一、城市安防现状及面临的挑战
随着世界多极化、经济全球化和社会信息化等趋势的深入发展，国际防恐形势面临新的挑战，国内人口大规模流动，社会保障体系尚未完全建立，严重影响了社会稳定与和谐。据2010年2月中国社科院发布的《法治蓝皮书》统计，2009年我国刑事案件数达到530万件，增幅在10%以上，治安案件数达到990万件，增幅达15%左右。国务委员马凯指出：中国正处于工业化、城镇化快速发展时期，各种利益关系错综复杂，各种传统的和非传统的、自然的和社会的风险、矛盾交织并存，维护社会稳定的任务艰巨，国家安全形势更加复杂严峻。
目前，随着“平安城市”的大力开展，安防产品、技术、业务的要求不断提高，以及日新月异的安防市场环境和需求，使得我国安防行业在发展中面临如下的四个问题和挑战：
（一）城市安防建设仍处于规模化扩张阶段
随着“平安城市”建设的推广，安防视频监控规模虽然不断扩大，但是，安防系统的建设仍处于规模化扩张的低级阶段，系统的工作模式较原始，主要是用于紧急报警和事后取证，无法为第一线的干警提供高效、可靠、安全的音视频信息情报共享服务，对一线干警主要业务的支撑明显不足，同时，对以警务信息化为基础，以机动、协同、分析与预警、精确打击为标志的现代警务革命的需求响应不够，综合防控效果非常有限。
（二）城市安防设备和系统受环境因素制约
由于现有的安防设备和系统受环境因素制约太多，环境适应能力差，使得在实际视频监控环境中整个安防系统的使用效果非常限。
（三）城市安防视频监控报警数据的综合分析效率低、深度应用能力不足
由于视频监控报警数据因海量数据存储成本和数据全生命周期管理技术缺乏被丢弃，安防数字信息资源没有有效利用，所以无法开展历史和异地串并案分析，难以发掘嫌疑目标追踪所需的深层线索，使得安防系统对视频监控数据的综合分析效率低下，深度应用能力不足。
（四）城市安防统效能评估理论和方法欠缺
国内在安全防范系统的效能评估领域的理论基础目前比较欠缺，安防设施效能评估停留在主观经验阶段，缺乏对安全防范系统的效能进行科学、客观地定量评估理论和模型，致使其防范作用难以有效发挥。
针对上述提到的目前我国安防行业面临的问题和挑战，迫切的需要深入分析城市安防业务和技术的发展趋势，从中提炼和挖掘出需要解决的重大技术问题，通过相关核心技术的突破和创新，最终能够推进城市安防行业的不断发展。
二、城市安防业务和技术发展趋势
城市安防业务和技术包括：多媒体信息技术、安防数字内容管理技术、安防系统效能评估技术。这四项安防业务和技术的发展趋势如下所述[4][5]
（一）多媒体信息技术的发展历程和趋势
视频压缩编码标准的发展趋势如下图1所示。目前，在实际环境中，有限资源加大了业务拓展对高效媒体压缩技术的依赖。但是，主要通过增加运算复杂度来提高压缩效率的传统技术近年来发展已经陷入瓶颈，技术提升越来越困难。ITU、MPEG和AVS已经启动下一代编码标准的制定，支持宽带移动业务是其重要目标之一，但未来应采取的技术方向和路线仍然众说纷纭。图2展现了多媒体核心技术的发展历程和趋势。
视频压缩编码标准的发展趋势
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多媒体核心技术的发展历程和趋势
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（二）安防数字内容管理技术发展历程和趋势
如下图3所示，安防数字内容管理技术的发展从1980年左右开始经历了三个阶段：第一个阶段是文档的传统管理阶段，过去由于技术相对比较落后，数字内容主要采取人工记录和纸质存档。随着计算机技术和数据库技术的发展，安防数字内容管理经历了第二个阶段，即技术管理阶段。该阶段数字内容主要采取数据库备份和电子存档方式。到了21世纪，安防数字内容管理经历了第三个阶段，即信息资源管理阶段，该阶段数字内容主要是对非结构的一些数据进行存储访问，很多部门纷纷建起了自己的专业海量数据中心。数字内容管理经过上述三个阶段的发展，未来会朝着海量化、异构化、非结构化、和网络化的趋势发展，从过去对数据的单点管理到对数据全生命周期的管理。即对数据的产生、记录、传播、收集、处理、存储、检索、传递、分析、选择、评价、利用、销毁等过程进行统一的管理。
安防数字内容管理技术的发展过程和趋势
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（三）安防系统客观评价技术发展历程和趋势
如下图4所示，从二十世纪七十年代开始，安防系统客观评价技术的发展共经历了五个阶段，安防系统的效能评估仍然以管理科学的定性与半定量模型为主。1973年，美国能源部下属的桑迪亚国家实验室提出了最早的安防系统效能评估定性模型-敌手序列图模型，该模型是通过对假设的敌手为了达到目的所需要经过的各个障碍进行分析，找出安全防范系统的不足；1984年，Doyon提出了综合路径分析模型，该模型能够对敌手攻击的多条路径进行分析和选择，同时开发了SAVI的评估软件，该软件是专门用来评价对于外部敌手实物保护系统有效性的软件。2006年，美国橡树岭国家实验室建立了组合立体几何模型，该模型是一种强大的设施描述模型，通过一套专用软件的计算，可以对系统做最细致的分析和评估。
安防系统客观评价技术发展历程和趋势
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综上所述，在城市安防业务和技术发展的过程中，需要解决的五个重大技术问题如
需要解决的重大技术问题
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如上图5所示，需要解决的五个重大技术问题分别为：1）系统架构耦合性高，缺乏灵活性；2)缺乏对一线民警业务的服务支撑技术和平台；3)无法突破音视频质量效率低下的瓶颈；4)安防数字资源管理面临三大鸿沟和一个技术瓶颈，即底层的认知鸿沟，即数据缺乏对其代表的客观对象的认知表达，表现为数据本体与对象描述之间存在巨大差距；中层的数据鸿沟，即同一对象存在多种格式表达，不同数据中心非结构化数据(包括所有格式的办公文档、各类报表、文本、XML、HTML、图形图像和音视频信息等等)数据异构现象十分突出；高层的服务鸿沟，即行业业务模式和系统支撑模式的服务鸿沟，表现为用户多元化需求与简单服务模式间的巨大差距。一个技术瓶颈是海量数据分发的瓶颈；5)缺乏安防系统客观评价体系，使得效能无法科学、客观的度量。
针对上述四项核心业务和技术发展所需要解决的重大技术问题，未来城市安防业务和技术的发展方向如下图6所示：
城市安防业务和技术未来的发展方向
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如上图6所示，未来城市安防业务和技术会朝着以下四个方向发展：
1.安防业务能适应新一代警务革命的需要
为了能够使目前的安防业务能够适应新一代警务革命的需要，构建的城市安防业务体系需要响应如下的五大转变：从数据到情报的转变；从单点智能分析到城市级大尺度综合研判的转变；从向上汇聚管理到向下服务支撑的转变；从简单业务模式到柔性可从组业务模式支撑的转变；从事后的现场取证向事前的预测预警、事发的快速反应的转变；通过上述五大转变，全面支撑机动、协同、分析与预警、精确打击的新一代警务模式。
2.安防核心技术瓶颈被突破和创新
随着对安防核心技术的不断研究和创新，未来的安防视频监控系统需要能够适应网络条件的不同、器件档次的高低、环境的复杂多变、业务的灵活多样的需求，使整个安防系统的使用效果大大提升。
3.构建城市安防数字资源中心
数据资源中心应用到城市安防领域在我国目前还是一片空白，未来，通过构建城市安防数字资源中心，将实现情报资源全生命周期的管理，大大改善办案人员的工作效率。
4.发展安防效能客观评测技术
通过发展安防效能客观评测技术，改变了传统的人工定性评估的模式，使得对安防系统的效能评估更加客观和科学，便于及时发现风险隐患，实现资源的动态调度。
三、城市安防业务的体系架构和关键技术
针对在上文中所提到的城市安防业务和技术发展的过程中需要解决的重大技术问题，需要对城市安防业务的体系架构和关键技术进行深入分析，迫切的需要对多媒体安防信息技术、安防数字内容管理技术、安防系统客观评测技术、警务革命新技术、进行研究。下面分别来阐述目前对上述技术研究的一些最新成果。
（一）城市安防业务的体系架构
城市安防业务的开发体系架构如下图7所示：
城市安防业务的体系架构
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如图7所示，城市安防业务的体系是一个五层的开放结构，从上到下依次为：业务应用层，业务引擎层，技术支撑层，异构网络层，设备接入层。安防系统效能评估和安防设备监管两项业务贯穿整个体系架构之中。该体系架构能够很好的响应新一代警务革命的应用需求，解决了城市安防行业所面临的问题，体现了对安防业务和技术趋势的把握，最终面向安防系统的特色业务与建设。
（二）多媒体安防信息技术
1.视频关注度分析
视觉关注度模型是依据人类视觉系统理论模拟人眼观察图像的过程、得到图像中最容易引起人们注意部分的方法。建立关注度模型可用于提取监控视频中的感兴趣区域以进行增强编码或者超分辨率处理，这对于重点目标、区域的增强、辨识具有重要意义。针对现有关注度模型不能在任意运动速度下，准确的标识运动目标的问题，通过对视频帧的运动强度分析，提出了适应的运动关注度模型，在快速运动或慢速运动下均能准确标识运动物体，提升时域关注度的精确性。
2.可伸缩视频编码
可伸缩视频编码将码流分为核心层和多个增强层，核心层提供最低重建质量，增强层则渐次改善重建质量，具有“编码一次，任意解码”的特点。这对于适应无线信道下带宽波动，有效保障移动紧急指挥通信的视频质量具有重要意义。我们在可伸缩编码中引入视频关注度模型，提出结合关注度和纹理掩蔽效应的感兴趣区域可伸缩编码算法，根据编码区域关注度的高低和纹理掩蔽效应的强弱采用不同的交织量化步长，实现视频内容差异化编码，保障移动通信指挥的视频质量。
3.音频监测分析
音频检测技术主要依赖于场景的特征，在无意识的状态下对场景中显著的或突出的部分进行关注，如对高能量声音的关注，或者依赖于特定目标的方式切换场景中的感兴趣部分，如对枪声的关注，因此，能够在监控环境中侦测到具有较高关注度的音频信息以进行精准化地增强处理。根据双耳间声压差(ILD)可以表征音频对象空间方位的原理，提出基于空间线索的关注度模型，利用ILD的短时变化程度（均方差）来度量多个音频对象音源快速移动的程度。本技术可以在复杂多变的监控环境中更准确地得到方位快速变化的音频信号的关注度，从而更精确地侦测到急速行驶的车辆等方位变化快、关注度高的音频信息，并在此基础上对其进行特殊处理，这对于提高安防监控音频的精准化处理水平具有重要意义。
（三）安防数字内容管理技术
1.影像文本提取与识别技术
由于数据中心从获取的图像信息中识别、提取其中的文本、活动等信息。但传统文字提取、识别算法，采用单一的文本检测策略，对种类繁多的图像背景不具备普适性，文字提取、识别率低。提出了基于背景复杂度分析的文本识别算法，将图像复杂度作为依据，在多种文本检测算法中进行优化选择，增强检测算法的鲁棒性，提升影像文本的识别率，这对于数据中心的智能数据导入具有重要的意义。该技术能够填补底层的认知鸿沟。
2.基于语义模型的人脸超分辨率
针对传统方法仅依赖像素值计算的问题，提出在超分辨率方法中增加语义相似性函数。该相似性函数的计算结合了人对图像理解的语义信息，减少了对像素值的依赖程度，提高了对噪声的鲁棒性，从而提高了实际监控人脸图像的语义相似度。本方法可在低光照、强噪声等实际监控视频环境下，尽量保持监控图像中的人脸语义特征信息，提高超分辨率图像与低分辨率图像的语义相似程度。
3.数字内容转换与共享
在异构网络环境下的视频监控系统中，视频数据的格式错综复杂，系统与系统之间的交互常常由于视频格式的不统一而无法进行。建立了基于条件熵的多媒体转码理论模型，将条件熵作为转换过程中选择重用特征量的代价函数，结合应用环境感知，实现高效智能格式转换。最终提高了数字内容转换的效率。该技术能够填补中层的数据鸿沟。
4.个性化多模式知识服务技术
在知识资源组织架构中引入知识元及其关联层次，根据主题图中各个层次的内在关联对分布的知识资源实体进行组织，形成个性化多模式知识服务技术，提出了基于扩展主题的知识资源组织模型。该技术能够填补高层的服务鸿沟，实现多层次、多粒度的知识资源组织，从而推动了海量数据中心的知识服务发展。
5.安防数字内容管理的数据模型
按照数字内容的数据创建、保护、访问、迁移、归档、销毁等生命周期的阶段，提出了7层的数字内容管理数据参考模型。将整个复杂的问题划分为若干个容易处理的子问题，该模型具有很好的扩展性。具体的数字内容管理的数据模型如图8所示：
如上图8所示，安防数字内容管理数据模型从上到下分为：数据层、数据更新层、数据表征层、操作记录层、安全层、管理层、分发层。其中，数据层主要是记录原始数据，它是安防数字内容管理系统的核心；数据更新层是记录原始数据更新过程中涉及的各阶段历史数据；数据表征层是用于解释数据层和数据更新层中内容的数据；操作记录层用于记录数据的操作过程；安全层是记录数据的安全和访问控制信息。保证以上各层数据的真实性、完整性和访问的合法性；管理层说明当前本数据实际使用哪些层次。管理层将规定需要哪些层次，不需要哪些层次，记录每个层的定义信息；分发层说明在提供服务时所需的服务质量要求。数据最终需要分发给终端用户，在分发时数据对服务质量有不同的要求，该层用于记录这些要求。
（四）安防系统客观评测技术
传统安防系统的评估技术利用管理科学的基本思想结合敌手序列图模型对安全防范系统进行定性的分析和评估，缺乏对安全防范系统的效能进行科学、客观地定量评估理论和模型，致使其防范作用难以有效发挥，严重制约了安全防范系统建设投入上的费用-效能比。我们从信息科学领域出发，结合管理科学中的一些基本概念，通过借鉴香农信息论中度量信息量的方法，提出风险熵的概念并用其表示和计算安防节点的防护效能。风险熵越大，表明安防系统的防护效能越大，风险熵越小，反之亦然。该技术可以对安全防范系统的建设投入提供科学客观依据。及时发现和解决安全防范系统建设与应用过程中可能出现的问题，使安全防范系统的防护效能得以充分发挥。
四、总结与展望
综上所述，在未来5到10年，多媒体安防核心技术的环境适应能力将大为提升，移动、夜间、特定对象、特定事件的监控质量改善明显，3D音视频技术也将发挥重要作用；同时，城市安防数字资源中心将逐步成为安防基础设施投入使用，依托资源中心完成数字内容全生命周期管理并在此基础上构建安防情报联网体系；随着“平安城市：的不断兴起，安防系统客观效能评估将用于系统规划和验收阶段，城市安防风险客观评测技术开始在部分城市使用并据此实现城市警力的智能调度；最终，安防系统将真正开始支持机动、协同、分析与预警、精确打击的新一代警务模式。