WO1997004428A1 - Interaktives überwachungssystem - Google Patents

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Thomas Wagner
Robert Frischholz
Norbert Bauer
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    • G08B13/189—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems
    • G08B13/194—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using image scanning and comparing systems
    • G08B13/196—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using image scanning and comparing systems using television cameras
    • G08B13/19639—Details of the system layout
    • G08B13/19641—Multiple cameras having overlapping views on a single scene
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    • G08B13/196—Actuation by interference with heat, light, or radiation of shorter wavelength; Actuation by intruding sources of heat, light, or radiation of shorter wavelength using passive radiation detection systems using image scanning and comparing systems using television cameras
    • G08B13/19602—Image analysis to detect motion of the intruder, e.g. by frame subtraction
    • G08B13/19608—Tracking movement of a target, e.g. by detecting an object predefined as a target, using target direction and or velocity to predict its new position

Definitions

  • the present invention relates to an interactive observation or surveillance system and a method for monitoring or observing a spatial area, in particular for surveillance of persons or identification of persons.
  • the prior art knows camera systems for surveillance tasks. However, these camera systems are limited to pure visualization and transmission tasks, i.e. The image information from the area to be monitored is transmitted to monitors in a control center for direct, simultaneous observation, or is stored on video tape so that it can be called up later, or it is automatically deleted after some time.
  • a method for the detection of intruders is known from EP 90 104 469.3, in which a predetermined one is used with a video camera and a video image processing unit
  • Monitoring area is monitored.
  • the objects to be detected are recognized by two temporally staggered video images with the aid of a differential image method.
  • the object of the present invention is to provide a monitoring system in which the camera can be automatically controlled and tracked as a function of the image content, the overall direction of movement being determined with high accuracy.
  • the interactive surveillance system is an "intelligent
  • Camera which can react automatically and quickly to image signals obtained by analyzing the optical flow. It is a real-time image evaluation of one or more cameras that can or can track the movement in a monitoring area and / or via the
  • Changing the image section causes areas of interest to be enlarged and thus, for example, the faces of people to be enlarged.
  • the system is suitable for monitoring buildings (entrances, underground garages) and the like.
  • Figure la-c shows the evaluation of images taken at different times (t and t + 1) (FIG. La), specifically with the aid of the analysis of the optical flow (FIG. 1b) or with the aid of a differential image method (FIG. 1c) .
  • An optical flow vector field can be seen in FIG. 1b.
  • the cross shows the origin of the direction of movement, length and direction of the respective line indicate length and direction of the movement vector.
  • FIG. 2 shows a system with an autofocus camera 2 with a zoom lens 5, which is aimed at a monitoring area 1.
  • the camera forwards the recorded image signals to a control computer 3, which in turn is connected to a mechanical control device 4.
  • the camera can follow a possibly detected movement in various ways, for example by analyzing the direction of movement and following this direction in the area to be monitored or by zooming in on an image section of interest.
  • the camera can continuously send images of the area to be monitored to the control computer. It goes without saying that intermittent recordings or discontinuous recordings (only for periods of interest that are predetermined or not predetermined) are possible.
  • the zoom lens connected to the camera is set to the largest possible viewing angle.
  • the images are continuously evaluated by the control computer (3), the motion in the image being searched for.
  • the main direction of the movement and its speed are determined with the aid of an analysis of the optical flow.
  • the vector summation of all Individual directions are inferred about an overall direction of movement of objects in the image, after which the camera can be suitably tracked so that the moving object is always fully in the image.
  • the control computer determines control commands from the location of the movement in the image in order to adjust the camera to a suitable magnification of the movement.
  • the movements in relation to the "viewing angle" of the camera that is to say its position or the detail from the area to be monitored, are brought about by a mechanical control device which receives its impulses from the control computer.
  • the impulses for changing the zoom section of the camera are fed back to the camera by the control computer.
  • a pattern comparison procedure such as is known from the prior art, facial image-colored objects are searched for in the image and in particular a face of a person is enlarged in the surveillance area.
  • a pattern comparison method can e.g. search for elliptical objects of specific orientation, size and brightness, which normally represent faces.
  • the camera preferably switches at regular intervals to the best viewing angle and the greatest possible
  • the interactive camera can also be coupled with existing face and person recognition systems in order to determine statements about the identity of the person in the surveillance area. For this purpose, for example, a piece of equipment is recognized that is recognized as belonging to a moving face on the basis of the movement analysis was enlarged and this partial image was fed to a sample comparison, which searches for the name of the corresponding person in a database with stored facial images.
  • an automatic pattern comparison of the recorded movement pattern with stored patterns can be used to distinguish between people and other moving objects (leaves in the wind, animals, etc.) in order to avoid false alarms.
  • the interactive surveillance system cannot only be equipped with a camera as described above.
  • stereo image evaluation methods can be used for the detection and detection of moving objects.
  • the above-described interactive system for observing or monitoring areas such as buildings (entrances, underground garages) or the like tracks the camera or cameras by means of real-time image evaluation and optimally enlarges the moving object.
  • the moving object e.g. a human person can be automatically classified / identified, false alarms caused by the movement of animals, leaves, etc. can be avoided.
  • the method and the system of the present invention are suitable for identifying the persons in the surveillance area by name and therefore also as an entrance control system for areas which may only be accessible to a defined group of people (claims 8 and 12).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beobachten oder Überwachen eines räumlichen Bereiches, umfassend das Aufnehmen von Bildern aus dem zu beobachtenden/überwachenden Bereich (1) mit Hilfe mindestens einer Kamera (2), das Senden der umgewandelten Bildinformation an einen Steuerrechner (3), das Auswerten der Bilder im Steuerrechner (3) in bezug auf Veränderungen im zu überwachenden Bereich (1), das Analysieren der Hauptrichtung und/oder der Geschwindigkeit von optisch wahrnehmbaren Veränderungen (Bewegungen) im zu überwachenden Bereich mit Hilfe der Analyse des optischen Flusses, das Umsetzen des Analyseergebnisses in Steuerbefehle zum mechanischen Bewegen der Kamera an eine Steuereinrichtung (4), und ggf. das Verändern des von der Kamera aufnehmbaren Bildausschnittes in bezug auf Lage und/oder Größe; des weiteren betrifft die Erfindung ein interaktives Überwachungssystem, welches einen mit einer Kamera (2) oder einer von mehreren Kameras (2) verbundenen oder darin integrierten Steuerrechner (3), der die von der/den Kamera(s) aufgenommenen Daten aufnimmt und verarbeitet und Steuersignale an ein Zoom-Objektiv (5) senden kann, ferner eine mechanische Steuereinrichtung (4), die auf Impulse des Steuerrechners (3) hin den Aufnahmeausschnitt aus dem zu überwachenden Bereich (1) oder die Größe des Bildausschnittes (5) verändern kann, sowie eine Einrichtung zum Öffnen einer üblicherweise verschlossenen Passage aufweist, die auf Signale des Steuerrechners (3) reagiert.

Description

Interaktives Überwachungssystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein interaktives Beobachtungs- oder Überwachungssystem sowie ein Verfahren zum Überwachen bzw. Beobachten eines räumlichen Bereiches, insbesondere zur Personenüberwachung oder Identifizierung von Personen.
Der Stand der Technik kennt Kamerasysteme für Überwachungsaufgaben. Diese Kamerasysteme beschränken sich jedoch auf reine Visualisierungs- und Übertragungsaufgaben, d.h. die Bildinformationen aus dem zu überwachenden Bereich werden zur direkten, gleichzeitigen Beobachtung an Monitore in einer Zentrale übermittelt, oder sie werden auf Videoband abgespeichert, um später abgerufen werden zu können, bzw. sie werden nach einiger Zeit automatisch gelöscht .
Aus der EP 90 104 469.3 ist ein Verfahren zur Detektion von Intrudern bekannt, in welchem mit einer Videokamera und einer Video-Bild-Verarbeitungseinheit ein vorgegebener
Überwachungsbereich überwacht wird. Dabei werden die zu detektierenden Objekte durch zwei zeitlich versetzte Videobilder mit Hilfe eines Differenzbildverfahrens erkannt.
Prinzipiell werden im Differenzbildverfahren aufeinanderfolgende Bilder voneinander abgezogen. Tritt eine hinreichend große Differenz zwischen zwei Bildern auf, so wird diese Differenz als "Bewegung" identifiziert bzw. analysiert.
Der Einsatz solcher Verfahren hat jedoch Nachteile. So wird die Gesamtbewegungsrichtung im Falle komplexer Strukturen und einer inhomogenen Bewegungen (Beispiel: ein Arm schlenkert gegen die Laufrichtung) häufig inkorrekt ermittelt, da die Bewegungsrichtung anhand des ermittelten Schwerpunktes des zu beobachtenden Objekts analysiert wird. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Überwachungssystem bereitzustellen, in welchem die Kamera in Abhängigkeit vom Bildinhalt automatisch gesteuert und nachgeführt werden kann, wobei die Gesamtbewegungsrichtung mit hoher Genauigkeit ermittelt wird.
Gelöst wird die vorgenannte Aufgabe mit Hilfe des Verfahrens gemäß Anspruch 1.
Das interaktive Überwachungssystem ist eine "intelligente
Kamera", die selbsttätig und schnell auf durch eine Analyse des optischen Flusses gewonnene Bildsignale reagieren kann. Es handelt sich dabei um eine Echtzeit-Bildauswertung einer oder mehrerer Kameras, die der Bewegung in einem Überwachungsbereich nachgeführt werden kann bzw. können und/oder über die
Veränderung des Bildausschnittes (Zoom) eine Vergrößerung interessierender Bereiche bewirkt und somit z.B. die Gesichter von Menschen herausvergrößern kann. Das System eignet sich für die Überwachung von Gebäuden (Eingängen, Tiefgaragen) und dgl.
Figur la-c zeigt die Auswertung von zu verschiedenen Zeiten (t und t+1) aufgenommenen Bildern (Fig. la) und zwar mit Hilfe der Analyse des optischen Flusses (Fig. lb) bzw. mit Hilfe eines Differenzbildverfahrens (Fig. lc) . In Figur lb erkennt man ein optisches Flußvektorfeld. Das Kreuz zeigt jeweils den Ursprung der Bewegungsrichtung, Länge und Richtung des jeweiligen Striches weisen Länge und Richtung des Bewegungsvektors.
Durch z.B. Vektorsummation aller Einzelrichtungen kann nun auf eine Gesamtbewegungsrichtung von Objekten im Bild geschlossen und somit die Kamera nachgeführt werden. Mit einem reinen Differenzbild ist dies, wie aus Figur lc erkennbar, nicht möglich.
Figur 2 zeigt ein System mit einer Autofocus-Kamera 2 mit einem Zoom-Objektiv 5, die auf einen Überwachungsbereich 1 gerichtet ist . Die Kamera gibt die aufgenommenen Bildsignale an einen Steuerrechner 3 weiter, der wiederum mit einer mechanischen Steuereinrichtung 4 verbunden ist. Die Kamera kann in verschiedener Weise einer ggf. detektierten Bewegung nachgehen, beispielsweise indem sie die Bewegungsrichtung analysiert und dieser Richtung im zu überwachenden Bereich folgt oder indem sie eine Vergrößerung eines interessierenden Bildausschnittes durch Zoomen bewirkt .
Die Kamera kann kontinuierlich Bilder vom zu überwachenden Bereich an den Steuerrechner senden. Selbstverständlich sind auch intermittierende Aufnahmen oder ein diskontinuierliches Aufnehmen (nur zu interessierenden, vorherbestimmten oder nicht vorherbestimmten Zeitabschnitten) möglich. Im Anfangszustand ist dabei das an der Kamera angeschlossene Zoom-Objektiv auf den größtmöglichen Blickwinkel eingestellt.
Die Bilder werden vom Steuerrechner (3) kontinuierlich ausgewertet, wobei nach Bewegung im Bild gesucht wird.
Tritt Bewegung im Bild auf, so wird mit Hilfe einer Analyse des optischen Flusses die Hauptrichtung der Bewegung und deren Geschwindigkeit ermittelt. Durch die Vektorsummation aller Einzelrichtungen wird dabei auf eine Gesamtbewegungsrichtung von Objekten im Bild geschlossen, worauf die Kamera geeignet nachgeführt werden kann, so daß das bewegte Objekt immer voll im Bild ist.
Der Steuerrechner ermittelt aus dem Ort der Bewegung im Bild Steuerbefehle, um die Kamera auf eine geeignete Vergrößerung der Bewegung nachzustellen. Dabei werden die Bewegungen bezüglich des "Blickwinkels" der Kamera, also ihrer Lage bzw. des Ausschnittes aus dem zu überwachenden Bereich, durch eine mechanische Steuereinrichtung bewirkt, die ihre Impulse vom Steuerrechner erhält . Die Impulse zum Verändern des Zoom- Ausschnittes der Kamera werden vom Steuerrechner an die Kamera zurückgeleitet . Durch die Kombination dieser beiden "intelligenten" Maßnahmen wird die Ursache der Bewegung (die
Person, das Tier, das sich bewegt) optimal ins Bild gebracht und vergrößert, so daß z.B. die Bewegungen einer Person vollständig von der Kamera aufgenommen werden, solange sie sich im zu überwachenden Bereich aufhält.
Parallel dazu kann mit einem Mustervergleichsverfahren, wie es z.B. aus dem Stand der Technik bekannt ist, im Bild nach gesichtsfarbigen Objekten gesucht werden und speziell ein Gesicht einer Person im Überwachungsbereich herausvergrößert werden. So kann ein derartiges Mustervergleichsverfahren z.B. nach ellipsenförmigen Objekten bestimmter Ausrichtung, Größe und Helligkeit suchen, die im Normalfall Gesichter darstellen.
Vorzugsweise schaltet die Kamera in regelmäßigen Abständen auf den günstigsten Blickwinkel und den ihr größtmöglichen
Ausschnitt zurück, um evtl. weitere Bewegungen im Überwachungsbereich zu detektieren.
Die interaktive Kamera kann auch mit existierenden Gesichts- und Personenerkennungssystemen gekoppelt werden, um Aussagen über die Identität der im Überwachungsbereich befindlichen Person zu ermitteln. Hierzu wird z.B. ein Ausεr/nitt, der anhand der Bewegungsanalyse als zu einem bewegten Gesicht gehörig erkannt wurde, herausvergrößert und dieses Teilbild einem Muster¬ vergleich zugeführt, der in einer Datenbank mit abgespeicherten Gesichtsbildern nach dem Namen der entsprechenden Person sucht .
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch automatischen Mustervergleich des aufgenommenen Bewegungsmusters mit abgespeicherten Mustern zwischen Personen und anderen bewegten Objekten (Blätter im Wind, Tieren usw.) unterschieden werden, um Fehlalarme zu vermeiden.
Selbstverständlich kann das interaktive Überwachungssystem nicht nur mit einer Kamera, wie oben beschrieben, ausgestattet sein. Bei der Verwendung mehrerer Kameras können Stereobildauswertungsverfahren zur Detektion und Erkennung von bewegten Objekten herangezogen werden.
Das vorstehend beschriebene interaktive System zur Beobachtung bzw. Überwachung von Bereichen wie Gebäuden (Eingängen, Tiefgaragen) oder dgl. führt durch eine Echtzeit-Bildauswertung die Kamera oder die Kameras der Bewegung nach und vergrößert den bewegten Gegenstand optimal heraus. Der bewegte Gegenstand, z.B. eine menschliche Person, kann automatisch klassifiziert/identifiziert werden, wobei sich Fehlalarme durch die Bewegung von Tieren, Blättern usw. vermeiden lassen. In der Kombination mit bekannten Bild- und Signalverarbeitungsverfahren eignet sich das Verfahren und das System der vorliegenden Erfindung zur namentlichen Identifikation der im Überwachungsbereich befindlichen Personen und dadurch auch als Eingangskontrollsystem für Bereiche, die nur einer definierten Personengruppe zugänglich sein dürfen (Ansprüche 8 und 12) .

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zum Beobachten oder Überwachen eines räumlichen Bereiches, umfassend - das Aufnehmen von Bildern aus dem zu beobachtenden/überwachenden Bereich (1) mit Hilfe mindestens einer Kamera (2) , das Senden (2a) der umgewandelten Bildinformation (A/D) an einen Steuerrechner (3) , - das Auswerten der Bilder im Steuerrechner (3) , um eine erste Veränderung im zu überwachenden Bereich (1) zu erfassen, das vektorielle Ermitteln der Bewegungsrichtung der optisch wahrgenommenen ersten Veränderung (Bewegungen) im zu überwachenden Bereich mit Hilfe des optischen
Flusses, das Umsetzen des Ermittlungsergebnisses in
Steuerbefehle an eine Steuereinrichtung (4) zum mechanischen Bewegen der Kamera, und ggf. - das Verändern (5) des von der Kamera erfaßten
Bildausschnittes in Bezug auf Größe.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin beim Erkennen von Bewegung im zu überwachenden Bereich optische, akustische oder elektrische (Alarm-) Signale abgegeben werden.
3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, worin der Bildausschnitt mindestens einer Kamera (2) beim Erkennen von Bewegung durch Verändern eines Zoom-Objektes (5) vergrößert wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich parallel mit einem Mustervergleichsverfahren im räumlichen Bereich nach gesichtsförmigen Objekten gesucht wird und bei Erkennen des sich bewegenden Objektes als Gesicht dieses mit Hilfe eines Zooms (5) der Kamera (2) vergrößert und/oder seiner Bewegung mit der Kamera (2) nachgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin in vorbestimmten Abständen die ursprüngliche Lage und/oder der ursprüngliche Bildausschnitt der Kamera (2) wiederhergestellt werden, um eine zweite oder dritte Veränderung im räumlichen Bereich (ebenfalls) zu erfassen.
6. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, worin das Bilder- Aufnehmen kontinuierlich oder intermittierend ist.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei dem Steuerrechner (3) zusätzlich Informationen über Gesichter oder Personen aus einem Personenidentifikationsverfahren zugänglich sind.
8. Verfahren nach Anspruch 7, worin die Bildinformationen der Kamera (2) mit gespeicherten Informationen zu definierten Personen verglichen wird und der Steuerrechner (3) mit einer Einrichtung verbunden ist, mit deren Hilfe beim Feststellen des Vorhandenseins von ausreichender Übereinstimmung dahingehend, daß Personenidentität angenommen wird, eine üblicherweise verschlossene Passage geöffnet werden kann.
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei analysierte Bewegungsabläufe mit den Signalen bereits gespeicherter Bewegungsabläufe verglichen werden und die Abgabe von (Alarm-) Signalen nur dann erfolgt, wenn der Vergleich deutliche Abweichungen ergibt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Bewegungsvergleich kontinuierlich oder intermittierend erfolgt.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die auszuwertenden Bilder Stereobilder sind, die von insbesondere zwei Kameras gleichzeitig aufgenommen werden, um der Haupt-Bewegungsrichtung (vl,v2) der ersten und der zweiten "Veränderung" jeweils eine erste (vl',v2') und eine zweite (vl",v2") - senkrecht zueinander orientierte - Bewegeungskomponente zuzuweisen.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin nach zyklischem Wiederherstellen des ursprünglichen
(größtmöglichen) Bilsausschnitts einer der zwei Kameras (2) , die im Bildausschnitt zurückgestellte Kamera eine "Veränderung" als solches ermittelt und die nicht zurückgestellte Kamera der Bewegung der schon erfaßten "Veränderung" weiter nachgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die zyklische im Bildausschnitt zurückgestellte Kamera nach vorbestimmter Zeit der Nicht-Erfassung einer weiteren "Veränderung" auf die von der anderen Kamera bereits erfaßte (erste) "Veränderung" schnell zielgeführt wird, um mit beiden Kameras mehrere Bewegungskomponenten (vl,v2; vl',v2',- vl",v2") oder ein Stereobild zu erfassen.
14. Interaktives Überwachungssystem, umfassend mindestens eine Kamera (2) mit einem Zoom-Objektiv (5) , einen mit einer Kamera oder einer der Kameras verbundenen oder darin integrierten Steuerrechner (3) , der die von der/den Kamera (s) aufgenommenen Daten aufnimmt und verarbeitet und Steuersignale an das Zoom-Objektiv sendet, eine mechanische Steuereinrichtung (4) , die auf Impulse des Steuerrechners (3) hin den Aufnahmeausschnitt aus dem zu überwachenden Bereich (1) oder die Größe des Bildausschnittes (5) verändern kann, sowie eine Einrichtung zum Öffnen einer verschlossenen Passage, die auf Signale des Steuerrechners (3) reagiert.
15. Überwachungssystem nach Anspruch 12, zusätzlich umfassend eine Einrichtung zum Erzeugen und Senden von akustischen, optischen und/oder elektrischen (Alarm-) Signalen.
16. Überwachungssystem nach Anspruch 14 oder 15, bei dem zwei Kameras (2) mit ihrem Ruheachse (100) etwa rechtwinklig zu einem Zentrum des räumlichen Bereichs (1) angeordnet sind.
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