李嘉禾　袁磊

摘 要：為了解決傳統(tǒng)安防系統(tǒng)耗費(fèi)時(shí)間和人力、自動(dòng)化程度較低、預(yù)警效果差等諸多問(wèn)題，文章提出了構(gòu)建基于中位數(shù)算法的樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠穩(wěn)定，各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)，可以有效地實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)情況下的預(yù)警，能滿(mǎn)足當(dāng)下樓宇安保的智能化要求。

關(guān)鍵詞：樓宇預(yù)警；中位數(shù)算法；特征提??；目標(biāo)檢測(cè)；智能安防系統(tǒng)

引言

隨著人民生活品質(zhì)的日益提高，人們對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題也日益關(guān)注，在大型商場(chǎng)、賓館、圖書(shū)館、辦公樓、居民住宅等樓宇安裝預(yù)警裝置成為重要的安保設(shè)施。這些安保設(shè)施保障著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。樓宇預(yù)警系統(tǒng)主要是針對(duì)樓宇出入口、內(nèi)部過(guò)道以及一些重要場(chǎng)所進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并向安保人員發(fā)出預(yù)警信息。特別是在無(wú)人值守的情況下，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)出樓宇等重要場(chǎng)所情況，是智慧預(yù)警系統(tǒng)的功能之一[1]。網(wǎng)絡(luò)化、便于操作和管理、系統(tǒng)成本低廉、能夠自動(dòng)報(bào)警并且自動(dòng)收集到相關(guān)的信息，是樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)的主要特征[2]。

傳統(tǒng)的安防系統(tǒng)存在耗費(fèi)時(shí)間和人力、自動(dòng)化程度較低、預(yù)警效果差等諸多問(wèn)題。而隨著通信技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，樓宇的智慧預(yù)警系統(tǒng)變得易于實(shí)現(xiàn)。文章提出構(gòu)造基于中位數(shù)原理的樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)，在既有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持下，通過(guò)改進(jìn)軟件提高樓宇安保系統(tǒng)的智能化程度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、圖像顯示、預(yù)警決策和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的軟件系統(tǒng)，大大解放了人力，提高了效率和準(zhǔn)確率。

1 系統(tǒng)的方法與理論

基于中位數(shù)原理的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)：

（1）中位數(shù)的穩(wěn)定性

中位數(shù)是統(tǒng)計(jì)分析中常用的一個(gè)非常重要的數(shù)值特征。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，通常利用樣本中位數(shù)，即次序統(tǒng)計(jì)量X1，…，Xn的中位數(shù)來(lái)表示隨機(jī)量的特征。當(dāng)n=2k+1為奇數(shù)時(shí)，中位數(shù)為Xk+1；當(dāng)n=2k為偶數(shù)時(shí)，中位數(shù)為（Xk+Xk+1）/2。與均值相比，中位數(shù)不易受到極端數(shù)據(jù)，即偏大或偏小數(shù)據(jù)的影響，有很好的主體數(shù)據(jù)（或稱(chēng)大部分?jǐn)?shù)據(jù)）的特性。因此基于中位數(shù)的抗差估計(jì)具有良好的穩(wěn)健性[3]。

（2）利用中位數(shù)求背景圖像各像素點(diǎn)的顏色灰度值

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)配置

結(jié)合實(shí)際的樓宇建筑情況，文章中的樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，分為上位機(jī)和下位機(jī)[5]，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

上位機(jī)主要完成下位機(jī)各模塊的通信與控制，并負(fù)責(zé)接收下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口與下位機(jī)進(jìn)行通信。

下位機(jī)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、圖形顯示、預(yù)警決策和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊，當(dāng)下位機(jī)各模塊與上位機(jī)正常通信后就可以接收從上位機(jī)傳遞來(lái)的控制命令，下位機(jī)根據(jù)控制命令完成相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)各模塊功能。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

文章中樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)的核心是監(jiān)控視頻文件的讀取和處理、視頻的幀處理和特征提取等功能的實(shí)現(xiàn)，下面詳細(xì)介紹這兩大核心功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2.2.1 視頻文件的讀取

樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)首先要對(duì)原始監(jiān)控視頻進(jìn)行讀取和處理，這是數(shù)據(jù)采集的過(guò)程，以便于后續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而為系統(tǒng)做出控制決策提供依據(jù)。

如圖2所示，系統(tǒng)首先選取了一個(gè)示例監(jiān)控視頻文件，執(zhí)行讀取操作后，每一幀的紅、綠、藍(lán)三元色的灰度值即可被儲(chǔ)存下來(lái)，進(jìn)而可對(duì)該視頻文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并獲取相關(guān)信息。

2.2.2 圖像的特征提取

樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)讀取了視頻文件并獲取到相關(guān)信息后，開(kāi)始對(duì)視頻進(jìn)行幀處理和特征提取，如圖3所示，系統(tǒng)截取了監(jiān)控視頻00：00：00時(shí)刻的圖像并開(kāi)始提取圖片的特征值。

通過(guò)查看圖像大小可知該圖像上有240×360個(gè)像素點(diǎn)，文章中，系統(tǒng)采用中位數(shù)算法求得各像素點(diǎn)的顏色灰度值即可完成特征提取，幀處理軟件將按照用戶(hù)指定的路徑保存處理后的圖片。用同樣的方法可以得到背景圖像的相關(guān)顏色灰度值數(shù)據(jù)，再把每一幀與背景圖像作差，即可得到每一幀上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

2.2.3 目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

圖4是原始圖片和經(jīng)過(guò)特征提取并描邊后圖片的對(duì)比圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行較為精確的辨別，圖像區(qū)分效果達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

3 系統(tǒng)的試驗(yàn)與驗(yàn)證

文章所采用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為從2015年1月1日至2015年1月7日一周的監(jiān)控視頻。按照上面所闡述的處理方法，首先將監(jiān)控視頻文件讀入系統(tǒng)中，并采用基于中位數(shù)的特征提取方法，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)功能，進(jìn)而根據(jù)不同的情景設(shè)定進(jìn)行圖形顯示和預(yù)警決策。試驗(yàn)過(guò)程中，文章定義和統(tǒng)計(jì)了相關(guān)測(cè)試指標(biāo)，并根據(jù)測(cè)試指標(biāo)得出樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)的正確率、誤報(bào)率、漏報(bào)率等定量數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣。

測(cè)試中主要對(duì)如下數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄[6]：（1）開(kāi)始時(shí)間：使用樓宇智能預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行模擬報(bào)警的時(shí)間；（2）報(bào)警時(shí)間：系統(tǒng)接收到報(bào)警信號(hào)，開(kāi)始把報(bào)警信號(hào)發(fā)送到預(yù)警平臺(tái)的時(shí)間；（3）發(fā)送時(shí)間：系統(tǒng)成功發(fā)送報(bào)警信號(hào)到網(wǎng)絡(luò)或電信平臺(tái)的時(shí)間。

按照預(yù)定情景測(cè)試后，開(kāi)始時(shí)間與報(bào)警時(shí)間的平均時(shí)間間隔為0.4秒，開(kāi)始時(shí)間與發(fā)送時(shí)間的平均時(shí)間間隔為5.1秒，說(shuō)明該系統(tǒng)反應(yīng)迅速，可以有效地對(duì)危險(xiǎn)情景進(jìn)行報(bào)警。此外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)后的七日測(cè)試數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確率為81%，誤報(bào)率為16%，漏報(bào)率3%。根據(jù)以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)的漏報(bào)率較低，可以有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)警的功能。

經(jīng)過(guò)分析相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境對(duì)于預(yù)警的誤報(bào)率和漏報(bào)率有很大的影響，尤其是傍晚日光逐漸昏暗和早晨陽(yáng)光逐漸強(qiáng)烈這兩個(gè)時(shí)間段，由于測(cè)試環(huán)境光線的強(qiáng)烈影響，測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)一定偏差。從整體性能來(lái)看，智慧預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，信道傳輸準(zhǔn)確，聯(lián)動(dòng)報(bào)警響應(yīng)迅速，信息反饋及時(shí)有效，報(bào)警信息處理平臺(tái)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章重點(diǎn)介紹了支撐樓宇智慧預(yù)警系統(tǒng)的理論算法和軟件設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可以有效地實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)情況下的預(yù)警，有效解決了傳統(tǒng)樓宇安保系統(tǒng)存在的問(wèn)題，能滿(mǎn)足當(dāng)下樓宇安保的智能化要求。今后將繼續(xù)研究樓宇預(yù)警的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，使預(yù)警系統(tǒng)能更加及時(shí)、可靠地保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：李嘉禾，北方交通大學(xué)附屬中學(xué)。