶段,全国各主要城市均开始建设以视频监控指挥中心为核心的安防系统,这个系统要求实现“统一指挥、多级联网、分布式管理、多点监控”等需求。这些需求促使安防视频监控围绕架构技术快速变革,迅速引入IT领域成熟的联网、数据集中、SOA等理念,以IT重构视频监控系统的整体架构。
近些年,随着国内平安城市基础设施建设基本完成,安防视频监控系统迅速进入以数据为核心、情报驱动的信息化应用建设阶段。在这个阶段,如何更高效地收集、分析和使用价值数据成为重点。简单来说,安防视频监控开始由“看得见”(标清、联网)、“看得清”(高清化)向“看得懂”(智能分析)转变。安防应用由事后的调查取证向事前的分析、总结、预警、演练,以及事中的跟踪、指挥、调度、协调、配合、沟通等方面扩展。
此阶段,安防监控行业基本上由信息获取阶段开始进入信息使用阶段。数据智能时代的安防系统已经不仅仅是一个简单的视频监控系统,它已经扩展成集各行业业务管理、数据传输、视频、告警、控制于一体,可以实现海量数据存储、智能分析的智能化综合管理平台。数据智能时代的安防系统的组成如图1-5所示。
图1-5 数据智能时代的安防系统的组成
智能物联时代,以GPU、图像智能识别算法为核心的智能分析技术使得价值数据能够快速被挖掘和提取。这种方式具有价值数据数量大、格式灵活(如图片、表、元数据等)等优点。物联网技术的应用使视频监控的数据来源更加多元化,从传统的图像、图片信息扩展至MAC、RFID等信息。这些变化导致视频监控系统的数据形态发生了重大转变,从非结构化数据演变为海量的结构化、半结构化、非结构化数据混杂的形态,这需要兼容多种数据格式的海量存储系统。
数据存储后,更重要的是对这些数据进行数据挖掘。新一代视频监控系统涉及的信息规模庞大,表面上无序,实则暗含无数人、车、物的行为关系。在利用大数据技术进行数据挖掘的过程中,涉及海量数据的多维度关联分析,如基于时空关系(位置和时间)的分析,未来会利用人工智能进行更深层次的逻辑分析(如人员异常聚集、可疑行为分析等)。
挖掘价值数据的最终目的是为客户所用,因此伴随价值数据而生的是各种业务应用,例如,视频应用、人像应用、车辆应用、多维数据应用等。当前这些应用主要以独立子系统的方式建设,最后通过上层业务进行拉通。这种“烟囱式”的建设模式导致各业务系统独占资源(如计算、存储等)。为了保证业务的运行,在系统建设初期和扩容时均需要按照峰值负荷对各种资源进行配置(业务实际上都存在波峰、波谷),这样就带来了一个问题:在大多数情况下,大部分资源(尤其是计算资源)闲置而没有得到充分利用。智能物联时代利用云计算技术则可以有效解决这一问题,提高资源利用率和管理水平。
总之,智能物联时代视频监控安防的特点是能够全面看、自动看、关联看:全面看,即视频图像一体汇聚、全网共享,大范围内多维数据跨系统、跨区域共享;自动看,即高密度、高算力、多算法框架、千亿级图片秒级检索,算得快、比得准;关联看,即视频大数据与社会、网络、政务、警务大数据等资源进行碰撞分析,实现“图事件关联”“人脸、车辆、手机等多轨合一”等应用。
我国的安防行业是随着社会主义市场经济的发展而逐步成长起来的,在国民经济迅速发展、人民生活水平日益提高的推动下,人们对安全的需求日益增长,对安防的认识也越来越深。
特别是“国家应急体系”“平安城市”“平安建设”“科技强警”“智慧城市”等重大工程项目在全国的展开,以及“2008年北京奥运会”“2010年上海世博会”“2010年广州亚运会”等重要国际活动在我国举办,促进了安防行业迅速发展,安防行业呈现出蓬勃发展的良好势头。
经过数十年的技术创新和不断发展,我国的安防行业已经形成集研发、生产、销售、工程与系统集成、告警运营与中介服务等于一体的朝阳产业。安防产品涉及保安告警服务、CCTV视频监控、防盗告警、楼宇对讲、智能家居、生物识别、智能交通、智慧城市等诸多领域。
视频监控产业链是指从上游的芯片和其他关键零部件研发制造到中游的人工智能安防软硬件产品设计制造,再到中下游的系统集成、运维服务的产业链条,如图1-6所示。除了上游厂商的角色相对固定以外,中游与下游厂商在产业链中的界限比较模糊,安防厂商、人工智能公司、云服务厂商都可通过集成商渠道或直客模式向客户提供标准化或定制化的产品与服务,部分集成商也可直接向客户提供与人工智能安防相关的部分硬件产品和软件技术乃至后期运维服务,各角色相互之间的合作与竞争关系较为复杂,产业链开放程度较高。
图1-6 视频监控产业链
随着技术的进步,视频监控技术围绕“采、传、存、显、控”5个基本功能点不断演进,目前在以下方面的发展速度较快。
视频监控技术一定会不断地追求更低带宽传输和更高清晰度的视频图像。而视频监控中的超高清应用也是AI应用的基础。智能技术的人脸识别、步态识别等生物识别技术受到分辨率的限制。而超清技术的加入可以大大缩小这一领域的缺陷。随着新一代编解码标准的商用,4K/8K 技术在传输、成像方面的突破,特别是对于传感器性能的优化将在很大程度上缓解这一问题。
视频编码技术沿着更高压缩率的方向发展。在IP网络监控系统中,视频以流媒体数据的方式在网络上传输,由于原始视频流占用的网络带宽非常大,因此需要将视频进行压缩,以达到在保持一定清晰度的条件下尽量减少带宽占用的目的。视频编码压缩的标准也由早期的H.263标准向H.264、H.265标准,以及基于6G移动通信,通过VR(Virtual Reality,虚拟现实)和AR(Augmented Reality,增强现实)技术构建的超级虚拟世界“元宇宙”时代的H.266标准演进。
对于安防行业,人工智能的最大价值在于视频结构化技术为“大量视频进行智能分析并实现事前预警”提供的帮助——这实际上是人工智能企业为安防行业客户提供的主要服务和盈利点。“人工智能 + 安防”要解决的将不再是人与人之间、人与车之间的结构联系,而是能自主判断“你是谁”。相信在不久的将来,人工智能技术将会取代众多传统的安防技术,整个安防行业将处于比拼核心技术的关键节点。
任何一种技术的成熟都离不开标准化,视频监控技术也不例外。国际/国家公认的协议标准将覆盖整个生态链,实现不同厂家设备、不同应用系统的互联互通、统一管理和统一调度。未来视频监控的标准化会随着时代的发展不断进步和完善。
由于网络技术不断进步,以及网络视频监控摄像机与视频存储相分离的特点,网络摄像机的接入方式将多种多样,如无线网络Wi-Fi 6/Wi-Fi 7、4G/5G/6G、EPON/GPON/AON(全光网络)等高性价比“最后一千米”的接入方式将实现视频监控技术的“无处不在”。
人工智能安防芯片国产化。随着国际芯片出口限制持续加码,国内企业及时做了适应性调整,诸多芯片的国产化替代方案发挥了重要作用,让安防“缺芯”影响减弱,保持产业链的稳定供应。
AI智能处理“云 + 边缘节点”将成为业内主流的解决方案,即前端摄像机和后端系统均设有人工智能功能。前端摄像机可以实时对大部分视频数据进行结构化处理,例如,设置在交通路口的摄像机可以提取车牌、车型等汽车信息和乘客数量及是否系安全带等乘客信息并回传数据中心。小部分不容易识别的视频数据才会由后端系统处理。
安防后端系统“云”化,前端产品“端”化。安防系统“端云”架构如图 1-7 所示。后端系统“云”化,使安防淡化了集成的概念,压缩了中间环节,并催生安防运营服务的新业态;前端产品“端”化,使安防前端产品不再是单纯采集数据的设备,而是依据应用场景的不同从“云”端按需下载服务。人工智能技术促使前后端计算资源快速云化整合,实现基于可视化的全面感知系统、互联互通的视频云平台。虽然前后端融合不是人工智能出现后才带来的变化,但基于人工智能应用,云边融合成为“人工智能 + 安防”行业正在发生的趋势之一。
图1-7 安防系统“端云”架构
早期的安防系统通常是“一套设备及系统通用于各个行业,仅在设备配置及系统架构方面进行优化”。未来安防系统为满足不同行业特殊化、定制化的需求,通常需要在硬件、软件平台和架构方面进行针对性设计、开发与部署,以最大化发挥安防系统的功能。目前在部分行业已经有所体现,部分厂商已经针对不同行业提出真正的行业化解决方案。
深度融合应用的基础是视频监控联网平台、视频解析平台、视频图像信息数据库及城市管理基础信息数据平台(由这些设施组成的平台也被称为“一标三实”网格化系统),而这些设施中的数据都能够和3D、AR、VR相结合。例如,可以将多维数据直接内嵌到三维地图中,通过 AR 方法将视频内嵌到地图中,实现可视化实时城市画面,也可以通过VR技术将各类数据直接投射到人眼中,实现信息数据的及时获取。
随着安防行业的发展,视频监控成为各行业和领域广泛采用的工具,并且越来越多的行业将视频用于合规性目的。随着终端智能化的普及、多维数据的融合、“端边云”协同的出现,安全可信的产品和解决方案是未来发展的趋势。