CN102917171B - 基于像素的小目标定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视频监控领域，通过固定相机和转动相机的联动，实现基于像素的小目标定位联动监控方法。包括目标捕捉、目标定位两个步骤，其中目标捕捉是通过框选固定相机的全景视频来触发转动相机的启动；目标定位是通过转动相机获得定位目标的完整高清视频画面，进行图像轮廓描点，将视频轮廓点信息转换为海图坐标，投影到海图上，海图上的投影位置点通过海图区域绘制工具，创建为区域对象，通过计算该区域的几何中心，直接在海图上获取该位置的经纬度信息，再通过获取的目标位置经纬度信息，设置摄像机的对该目标的锁定监控，以了解其实时动态。本发明通过固定相机为转动相机提供全景视频画面，由转动相机对框选目标精确捕捉和定位。

Description

基于像素的小目标定位方法

技术领域

本发明涉及视频监控领域，通过固定相机和转动相机的联动，实现基于像素的小目标定位联动监控方法。

背景技术

随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展，为提高安防监控能力以加强执法力度，需要获得清晰和准确的监控视频作为执法依据，各级用户对智能化、准确化、高清化和可移动化的视频监控需求日益提高。长期以来，视频监控主要局限于固定相机的固定区域监控，受像素和智能化程度的影响，视频监控具有区域局限、清晰度低和单一画面显示等问题，给监控和执法取证带来困难。于是需要一种以动静结合的监控模式实现视频监控目标的全景、多视角监控和目标定位。

发明内容

本发明提供一种基于像素的小目标定位方法，实现对同一画面中不同目标的监控和定位。

为达到上述目的，本发明采取以下的技术方案：

基于像素的小目标定位方法，包括以下步骤：

（1）目标捕捉

1）视频扫描：固定相机对视场范围内的指定区域进行扫描监控；

2）视图图像经过后台分析计算，符合***设定报警规则时自动触发声光报警；

3）依据报警位置信息，通过固定相机的全景视频进行报警确认；

4）通过框选工具框选视频画面中的重点场景和目标，框选操作触发转动相机的启动；

5）通过后台计算获取框选场景几何中心位置点坐标，并依据匹配算法，计算获取该几何中心在转动相机中的位置，从而获得云台转动角；

6）调节转动相机云台方位，变焦获取框选场景位置的高清视频；

（2）目标定位

1）通过转动相机的视频调节，获得定位目标的完整高清视频画面；

2）在高清视频画面上进行图像轮廓描点，并通过后台数据处理中心，将视频轮廓点信息转换为海图坐标，投影到海图上；

3）海图上的投影位置点通过海图区域绘制工具，创建为区域对象，通过计算该区域的几何中心，直接在海图上获取该位置的经纬度信息；

4）通过海图标示功能，对该位置添加事件图标和说明，方便各级用户的查看和共享；

5）通过获取的目标位置经纬度信息，设置摄像机的对该目标的锁定监控，以了解其实时动态；

6）向相关行政部门发送事件报告信息。

本发明通过固定相机为转动相机提供给实时、准确和完整的全景视频画面，并在全景视频画面中对重点目标的框选，启动转动相机实现对重点目标的精确捕捉和定位；转动相机则通过相机像素、焦距和视场等参数获得局部目标或区域的位置信息，通过转动相机的转动和焦距调整实现对全景视频画面中局部目标的高清、放大显示。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是转动相机、固定相机以及框选目标的几何关系图；

图3是摄像机坐标系的示意图；

图4是图像坐标系的示意图；

图5是像素图像捕捉的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。

实现本发明的主要设备包括固定相机和转动相机，它们都是高清摄像机，它们都可进行夜视模式和可见光模式的调节。固定相机为视频监控******默认的主相机，保持固定的方位角和固定的视场范围，不能进行相机位置和视场的任意改变，固定相机的视频画面为所能到达的全景视频，还具有以下操作功能：

(1)视场映射：将摄像机的视场影像以像素的形式对应成相应的地理方位和距离，并以此确定影像中每一点的地理方位；

(2)目标框选：通过选景框对视场中任意区域进行选取和定位；

(3)指令生成：选景框的位置信息生成对应的方位指令，产生转动摄像机能够识别的驱动指令；

(4)指令传输：将摄像机（云台和电动镜头）指令定点传送给相应的转动相机。

转动相机通过云台的转动实现360°的区域和目标监控，它能够进行位置和视场的自定义调节，能够通过变焦对监控目标进行高清放大显示，是对固定相机监控的补充和完善。还具有以下操作功能：

(1)本地操作：通过转动相机的云台和镜头进行普通的转动和焦距调整操作；

(2)联动操作：

1）指令接收：接收发给本摄像机的指令；

2）目标定位：按照区域的大小，结合转动摄像机的分辨率、焦距等计算目标区域的最佳监控视场；

3）摄像机驱动：驱动摄像机到特定的方位和焦距。

实现本发明所采用的监控***的操作步骤及功能：

(1)获得全景视频

通过视频监控***，启动固定相机进行固定区域的全景视频扫描，获取固定区域的全景视频画面，全景视频画面可通过监控窗口布局模式，进行单窗口、多窗口形式的显示。

(2)选定监控目标

在固定相机的全景视频画面中，对重点目标通过固定相机的画面缩放功能，进行目标排查和甄别，对用户关心的，显示效果不佳的目标对象在全景视频画面上通过框选工具进行监控目标选定，通过转动相机的云台转动和变焦放大显示其详细画面信息。

(3)启动转动相机

通过框选工具选定局部监控目标以后，拖动框选区域至全景视频画面以启动转动相机，实现转动视频摄像机与固定相机的视频联动，然后释放鼠标，获得转动相机选定目标的高清放大视频窗口。获得高清视频画面后，可依据实际用户需求，进行图片抽取，视频录制等操作。

(4)转动相机目标定位

1）确定框选目标在固定相机中的位置；

2）建立固定相机和转动相机相对位置的三维坐标空间系；

3）通过固定相机焦距f，固定相机与水平面的夹角，计算框选目标在固定相机上的位置矢量；

4）在三维坐标系中，计算转动相机相对于固定相机的旋转角度，以及转动相机在XOY坐标面中的矢量位置；

5）基于计算所得的转动角度和位置移动参数，转动云台，捕捉目标。

其中转动相机的目标大小判定方法如下

转动相机获得框选目标后，通过变焦获得框选目标的高清视频画面，此时通过固定相机的焦距f和镜头中心到被拍摄物体距离D，计算获得监控目标的大小，其计算公式如下：

H=h*D/f计算拍摄目标的水平距离；

V=v*D/f计算拍摄目标的垂直距离；

其中：D：转动相机的镜头中心到被拍摄物体距离（几何中心距离）

f：转动相机焦距

h：转动相机的CCD感光靶面水平距离

v：转动相机A的CCD感光靶面水平距离

H：被拍摄物体的水平距离

V：被拍摄物体的垂直距离

如图1所示，本发明通过固定相机和转动相机视频联动来实现基于像素的小目标定位方法，以实现对同一画面中不同目标的监控和定位，具体的计算机处理流程如下：

(1)目标捕捉

1）视频扫描：固定相机对视场范围内的指定区域进行扫描监控；

2）视图图像经过后台分析计算，符合***设定报警规则时自动触发声光报警；

3）依据报警位置信息，通过固定相机的全景视频进行报警确认；

4）通过框选工具框选视频画面中的重点场景和目标，框选操作触发转动相机的启动；

5）通过后台计算获取框选场景几何中心位置点坐标，并依据匹配算法，计算获取该几何中心在转动相机中的位置，从而获得云台转动角；

6）调节转动相机云台方位，变焦获取框选场景位置的高清视频；

(2)目标定位

1）通过转动相机的视频调节，获得定位目标的完整高清视频画面；

2）在高清视频画面上进行图像轮廓描点，并通过后台数据处理中心，将视频轮廓点信息转换为海图坐标，投影到海图上；

3）海图上的投影位置点通过海图区域绘制工具，创建为区域对象，通过计算该区域的几何中心，直接在海图上获取该位置的经纬度信息；

4）通过海图标示功能，对该位置添加事件图标和说明，方便各级用户的查看和共享；

5）通过获取的目标位置经纬度信息，设置摄像机的对该目标的锁定监控，以了解其实时动态；

6）向相关行政部门发送事件报告信息。

目标定位算法过程如下：

在视频跟踪***中，对目标的捕捉通过框选工具，将目标对象从背景中提取出来，将图像进行实时的分割处理，从而得到一幅二值图像。为了检测图像中所包含的目标区域信息，需要标记灰度值为1的像素，然后检查邻近像素之间的连通性，将具有连通关系的像素作为一个目标区域，提取相关的特征量。

框选目标的捕捉通过像素灰度值计算匹配获得，几何中心位置坐标的计算通过建立的摄像机坐标系和图像坐标系间的坐标转换，利用摄像机像素、分辨率和焦距的关系，以获得兴趣目标的坐标位置。

像素点坐标计算：宽度尺寸x分辨率=宽度像素；

高度尺寸x分辨率=高度像素。

如图2所示，

A：固定相机的位置；B：转动相机的位置；C：框选目标几何中心；

a1：固定相机与y方向的夹角，为固定已知参数；

b1：转动相机与y方向的夹角，为未知参数；

c1：固定相机和转动相机的相对位置夹角，为未知参数。

假设，

1)固定相机与转动相机具有相同的Y方向的高度，即AA1=BB1=L；

2）固定相机与转动相机保持一定的位置距离，即AB为固定值；

3）固定相机与转动相机对框选目标C的定位中心为框选方格的几何中心，几何中心通过固定相机自动对焦获取，即保证转动相机和固定相机的成像点重合。

几何算法如下：

已知参数如下：

1)固定相机与y方向的夹角a1；

2)转动相机具有相同的Y方向的高度L，AA1=BB1=L；

d:AB=A1B1=d

在直角三角形AA1C中：AC=AA1/cosa1；

A1C=AC*sina1=AA1*tga1；

在直角三角形BB1C中：依据万能公式，可获得转动相机云台在YOZ平面内的转动角度为：

$\mathrm{BC}=\sqrt{d^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2}$

$b1=\mathrm{arctg}\sqrt{d^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2}/l;$

在三角形ABC中，依据余弦定理：AB²=AC²+BC²-2*AC*BC*cosc1，

可知转动相机相对于固定相机的水平转动角为:

$d^2=l^2+d^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2-2*l/\cos a1*\sqrt{d^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2}*\cos c1$

即： $c1=\arccos \frac{1^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2}{2-1/\cos a1\sqrt{d^2-{\left(\mathrm{ltga}1\right)}^2}}$

目标定位算法如下：

（1）如图3所示，建立摄像机坐标系；

（2）如图4所示，建立图像坐标系：图像坐标分为像素坐标系和物理坐标系。其中图像坐标系以像素为单位，以图像左上角为原点，以u、v方向为两坐标轴。图像物理坐标系以光轴与像平面的焦点O₁为原点的直角坐标系。

（3）如图5所示，基于像素图像捕捉算法实例如下：

1）第1扫描行，在像素点(1,3)的位置开始一个新的目标标记S(1)；在处理像素点(1,6)的时候，得知标记S(1)。在像素点(1,5)点结束，此时将NS中的目标标记写入S(1)中；

2）第2扫描行，在像素点(2,2)的位置，由算法可知，其属于目标标记S(1)。第3扫描行也可以类似处理；

3）从第4扫描行的(4,6)像素点开始一个新的目标标记S(2)。第5扫描行的像素分别属于目标标记S(1)和S(2)。

4）第6扫描行，从像素点(6,1)开始一个新的目标标记S(3)，当扫描到像素点(6,2)的时候，根据算法，目标标记S(1)将合并到S(3)中，同时S(1)的有效标记置无效，等效标记指向S(3)；扫描到像素点(6,6)时，合并S(2)的内容到S(3)中；扫描到像素点(6,8)时，由于S(2)有效标记置零，而等效标记指向S(3)本身，所以不作任何动作；扫描到像素点(6,11)时，将NS中内容写入到S(3)，此时S(3)中的内容为S(1)，S(2)和NS的合并。

5）同在第6扫描行，在像素点(6,13)，开辟新目标标记S(4)；在像素点(6,14)，检查(5,15)点所对应的目标标记S(2)，其有效位为零，等效位指向S(3)，所以将S(3)的内容写入S(4)，S(3)置为无效，等效标记指向S(4)，同时检查所有的目标标记，发现原有S(1)和S(2)等效标记指向S(3)，现将S(1)和S(2)的等效标记该为指向S(4)。在像素点(6,19)，根据算法不采取任何目标标记合并行为。

6）第7扫描行，像素点(7,6)，该点属于其左上方像素点所属的目标标记，检查该目标标记S(3)，发现等效标记指向S(4)，于是该点属于目标标记S(4)；同理，扫描点S(7,13)亦属于目标标记S(4)。

7）检查目标标记，S(1)，S(2)，S(3)有效标记均为0，只有S(4)有效标记为1，从中可以得知，该图案中只有一个目标标记。

（4）框选目标对象几何中心定位：

计算目标标记位置坐标，通过框选目标位置点的标记像素坐标，将属于同一连通体的不同象素点的坐标值进行平均,将平均值作为该框选区域或几个相邻、重叠区域的质心坐标的位置,其坐标计算公式为:

$x_c=\underset{i,j\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}\frac{j}{N},y_c=\underset{i,j\∈\mathrm{\Ω}}{\mathrm{\Σ}}\frac{i}{N}$

其中：(i,j)为图像象素的纵、横坐标;

N为连通体的总的象素数;

Ω为属于同一连通体的象素的集合；

执行过程如下：

步骤1逐行逐列的搜索二值图像的每个象素点的灰度值，当灰度值为0时执行步骤2调用递归函数。

步骤2将象素点的灰度置为1，象素点的横坐标与横坐标的和相加,纵坐标与纵坐标的和相加。从当前象素点开始分别向8连通方向搜索,判断这8个象素点的灰度值是否为0，若为0执行步骤2，否则调用结束返回主程序。

步骤3根据返回的横、纵坐标的和算出横纵坐标的平均值为当前区域位置的图像的质心坐标。继续搜索下一个灰度值为0的象素点,如此得到所有微孔的质心坐标。通过对象框选区域所有像素点的质心计算，获得该区域中心点的位置坐标。

Claims (1)

1.基于像素的小目标定位方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)目标捕捉

1)视频扫描：固定相机对视场范围内的指定区域进行扫描监控；

2)视图图像经过后台分析计算，符合***设定报警规则时自动触发声光报警；

3)依据报警位置信息，通过固定相机的全景视频进行报警确认；

4)通过框选工具框选视频画面中的重点场景和目标，框选操作触发转动相机的启动；

5)通过后台计算获取框选场景几何中心位置点坐标，并依据匹配算法，计算获取该几何中心在转动相机中的位置，从而获得云台转动角；

6)调节转动相机云台方位，变焦获取框选场景位置的高清视频；

其中，通过框选工具框选视频画面中的重点场景和目标并调节转动相机云台方位包括：

确定框选目标在固定相机中的位置；

建立固定相机和转动相机相对位置的三维坐标空间系；

通过固定相机焦距f，固定相机与水平面的夹角，计算框选目标在固定相机上的位置矢量；

在三维坐标系中，计算转动相机相对于固定相机的旋转角度，以及转动相机在XOY坐标面中的矢量位置；

基于计算所得的转动角度和位置移动参数，转动云台，捕捉目标；

(2)目标定位

1)通过转动相机的视频调节，获得定位目标的完整高清视频画面；

2)在高清视频画面上进行图像轮廓描点，并通过后台数据处理中心，将视频轮廓点信息转换为海图坐标，投影到海图上；

3)海图上的投影位置点通过海图区域绘制工具，创建为区域对象，通过计算该区域的几何中心，直接在海图上获取该位置的经纬度信息；

4)通过海图标示功能，对该位置添加事件图标和说明，方便各级用户的查看和共享；

5)通过获取的目标位置经纬度信息，设置摄像机的对该目标的锁定监控，以了解其实时动态；

6)向相关行政部门发送事件报告信息。