CN105979211B - 一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，根据摄像头参数建立三维摄像头模型；根据监控半径判断摄像头是否能对长方体模型的覆盖对象进行有效覆盖；在可以进行有效覆盖的情况下，将摄像头和长方体模型的覆盖对象在水平面进行投影，并对摄像头对长方体模型的覆盖对象形成的三维覆盖角进行计算；计算通过对多个摄像头的覆盖角进行取并集计算，进而求解出一组摄像头对覆盖对象的三维覆盖率。本发明的摄像头和覆盖对象都为三维模型，符合实际情况，且覆盖率计算方法的输入为给定的覆盖对象以及摄像头的相关参数，简单易行，计算简单，算法效率高，易于使用；同时本方法还具有一般性、普适性。

Description

一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法

技术领域

本发明属于多媒体传感器网络领域，特别涉及一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法。

背景技术

视频监控***越来越受到人们的关注，也成为当前学术领域研究的热点。当前大部分研究都假设一个覆盖对象可以被单独的一个监控节点所覆盖。但是在实际应用场景中并不具有通用性。当覆盖对象大到单个监控节点只能覆盖该对象的一部分时，则需要多个节点完成该覆盖对象的监控，即多视点监控。为了减少完成对覆盖对象的监控所需要的能耗，就需要找出节点最少的或冗余最小的监控节点集合，而完成监控节点选择的前提是需要了解单个监控节点以及一个监控节点集合对该覆盖对象的覆盖率。

然而现有的覆盖率计算方法主要有三类：目标覆盖、区域覆盖和角覆盖。目标覆盖是将监控对象作为一个质点处理，覆盖率的计算为覆盖的质点数与总质点数之比。区域覆盖的覆盖对象是一片区域，覆盖率的计算为覆盖的面积与总面积的比值。监控对象模型和覆盖率计算方式都不适用于实际应用场景。多视点视频监控***属于角覆盖。但是当前角覆盖的覆盖率计算方法有很多局限性，摄像头模型和覆盖对象并没有同时采用三维模型，而且监控方向特殊化，而且并没有对竖直方向的覆盖进行讨论。

综上，现有的覆盖率计算方法要么不符合实际情况，要么不具有普适性，难以适用于多视点视频监控***。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提供一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，以评估一组监控节点对监控对象的覆盖情况，该方法中摄像头和覆盖对象都为三维模型，符合实际情况，且覆盖率计算方法的输入为给定的覆盖对象以及摄像头的相关参数，简单易行，计算简单，算法效率高，易于使用。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，该方法包括以下步骤：

1)建立三维坐标系，将监控对象转化为长方体模型，并根据摄像头参数以及安装位置建立三维摄像头模型；

2)根据监控半径判断摄像头是否能对长方体模型的覆盖对象进行有效覆盖；

3)在可以进行有效覆盖的情况下，将摄像头和长方体模型的覆盖对象在水平面进行投影，并对摄像头对长方体模型的覆盖对象形成的三维覆盖角进行计算；

4)通过对多个摄像头的覆盖角进行取并集计算，进而求解出一组摄像头对覆盖对象的三维覆盖率。

步骤1)中三维摄像头模型被定义为一个五元数组C_i(n_i,α_i,β_i,λ_i,γ_i)，其中n_i＝(x_i,y_i,z_i)为监控节点i在三维坐标系中的空间坐标；监控节点i的监控方向向量为α_i是与Z轴的夹角，β_i是在X-Y平面上的投影与X轴的夹角；λ_i和γ_i分别是监控方向向量在竖直方向与水平方向的视场角。

步骤2)中摄像头能够对长方体模型的覆盖对象进行有效覆盖需要满足以下两个条件：一是监控对象的整个侧面高度需要被覆盖，二是长方体模型的上表面的几何中心需要在监控范围内，若符合以上两个条件则判断为有效覆盖。

步骤3)中，三维覆盖角的计算方法如下：

a：将长方体模型上表面的几何中心在X-Y平面的投影点作为坐标原点，建立直角坐标系，然后相应标出其他点的坐标；

b：由摄像头的坐标，及摄像头视场角的左右边界所在直线的斜率确定出摄像头视场角的左右边界所在直线的直线方程表达式；

c：计算摄像头视场角的左右边界与长方体模型上表面的交点坐标；

d：根据余弦定理计算三维覆盖角。

随着当前视频监控***的不断发展，评估覆盖效果的覆盖率已经是表征覆盖质量的一个重要因素。同时，计算出一组节点的覆盖率之后也能为后续的节点调度提供评价标准，实现资源的有效利用。本发明针对性的提出了一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的摄像头和覆盖对象都为三维模型，符合实际情况。另外，本方法的输入为固有参数和安装参数。固有参数包含摄像头的监控方向和三维视场角，以及覆盖对象的尺寸，这些参数都可以直接根据给定的摄像头和覆盖对象的类型而获得。安装参数包括摄像头与覆盖对象的坐标，及其相对距离，这些参数则可以在安装设备的时候获取，简单易行，计算简单，算法效率高，易于使用。另外，本方法对监控方向不做特殊考虑，具有一般性，同时本方法还适用与异构摄像头的场景，具有普适性。

附图说明

图1为三维有向摄像头模型示意图；

图2是三维监控示意图；

图3是X-Y平面的监控示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本实施例中监控对象可以根据实际情况(如商场建筑物)一般化为一个长宽高为2a*2b*H的长方体。三维有向摄像头模型被定义为一个五元数组C_i(n_i,α_i,β_i,λ_i,γ_i)。其中n_i＝(x_i,y_i,z_i)为监控节点i的空间坐标；α_i是监控方向向量与Z轴的夹角(又称为俯仰角)，β_i是方向向量在X-Y平面上的投影与X轴的夹角；λ_i和γ_i分别是监控方向向量在竖直方向与水平方向的视场角。三维有向摄像头模型如图1所示。图中R_i是监控节点i的有效监控半径。

监控对象是一个高为H的长方体，故摄像头竖直视场角的边界有可能与长方体的四个竖直侧面相交，那么最小监控半径R_i1与最大监控半径R_i2则可分别表示为式(1)和式(2)。

h为摄像头的竖直视场角边界与长方体侧面相交的点的高度，当h＝0时，竖直视场角的边界与X-Y平面的地面相交，与长方体没有交点。当h＝H时，竖直视场角的边界与长方体的上表面相交。当0<h<H时，视场角的边界与长方体的侧面相交于某一点P(x_p,y_p,h)，相对应的监控半径则有很明显h满足关系式h＝f(x_p,y_p)，即会随着交点的水平坐标不同而变化，则有同一摄像头对同一侧面的监控高度|h₂-h₁|也是不同的。因此，监控高度很难去评估一个区域的覆盖情况，除非整个竖直高度都同时被该摄像头所覆盖。

因为在多视点监控场景中，长方体侧面从底部到顶部的整个高度都需要同时被一个摄像头所覆盖，所以，我们考虑所有摄像头都必须部署在一个高度大于H的位置，即z_i≥H。我们说一个长方体被一个摄像头覆盖，首先R_i1和R_i2需要分别满足式(3)和式(4)：

其中，Q(x_q,y_q,0)为长方体下表面上的任意一点，O(x_o,y_o,H)为长方体上表面的几何中心。当以点O(x_o,y_o,H)在X-Y平面上的投影O′作为坐标原点时，式(4)可以简化为式(5)。

另外，一个长方体被一个摄像头覆盖还需要满足上表面几何中心O在水平视场角以内，即式(6)，以保证完成上表面中心O的覆盖。

摄像头i对覆盖对象的3D监控如图2所示。定义监控节点的坐标n_i在X-Y平面上投影为n_i′，节点的监控方向向量与长方体的交点在X-Y平面上投影为C′。视场角的左右边界分别与长方体相交于点A和点B，并记其在X-Y平面的投影分别为A′和B′。整个三维监控场景投影到X-Y平面后的情形如图3所示。

因为一个摄像头能同时完成部分上表面(包含上表面中心O)以及相应的侧面区域的覆盖，所以很容易发现，当上表面被全角覆盖，四个侧面的所有部分就都会被全部覆盖，从而整个长方体表面也被全部覆盖(因为下表面在地面上，并不需要覆盖)，实现长方体的全角覆盖。因此三维覆盖问题可以转化成上表面的周长覆盖问题。满足式(3)、式(4)及式(6)的摄像头对上表面的覆盖角θ_i ^XY是就可以作为该摄像头节点对该长方体的三维覆盖角θ_i。

首先，长方体上表面的几何中心在X-Y平面的投影点作为坐标原点，表示为O′(0,0)，由于长方体的长宽高已知，故长方体各顶点的坐标亦很容易得知。摄像头参数一旦给定，则n_i，α_i，β_i，λ_i和γ_i都可知，那么θ_i ^XY就可以计算了。

θ_i ^XY就是∠A′O′B′，而∠A′O′B′只要知道点A′和点B′的坐标即可计算出来。作为摄像头视场角左右边界与长方体上表面的交点A和B在X-Y平面的投影，点A′和点B′可以分别由直线n_i′A′、直线n_i′B′及其与长方形上表面相交的边形成的交点计算出来。而直线n_i′A′、直线n_i′B′又可以根据点n_i′(x_i,y_i)及经过该点的直线n_i′A′和直线n_i′B′的斜率而确定。而这个斜率则可以根据β_i与λ_i的角度关系求解。

覆盖角的整个计算过程如下。

步骤a：以O′作为坐标原点建立直角坐标系，然后相应标出其他点的坐标。

步骤b：由点n_i′的坐标，及过该点两条直线的斜率tan(β_i±0.5λ_i)可以确定出直线n_i′A′和直线n_i′B′，即摄像头视场角的左右边界所在直线。设点A′在斜率为tan(β_i-0.5λ_i)的直线上，点B′在斜率为tan(β_i+0.5λ_i)的直线上，斜率表达式如式(7)所示。

步骤c：因为点A′和点B′位于长方体上方，所以根据点A′和点B′所处的位置可以分别确定两点的坐标的一个元素，再将已知的其中一个坐标代入式(7)可推导出计算点A′和点B′完整的坐标(x_A′,y_A′)和(x_B′,y_B′)；

步骤d：根据余弦定理cosθ_i ^XY＝[(A′O′²+B′O′²-A′B′²)/(2A′O′·B′O′)]，则有

即

根据以上步骤完成单个摄像头的三维覆盖角计算之后，单个摄像头的三维覆盖率则为R_i＝θ_i ^XY/360°。需要注意的是，三维覆盖角亦可用区间形式表示为θ_i ^XY＝[s_i,t_i]∈[0°,360°]。其中tans_i＝x_B′/y_B′，tant_i＝x_A'/y_A′。一组监控节点对监控区域的覆盖角为θ^XY _K＝U_i∈K[s_i,t_i]，其中K是一个监控节点集合。监控节点集合K对监控区域的覆盖率为R_K＝θ^XY _K/[0°,360°]。

本发明的三维覆盖率计算方法根据给定摄像头和覆盖对象的参数，即可计算出具体的三维覆盖率值。

随着当前视频监控***的不断发展，评估覆盖效果的覆盖率已经是表征覆盖质量的一个重要因素。同时，计算出一组节点的覆盖率之后也能为后续的节点调度提供评价标准，实现资源的有效利用。本方法具有更强的普适性，与其他角覆盖覆盖率计算方法相比，本方法的覆盖对象模型为正方体，更符合实际应用场景，同时本方法的摄像头监控方向不作特殊化处理，适用于一般情况。另外，本方法的输入为固有参数和安装参数。固有参数包含摄像头的监控方向和三维视场角，以及覆盖对象的尺寸，这些参数都可以直接根据给定的摄像头和覆盖对象的类型而获得。安装参数包括摄像头与覆盖对象的坐标，及其相对距离，这些参数则可以在安装设备的时候获取，本方法简单而有效，且容易实现。

Claims (2)

1.一种适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，其特征在于该方法为包括以下步骤：

1)建立三维坐标系，将监控对象转化为长方体模型，并根据摄像头参数以及安装位置建立三维摄像头模型；

2)根据监控半径判断摄像头是否能对长方体模型的覆盖对象进行有效覆盖；

摄像头能够对长方体模型的覆盖对象进行有效覆盖需要满足以下两个条件：一是监控对象的整个侧面高度需要被覆盖，二是长方体模型的上表面的几何中心需要在监控范围内，若符合以上两个条件则判断为有效覆盖；

3)在可以进行有效覆盖的情况下，将摄像头和长方体模型的覆盖对象在水平面进行投影，并对摄像头对长方体模型的覆盖对象形成的三维覆盖角进行计算；

三维覆盖角的计算方法如下：

a：将长方体模型上表面的几何中心在X-Y平面的投影点作为坐标原点，建立直角坐标系，然后相应标出其他点的坐标；

b：由摄像头的坐标，及摄像头视场角的左右边界所在直线的斜率确定出摄像头视场角的左右边界所在直线的直线方程表达式；

c：计算摄像头视场角的左右边界与长方体模型上表面的交点坐标；

d：根据余弦定理计算三维覆盖角；

4)通过对多个摄像头的覆盖角进行取并集计算，进而求解出一组摄像头对覆盖对象的三维覆盖率。

2.根据权利要求1所述的适用于多视点视频监控***的三维覆盖率计算方法，其特征在于：步骤1)中三维摄像头模型被定义为一个五元数组C_i(n_i,α_i,β_i,λ_i,γ_i)，其中n_i＝(x_i,y_i,z_i)为监控节点i在三维坐标系中的空间坐标；监控节点i的监控方向向量为α_i是与Z轴的夹角，β_i是在X-Y平面上的投影与X轴的夹角；λ_i和γ_i分别是监控方向向量在竖直方向与水平方向的视场角。