工程建設人臉抓拍識別監控設計方法
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摘要：本文對人臉抓拍識別監控的成像設計與安裝設計進行了簡要分析，明確了在工程建設中，其監控寬度、監控距離、鏡頭焦距、安裝高度、俯視角等的設計方法。
1引言
從2016年開始，以視頻監控為主要建設內容的雪亮工程在全國鋪開建設，各地廣電運營商將其作為新業務的發展點，深入參與其中。目前，普通的高清監控隨著覆蓋率的提升，建設量逐漸減少，而標志著大數據、AI智能、邊緣計算的智能抓拍監控逐漸成為建設主流。2018年下半年至今，東方有線已先后在上海的青浦區、金山區、嘉定區、松江區、奉賢區等地區累計獲得十多億的智慧公安項目。傳統監控設計的主要關注點集中在監控的選點以及線路、電源、防雷等配套建設上，實際建設時，只要能保證畫面的清晰度，就能較好地完成建設目標。而對于智能抓拍監控，為了能夠準確地采集人臉、車輛的結構化數據信息，發揮優良的實戰效果，僅僅保證畫面的清晰度已無法滿足要求，智能抓拍監控的建設面臨新的挑戰。
2人臉瞳距的確定
《用于技術設計的人體測量基礎項目》（GB/T5703—2010）在頭部測量項目中規定人臉最大寬為左、右顱側點之間的直線距離；人臉瞳距為兩眼平視前方時，左、右瞳孔點之間的直線距離。根據《成年人頭面部尺寸》（GB/T2428—1998），中國男子頭最大寬平均值為154mm，其中90%位于145~164mm之間，瞳孔間距為60mm，其中90%位于58~63mm之間；中國女子頭最大寬平均值為149mm，其中90%位于141~158mm之間，瞳孔間距為58mm，其中90%位于55~62mm之間。本文在進行人臉抓拍識別監控的設計時，將以男子、女子頭最大寬的統計數據和男子、女子瞳孔間距平均值的較大值60mm作為設計依據。
3人臉抓拍識別監控的成像設計
在視頻監控工程的建設中，普通的高清監控主要以看清人的行為特征或者看清人的體貌特征為主，人臉抓拍識別監控則需要以看清人臉的細節特征為主。不同的應用目的，其成像的設計是不一樣的。監控攝像機的成像中，被攝場景的大小是以鏡頭至被攝場景的距離、鏡頭的焦距以及所要求成像的大小確定的。具體的成像公式為f/w=D/W或者f/h=D/H，其中：f為鏡頭焦距；w為成像寬度，即被攝場景在CCD/CMOS靶面上的成像寬度；D為被攝場景至鏡頭的距離，即攝像機到監控對象的距離；W為被攝場景的寬度；h為成像高度，即被攝場景在CCD/CMOS靶面上的成像高度；H為被攝場景的高度。工程建設中，鏡頭所成圖像需要將攝像機圖像傳感器（CCD/CMOS）全部覆蓋，即需要使用和攝像機同一規格的鏡頭或比攝像機規格大的鏡頭。不同的監控攝像機，其圖像傳感器的靶面大小也不同。在選定監控攝像機型號后，圖像傳感器CCD/CMOS的靶面尺寸也就固定不變了，即w與h已經固定。根據監控攝像機的成像公式，當監控的對象確定下來后，成像就由2個因素決定：攝像機鏡頭的焦距、攝像機到監控對象的距離。此時，攝像機的焦距與監控對象的大小成正比，攝像機到監控對象的距離與監控對象的大小成反比。即當D不變，f增大時，H及W減小，看到的監控場景變小，看到的監控對象變大，當f不變，D增加時，H及W變大，看到的監控場景變大，看到的監控對象變小。本文取人臉瞳距物理距離值為60mm，而在上海地方標準《上海市住宅小區智能安全技術防范系統要求》（DB31/T294—2018）中要求人臉采集像素的瞳距為60像素，所以實際物理距離與成像像素比值為1:1。現以某廠商最新200萬像素和800萬像素智能人臉抓拍攝像機為例，畫面成像像素分別為1920×1080、3840×2160。因此，為了保證人臉瞳距滿足要求，800萬像素人臉抓拍相機的成像畫面寬度應為3840mm，即W=3.84m≈4m。該設備的CMOS尺寸為1/1.8寸，即7.18mm×5.32mm，w=7.18mm，根據監控攝像機的成像公式f/w=D/W，可得：f=1.87D/1000，焦距f（mm）≈2D（m）。同理，200萬像素人臉抓拍相機的成像畫面寬度應為1920mm，即W=1.92m≈2m，CMOS尺寸相同，即w=7.18mm，根據監控攝像機的成像公式f/w=D/W，可得：f=3.74D/1000，焦距f（mm）≈4D（m）。由此，人臉抓拍識別監控的成像設計中，根據通道寬度、安裝位置、監控對象位置等現場情況，可以準確確定人臉抓拍攝像機和鏡頭的規格，明確監控寬度、監控距離和鏡頭焦距的設計值。
4人臉抓拍識別監控的安裝設計
智能人臉抓拍識別監控的主要作用是獲取高質量的正臉圖片，使人像攝像頭輸出的圖像質量能夠滿足后端動態人像應用系統的識別要求。如圖1所示，人臉抓拍識別監控的安裝設計中涉及的參數除監控區域寬度、監控水平距離、鏡頭焦距外，還包括俯視角度和設備安裝高度。人臉抓拍監控安裝高度要求高于人體高度，需具有一定的俯視角度。一是避免被隨意觸摸導致調校變動；二是避免人員前后通過導致人臉出現遮擋。同時，為了避免抓取的人臉五官變形，俯角也不能太大。為了實現良好的抓拍效果，下傾角需要控制在10°左右，取人臉中心到地面高度為1.5m，可得監控攝像機安裝高度H=tan0°×D+1.5，其中tan10°≈0.18。因此人臉抓拍識別監控的安裝設計高度隨著監控距離的變大逐漸變大，如圖2所示。綜合前述成像設計中監控寬度、監控距離、鏡頭焦距的相互關系，最終可確定人臉抓拍監控的設計值。
5結語
智能人臉抓拍識別監控的建設水平，是動態人像卡口系統識別性能的先決條件。本文結合上海市地方標準規范的要求，對智能人臉抓拍識別監控的建設提出了可行的設計方法，旨在明確人臉抓拍識別監控的設計值，指導工程建設，使最終監控輸出的人像圖像質量能夠滿足后端動態人像應用系統的要求。經過驗證，在實際工程建設中，此設計方法能準確地與現場情況匹配，可明顯加強設計對施工的指導作用，簡化后續系統調試階段的工作。同樣，只要CCD/CMOS圖像傳感器尺寸、攝像機的成像像素以及抓拍識別對象的要求像素確定，此方法也適用于其他智能識別系統工程建設的設計，如車牌抓拍識別監控等。
參考文獻
[1]DB31/T294—2018住宅小區智能安全技術防范系統要求[S].
[2]GB50395—2007視頻安防監控系統工程設計規范[S].
[3]GB/T2428-1998成年人頭面部尺寸[S].
作者：盛琦鑫 單位：上海金山東方有線網絡有限公司
