基于双椭圆空间模型的校园视频监控高空抛物分析的应用

宁家锋

摘要 随着数字化视频监控系统的日渐成熟，视频监控系统逐渐被应用在校园安全保障当中。除了单纯的布防、监控，摄像头作为视频数据的采集入口，可以在后端通过软件分析完成很多其它的应用需求。以校园监控为应用场景，通过前端摄像头采集数据，后台软件可以双椭圆空间模型分析图像，进而对高空抛物进行判定。

[关键词]校园视频监控 高空抛物 灰度图双椭圆模型

我国对于学校安全的保障建设日趋重视，对于校园内部诸如人员踩踏、高空抛物等安全问题的发现、响应与存证都有着很高的需求。使用前端监控设备，结合后端实施软件分析，可以对高空抛物现象进行有效的发现、响应与存证。

1 高空抛物监测的需求

高空坠物按照掉落原因，可以分为坠落、碰落和抛落三种情形。其中存在主观恶意的往往是抛落现象。校园高空抛物现象，主要指的是校园楼层高处扔出来的各种生活垃圾、废弃物。针对这种现象，学校管理人员需要能够通过监控点位的安装，明确知晓物品是从哪件宿舍、窗口抛出，以便进行证据保存以及责任人的确认。常规立杆办法是从地面向上仰角监视和从天面层向下俯角监视。

另一方面，对学生宿舍窗口的监控势必涉及到宿舍内部环境及人员形象的入镜。处于对学生隐私的保护，要求监控布点既要达到高空抛物的来源辨识，又要避免对房间内部（包含晾台）的直接拍摄。

为了解决上述矛盾，需要对监控点位的合理布置，对宿舍楼进行高空抛物检测，做到实时预警、实时抓拍、支持多个目标并发监测、高空抛物事后取证等功能，便于校方对校园环境、学生、安全事故高效管理，避免发生安全事故和群体性事件。

2 高空抛物监测的信息化环境

2.1 前端攝像头

高空抛物模块视频数据来源是校园建筑周边安装的摄像头，需要根据实地情况进行安装。可以采用的前端安装点位可以采用分段式监控摄像机部署模式或平行楼宇辅助监控摄像机部署模式。通过前端采集设备，可实现对特定监控区域的视频监控，实现视频采集功能。支持多图像源采集，包括IP摄像头、USB摄像头、CCTV摄像头、视频文件等多种采集方式。采集到的视频可用于高空抛物检测，或者通过视频压缩，进行保存。可以结合时间、空间、目标特征等信息，把区域内所有的摄像头都关联起来，对特定目标进行跨摄像头跟踪。

2.2 分析后台

高空抛物的后台分析具有实时性要求。考虑到具体传输环境涉及视频网络和教育网络的安全性策略可能造成的网络延时性（约2秒），对于有实时性要求的使用单位，建议直接独立部署后台分析服务器。同时，由于分析服务器可以直接将报警信息展示在客户端上，分析服务器独立部署后，可以避免由于系统整体宕机造成的各视频分析全部失效的后果。

2.3 数据对接

高空抛物分析检测功能的实时视频流是通过流媒体服务器上获取，历史视频流是通过存储服务器或云存储上获取。具体获取方式支持通过网关协议GB/28181-2011接入。经过分析后输出的报警信息或检索结果存储于存储服务器上并发送给管理人员的客户端。

3 高空抛物分析原理

3.1 分析流程

采用帧差法结合时序模型和空间模型的方法，其核心原理是先将获取到的相邻两帧视频图片转换成用于检测的YUV颜色空间灰度图像，它只包含亮度信息，不包含色度信息[4]。然后再将这两帧转换成的灰度图像进行相减做前景背景初步分离，然后通过时序模型对分离出的前景目标进行存储，最终通过空间模型对存储的前景目标进行是否为高空抛物的判断。该方法效果的优劣依赖于建立空间模型算法的性能。

高空抛物检测过程分以下几个步骤：

（1）由高清摄像机获取实时视频流;

（2）将相邻两帧视频图像转换成灰度图;

（3）转换完成的灰度图进行相减，初步分离前景背景区域;

（4）利用时序模型将分离出的前景目标进行存储;

（5）建立空间模型，判断存储的前景目标是否为高空抛物;

（6）建立空间模型;

（7）针对高空抛物检测算法建立双椭圆模型，因为高空抛物轨迹多为自由落体运动轨迹，建立双椭圆模型符合自由落体运动的检测。

而作为干扰项，诸如树叶抖动，阳台衣物摆动以及人员行走等轨迹多为无规则运动轨迹或者水平摆动运动轨迹。

3.2 分析原理

双椭圆空间模型原理图（如图1所示）：图中菱形点代表高空抛物物体中心坐标点，位于笛卡尔坐标系最下方的菱形点为当前帧物体中心坐标点（centerx，center y），根据该点可以画出椭圆l，椭圆公式如下

frame width为视频帧的宽，a为椭圆半长轴长度，b为椭圆半短轴长度。剩下的菱形点均为时序模型存储的前几帧检测到的高空抛物中心点，第二个椭圆是依据当前帧的前一帧高空抛物中心坐标点，再根据椭圆公式得出的椭圆2。判断为高空抛物的准则是在椭圆1和椭圆2区域中存在的高空抛物轨迹点个数大于等于5，则画框标注当前帧菱形点为高空抛物物体（告警）;反之，则不是高空抛物不做标记。

3.3 分析效果

效果图如图2所示。

4 可实现的功能描述

在常规的校园视频监控系统当中，往往是通过服务器、网络、视频监控等多元化设备的联合，实现实时的监控效果。通过分析软件，可以实现更多的功能。比如：

（1）图像抓拍：通过报警消息的实时响应，抓拍当前发生报警时刻的图像画面。用于事后存档和记录。

（2）事件发生时间段视频调用查看：根据报警时刻的时间戳，自动关联对应时间段内的视频文件，供用户查看并回放发生时刻前后时间段的视频内容。

（3）抛弃物所在楼层、宿舍定位显示：根据视频分析的算法，自动关联物品抛洒对应楼层和宿舍的具体位置，进行定位的显示。

（4）多目标定位和检测：高空抛物算法支持视频画面内多目标的实时检测和定位。

（5）支持统计周期设定：用户可自定义设定视频分析的统计周期和时间段。

6 结语

本文针对学校高楼层可能存在的高空抛物现象，探讨了一种可实现的分析方法。该方法结合了预装的前段摄像头与后台的软件分析，实现基本实时的校园高空抛物的监测。通过该方法的应用，将大幅增加校园安保的响应速度与存证力度。

参考文献

[1]李晨，城市居住环境下高空坠物及建筑设计防坠措施研究[D].南昌大学，2007.

[2]邓子桓，邓祖培.高空抛物监控系统设计实测初探[J]，广州建筑，2013 （05）：16-20.

[3]张天骏.高楼抛撒物智能监控系统研究[J]，河南科技，2018（01）：24-25.

[4]谢渊东，基于3G网络的公安应急视频传输系统的设计与实现[D].东华大学，2016.

[5]郭卫兵，张效诗.校园视频监控系统的有效设计思路及应用研究[J].科技展望，2015，25 （10）：13.