OneAPM大講堂 | 基於圖像質量分析的攝像頭監控系統的實現

今天我們要介紹的技術很簡單，請看場景：

你在家裏安裝了幾個攝像頭想監視你家喵星人的一舉一動，然而，就在喵星人準備對你的新包發動攻擊的時候，圖像忽然模糊了。畢竟圖像模糊了之後你就無法截圖回家和喵當面對質了啊。

請問如何才能避免這一狀況的發生?

請看下文。

摘要： 隨着現代化建設的加快，從銀行、交通、軍隊等特殊領域到社區、學校、商城等各行業都安裝了攝像頭監控平臺。但隨着監控攝像機數量的不斷增長，也給視頻監控系統維護工做帶來了嚴峻挑戰。視頻質量診斷系統經過捕獲圖像，應用計算機視覺算法，對視頻圖像出現的噪聲、模糊、偏色、信號缺失等常見攝像頭故障作出判斷及告警，對攝像頭產生及時保護的做用。

1. 概述

視頻質量診斷系統是一套智能化視頻故障分析與預警系統，能夠對前端傳回的視頻圖像進行質量分析判斷，能對視頻故障作出準確判斷併發出報警信息。視頻診斷系統採用先進的科學的視頻質量診斷技術，應用計算機視覺算法，對視頻圖像出現的模糊、雪花、偏色、噪聲、增益失衡和雲臺失控等常見攝像機故障，作出準確判斷併發出報警信息。該系統還能夠檢測異物遮擋和亮度異常等狀況，有效地預防因圖像質量問題所帶來的沒必要要的損失，並及時檢測破壞監控設備的不法行爲。視頻質量診斷技術爲後繼的視頻分析、處理提供了保障。

視頻質量診斷系統做爲視頻分析技術在安防領域的革新，是應用相對廣泛的一種產品。在視頻監控設備日益增多的今天，其在監控系統中的應用，必然更加有利於幫助用戶快速掌控前端設備運行狀況，輕鬆維護大型的安防系統。

2. 視頻質量診斷系統架構

2.1 監控設備

支持設備：海康威視攝像頭、大華攝像頭等

2.2 監控方式

部署：以下圖Figure 1所示，咱們可在不一樣區域或分公司部署分佈式數據採集服務器，再統一由 Portal 入口瀏覽資源健康的情況，實現 IT 資源統一的監控管理。採集服務器橫向擴展監控能力知足企業監控資源的數量限制。

首先經過SNMP發現核心網絡設備及視頻設備鏈接的網絡交換機，造成基本的網絡主幹結構。而後經過Ping掃描經過網絡設備發現的子網，獲取全部可Ping通的IP地址列表。經過預設好的SDK參數(設備IP、設備端口、用戶名、密碼、上聯設備及接口)獲取對應視頻設備的各類狀態及信息。

 

Figure 1 監控原理示意圖

捕獲數據：咱們經過DCS採集器進行數據採集，咱們經過攝像頭的SDK開發包，能夠每隔一個時間段就對攝像頭的數據進行採集，經過圖像分析技術，診斷攝像頭可能存在的問題並及時對檢測結果進行反饋，流程圖以下。

 

Figure 2 取值流程圖

3. 關鍵技術

3.1 顏色異常檢測

因爲視頻線路接觸不良、外部干擾或攝像機故障等緣由形成的視頻中的畫面偏色現象;主要包括全屏單一偏色或多種顏色混雜的帶狀偏色。

主要方法是將RGB圖像轉變到CIE L*a*b*空間，其中L*表示圖像亮度，a*表示圖像紅/綠份量，b*表示圖像黃/藍份量。一般存在色偏的圖像，在a*和b*份量上的均值會偏離原點很遠，方差也會偏小;經過計算圖像在a*和b*份量上的均值和方差，就可評估圖像是否存在色偏。以下圖Figure 3所示，爲圖像的檢測結果。

 

Figure 3 色偏效果圖

3.2 亮度異常檢測

視頻中因爲攝像機故障、增益控制紊亂、照明條件異常或人爲惡意遮擋等各類緣由引發的畫面過亮、過暗等故障。

亮度檢測與色偏檢測類似，計算圖片在灰度圖上的均值和方差，當存在亮度異常時，均值會偏離均值點，方差也會偏小;經過計算灰度圖的均值和方差，就可評估圖像是否存在過曝光或曝光不足。

Figure 4 亮度檢測

3.3 噪聲檢測

視頻圖像中因爲高斯噪聲等引發的圖像佈滿雜亂的色點，從而影響視頻的監控。視頻圖像中一陣陣雜亂的飛點狀干擾致使的雪花等故障。

咱們定義4個方向的卷積模板，用圖像先和四個模板作卷積，用四個卷積絕對值最小值Min來檢測噪聲點。求灰度圖gray與其中值濾波圖median。噪聲點佔整幅圖像的比重較高說明噪聲已經影響了圖像的總體質量，此時咱們認爲該攝像頭已經存在故障。

Figure 5 噪聲檢測

3.4 畫面清晰度檢測

視頻中因爲虛焦、聚焦錯誤、鏡頭損壞引發的圖像模糊故障。該功能對實時視頻的畫面清晰程度作出評價，從而及時發現這種「圖像驟變」的故障。

衡量畫面模糊的主要方法就是梯度的統計特徵，一般梯度值越高，畫面的邊緣信息越豐富，圖像越清晰。須要注意的是梯度信息與每個視頻自己的特色有關係，若是畫面中自己的紋理就不多，即便不失焦，梯度統計信息也會不多，對監控設備失焦檢測須要人工參與的標定過程，由人告訴計算機某個設備正常狀況下的紋理信息是怎樣的。

能量梯度函數更適合實時評價圖像清晰度，該函數定義以下：

Figure 6 圖像模糊

4. OneAPM SI

OneAPM Si 是 OneAPM(藍海訊通)自主研發的跨平臺、支持多種中間件的 IT 綜合運維平臺， 能夠實現對服務器、網絡設備、中間件、數據庫、存儲、虛擬化以及大數據平臺等上千種產品的數十萬關鍵指標進行深刻監控並進行集中統一的可視化管理，可以有效預防問題的產生及快速幫助用戶定位故障，下降運維成本。同時採用豐富的多維度報表爲用戶決策提供數據支撐。

在攝像頭監控上，咱們有很好的模型平臺支持和相應的插件來分析，這樣在之後的升級中能夠很好的知足不少用戶的需求，可擴展性很高。首先，在攝像頭髮現上咱們提供便捷的方向方式，目前在攝像頭監控上，咱們平臺能夠提供很方便的發現方式和信息採集方式，能提供可用性分析、性能分析和基本的配置信息顯示(如Figure 9，Figure 10，Figure 11)。

 

Figure 9 攝像頭髮現_1

Figure 10 攝像頭髮現_2

Figure 11 攝像頭配置信息

另外，OneAPM Si 支持全網自動自動掃描，實時動態展示核心、接入、匯聚之間的邏輯關係，鏈路負載太高和設備健康度出現問題後，能經過不一樣顏色進行告知，咱們能夠經過攝像頭網絡拓撲和信息一覽表可以直觀的看到攝像頭的網絡部署和具體信息(如Figure 12，Figure 13)。

Figure 12 攝像頭網絡拓撲

Figure 13 拓撲設備一覽

並且，在對於每一個攝像頭的數據分析中，咱們主要對圖像的清晰度、噪聲、亮度和偏色進行檢測，因爲每個攝像頭所監控的環境不穩定性，咱們採用無監督圖像算法進行分析，能取得不錯的效果(如Figure 14)。

咱們經過其餘配置信息可以得到攝像頭監控保存的位置並能夠人工查看圖像信息進行二次鑑定，在攝像頭圖像質量監控中，有不少特殊狀況可能並不是攝像頭自己出了故障而發生告警，這中狀況不多見，經過二次鑑定能夠更準確的發現攝像頭的問題所在。咱們經過每隔一段時間採集數據分析攝像頭常出現的問題，下降維護成本，減小維護壓力(如Figure 15)。

Figure 14 攝像頭指標狀態

Figure 15 攝像頭通道列表

最後，就是咱們的告警機制，當攝像頭出現的故障已經達到告警要求，咱們就會對其分配的維護人員進行通知，OneAPM SI支持郵件、短信和微信企業號3種類型的告警方式，其中短信小到短信貓大到短信網關都可以支持，並且若是維護人員在必定時間內沒有處理掉這些告警的話還會進行告警升級，主動推送給上層管理人員進行解決(如Figure 16)。

Figure 16 告警發送

OneAPM Si 是 OneAPM(藍海訊通)自主研發的跨平臺、支持多種中間件的 IT 綜合運維平臺。能夠實現對服務器、網絡設備、中間件、數據庫、存儲、虛擬化以及大數據平臺等上千種產品的數十萬關鍵指標進行深刻監控並進行集中統一的可視化管理，可以有效預防問題的產生及快速幫助用戶定位故障，下降運維成本。想閱讀更多技術文章，請訪問 OneAPM 官方技術博客。

來源：http://blog.oneapm.com/apm-tech/807.html