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华为软件定义摄像机在智能交通领域的创新应用

2019-11-21 16:13:31   作者:   来源:CTI论坛   评论:0  点击:


  1、智慧交通行业背景及问题
  在AI时代,新的算法、芯片层出不穷,推动图像识别技术向更深处发展,使得交通管理及监控执法更加智能化,AI时代下,智慧交通管理面临需求多、变化快、格局新、存量大及管理繁琐的业务现状:
  1)需求多变化快:在传统的卡口,进道路卡口监控从“人脸检测”分析到“人脸识别”,从“车牌”识别到“车款,车型”及“车辆二次分析”以及“交通拥堵态势预测”等,针对道路交通管理所涌现的需求不断变化,随之带来的是算法的更迭,而违法规则多更新快等现状进一步催生快速的算法更新及升级需求,这就需要支持算法按需部署,在线升级的前端摄像机满足需求增长及自生长。
  2)算法精度要求高:由于警务编制及人员有限对算法精度的要求在不断提升,如机场安检,铁路周边追求0漏报及超低误报,这需要强大的算力及高精度算法的加持。
  3)非智能前端存量大:已经有大量的非智能或者搭载老旧算法的摄像机已经被部署在城市交通的各个道路,在这样的复杂现状情况下,如何实现最大化利用现有硬件资源的情况下实现交通管理的智慧升级,实现及时的算法更新,满足多交通应用场景及法规,提供合理及时的执法依据成为智慧交通一个值得探讨的问题。
  4)要求全天候高画质:道路交通管理受天气影响较大,如何实现全天候都超高清对于智能交通管理而言是最基础且必须解决的问题,没有全天候的高清图像采集就无法实现进一步的智能分析工作。这就需要具备全天候智能适应任何天气情况的前端来智能感知场景主动实现高清监控。
  业界摄像机普遍采用软硬件强耦合的开发模式,功能升级需要重新启动,会导致新算法的开发和对应款型摄像机硬件耦合,开发周期较长且一家厂商无法具备所有算法能力,当用户希望在不同厂商间更换算法时,需要更换摄像机才能实现。在技术和功能快速变化的世界里,这种方法满足不了用户需求,它不仅仅限制了用户尝试新技术的可能,并且需要对特定的制造商和专有接口付出较长研发成本。
  由以上分析可见,未来能够满足日益复杂多变的智慧交通市场需求的前端摄像机必须应该是具备软硬件解耦,能够灵活实现算法迭代升级及切换的,具备自生长自定义能力的摄像机,即软件定义摄像机。
  2智慧交通的新一代摄像机:软件定义摄像机
图2-1软件定义摄像机特征图
  软件定义摄像机(Software-Defined Camera,简称SDC)是新一代的摄像机,需具备三大特征,分别是采用专业AI芯片,支持开放的操作系统和丰富的生态体系。高精度算法需要专业的高算力AI芯片,开放的操作系统能够实现算法按需部署,在线升级并具备完善的生态体系,支持算法合作快速迭代上线。
  SDC具有由五个方面能力
  充足的算力:充足的算力是高精度算法应用的前提,随着未来AI芯片处理能力发展,摄像机甚至可以完全取代后端服务器来完成视频全量特征结构化,让全网智能分析效率最大化,真正向安防智能化迈进。
  软硬件解耦:软件定义摄像机通过开放操作系统,实现基础摄像机硬件能力,及智能能力接口化开放,进而支持智能业务开发同基础软件解耦,同基础硬件解耦。
  算法按需加载:软件定义摄像机可支持算法按需加载,在线升级部署,实现不需要更换硬件和重启系统就能轻松更新和安装新应用。
  AI算法可实战:算法的精度在实战业务中通常会随着场景的变化而大打折扣,而软件定义摄像机具备支持算法持续自学习,通过不断优化及调整模型,达到高精度场景贴合,实现高可靠的实战算法优化。
  设备状态可感知:软件定义摄像机支持全网状态可感知,可实时管控所有摄像机,进行批量升级、批量参数配置和维护,提高SDC的运维效率。
  3“软件定义”摄像机:开放的架构实现灵活业务部署
  3.1华为软件定义摄像机系统架构
  架构是一个软件系统的骨架,要实现开放的OS架构,首先要改变的就是传统的一体化架构,打造一个灵活的、开放的、便于管理的软件体系。
  华为软件定义摄像机(SDC)包括三大组件:SDC OS,SDC Studio,SDC Controller。
  SDC OS:软硬件解耦,应用场景可按需定义,提供多算法共享算力的任务调度能力,打造摄像机的“操作系统”。支持容器化的软硬件解耦,基础业务功能与智能业务功能解耦,能够支持多算法并行运行,如支持人脸,人体,及车牌识别同时检测,支持算法在线升级安装业务不中断。
  SDC Studio:为提升摄像机智能算法和应用开发效率而生。提供在线联调平台,提供通用算法模型、算法模型文件格式转换、数据的自动标注等服务,降低开发成本,提升调测效率。
  SDC Controller:基于SDCOS开放性软件架构,结合算法商城,通过SDC Controller对华为SDC进行管理,实现智能应用和算法的在线迭代,持续演进。
图3-1软件定义摄像机架构图
  (1)SDC OS开放的摄像机操作系统
  SDC OS通过应用容器技术为APP提供资源可控,公共可隔离的安全运行环境,并实现了智能应用的动态加载运行及在线升级不中断业务的能力,此外SDC OS实现了基础硬件能力服务化及公共的软件服务能力,包括协议服务转换等能力接口化,进一步实现了软硬件的解耦,这种架构更加开放,有助于实现摄像机硬件资源的最大可持续应用,支持用户应用的在线升级部署,可持续生长。传统方式,用户需根据不同场景购买不同款型的摄像机,软件定义摄像机将解决这种重复投资的问题,用户可根据场景进行摄像机的自主定义,来适应不同的业务需求。
  (2)SDC Controller高效的运维管理
  SDC Controller具备基础的摄像机运维能力:摄像机工勘规划、用户管理、摄像机注册、搜索、基础参数配置、平台对接参数配置及告警配置等能力。如:支持收集并管理摄像机日志、支持重启和升级摄像机、支持相机安装辅助工具等工勘规划,支持查看摄像机详情。例如,摄像机的设备、系统、可视区域、算法和License、SD卡、Flash等信息。
  SDC Controller具备算法管理能力:支持连接到官网及算法studio商城,并实现第三方算法下载到SDC Controller、支持对单个摄像机进行第三方算法操作,包括算法的加载、卸载升级、回退、启用、及停用及支持对摄像机进行License管理功能的能力。
  (3)SDC Studio一站式开发工具链
  SDC Studio作为算法商城及集成开发环境,提供基础模型工具集、支持在线学习、训练,为开发者提供基础的AI模型开发环境。提供云服务支持算法在线测试及验证:SDC Studio具备提供Openlab资源能力,开放SDC算力,支持ISV及第三方算法开发者远程接入摄像机进行算法的调试,验收,并支持第三方算法上传,检验,审核及发布。
图3-2华为ModelArts一站式开发工具链
  3.2SDC构筑开放生态,实现合作共赢
  当AI无处不在的时候,不存在说一个公司立足一地就能够打造一个世界级的通用产品。例如人脸、车牌识别、交通违法、事件检测到了每个国家都要根据当地的数据进行训练。经济学上说分工产生效能,每个企业、每个组织都要有自己的核心能力,在新的时代找准自己的定位,明确分工,是成功的关键,也是人工智能产业发展的必需。华为公司董事会有决策,我们只做行业的黑土地,做数字中国的底座,我们只打造平台,不碰数据和应用。在交通行业,华为联合了众多合作伙伴,在智能非现场执法、集成指挥、综合管控、综合应用、情指勤督一体化应用上为交警用户提供解决方案,并得到用户的高度认可。同时华为联合伙伴为机场、铁路、地铁、高速等用户提供安防解决方案。
  华为SDC开发者社区是华为公司统一面向开放者提供的能力开放平台,SDC社区依托开发者社区连接智能安防开发者爱护为,为开发者提供全流程支持与服务。助力开发者将华为智能安防产品开放的能力与其算法应用融合,构建差异化的创新解决方案。社区提供:SDK/开发文档/开发工具/技术支持等开发相关资源;提供社区论坛,开发者之间可以在论坛提问、答疑、交流心得;提供工单系统,紧急问题可以提单,获得技术支持;远程实验室,提供对接调试环境。开发者基于这些支持进行二次开发,将华为智能安防产品能力快速、无缝的融入到自己创新的业务解决方案中,提升解决方案开发效率和解决方案竞争力,获得商业成功。
  4软件定义摄像机助力新型智慧交通
  近年来,整个交通行业已经从“看得清”向“看得懂”发展,4k相机也已得到成熟应用,然而如何实现全天候,全场景下自感知、自学习,实现环境自适应,这是软件定义摄像机所带来的重新定义,环境自适应及多场景多算法按需加载,可持续更新生长的摄像机能力。
  4.1多算法并行,车牌车体车流量一网打尽
  多算法并行指的是相机可以同时运行多个子算法,每个子算法只完成单个业务功能。对于智能交通摄像机来讲,多算法将大大增加相机应用率,对于卡口相机可同时实现例如:人脸检测、人脸识别、人脸属性提取、人体抓拍、机动车抓拍等业务,对于交通规则相机可支持多种规则算法同时加载,例如违章超速,未按规定驾驶,闯红灯,及违法停车等多种规则检测,而行为分析的摄像机又可以加载多种分析算法。这种多种算法并行可以同时实现多种检测业务,多种智能化,实现交通相机一款多用的目的。
图4-1单场景多维度多算法并行
  如上图所示,华为软件定义摄像机因为使用容器化实现app运行隔离,安全可控。在单一的街道场景中可以同时运行车辆,车牌,人脸,及人体多个算法进行检测,实现人车物同时抓拍识别,高效有序,安全可靠。
  4.2场景自适应,无惧道路雨雪风霜
  高清已经是当今安防摄像机的基础能力,主要是通过感光元器件和图像编码调优来解决清晰度问题。但由于在交通应用中,由于相机多部署于街道路口会碰到天气(雨、雾、霾等)、光线(白天、夜晚、背光、对光等)因素的影响,衍生出宽动态、低照度、强光抑制、透雾、防抖等图像处理能力以保证图像的清晰效果。但在传统模式下,需要根据特殊场景进行手动调参,即使可以通过软件预先定义好一些场景的成像参数模板,也需要有人发现问题并进行手动切换。
  那么在AI时代,是否可以通过智能算法来自动优化在各种非正常条件下的高清成像呢,答案是肯定的。软件定义摄像机将对场景自识别能力放入摄像机中,摄像机可自动识别当前所处场景,根据当前的天气条件、光线条件自动调优成像参数。如马路上朝西安装了监控车辆的摄像机,在上午、中午、晚上时,实时监控画面都保持着良好的清晰效果,但在傍晚太阳落山那段时间,强对光场景致使画面过曝,严重影响画面中车辆的成像,无法清楚的识别车牌、车款、颜色等关键信息。当有了场景自适应的能力后,摄像机根据画面成像效果可判断出强对光场景,自动开启宽动态效果,同时可根据光线的强弱调整宽动态的级别。随着AI算法对特殊场景的训练越来越多,摄像机场景自适应能力也会越来越强,最终实现24小时的全天候高清。
  4.3持续自学习,练就场景完美算法
  任何算法在应用到实际业务场景时由于训练模型的变化,实际场景等因素的限制都会同理想精度有一定差距,采取在实际业务场景中植入训练模型,持续根据新的实际交通场景,时刻调整模型参数,将实际场景获取的视频,图像数据进行自动化清洗、标注后作为训练集对原有的训练模型进行训练,进行模型参数调整并实现最终模型优化,使得学习模型更加适应于现场应用,结果精确度更高,并能将获得的更优模型启动并实际应用,进一步支持了交通场景算法精度的提升,减数误执法。
  4.4智能1拖N,实现全网智能化低成本改造
  视频监控系统经过长时间的发展,IPC在现网中有较大的存量。在旧网改造过程,如何充分合理的利用现有设备的能力,降低整网改造的成本,是当前视频监控系统方案设计需要考虑的问题。华为软件定义摄像机的智能1拖N特性,就是针对这种场景提出的一种解决方案。1台拥有1拖N特性的智能摄像机,在完成自身业务的同时,可以通过通用接入协议对某一台或者多台摄像机进行引流、解码、智能分析处理并输出其智能分析结果,达到不替换原有摄像机就使其具有某些智能分析能力的效果。1拖N的主要应用在机非人混合车道、十字路口等场景。
图4-4智能摄像机1拖2十字路示意图
  4.5支持APP管理,应用远程升级,按需部署
  软件定义摄像机具备支持新应用平滑上线,按需部署,不需要中断其他基础业务,也不会丢失视频监控数据的能力及不同智能app的管理能力,在交通电警卡口的应用中,如过针对当前的车牌识别想叠加车辆二次特征识别,只需要通过管理平台下达算法更新命令,即可无业务中断实现新算法部署及算法版本升级,极大减少资源浪费和监控数据的流失。
  5展望未来
  随着更多的人工智能实践和安防系统的应用,算法成熟度的提升将解锁更多的应用场景,在云化、弹性和自学习的平台支撑下,更多的算力可以从海量的数据中分析规律和归纳知识,最终反映到业务决策环节,实现完整的闭环,促进决策的科学性,缩短决策的时间,推动公共安全建设的准确预知和快速自治。而软件定义摄像机作为视频监控前端重要的设备,具备软件定义能力,将为客户提供更高效的app升级模式,以更高的摄像机资源利用实现全场景需求满足覆盖,并在ISV厂商更灵活聚焦客户需求,缩短研发周期,构建融合摄像机厂商,ISV提供商及客户的完美生态圈,开启安防新篇章。我们相信华为智能安防与合作伙伴共同进化,共同迎接智能时代的挑战和机遇,积极探讨生态系统在战略、资源和能力上如何协同,在AI时代开放共赢,共同谱写智能交通新篇章。
  6附录——术语和定义
  下列术语和定义适用于本文件。
  普通摄像机Non-intelligent camera:只具备基本数据采集和上传数据到监控中心的监控摄像机。
  智能摄像机Intelligent camera:除了普通摄像机的功能外,还具备独立智能处理(如:进行人脸识别、人体属性及车牌识别,并进行告警)的监控摄像机。
  软件定义摄像机Software defined camera:具备多智能应用按需部署,并行运行,独立替换的智能摄像机,通过丰富的软件组合满足多样化场景需求,并依托软件,实现快速业务创新。
  智能监控平台Intelligent Video Surveillance System:具备智能分析能力的视频监控平台,支持视频存储,转发,解码,检索等监控平台能力。
  管理中心SDC controller:位于智能监控系统平台的一个模块,用来管理监控系统中所有算法的注册,注销,从算法仓更新,License管理及生命周期管理。
  算法仓商城SDC studio:算法仓中心是位于远程的,支持提供算法快速集成,在线训练,在线调试及认证上传到算法仓的功能,发布公共的算法开发API及服务文档的集成开发环境,打造系统的开放性,让ISV厂商可以实现快速集成和开发。
  智能监控平台Intelligent Video Surveillance System:具备智能分析能力的视频监控平台,支持视频存储,转发,解码,检索等监控平台能力。
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