DE19938845A1 - Vidiobild-Überwachungsverfahren - Google Patents
Vidiobild-ÜberwachungsverfahrenInfo
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Abstract
Beim Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung wird ein in Pixel aufgeteiltes, hinsichtlich der Helligkeit jedes Pixels digitalisiertes, fortlaufend festgehaltenes, aktuelles Bild (1) mit einem in gleicher Weise in Pixel aufgeteilten, digitalisierten und gespeicherten Referenzbild mittels einer Korrelationsanalyse (6) verglichen, wobei jeweils ein Wert "null" der Helligkeitsskala der Pixel der mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Unterhalb eines festlegbaren Korrelationskoeffizienten wird ein Alarmsignal ausgelöst. Zur Vorverarbeitung der Ausgangsbilder lassen sich in einem Kantenextraktionsprozeß (12) die Übergänge zwischen hellen und dunklen Bildbereichen beider Bilder einer Korrelationsanalyse unterziehen. Das Verfahren nach der Erfindung kann bei der Videoüberwachung von Objekten oder Räumen eingesetzt werden, wobei eine Änderung der Kameraausrichtung und eine Objektverschiebung gemeldet werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Videobild-Überwachungsver
fahren.
In der Video-Überwachungstechnik werden zunehmend automatisch
arbeitende Systeme eingesetzt, bei denen allenfalls in Aus
nahmefällen die mit einer Videokamera aufgenommenen Bilder
sichtbar dargestellt und dann tatsächlich auch betrachtet
werden, weil sie beispielsweise im Normalbetrieb nur aufge
zeichnet werden oder weil sie erst bei Bewegungen in kriti
schen Bereichen, dann meist gekoppelt mit einem Alarm, sicht
bar gemacht werden. In derartigen Video-Überwachungsanlagen,
wie sie z. B. aus DE 26 17 112 B2 bekannt sind, soll mit jeder
Kamera eine bestimmte Szene hinsichtlich Feststellung einer
Bewegung bzw. einer Veränderung in einem Überwachungsbereich
beobachtet werden. In aller Regel gibt es aber kaum noch Kon
trollen dahingehend, ob die Ausrichtung der Videokamera -
entweder absichtlich oder unbeabsichtigt - verändert worden
ist.
Aus der Patentschrift DE 30 01 588 ist zum Vergleich eines
aktuellen Videobildes mit einem Bezugsvideobild ein digitaler
Video-Korrelator bekannt, bei dem ein Digitalisierer zum Auf
teilen des aktuellen Bildes und des Bezugsbildes in Pixel
(Bildpunkte) und zum Digitalisieren der Pixel in binäre Da
ten-Bits sowie ein mit dem Digitalisierer verbundenes erstes
Schieberegister zum Empfang der binären Daten-Bits der digi
talisierten Daten-Bits des aktuellen Bildes in sequentieller
Folge vorgesehen ist. Ein mit dem Digitalisierer und dem er
sten Schieberegister verbundener Korrelator, der die digita
lisierten Pixel des Bezugsbildes empfängt und speichert, emp
fängt auch die digitalisierten Pixel des aktuellen Bildes vom
ersten Schieberegister. Im Korrelator werden also die sich
entsprechenden Bildteile des aktuellen Bildes und des Bezugs
bildes oder diese beiden ganzen Bilder miteinander vergli
chen, woraufhin ein Ausgangssignal erzeugt wird, das die Kor
relation zwischen den beiden Bildern anzeigt.
Die bekannten Video-Überwachungsverfahren sind allerdings
nicht ausreichend trennscharf und darüber hinaus auch zu emp
findlich gegenüber Änderungen der Szenenbeleuchtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem
auf der Korrelationsanalyse beruhenden Video-Überwachungsver
fahren Maßnahmen anzugeben, die eine trennscharfe und damit
sichere Objektpositions-Videoüberwachung und Videokamera-Aus
richtungskontrolle ermöglichen, wobei für beide Fälle durch
eine teilweise Veränderung der Szene, wenn z. B. ein Teil der
zu überwachenden Szene beispielsweise von einer Person abge
deckt oder eine nicht extrem krasse Beleuchtungsänderung ein
tritt, keine Meldung ausgelöst werden soll.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Videobild-
Überwachungsverfahren mit den in kennzeichnenden Teil des Pa
tentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Zweckmäßige Weiterbildungen des Videobild-Überwachungsverfah
ren nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung kann
somit dazu genutzt werden, zum einen eine sogenannte
"Videokamera-Positionsauthentifikation", d. h. eine selbstän
dige Kontrolle der Ausrichtung der Kamera auszuführen, und
zum anderen zu überwachen, ob ein Objekt, welches durch die
Videokamera betrachtet wird, verschoben oder entfernt worden
ist, wobei ein typischer Anwendungsfall die Überwachung z. B.
eines wertvollen Bildes in einem Museum ist. In Analogie zur
vorher benutzten Bezeichnung "Videokamera-Positionsauthenti
fikation" kann der letztgenannte Einsatzfall des Videobild-
Überwachungsverfahren nach der Erfindung
"Objektpositionsauthentifikation" genannt werden.
Beim Verfahren nach der Erfindung wird davon ausgegangen, daß
ein Referenzbild oder ein Ausschnitt davon mit einem aktuel
len Bild verglichen wird und bei Veränderung, insbesondere
bei einer Verschiebung des Bildes, eine Meldung ausgelöst
wird. Wichtig in beiden vorgenannten Einsatz fällen ist, daß
durch eine teilweise Veränderung der Szene, wenn beispiels
weise etwas oder jemand, vor der Videokamera stehend, einen
Teil der Szene abdeckt oder bei einer Beleuchtungsänderung
keine Meldung ausgelöst wird. Es wird beim Videobild-Überwa
chungsverfahren nach der Erfindung die sogenannte Korrela
tionsanalyse angewandt. Es werden dabei Videobilder verwen
det, die in digitalisierter Form vorliegen, d. h. es gibt eine
2-dimensionale Matrix von Bildpunkten, also Pixeln, bei der
die Helligkeit eines jeden Pixels als numerischer Wert be
schrieben wird. Andere Ausgangsvoraussetzungen sind zwar
prinzipiell denkbar, jedoch bei Zugrundelegen des in diesem
Zusammenhang derzeitig bekannten Standes der Technik eher un
wahrscheinlich. Bei der Korrelationsanalyse wird jedes Pixel
des Referenzvideobildes mit dem entsprechenden Pixel des ak
tuellen Videobildes multipliziert, und danach werden sämtli
che, bei den einzelnen Multiplikationen entstandenen Produkte
summiert. Dabei ist es beim Verfahren nach der Erfindung von
wesentlicher Bedeutung, daß der Wert "null" der Helligkeits
skala der Pixel nicht, wie in der Videoildverarbeitungstech
nik üblich, der Helligkeit "null", also schwarz, sondern der
mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Dieses Hel
ligkeitsergebnisse werden mit den Helligkeitsergebnissen des
Referenzbildes in Relation gesetzt, so daß z. B. identische
Bilder den Korrelationskoeffizienten vom Wert 1 oder 100% er
geben. Wenn sich der Bildinhalt des aktuellen Bildes etwas
verschiebt oder wenn dieses Bild teilweise abgedeckt bzw.
verändert wird, bleibt das Ergebnis dieser Korrelationsana
lyse relativ hoch, z. B. <50%, während größere Verschiebungen
zu sehr viel kleineren Korrelationsergebnissen führen.
So weit das Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfin
dung bisher beschrieben ist, kann es ihm jedoch noch an aus
reichender Trennschärfe mangeln und es kann auch relativ emp
findlich gegenüber Änderungen der Szenenbeleuchtung sein.
Eine erhebliche Verbesserung läßt sich diesbezüglich durch
Kantenextraktionsprozesse erreichen.
Deswegen läßt sich gemäß einer ersten Weiterbildung der Er
findung eine richtungsabhängige Kantenextraktion zur Vorver
arbeitung der Ausgangsbilder verwenden. Danach ergeben sich
positive Werte dort, wo das Bild heller wird, und negative
Werte dort, wo das Bild dunkler wird. Diese Gesetzmäßigkeit
kann auch umgekehrt formuliert sein. Dieser Kantenextrak
tionsprozeß kann bzw. muß getrennt in horizontaler und verti
kaler Abtastrichtung durchgeführt werden, was beispielsweise
in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall gewählt werden
kann. Eine Korrelationsanalyse nach dieser ersten Weiterbil
dung arbeitet sehr trennscharf. Schon bei einer Verschiebung
des aktuellen Bildes um wenige Pixel kann das Korrelationser
gebnis gegen null gehen. Bei weiterer Verschiebung des aktu
ellen Bildes schwankt der Korrelationskoeffizient dann in ei
nem Wahrscheinlichkeitsbereich um den Nullwert herum, der
aufgrund der Vielzahl der Eingangswerte, in typischer Weise
ca. 200 000 Pixel, sehr klein ist. In der Praxis wird oftmals
eine derart hohe Trennschärfe gar nicht erwünscht sein, so
daß dann in vorteilhafter Weise die Eingangsbilder vorab ver
kleinert oder unschärfer gemacht werden, was in beiden Fällen
zum gleichen Ergebnis führt.
Obwohl durch diese Weiterbildung das Videobild-Überwachungs
verfahren nach der Erfindung bereits merklich verbessert ar
beitet, läßt es sich in bezug auf Beleuchtungsänderungen noch
einmal qualitativ deutlich steigern, da Beleuchtungsänderun
gen die Richtung der Hell/Dunkel-Übergänge ändern können und
so dass Korrelationsergebnis erheblich reduzieren können.
Gemäß der im folgenden angegebenen zweiten Weiterbildung des
Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfindung wird daher
ein richtungsunabhängiger Kantenextraktionsprozeß durchge
führt. Zu diesem Zweck werden die Ergebnisse der horizontalen
und vertikalen Kantenextraktion, die in der vorherigen Wei
terbildung erläutert wurden, zunächst Pixel für Pixel qua
driert, so daß sie ausschließlich positiv sind, dann werden
die quadrierten Ergebnisse der horizontalen und der vertika
len Kantenextraktion Pixel für Pixel miteinander addiert und
anschließend daraus die Quadratwurzel gezogen. Es ergeben
sich dabei ausschließlich positive Werte an allen Stellen, an
denen Kanten zu finden sind; in den restlichen Bereichen
bleibt das Ergebnis "null". Für die Korrelationsanalyse ist
diese Verarbeitung aber noch nicht ausreichend, da bei ihr
keine negativen Werte auftreten, so daß die Wahrscheinlich
keit eines relativ hohen Korrelationsergebnisses auch bei
völlig unkorrelierten Bildern zu hoch ist. In zweckmäßiger
Weise wird deshalb in Analogie zum bereits im Zusammenhang
mit der Korrelationsanalyse der Videobilder ausgeführten
Merkmal des Videobild-Überwachungsverfahren nach der Erfin
dung von jedem Pixel des Kantenbildes die mittlere Helligkeit
aller Pixel des Kantenbildes subtrahiert, so daß der Wert
"null" wieder der mittleren Helligkeit des Kantenbildes ent
spricht.
In einer dritten Weiterbildung wird ein weiterer, richtungs
unabhängiger Kantenextraktionsprozeß durchgeführt. Er läßt
sich mittels des sogenannten "Laplace-Operators" erreichen,
der an jeder Kante auf der einen Seite der Kante ein positi
ves und auf der anderen Seite der Kante ein negatives Bildsi
gnal erzeugt. Die mittlere Bildhelligkeit ist immer "null",
so daß kein weiterer Rechenprozeß erforderlich ist. Bei der
Verwendung dieses Verfahrens wird ein eventuell unerwünschter
Effekt, der sich bei dem vorher beschriebenen Verfahren nach
der zweiten Weiterbildung ergibt, vermieden. Beim Verfahren
nach der zweiten Weiterbildung werden Bildbereiche, in denen
sehr viele dicht beieinander liegende Kanten vorhanden sind,
nach der Kantenextraktion weitgehend lückenlose positive
Werte ergeben. Wenn diese Bereiche verschoben werden, bleibt
das Korrelationsergebnis beim Verfahren nach der zweiten Wei
terbildung hoch, beim Verfahren nach der dritten Weiterbil
dung mit der Verwendung des Laplace-Operators aber nicht.
Bei Einsetzen der beiden beschriebenen, zweiten und dritten
Kantenextraktions-Weiterbildungen des Videobild-Überwachungs
verfahren nach der Erfindung wird eine sehr hohe Unempfind
lichkeit gegenüber Beleuchtungsänderungen erreicht, da es
keine Rolle spielt, ob eine Kante einen Übergang von
"Schwarz" nach "Weiß" oder in umgekehrter Richtung darstellt.
In bestimmten Fällen könnte es bei Durchführung dieser Wei
terbildung im Gegensatz zur davor abgehandelten, ersten Kan
tenextraktions-Weiterbildung von Nachteil sein, daß sanfte
Helligkeitsübergänge, d. h. Verläufe, die eine konstante
Schräge über mehr als die Größe des Laplace-Operator haben,
keine Ausgangsinformationen mehr erzeugen. In zweckmäßiger
Weise wird in einem solchen Fall eine Auswertung mit den be
schriebenen Kantenextraktionsprozessen gemäß den beiden Wei
terbildungen zugleich durchgeführt, und es werden für eine
Meldung oder Alarmierung dann beide Ergebnisse berücksich
tigt.
Anhand eines in einer Figur dargestellten Blockschaltbildes
wird die Funktion des Videobild-Überwachungsverfahrens nach
der Erfindung erläutert.
Eine Videokamera 1 liefert ein Bild von einem Überwachungs
raum, in dem ein zu beobachtendes Objekt 2, z. B. ein Bild,
angeordnet ist. Das Videobild-Ausgangssignal der Videokamera
wird einem Pixel-Digitalisierer und -Codierer 3 zugeführt,
der hinsichtlich seiner Codierung von einer Einrichtung 4 zur
Ermittlung der mittleren Bildhelligkeit so gesteuert wird,
daß jeweils der Wert "null" der Helligkeitsskala der Pixel
der mittleren Helligkeit des Gesamtbildes entspricht. Die di
gitalisierten Pixel eines Videobildes werden über einen Um
schalter 5, der zur Aufnahme eines Referenzbildes in seine
untere Stellung gebracht wird, einem Videokorrelator 6 zuge
führt. Der Videokorrelator 6 enthält ein erstes Datenregister
7, das einer 2-dimensionalen Matrix der Pixel-Helligkeits
werte eines aktuellen Videobildes entspricht, und ein zweites
Datenregister 8, das einer 2-dimensionalen Matrix der Pixel-
Helligkeitswerte eines Referenzbildes entspricht. Im digita
len Videokorrelator 6 werden in Multiplizierern 9 alle Pixel
werte des ersten Datenregisters 7 mit den entsprechenden Re
ferenzpixelwerten des zweiten Datenregisters 8 multipliziert.
In einem digitalen Summierer 10 des Videokorrelators 6 werden
dann alle entstandenen Produkte der Multiplizierer 9 sum
miert. Am Ausgang 11 des Korrelators 6 wird dann das Korrela
tionsergebnis abgenommen. Es wird somit durch die darge
stellte Schaltung ein Korrelationsausgangssignal erzeugt,
welches am Ausgang 11 das Korrelationsergebnis zwischen den
Bildern bzw. den Bildausschnitten anzeigt und unterhalb eines
festlegbaren Korrelationskoeffizienten zur Auslösung einer
Meldung oder eines Alarmsignals herangezogen werden kann. Mit
einer Einrichtung 12 zur richtungsabhängigen und/oder rich
tungsunabhängigen Kantenextraktion wird eine höhere Trenn
schärfe und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Änderungen
der Szenenbeleuchtung erreicht.
Claims (8)
1. Videobild-Überwachungsverfahren, bei dem ein in Pixel
(Bildpunkte) aufgeteiltes, hinsichtlich der Helligkeit
jedes Pixels in eine digitalisierte Signalform gebrach
tes, fortlaufend festgehaltenes aktuelles Bild bzw. ein
Ausschnitt desselben mit einem in gleicher Weise in Pi
xel aufgeteilten, hinsichtlich der Helligkeit jedes Pi
xels ebenfalls in einer digitalisierten Signalform ge
speicherten Referenzbild bzw. mit dem entsprechenden
Ausschnitt desselben mittels einer Korrelationsanalyse
verglichen wird und dabei ein Korrelationsausgangssignal
erzeugt wird, welches das Korrelationsergebnis zwischen
den Bildern bzw. den Bildausschnitten anzeigt und unter
halb eines festlegbaren Korrelationskoeffizienten zur
Auslösung einer Meldung oder eines Alarmsignals herange
zogen wird, wobei jeweils der Wert "null" der Hellig
keitsskala der Pixel der mittleren Helligkeit des Ge
samtbildes entspricht.
2. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vorverarbeitung der Ausgangsbilder in einem Kan
tenextraktionsprozeß die Übergänge zwischen hellen und
dunklen Bildbereichen beider Bilder bzw. beider Bildaus
schnitte einer Korrelationsanalyse unterzogen werden.
3. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kantenextraktionsprozeß richtungsabhängig durch
geführt wird, in der Weise, daß sich gesetzmäßig posi
tive Werte in denjenigen Bereichen ergeben, in denen das
Bild heller wird, und negative Werte in denjenigen Be
reichen, in welchen das Bild dunkler wird, oder gesetz
mäßig stets umgekehrt.
4. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kantenextraktionsprozeß in horizontaler oder in
vertikaler Abtastrichtung oder getrennt in allen beiden
Abtastrichtungen durchgeführt wird.
5. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsbilder vorab verkleinert oder unschärfer
gemacht werden.
6. Videobild-Überwachungsverfahren nach einem der Ansprüche
2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer Kantenextraktionsprozeß richtungsunab
hängig durchgeführt wird, in der Weise, daß die Ergeb
nisse einer richtungsabhängigen, insbesondere horizonta
len und vertikalen Kantenextraktion zunächst Pixel für
Pixel quadriert werden, so daß sie ausschließlich posi
tiv sind, dann die quadrierten Ergebnisse der horizonta
len und der vertikalen Kantenextraktion Pixel für Pixel
miteinander addiert werden und anschließend daraus die
Quadratwurzel gezogen wird, wobei sich dabei ausschließ
lich positive Werte an allen Stellen ergeben, an denen
Kanten zu finden sind, und in den restlichen Bereichen
das Ergebnis "null" bleibt, und daß von jedem Pixel des
Kantenbildes die mittlere Helligkeit aller Pixel des
Kantenbildes subtrahiert wird, so daß der Wert "null"
wieder der mittleren Helligkeit des Kantenbildes ent
spricht.
7. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein weiterer, richtungsunabhängiger Kantenextrak
tionsprozeß durchgeführt wird, der mittels des sogenann
ten "Laplace-Operators" erreicht wird, der an jeder
Kante auf der einen Seite der Kante ein positives und
auf der anderen Seite der Kante ein negatives Bildsignal
erzeugt, wobei die mittlere Bildhelligkeit dann immer
"null" ist, so daß kein weiterer Rechenprozeß erforder
lich ist.
8. Videobild-Überwachungsverfahren nach Anspruch 7,
gekennzeichnet
durch eine Kombination mit dem Verfahren nach einem der
Ansprüche 3 bis 6.
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Effective date: 20110301 |