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影像監控的自動控制
近年來,由於攝影機的畫質大幅提升與價格降低,影像監控與追蹤的應用引起了相當大的注意,也使監控器變得幾乎無所不在。
 
 
 
攝影機無所不在

在銀行、提款機、超商、住家大樓、大街小巷,常會看到許多攝影機,持續記錄著使用者或路過人的動態,保障我們的生活安全。

在高速公路、重要幹道、公共場所等地方,也會架設攝影機監測車流與人流,管控進入的人車,維持通行的順暢。

在每天駕駛或搭乘的汽車上,也有越來越多的攝影機,有架設在車後的倒車輔助攝影機、兩側後視鏡的盲點監控及停車輔助攝影機、車前的行車輔助攝影機、行車監控記錄器、駕駛者專注力偵測或乘客行為監控攝影機等,提供行車、乘車更充足的資訊與安全。

甚至於日常生活或娛樂用的手機、平板電腦、視訊設備、電子遊樂器等,攝影機或相機幾乎都已成為基本配備,使得在與人的溝通及互動上更為親近且便利。

視覺的感知與控制

我們雖然常使用這些便利的攝影機與視覺相關的科技產品,卻往往不知道其中所需要的控制元素,或察覺其與控制的關聯性。

其實,人類自身的視覺系統也包含類似的感知與控制方式。當我們觀察或緊盯著某個人或物體時,會使用眼睛做視覺影像感知,並搭配運算處理器─大腦─控制肢體的一些運動行為,來完成整體的感知與動作反應。我們依據存留在大腦中的所要觀測物的外形、外貌、色彩等印象,在周遭環境中尋找目標的出現。一旦發現標的物後,我們會記住眼睛當下看到這物體的樣貌,之後當目標移動時,就依這印象比對所看到的景象中是否有這個目標存在。

影像追蹤與視覺伺服控制

以同樣的原理,就能夠理解日常生活中智慧型視覺系統與控制系統間的關聯性。例如,汽車製造廠所推出的攝影機行車安全輔助功能,當距離前車過近或突然有行人、障礙物闖入車道時,汽車就會自動減速或緊急煞車。一般駕駛者所體驗到的,可能僅是車輛具有這一智慧化的車速自動調變功能,但如詳細切割分析,就可見影像追蹤與視覺伺服控制在其中所扮演的角色。

首先,攝影機會持續監控車前景象,並經由一些影像處理以及電腦視覺的技術,偵測前車或障礙物的出現,並萃取出其在影像中的位置。在偵測萃取目標物影像的過程中,這物體的一般性樣貌或即時最新的外貌影像等資訊,都會被記錄儲存以持續地觀察這目標。

接著,需要知道前車或障礙物與自身車輛間的距離、相對速度等資訊,這些資訊稱為「狀態」。由於這些狀態無法直接由視覺觀測器量測得知,因此需要建立控制系統中的狀態觀測器,藉由如卡曼濾波器、粒子濾波器等方法估得這些狀態資訊。

在得知前車或障礙物與自身車輛間的距離、相對速度等資訊後,經由比較理想狀態參數與目前狀態間的誤差值,就可設計迴授控制器。在這類影像監控與追蹤的應用上,是藉由視覺感測器在影像上獲取這誤差值,並設計控制器使得目前狀態能達到或跟隨理想狀態的參數值,因此又常把這種控制方式稱作視覺伺服。

視覺伺服系統

視覺伺服系統也是數位控制系統的一種,因此設計數位控制系統時必須考量的採樣時間,也是實現智慧型視覺伺服的要素之一。攝影機就是一個類比至離散(數位)的A∕D採樣感測器,把自然界中的連續時間動作擷取拍攝成一張張的影像資料。而視覺伺服與一般數位控制系統最大的差異,在於每一張影像資料中的各種狀態資訊,必須經由影像處理或電腦視覺的技術運算萃取後才能得知。因此,自擷取該影像畫面的時間起,尚需等待一段時間後才能得到所需要的狀態資訊。

視覺伺服系統的採樣時間,主要取決於每一張影像的拍攝擷取時間和影像處理時間。一般採用NTSC標準規範的攝影機,每一張影像的拍攝擷取時間約為33毫秒,在等待下一張影像擷取完成的33毫秒這一段時間內,並不會有新的影像資料進來,因此可以在這一段時間空檔處理目前的影像。若視覺系統運作時能持續順暢地保持每33毫秒擷取一張影像,並處理其中的狀態資訊,這視覺系統就能隨時得知目標物或環境的最新動態,因此稱為即時視覺系統。

但是,倘若每一張影像畫面的處理時間遠超過33毫秒,擷取與處理程序就會延遲。以障礙物偵測並自動煞車的視覺伺服行車系統為例,攝影機在某一刻拍攝到障礙物出現,卻由於處理時間太久,等到過了許多張影像畫面後才偵測到障礙物,並控制煞車動作,但因為反應時間過慢,這時車輛很可能已撞上障礙物了。可見快速且即時的影像處理與伺服控制,對於智慧型視覺系統的重要性。

控制技術的日常應用

在了解控制理論與視覺感知系統的關聯性後,可以把許多控制的技術及方法應用到日常生活中的各種視覺系統中,使它們更聰明、便利。

就以目前國內許多公共空間與道路隨處可見的監視攝影機來說,一般的監視攝影機都是單純地記錄儲存一固定位置的錄影畫面。但真正要讓這些攝影機發揮功能,必須用人眼不停地緊盯著攝影機畫面,才能察覺異常狀況的發生。或者,在一些搶劫或傷害等事件發生後,再由人以肉眼徹底檢查錄影畫面,以找出事件發生的始末。

若能在這些監視攝影機中加上電腦或微處理器等提供運算處理的能力,就能在拍攝到的畫面上做即時處理,以偵測可疑的狀況並追蹤影像,找出可疑目標物的狀態。

若在監視攝影機的下方加上兩個可以控制俯角與擺角轉動的馬達,攝影機就不再只能夠看到一個固定的範圍,而是可以藉由控制馬達轉動來調整攝影機的視角。

但是,控制技術的能耐當然不只如此!若只是單純控制攝影機在依預先設定好的固定路徑上巡邏監看,可能還會發生如電影情節中,入侵者小心翼翼地躲避巡邏攝影機的視角可見範圍。因此,視覺觀測器所獲得的目標物資訊,其實還可做為控制馬達旋轉運動的依據,使攝影機追隨目標物移動。

為了讓目標物盡可能地不會脫離攝影機的視角範圍,在每一次下達控制命令時,可設定希望藉由控制調整攝影機視角後,目標物都能理想地出現在影像畫面正中央。若在每一次控制採樣的瞬間,都能達成把目標物鎖定在畫面正中央的控制目標,就算是目標物偶爾移動範圍增大,也不易脫離攝影機的可見範圍。

對於馬達旋轉運動控制器的設計,可以藉由當下目標物在影像中的位置與畫面正中央之間的距離差值來設計視覺伺服迴授控制器,使這差值越來越小,PID控制器、模糊控制器等設計方法都可以運用。

若想要更進一步拓展視覺監控的範圍,可以同時架設許多組具自動控制能力的監視攝影機。雖然每組監視攝影機都是一個已具有智慧化功能可自主運作的小系統,但若沒有一個有效的整合方法來控制這許許多多的小系統,整體的視覺監控效能不見得能有效提升。

這時,控制系統的諸多理論與技術如最佳控制、網路控制、分散式系統等,就可派上用場,藉由設定整體視覺監控系統的監看區域範圍或追蹤目標數等,來分配與設計各個小系統的任務和控制方式。如此,像電影〈全民公敵〉中各種不同位置與類型的監視攝影機,不間斷地接力追蹤監看逃亡者動態的場景,藉由控制理論的擴大應用就會出現在真實生活中。

在現今日常生活中,每個人每天都已脫離不了與視覺影像系統有所接觸。但真正使這些視覺影像系統不再只是單純顯示或拍攝的機器,就是隱身在其後的推手─自動控制。藉由即時觀測與迴授控制,使得視覺影像系統有更人性與智慧化的功能,大大影響我們的生活。
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