小区高空抛物视频监控系统
高空抛物被称为“悬在城市上空的痛”， 一直以来高空抛物行为倍受关注，作为城市不文明的行为的同时，它所带来的社会危害也很大。由于其不文明行为的实施场所多为高空楼层，少有目击者，抛物时间短，甚至有人在抛物时故意隐去身影，使得相关部门很难追究抛物者的法律责任，此类事件屡见不鲜、屡禁不止。
前段时间“抛砖砸死女婴”事件经媒体报道后引起社会广泛关注，人们在为百日女婴过早地离开这个世界、父母悲痛欲绝而扼腕的同时，一个有关城市高空抛物威胁人们“头顶安全”的社会问题再次引起人们的热议。
随着中国城市化进程加快，高层建筑越来越多，随之带来的高空抛物现象也十分严重，寄希望于居民提高素质完全杜绝这种行为，在目前是不现实的，且高空抛物又面临着取证处罚难的困境，有必要借助高科技手段，例如在小区安装摄像头时刻监控，从而留下高空抛物的有力物证，不失为震慑高空抛物行为的可取做法。
图1 高空抛物相关法律法规
笔者今年上半年参与了某小区安防监控系统的设计与施工，在安防监控系统还未建设完工的期间，小区在业主装修期间连续发生几起高空抛物伤人事件，开发商和物业公司对此非常头痛。在了解到此情况后，我们建议对正在建设的小区安防视频监控系统进行改造，同时建设覆盖小区内七幢24层高的居民住宅楼以及覆盖每幢大楼的3个能够发生高空抛物的监控面，预计在每幢大楼的每一个立面设置2台摄像机，共计42台，如图2所示。建成后的视频监控系统将能够对住宅楼外立面进行实时监控及分析，实现对大楼高空抛物事件的重点监管，方案得到了小区开发商和物业公司的一致赞同。
图2 摄像头安装位置示意图
高空抛物监控摄像机选型
小区高空抛物视频监控系统和常规的小区安防监控系统并没有太大的差别，最主要区别就是摄像机的技术选型，因为高空抛物的物体下落速度较快，一般普通的低帧率的摄像机无法有效地捕捉目标，也无法定位抛物者所在的楼层位置，所以在高空抛物监控摄像机的技术选型上，我们特别注意了以下几个问题：
一、摄像机的选型：球型摄像机是一体化摄像机、球形云台、解码器这几部分组成的，可以自动聚焦、手动变倍，镜头拉近拉远及360度转动来监控所需监控的区域，一般使用在室外或者室内面积比较大，范围比较广的场合。半球摄像机的变焦范围一般都不大，例如2倍、3.6倍等，而且镜头一般都不易更换，主要用于固定视野的监控，例如楼梯间、通道、电梯轿箱。枪机应用的场合比较广泛、可扩展性更高，可以实现远距离监控或广角监控，它的变焦范围则取决于选用的镜头，可以从几倍到几十倍不等，而且镜头的更换比较容易，针对高空抛物的监控，选择枪机是最为适合的。
二、图像传感器的选型：摄像机的最主要部件图像传感器，早期图像传感器大部分都是采用CCD，它能够将光线信号变为电荷信号并可将电荷储存及转移，也可将储存的电荷取出，使电压发生变化，因此是理想的摄像元件，具有分辨率高、灵敏度高、信噪比高、动态范围高等特点。近年来，CMOS图像传感器发展迅猛，其体积小、集成度高、功耗低等优点，广泛应用于数字网络视频监控系统的前端设备中，它通过采用影像光源自动增益补强技术、自动亮度、白平衡控制技术，色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，完全可以达到与CCD摄像头相媲美的效果。受市场发展以及技术等情况的限制，数字摄像头采用CCD图像传感器的厂商为数不多，主要原因是采用CCD图像传感器成本高的影响，所以没有必要一味追求CCD图像传感器。
三、传感器尺寸的选型：传感器尺寸(又称靶面尺寸)，主要有1/4″、1/3″、1/2″、1/1.8″英寸等几种，它的大小以及与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。在同样的像素条件下，传感器尺寸越大，感光面积越大，对光线的敏感性也就越强，描述的图像层次也就越丰富，成像效果越好。“1/”这个后面的数字英寸的变小，只是表示这方面技术在不断的进步，并不是说 1/3″英寸就一定比1/4″英寸的好，因为不同的场合需要用到一些不同尺寸的传感器所独有的优点。例如1/2″英寸可以有比较大的通光量，1/4″英寸可以比较容易的获得较大的景深。由于高空抛物监控的环境和区域具有一定的特殊性，建议选用1/2″、1/1.8″等尺寸的传感器。
四、镜头的选型：镜头的种类繁多，从焦距上分类，可分为短焦距、中焦距、长焦距和变焦距镜头;从视场的大小分类，可分为广角、标准、远摄镜头;从结构上分类，还可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头(指光圈、焦距、聚焦这三者均可变)等类型。由于镜头选择得合适与否，直接关系到摄像质量的优劣，又关系到工程造价，因此在实际应用中必须合理选择镜头。
针对高空抛物监控，我们建议如下：(1)、建议选择自动光圈镜头：高空抛物使用的摄像机多在室外安装，因为室外的光线的动态范围变化较大，夏日阳光下环境照度达50000Lx-100000Lx，夜间路灯时仅为10Lx，变化幅度相当大，自动光圈对监控点的光线变化适应性较强。(2)、建议选择手动变焦镜头：大多数用户选购监控摄像机时标配的就是定焦镜头，根据所需要布控点来选择合适的焦距，如大范围监控会选择4mm短焦镜头。然而高空抛物监控区域和环境是千变万化的，同时与楼幢之间的距离也是相对不固定，面对这么多可变因素，建议选择变焦镜头。一般情况下，变焦镜头可以提供4mm~16mm甚至更长的焦距，根据镜头选择不同，数值可以不同。变焦也分手动和自动，考虑到价格成本，手动变焦更适合于本项目。(3)、镜头的接口：镜头的接口分为C与CS接口，它们的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面的距离不同，C型接口此距离为17.5mm，CS型接口此距离为12.5mm。C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用，C型镜头与CS型摄像机之间增加一个5mm的C/CS转接环可以配合使用，CS型镜头与C型摄像机无法配合使用。在选择摄像机与镜头的配合时，首先要明确机械接口是否一致，尽量选用同一种工业标准的接口，以免给安装带来麻烦。其次要求镜头成像规格与摄像机传感器尺寸规格一致，即镜头标明的为1/3″英寸，则选用摄像机的规格也应为1/3″英寸，否则不能相互配合。例如：使用1/3″英寸摄像机，还勉强可以配备1/2″英寸镜头，此时摄像系统显现的视场角要比镜头标明的视角小很多;但反过来把1/2″英寸镜头用于2/3″英寸摄像机时，则图像就不能充满屏幕，图像边缘不是发黑就是发虚。
五、帧率与分辨率的选择：摄像头的帧率是指在1秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用fps(Frames Per Second)表示。每一帧都是静止的图像，快速连续地显示帧便形成了“运动”的图像，也就是视频。高帧率可以得到更流畅、更逼真的视频，每秒钟帧数 (fps) 愈多，所显示的动作就会愈流畅。一般来说30帧/秒是行业普遍水平，但为了提高高空抛物的监控视频的效果，推荐使用60帧/秒的帧率，可以明显提升图像交互感和逼真感。目前暂不推荐90帧/秒或120帧/秒以上帧率的摄像机，最主要的是高速图形处理器的价格以及图像传输速率限制等问题，超高帧率摄像机的价格和技术还不算成熟。
分辨率指在视频摄录、传输和显示过程中所使用的图像质量指标，或显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有屏幕结构，换句话说就是指单幅图像信号的扫描格式或显示设备的像素规格。分辨率的单位是“像素点数Pixels”，而不是“电视线TVLine”，分辨率代表水平行和垂直列的像素数目，用“水平像素×垂直像素”来表达，例如目前市面大部分摄像头分辨率为1280×1240，代表水平行有1280个像素，垂直列上有1024个像素，这样整个画面大约有130万像素。随着技术的发展，分辨率会越高，就可以呈现更多信息，图像质量越好，考虑到系统的先进性，建议现在高空抛物监控使用摄像头分辨率为1920×1080，整个画面大约有200万像素。
六、最低照度：照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明(Lm)数，也叫做勒克斯(Lux，法定符号Lx)：1Lx=1Lm/m2。最低照度是测量摄像机感光度的一种方法，换句话说，摄像机能在多黑的条件还可以看到的可用的影像。简单地说，在暗房内摄像机对着被测物，然后把灯光慢慢调暗，直到监视器上快要看不清楚被测物为止，这时测量光线的照度，就是该摄像机的最低照度。通常将摄像机分为四个等级：(1)、普通级摄像机：一般照度值均大于0.1Lux;(2)、低照度摄像机：照度值范围在0.1Lux至0.01Lux之间的摄像机;(3)、月光级摄像机：其照度值范围在0.01Lux至0.001Lux间;(4)、星光级摄像机：当最低照度值达到甚至低于0.0001Lux的时候，便达到了星光级的超低照度摄像机，但这些分类也没有绝对的规范化、标准化。
由于小区夜间光照不足，又不可能大规模安装补光照明设施(为了保证业主休息，不方便通过补光等方式来提高环境照度)，此种场景下对摄像机的低照度性能要求就比较高。虽然红外与激光摄像机在外界无需任何辅助光源的情况下可得到较清晰的图像，但红外与激光摄像机目前仍存在一些缺陷，如色彩为黑白、能耗大、散热不佳、红外摄像机照射距离有限、照射范围不广等。
随着图像传感器技术的提高，以及图像降噪算法的应用，高清网络摄像机的低照度效果越来越好，它不同于红外，可借助周围的一切光源，如路灯、走廊灯、月光甚至星光等，在光线较暗的情况下获得全彩色实时视频图像。由于采用了超灵敏度图像传感器，以及独有的电子倍增和噪点控制技术，能够极大地提高摄像机的灵敏度，并且具备24小时全彩色实时效果，没有普通低照度摄像机出现的拖尾现象，以满足对夜间高品质监控的需求。其优点是功耗小、图像效果真实、不偏色，在应用面上，虽然不及红外摄像机广泛，但也在一定程度上具备不可替代性。高空抛物视频监控中为解决夜间监控的难题，建议使用“星光级”摄像头。
七、宽动态范围：宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。当在强光源(日光、灯具或反光等)照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。摄像机在同一场景中对最亮区域及较暗区域的表现是存在局限的，这种局限就是通常所讲的“动态范围”。常规摄像机视场中的物体在亮度较高的背景光时，需要看门口或窗外的物体，通常采用中央背光补偿(BLC)模式，它主要是靠提升视场中央部分的亮度、降低视场四周部分的亮度来达到看清位于中央位置内物体的目的。而宽动态这一技术是同一时间曝光两次，一次快，一次慢，再进行合成使得能够同时看清画面上亮与暗的物体。虽然二者都是为了克服在强背光环境条件下，看清目标而采取的措施，但背光补偿是以牺牲画面的对比度为代价的，所以从某种意义上说，宽动态技术是背光补偿的升级。CCD摄像机的宽动态范围最多也只有66dB，而CMOS宽动态摄像机的动态范围已能达到120dB以上，在未来CMOS宽动态技术将有更大的发展空间。高空抛物的监控摄像机有时对着天空，太阳光可能会直射到镜头，所以需要宽动态范围的摄像头。
八、透雾：伴随着中国雾霾天气的日益严峻，不少传统的监控摄像机已经失去了其监控的作用，雾霾导致摄像机的监控距离、图像清晰度下降，甚至导致车辆、人物等监控主体的关键细节信息丢失，一旦发生事件，将很难获得有效信息，大大降低了视频监控系统的实用性。现在带透雾技术的已经成为摄像头的标配功能，不管是使用电子透雾技术也好，还是光学透雾技术，都能在雾霾天气下能够穿透雾霾干扰，让摄像机获得良好的监控效果，不会影响监控距离和图像清晰度。高空抛物的监控摄像机也应具有透雾功能，这样才能在越来越严重的雾霾天气中大显身手。
高空抛物监控摄像机安装注意事项
居民住宅小区楼由于位置、楼层、朝向、间距等关系，在安装高空抛物监控摄像头的安装上要特别注意了以下几个问题：
一、安装位置：在方案设计的初期，曾有厂家技术人员为了施工安装方便，建议在大楼顶部的左右角伸出0.5-1M的支臂来各安装一台摄像机，通过交叉部署来定位抛物窗口，如图3所示。
通过在小区实地模拟测试，我们发现此方案虽可实施，但不同小区窗台的风格设计对定位的效果影响较大，有外阳台的比较方便，内封阳台定位的效果差强人意，特别是要锁定楼层的时候，要分别查看二台摄像机多次后才能确定楼层，对于较小的抛物，定位的难度较大。再加上要在楼顶综合布线，系统的整体施工成本较高，所以不建议在楼顶安装，除非楼底没有适合的安装位置。
图3 高空抛物交叉部署定位
二、楼幢的间距：楼幢的间距对摄像头的安装影响较大，也是整个高空抛物视频监控系统施工中最棘手的事情。如果楼幢之间的间距较小，造成摄像头与监控面的距离也较小，而摄像机的可视角度是在一定的范围之内，这样就无法将所有楼层纳入监控范围之内。
图4 两台摄像机安装示意图
在本小区高空抛物监控系统设计时，为节省成本，我们也曾想利用一台摄像机监控24层楼(24×3=72米，监控立杆高度2米，实际监控面高度达到70米)，但实地勘察后发现楼幢之间的间距不到40米，除去围墙、外阳台、楼幢门禁、绿化带等的影响，从实地能安装监控立杆的位置到监控面的距离约为25米。为取得较好的监控效果，我们在监控立杆上安装了二台摄像机，一台监控12层及以下的楼层，另一台监控12层及以上的楼层，这样就可以全方位地监控所有范围，如图4所示。在此环境中，手动变焦摄像头就充分发挥了它的作用。
三、慎用摄像机自带的常规移动侦测功能：移动侦测，也叫运动检测，常用于无人值守监控录像和自动报警。通过摄像头按照不同帧率采集得到的图像会被CPU按照一定算法进行计算和比较，当画面有变化时，例如有人走过，镜头被移动，计算比较结果得出的数字会超过阈值并指示系统能自动作出相应的处理。移动侦测可以降低公共机构和企业场所的人工监控成本，并且避免人员长期值守疲劳导致的监察失误，可以提高监控效率和监控精度，很多人觉得这是一个非常值得点赞的功能。但在本项目中要慎用传统的移动侦测功能，因为在监控区域内经常有小区住户在活动，再加上背景图像的动态变化，例如天气、光照、影子等，以及飞行动物及昆虫的影响，误报率较高，相反会降低监控效率。同时监控系统在运行时，如果移动侦测功能被启用，当拍到的图像有明显改变时，摄像头会自动启动录像，从改变到录像需要缓冲时间，取决于设备的灵敏度，对于灵敏度较低的设备来说反映时间过长的话，对于高空抛物监控已失去了意义，因为最重要的时段错过了。
如果有经济预算和条件的，可以采用目前最新的智能视频分析抛件检测来完成自动预警。该功能目前在实际使用中，已经取得不错的效果。
四、抛物落地后的取证：在方案早期设计过程中，我们忽略了高空抛物的物体落地后的监控取证，有的物体被人拿走或是挪动了位置，有的人在抛物后死活不承认丢了东西下楼。我们调整了安防监控系统方案中公共区域部分安防监控摄像头的监控范围，将小区公共道路区域纳入重点监控区域，同时又增加了4个摄像头，重点监控最易发生高空抛物事件的地面区域，取得了不错的效果，形成了高空抛物整个事前、事中、事后完整的证据链。
五、视频存储时间的调整：高空抛物的视频监控和社会化安防视频监控作用还不太一样，目前国家还没有出台相应的规范和规定。特别是在视频存储这一块，一般的社会化安防监控要求视频存储30天以上，而高空抛物事件由于时效性较强，数据存储的天数没有必要存储这么长，我个人建议7天就足够了，这样可以降低整个系统的造价和运维成本。
六、用户隐私安全：在安装摄像头的时候，就有小区住户反对安装，担心用户的隐私安全，我们邀请了部分业主查看了摄像头画面，由于我们安装的摄像头一般都有较大的水平视角，加上用户的窗台玻璃的遮档，不可能看到业主在室内的活动情况，仅能看到窗口附近部分区域和伸出窗口的活动。再加上小区安防系统所有的监控设备并没有连上互联网，监控室内部也按照公安部门的要求安装了摄像头，所有调取监控录像都是有记录可查取的，有效地保证系统中所有监控信息的安全不泄露。
结语
在本小区高空抛物视频监控项目中，系统核心设备42个摄像头均采用了枪机–200万星光级 1/1.8″CMOS超宽动态 ICR日夜型枪型网络摄像机，项目在完工的第一周内就抓拍了十余起高空抛物事件，还抓拍一起夜间翻爬院墙盗窃的画面。通过物业公司宣传栏公告与张贴警示标语，小区后期高空抛物事件越来越少，得到了小区业主和物业公司的一致好评。
