雷达引导的视频监控与实时视频加密技术研究

【摘要】：视频监控系统是城市安全管理、重点区域监测的主要手段,广泛应用于平安城市、军事安防等领域。视频监控系统因摄像头视角的限制,同一时间只能对某个角度进行监控,无法满足智能化监测的全覆盖、无死角的需求。雷达引导的视频监控系统可以满足该需求,但是该应用场景对视频存储、传输的安全性要求高,视角持续变化导致视频数据量大,传统视频流加密技术无法满足实时视频流加密的需求。本文聚焦于视频监控系统的多种监控手段协同和安全高效的实时视频加密技术,提出了雷达引导的视频监控和面向视角持续变化的视频实时加密方案。在雷达引导视频监控方面,针对视频监测区域较窄、监测盲区多的问题,提出了雷达引导的视频监控方法,实现雷达目标发现和视频监测系统的融合。根据雷达实时反馈的目标位置信息,计算相对于摄像机的方位角、俯仰角和变焦倍数,通过云台转动、镜头变焦对运动目标进行跟踪,实现了对目标实时协同监测。针对“雷达先反馈,摄像机后控制”产生的延迟导致摄像机转动滞后、目标在画面中丢失的问题,提出了雷达引导的单目标自动快速跟踪算法,根据雷达反馈的目标信息和延迟时间,预测该目标的下一个位置信息,引导摄像机跟踪监测。实验表明,相比于摄像机直接跟踪雷达反馈的目标信息,摄像机中心和目标匹配准确度提高了14.6%。针对多个目标跟踪场景,提出了雷达引导的多目标自动跟踪算法,定义了监测警戒区域,综合考虑每个目标接近警戒区域的速度、加速度和其与警戒区域之间的距离等属性,进行加权处理来评估每一个目标相对于警戒区域的危险度,调整摄像机的方位角和俯仰角对危险度最大的目标集合进行重点监控。实验表明,相比于多目标中筛选出一个危险目标进行跟踪的方案,监测漏报率下降80.1%。在视角持续变化的实时视频加密方面,传统基于H.264编码的选择性加密方法仅选择视频编码过程中单一编码阶段的语法元素加密,单一阶段的语法元素少,对视频敏感信息的保护弱,存在视频敏感信息重构的问题。针对该问题,提出了基于H.264编码的多阶段选择性加密的方法,在编码过程中对帧内预测、变换编码、CAVLC三个编码阶段的可加密性分析,筛选出对视频图像重构影响大、对视频压缩效率影响小的多个语法元素进行加密。实验表明,相比于单一阶段的选择性加密方法,采用该方法加密视频的质量评估参数PSNR和SSIM分别平均降低了5.1%和43.3%,提高视频感知安全性。针对高维混沌映射系统生成密钥序列速度慢、导致视频加密中对语法元素加密效率低的问题,提出了双PWLCM混沌映射生成密钥序列的方法,第一个PWLCM生成的密钥序列判断所选择的语法元素是否进行加密,第二个PWLCM生成的密钥序列对语法元素加密。实验表明,相比于高维混沌映射系统,该方法生成密钥序列速度提高了66.7%,加密延时占比减少了36.8%,适用于视角持续变化的实时应用场景。基于所研究的技术与方案,本文分析视频监控系统的功能需求,研发了雷达引导的视频监控系统,保证安全高效视频加密,实现了数据采集、监控展示、录像回放、联动报警等基本功能,并通过云台转动和镜头变焦实现摄像机对移动目标的自动跟踪。该系统已在智慧哨兵、楼宇安防等场景中得到了实际部署使用,验证了所提出方法的可行性。