视频智能分析技术在ATM监控中的应用

【摘要】本文叙述了技术及其在领域的发展趋势和应用特点。结合目前不法分子针对ATM（银行自动存取款机）进行各种犯罪行为的分析，论述了技术在金融安防ATM中的作用。同时，结合实际阐述了ATM智能系统构建方式、主要技术特点和功能。

　　文中所描述的ATM智能视频监控系统在实际中得到应用并已经产生了良好的社会和经济效益，使ATM监控取得了从传统的监控到智能化视频监控的飞跃。

1 概述

　　到目前为止，视频监控系统的发展经历了三代。无论是第一代第二代还是第三代视频监控系统，目前都需要人工实时监视视频图像以捕捉异常事件和突发事件的发生，这在“及时地对发生的异常事件和突发事件做出适当有效的反应”方面存在严重缺陷，不能满足当前人们对安全防范的要求。以第三代数字式、网络化视频监控系统为基础，融合图像处理、计算机视觉及人工智能的最新研究成果，利用计算机实现对监控场景中异常和突发事件的自动分析、自动捕获和自动报警，这就是智能视频监控。

2 视频技术及其发展趋势

　　2.1 智能分析技术

　　视频智能分析技术主要是指：“自动的提取视频源中的关键（特征）信息并进行智能化分析，并通过设置一定的条件和规则对其判定”。如果把前端设备（如摄像机）看作是人的眼睛，则视频智能分析技术可以看作人的大脑，智能分析技术借助CPU强大的数据处理能力，对视频画面中的海量数据进行高速分析，为使用者提供有价值的关键信息。

　　视频智能分析的处理方法主要是对场景中人的运动进行分析，其过程一般包含运动检测、目标跟踪、行为识别和理解几个方面。其中运动检测、目标跟踪等底层处理环节在过去几年中得到了快速发展，并且得到了实用。行为识别作为人的运动分析的高层处理部分，是极具挑战性的一个研究方向，也是当前学术研究的热点。

　　2.2 智能视频监控的发展现状

　　由于视频监控广泛的应用前景和潜在的经济价值，已经引起了国内外研究者的广泛关注。尤其是在美国、英国等国家已经开展了大量的项目研究。1997年美国国防高级研究项目署设立了以卡内基梅隆大学(CMU)为首、麻省理工学院(MIT)等众多高校参与的视觉监控重大项目VSAM，主要用于战场及普通民用场景进行监控的自动视频理解技术；实时视觉监控系统W4不仅能够定位人和分割出人的身体部分，而且通过建立外观模型来实现多人的跟踪，并可以检测人是否携带物体等简单行为；MIT开发的Pfinder系统可以对单个人进行较为准确的跟踪；英国的雷丁大学已开展了对车辆和行人的跟踪及其交互作用识别的相关研究。美国9.11恐怖事件以后，对视频智能监控领域的研究得到了更多的关注，一些公司也开展了相关的研究。譬如ObjectVideo、NICE、IBM、Microsoft、GE和UTRC等公司，已经推出了针对特定场合的智能监控的产品。这些视频智能技术产品主要应用于对安全性要求高和高风险的场合，如国境线、码头、炼油厂、化工厂、核电站以及水的净化处理等。ObjectVideo的产品基于计算机视觉技术，能够提供检测、分类、跟踪以及分析威吓或者感兴趣的行为。NICE主要的产品主要包括对飞机场或其他交通场所的遗落行李的检测，安全区域的车辆行人检测，人流统计等。GE公司的VideoIQ产品主要实现多种场景下的人的检测，可针对大范围的户外场景的人的检测跟踪，同时对于进入特定区域的人进行报警。IBM与Microsoft等公司也逐步将基于视觉的手势识别接口应用于商业领域。

　　以色列具有代表性的公司有Mate、Nicevision、Ioimage。Mate公司的主要产品BehaveWatch可检测六种异常行为，包括路径检测、突然出现报警、定向运动检测等，提出三层防护概念。NiceVision公司的视频分析仪对不同的威胁提供实时侦测功能，包括闯入者，车辆，被遗弃的行李和包裹，周边及设施保护，阻塞安全出入口及消防路线，盗窃侦测/防止安全设备被移动，计算人数，车辆和其它其物件，显示人群聚集，监控安全率水平，量度人流，显示企图尾随进入入口处控制点。Ioimage公司的产品能实现五种行为的检测，包括入侵探测，PTZ自动跟踪，遗留物体探测，非法滞留探测，移动物体探测等。

　　法国CitiLog公司的产品为视频事件自动检测系统，主要应用于智能交通领域。Citilog的核心技术是动态图像背景自适应技术和车辆图像跟踪技术，彻底消除了光线，雨雪，灰尘对系统的影响，可以及时检测监控区域内发生的交通事件，采集交通数据，辅助进行交通控制等。

　　国内在智能视频的研究以中科院自动化所起步较早，他们也取得了一定的成绩，主要研究动态场景的视觉监控，工作集中在运动检测、跟踪和手势、步态识别和生物特征识别等方面。还有不少高校的实验室投入到该领域中，例如清华大学计算机系在计算机视觉方面的研究主要集中在人脸识别，物体的主动跟踪等方面。

　　2.3 视频智能产品的发展趋势

　　智能视频监控是基于计算机视觉技术对监控场景的视频图像内容进行分析，提取场景中的关键信息，并形成相应事件和告警的监控方式，是新一代基于视频内容分析的监控系统。

　　视频智能分析是监控领域最新的、最具发展潜力的方向，随着投入力量的不断增加，视频智能监控产品必定会有更广阔的发展空间。

　　市场:由垄断型转向多元竞争

　　前几年，由于智能化市场处于起步阶段，进入这个领域的企业不多，少数产品垄断这个市场。随着近年来国际局势的变化，反恐的形式发展，智能识别市场这个蛋糕越来越庞大，由于市场利润丰厚，越来越多的资金进人这个领域，后入者凭借资金优势和技术引进，将使智能识别市场由暴利转化为利润平均化，竞争将会越来越激烈，只有那些掌握着核心技术和产品标准化的企业成为竞争的最大赢家。

　　用户:由特殊部门专用转向社会化

　　以前，智能识别产品的用户大多集中在公安、安全、银行等特殊部门或行业，而很少涉及到通用领域。随着社会发展和治安形式的严峻，越来越多的普通行业需要智能识别技术及产品，诸如智能家居，具有人脸识别功能的智能玩具，游戏互动等。智能识别领域由特殊行业客户向普通消费者转变将是大势所趋，成为不可阻挡的潮流。

　　应用:由孤立使用转向网络化应用

　　现在的智能识别几乎都停留在单一识别上，能与互联网相通的还不多，但是随着网络传输技术的发展，大容量、高速度传送将不再遥远，3G技术的成熟，将有越来越多的智能识别数据可以通过手机实时传输。

3 基于智能分析技术的ATM视频监控系统

　　3.1 项目背景

　　随着我国金融电子化的深入发展和金卡工程的不断推进，银行自助设备和自助银行在金融领域中的应用范围越来越广，受到了储户普遍欢迎。由于银行自助设备（ATM）和自助银行的公开性、方便性和环境特殊性，导致客户、银行、社会之间难以建立起有效的防范机制，近年来针对银行自助设备和自助银行的犯罪活动不断增加。

　　传统的ATM视频监控系统主要是将监控视频录制下来，事件发生后，通过视频进行事后取证，排解纠纷，破获案件。这样的监控系统在一定程度上保证了ATM的安全操作，但存在着只能提供事后取证的缺陷，这样往往耽误了解决事件的最佳机会。而有些事件发生后再解决，费时费力，即使能够找到证据，可能造成的损失也已无可挽回。

　　统计表明，现在ATM监控录像中存在大量的冗余信息。这些冗余信息既增加了录制设备的负担有增加了存储资源的消耗，还不便于后续工作人员对录像的追查分析。

　　如何保证ATM的运行安全，防范和降低银行与ATM用户的风险，防止ATM被故意破坏、防止利用ATM进行诈骗，有效保护银行和储户的利益，成为当今金融领域亟待解决的问题。

　　ATM智能视频监控系统就是为有效解决以上传统视频监控中的困绕，由北京声迅电子有限公司立项开发的新一代视频监控系统。项目开发针对金融自助设备应用场景，融合当前运动检测、目标跟踪和行为识别的最新成果及硬件技术的最新发展，构建一个视频智能监控的软硬件综合平台，实现金融ATM业务监控场景中异常行为的识别和理解。

　　ATM智能视频监控系统目前已经在国内部分城市成功应用。北京2008奥运会召开前，奥运村的上就安装了上述智能视频处理产品，并接入到北京全市ATM监控联网系统之中，这些ATM的智能联网监控大大提高了原有的监控效能，受到使用者的好评。

　　3.2 系统组成

　　传统ATM监控系统中包含：摄像机、视频服务器/网络录像机、客户终端等几个部分。ATM智能视频监控系统是通过在传统ATM监控系统中加入智能视频处理模块这一关键技术来实现一系列功能的。它能根据预先设置好的规则，对场景进行实时的监控，当预设规则被破坏，便及时发出报警信息，提醒监控人员注意，采取有效的处置手段。

　　智能视频处理模块能够实现对视频数据的智能处理并与其它硬件设备的通讯。

　　智能视频处理模块主要由以下几个功能模块组成（如图1）：程序存储模块、视频解码处理模块、DSP视频数据处理模块、串口处理模块、网口输出处理模块、视频编码处理模块。

图1智能视频处理模块组成示意图

　　视频解码处理模块。该模块采用视频解码芯片，将摄像机捕获到的模拟信号进行解码处理，转化成DSP模块能够处理的数字信号，然后将数据传输到DSP中。

　　程序储存模块。该模块使用闪存（Flash）存储ATM智能视频监控系统需要运行的程序。

　　DSP处理模块。该模块采用嵌入的智能视频处理算法实现对视频数据的智能化处理。这样，摄像机捕获的ATM场景的视频图像被实时、智能的处理，能够分析与ATM相关的异常行为，实时地发出报警信息。

　　串口处理模块、网口输出处理模块、视频编码处理模块。视频数据经过DSP处理的结果可以通过视频口、串口、网口的形式输出给其它的设备。通过视频编码芯片对DSP处理过的视频数据进行编码，送至视频口输出；也可以通过转换芯片，将串行数据转换串口数据分别接到串口芯片上，然后通过串口输出；还可以采用通用的网络协议，将视频处理结果通过网口输出模块进行输出。

　　同步动态随机存取存储器（SDRAM）。因为DSP模块需采用多种智能视频处理算法来实现对视频数据的智能化处理，这样将消耗大量存储空间。ATM智能视频监控系统采用SDRAM作为辅器件，增加了存储空间，保证了视频处理的实时性和有效性。

　　智能视频处理模块是通过硬件电路实现，可以将硬件电路板加载在传统ATM监控系统的硬件设备中，如摄像机、视频服务器/网络摄像机上，或者以该硬件电路板去实现具有视频智能处理功能的独立设备。

　　智能视频监控系统的常用构建方式有三种。

　　方式1：通过对ATM监控系统中的摄像机加载智能视频处理模块，形成智能视频处理摄像机。这样在不改变传统ATM监控系统连接方式的前提下，智能视频处理摄像机能够对其捕获的视频数据进行智能分析处理。

　　方式2：通过在ATM视频监控系统中的视频服务器/录像机等设备中加载智能视频处理模块构成ATM智能视频监控系统（如图2所示）。这样在不改变传统ATM监控系统连接方式的前提下，智能视频服务器/录像机具有了智能视频分析处理功能。

图2ATM智能视频监控系统

　　图中，智能视频服务器/录像机通过视频线与摄像机连接，采集模拟视频信号。智能视频服务器/录像机能够对摄像机捕获的视频进行自动地分析，检测场景周围异常行为，同时智能视频服务器/录像机具有传统视频服务器/录像机的所有功能，能够对视频进行编码、传输（录像机可存储），智能视频服务器能够将ATM录像及经过智能视频分析处理得到的分析结果——报警信息通过网口传输给监控中心的客户终端。客户终端是整个ATM智能视频监控系统的后端，监控中心的客户终端上安装有视频管理功能的管理程序，客户端管理程序能够接收智能视频服务器/录像机传输来的信息，及时对视频信息解码，播放，同时还提供回放、检索等功能。

　　方式3：通过在ATM视频监控系统中添加具有智能视频处理功能的硬件设备。该设备嵌入上述的智能视频处理模块，该设备能够通过网口、串口、视频口等与传统智能视频监控系统中的其他硬件设备通讯。

　　3.3 主要技术特点

　　ATM智能视频监控系统智能化处理的流程为：1、摄像机捕获数据；2、通过运动检测算法得到运动目标的区域；3、依据检测结果目标跟踪算法会针对每一个目标得到一个跟踪结果；4、通过跟踪结果以及对原始视频的特征提取得到场景中目标的行为分析结果和异常行为检测结果。

　　实现视频数据智能化处理的主要技术包括：运动检测、运动跟踪、异常行为检测等。

　　1、运动检测

　　运动检测是从视频序列图像中将变化区域从背景图像中提取出来。运动检测是整个智能视频监控处理的第一步，也是关键的一步。运动目标能否被有效地检测出来，对于目标跟踪、分类以及异常行为检测等后期处理是非常重要的，是后续处理过程的参考（后续处理过程仅仅考虑图像中对应于运动区域的像素）。

　　2、目标跟踪

　　目标跟踪在视频智能监控领域有着重要的地位。它处于底层的运动检测和高层的异常行为识别之间。视频跟踪是将连续视频帧中需跟踪的目标建立对应关系的过程。虽然有些情况下的跟踪没有运动检测这个部分，但大部分情况下它以运动检测为基础，同时又为高层的行为识别提供依据。

　　在ATM智能视频监控系统中主要实现两方面的跟踪：

　　1）将场景中的人作为一个整体目标进行跟踪。当人进入被监控的ATM场景中时，系统可以自动地对出现的人进行跟踪，并记录下每个时刻目标所在的位置。这些信息将为高层的异常行为识别提供重要的信息。

　　2）将场景中人的部分肢体作为目标进行跟踪。跟踪场景中人的部分肢体，主要是双手、头等。对于ATM智能视频监控系统，这是必要的。因为发生在ATM上的许多异常行为，譬如键盘贴膜、卡口封装、ATM敲打等，双手、头的运动能够提供很多信息。对于猛烈撞击ATM、挥舞钝器、斗殴等快速重复性动作的跟踪，由于肢体的运动比较剧烈，采取了较为复杂的运动模型和跟踪算法。

　　总之，ATM智能视频监控系统中的跟踪既可以把人作为一个整体目标进行正确的跟踪，又可以跟踪到人的重要肢体，包括人的手、头等，双重跟踪模式，为异常行为跟踪提供了充分的信息。

　　3、异常行为检测

　　异常行为检测是ATM智能视频监控系统中的核心内容，通过灵活、有效的行为识别算法来进行异常行为识别。ATM智能视频监控系统根据异常行为的不同建立了不同的异常行为识别算法。从感知心理学的角度，我们知道行为服从分层的结构特性，异常识别算法就是依据这一理论实现的。行为就类似于语言处理中的语句，可以进行分类组织，放置于不同的抽象层上。同时我们将行为进行再度划分的，即将行为分为子行为，将子行为进一步划分为基元行为（即不可再分的行为）。行为的基元序列和子行为序列存在时间上的约束关系。现实场景中的行为是由多个满足上述分层特性的行为序列组合而成。所以，ATM智能视频监控系统中应用的识别算法既能表达行为的内部结构特性，又能捕捉到其时间上的约束关系。

　　3.4系统功能

　　ATM智能视频监控系统为ATM应用提供更智能的监控、更高效的报警和更安全的保障，系统可实现的具体功能如下：

　　1、场景中人的正常、异常行为检测

　　ATM智能视频监控系统可以通过监控设备实时分析发生在ATM上的操作，通过智能视频处理算法，判断人的行为属于正常还是异常行为。系统可以检测下列异常行为：

　　1）键盘贴膜和加装假键盘异常行为

　　键盘贴膜或加装假键盘是指人为在键盘上加贴薄膜或在真键盘上加一层薄假键盘，在取款人在输入密码时可以非法截获密码。通常这种犯罪行为与假吞卡结合，先获取取款人的密码再吞掉取款人的卡，从而达到犯罪的目的。

　　ATM智能视频监控系统能够准确的识别人为的在ATM键盘上加贴薄膜或者安装假键盘的异常行为。检测出异常行为，将提示报警信息，报警信息通过网络传输给监控中心的客户终端，客户终端能够实时地获取报警信息，防止取款人在进行密码输入操作后被非法截获密码。

　　2）卡口加装异常行为

　　常见的在插卡处加装小装置的异常行为有两种。一种是将假的插口固定在上原来真插口的位置，取款人不知道就把银行卡插入假插口，而假插卡槽内部有一个卡的资讯读写装置，可以复制卡上全部信息。

　　另一种是在卡口加装钩子，当取款人将卡插入取款机后，会出现卡插不进去又拔不出来的情况，通常该种情况与假公告相配套，假公告会提示“吞卡后与XX电话联系”等信息，该电话假冒银行客服人员，套取取款人卡号及密码，然后告知第二天在XX银行取回卡，当取款人离开后，犯罪分子取出卡，根据获取的密码信息取走现金。

　　ATM智能视频监控系统能够识别出人为在插卡处加装小装置的异常行为。检测出异常行为，将提示报警信息，报警信息可通过网络传输给监控中心客户终端，客户终端能够实时地获取报警信息及时处置，从而防止了取款人在插入卡时，被非法获取卡号或者造成假吐卡现象等事件的发生。

　　3）出钞口封装异常行为

　　常见的针对出钞口异常行为有用塑料卡片、提示牌（如温馨提示）或胶水封住出钞口，取款人离开后刮开封堵物拿走现金。

　　　　ATM智能视频监控系统能够识别出钞口被封装的异常行为，检测出该异常行为。检测出该类行为，将提示报警信息，报警信息通过网络传输给监控中心客户终端，客户终端能够实时地获取报警信息，从而防止了由于人为非法封装出钞口，而造成的取出的款被破坏分子非法获得的事件。

　　4）敲砸ATM异常行为

　　ATM智能视频监控设备能够识别出猛踢、猛打、猛砸，使用工具猛烈击打ATM，或使用工具撬开ATM机身，试图非法获取处于ATM钱钞箱的现金等异常行为。检测出该类异常行为，将提示报警信息，报警信息通过网络传输给监控中心客户终端，客户终端能够实时地获取报警信息，从而防止ATM破坏事件的发生，保证了ATM的安全。

　　5）重复性快速动作异常行为

　　ATM智能视频监控系统能够识别人为的猛烈撞击ATM、挥舞钝器、斗殴等异常行为。ATM智能视频监控设备通过识别人体全身或局部快速运动，能够准确的检测出猛烈撞击ATM、挥舞钝器、斗殴等发生在ATM的异常行为，防止犯罪事件的发生。检测出该类异常行为，将提示报警信息，报警信息通过网络传输给监控中心客户终端，客户终端能够实时地获取报警信息。这样既可以通过ATM本地警告、威慑提前终止不法行为的发生，也可以通知出警，及时处理现场情况，减少人、财、物的损失。

　　6)ATM上张贴或安装广告盒异常行为

　　ATM智能视频监控系统能够识别ATM上的异常张贴或安装广告盒的行为。检测出该类异常行为，将提示报警信息，报警信息通过网络传输给监控中心客户终端，客户终端能够实时获取报警信息，从而防止了取款人被非法贴上的“向指定帐户转帐”等假通知、假广告的迷惑、诱导，造成的不必要经济损失。

　　7）丢包异常行为

　　ATM智能视频监控系统能够识别操作人将随身携带的物品放置在ATM上或者ATM附近某些地方，而交易结束后，忘记带走，导致遗留物品的经常丢失行为。检测出该类异常行为，将实时的发出报警信息，自动语音提示ATM用户物品被遗忘，或者通过将报警信息传输给监控中心，由监控中心对讲进行提示。从而有效地解决了由于物品遗忘，而给ATM用户造成的不必要经济损失。

　　2、实时触发录像

　　ATM智能视频监控系统能够通过实时地监控人的行为，来触发启动、停止ATM监控录像，触发式存储，在通常的情况下只保存智能监控的信息，当有人进入ATM的监控场景，则触发录像装置，启动进行录像，当人操作结束离开ATM的监控场景，则触发录像装置，停止录像，可节省存储硬盘的空间，提高了ATM监控的效率。

4 智能分析在ATM机视频监控的作用

　　上述ATM智能视频监控系统以普通的网络视频监控为基础，将智能识别分析技术应用于ATM机的视频监控中。除了具备广为人知的网络视频监控的优势外，智能视频监控系统还能对ATM机的实时图像进行智能化的分析、处理。为金融系统提供了一套针对ATM犯罪行为的有效的防护手段，同时也可以协助相关部分将犯罪分子绳之以法。

　　智能分析技术应用于ATM监控的突出优点主要表现在以下几个方面。

　　4.1 变事后追查为事前预警

　　这是智能识别最具价值的体现。

　　目前广泛应用在银行、商场等场合的摄像机监控通常只是录像，用于事后的取证，它损失了图像的基本价值(一个动态的、实时的媒质)，就如同把直播变成录像一样，这与人们对视频系统真正需求是有差距的。无数事实证明，事后追查是必须的，但事前的预警更为重要，它可以把一些重大事件隐患抑制于萌芽之中，避免亡羊补牢。因此监控系统智能化的一个重要研究方向，就是要从事后分析转向提前防范，监测到潜在的安全威胁，提高预警能力。比如发现一个来历不明的物品较长时间的出现在安全管理区域，或者发现一个可疑的人游荡在安全管理的区域，再或者发现一个人对防护目标有特殊的关注或异常的行为等。对这样一些具有潜在威胁的事件，视频监控系统要能够及时捕获，并对是否介入事件做出智能的判断。

　　4.2 全天候可靠监控

　　人眼盯屏幕很容易产生疲劳，而且电视墙一般也不可能一对一的显示，必然会出现很多画面长时间不被人所观察。而智能识别每天24小时不间断分析画面内容，完全取代人眼盯屏幕的枯燥劳动，真正做到全天候监控。智能视频监控系统能有效抑制人作为行为主体所引致的系列问题，实现真正意义上的全天候的监控，提高报警精确度，减少漏分析或者误分析的现象，还可以缩短响应时间，提高响应速度，形成更为有效的现场数据，在安全威胁发生之前就能够提示安全人员关注相关监控画面，为潜在威胁做好防范工作。

　　4.3 改善监控质量

　　在监控图像出现模糊、遮挡、移位等情况下，依靠智能分析可非常准确地发现问题。通过故障报告，管理员可快速发现故障所在，避免长时间图像不清晰录像模糊的情况发生。

4.4 改善录像综合质量

　　在没有智能分析的场合，录像的启动一般分为手动、定时自动、报警联动、移动侦测等方式，要求录像时间长，硬盘空间占用大。据统计，90%以上的监控录像都是垃圾资源，根本无需存储，但机器并不能得知是否有价值，为了事后追查又不得不存储下来。智能识别的启用可将机器对图像内容的解释应用为启动录像的条件，比如智能识别中的VMD比通常移动侦测具有更高级别的识别和准确度。智能分析可以将解释到有价值的图像存储下来，从而减少垃圾录像，大大节省硬盘空间。

　　智能分析对录像综合质量的提高还体现在事后的检索。对于同一时间段的录像，一般需要人为地观看全部或快速播放或拖动播放来发现期间发生的事件，而智能分析则可以快速定位到事件发生的相对位置进行播放。

5 结束语

ATM智能视频监控系统通过将视频智能分析技术和ATM传统监控技术的有效结合提供了一种能够实时报警、事前预警的ATM安全解决方案，取代了传统的事后取证、广告安全提示的ATM安全解决方案，使ATM监控取得了从传统的监控到智能化视频监控的飞跃。

通过对视频智能分析技术的推广应用，可带动国内针对ATM监控的高级应用探索，也可带动国内相关单位对智能识别技术的进一步研究。随着智能分析技术的不断完善，智能视频监控将会展现出更为广阔的发展空间，智能视频分析技术除了在ATM监控中得到良好应用外，还可以推广到交通、博物馆、古迹、运动场馆、航空场所、停车场、商场等场所，从而提高智能监控的应用领域，以使我们的生活环境更安全和谐，真正的达到国家和社会的长治久安。