CN101035271A - 低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统和方法。该系统由二台摄像机、视频服务器、传输网络和操作终端组成，其一台摄像机带有可供转动的云台，视频服务器把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，传输给传输网络，由终端监控接收并显示。本发明将监控终端显示屏划分成若干区域，对摄像机传输来的图像通过操作键对运动目标进行跟踪。本发明能够在低速移动网络中有效地追踪运动目标。
Description
技术领域
本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统和方法。
背景技术
随着社会经济的快速发展，社会公共安全受到政府及其普通百姓的日益关注。社会公共安全包括人们在公共场合及私有场合中的生命财产安全。人们需要对这些场合中所发生的情况进行实时的了解。视频监控技术为人们提供了对所关注的场合进行远距离的实时图像监控。视频监控技术的具体实现称为视频监控系统。
最基本的视频监控系统由三部分组成：1、视频摄像机；2、传输网络；3、视频监视器。
如图1所示。视频监控的基本原理是：视频摄像机把拍摄到的场景，转换成电学视频信号，通过传输网络把视频信号传输到视频监视器，而视频监视器把视频信号还原成一连串的图像，呈现在视频监视器的显示屏上，在视觉上感觉到现场活动场景，从而达到在异地监视现场的目的。
视频监控系统的另一功能是控制，从监控终端发出指令，通过传输网络，指令到达摄像机，控制摄像机运动，从而获取所关心的场景，达到监控的目的。
随着电子及通讯技术的进步，视频监控技术从最初的模拟闭路电视逐步发展到目前的数字网络监控系统。数字网络监控系统如图2所示。数字网络视频监控系统的基本原理为：摄像机把场景转化为视频信号，并传输入视频数字编码器，数字编码器则把模拟的视频信号转换成数字信号，并以一种指定的编码方式进行编码，指定的编码方式通常为MPEG-4，H.264等，通过这种方式编码后，视频信号的数据量就大为压缩，被编码压缩后的数字信号通过网络接入设备以一定的方式接到传输网络，传输网络通常为互联网或无线网络或两者并用。与传输网络联结的监控终端通常为专用监视器、电脑或无线手持设备，监控终端则把编码压缩后的数字信号还原成视频信号并显示出来。
传输网络的速度通常受网络的带宽制约，因为网络中的总信息流量是一定的。当网络中的信息流量超过网络带宽时，每一路信息流速度就要降低。不同网络不同地区的网络带宽也不相同，无线网络通常较低，并且网络运行者对每一信息通道所设的带宽更低，例如，GSM网络使用者的信道带宽不超过80kbit/s，实际带宽更低。视频信息流占用的带宽一般在120kbit/s以上，当视频信息流通过GSM网络传输时，由于网络带宽远低于视频流所需的带宽，要把一定量的视频信息量从一端传输到另一端时，所需要的时间更长。例如GSM网络实际带宽为20kbit/s，而视频信息流为120kbit/s，这样传输120kbit/s的信息量需要6秒钟的时间，也就是网络延迟6-1＝5秒钟。
在传输网络严重延迟的情况下，在监控端要追踪运动目标变得很困难。如图3所示，当摄像头拍摄的画面P1传输到监控端需要5秒钟时间，画面P1中的人s4是运动目标，人s4以正常速度1.4米/秒从位置L0走向图的右边目标s3，5秒钟后，人体s4移动到位置L1后与L0的距离为7米，如图3(a)所示。这样，当监控端在5秒钟后，看到画面P1如图3(b)，而实际上，此时的场景为图4(a)中的P2。需要追踪目标s4时，目标s4已是超出了摄像机的视景，监视端所看到场景如图4(b)所示，这样，监控端已无法知道目标s4的进一步动向，因此，在传输网络严重延迟的情况下，监控端无法追踪运动目标。
本发明提供了一种在传输网络延迟情况下能够有效地追踪运动目标的视频监控方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统和方法，
本发明提出的在低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统，由摄像机CAM1、另一摄像机CAM2、视频服务器VS、传输网络和操作终端组成，如图5所示，摄像机CAM1为带有可以水平0-360°、垂直0-90°转动的云台YD。另外，摄像机CAM1的摄像头最好是具备一定倍数的放大/缩小功能的摄像头。摄像机CAM2为无运动功能的摄像机，摄像机CAM2最好具备广角镜头，广角镜头的作用是能够观察到视野更广的场景。视频服务器VS可以是一个具备同时接入二路以上摄像机信号或二个一路的视频服务器的组合。视频服务器VS的功能是把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，并压缩编码成某种数据格式，然后传输入传输网络。视频服务器也能够直接从传输网络获取信息，即视频服务器可以接收监控端的控制信号。摄像机CAM1的视频信号接入视频服务器VS的端口C1，摄像机CAM1的云台YD接入视频服务器VS的端口k1，端口k1用来输出信号控制云台的运动，摄像机CAM2的视频信号接入视频服务器VS的端口C2。
传输网络NET用来传输信号，包括互联网和无线网，但不局限于此。
监控终端包括手持无线监控设备HHD和专用监控设备MTR。
手持无线监控设备HHD一般指手机或掌上电脑，但不局限于此。手持无线监控设备HHD设有显示屏Screen与相关操作键，其结构如图7所示。操作键有控制键UP、DOWN、LEFT和RIGHT，执行键EXE和返回键BACK。控制键UP，DOWN，LEFT，RIGHT分别代表向上、向下、向左及向右移动的按键，这6个键为普通手持设备所具有。
专用的监控设备MTR一般指电脑和监视器，但不局限与此。
如图5所示，场景中有物体s1，s2，s3，s4。其中s4为运动目标，是监控系统使用人员所要追踪的目标。追踪运动目标的视频监控方法，具体步骤如下：
1、调整摄像机CAM2的方向与角度，使之能够把场景的完整景象通过传输网络呈现在手持无线监控设备HHD及专用监控设备MTR或者其中之一，监控设备所呈现的景象如图5所示。
2、手持无线监控设备HHD端的实现追踪运动目标的步骤如下：
2.1把图所示的显示屏划分成水平m个区间(m≥1)，垂直n个区间(n≥1)，形成m×n个相邻的区域，将这些区域从左至右、从下至上依次编号。如图9所示，当m＝3，n＝3时，显示屏被划成9个相邻的区域，将这些区域从左至右、从下往上依次编号为B1、B2、…B9，如图10所示。显示屏的尺寸通常用像素点来表示，例如176×144，代表宽为176个像素点，高为144个像素点。用SW代表显示屏宽，SH代表显示屏高。每个区域的宽度W＝SW÷m，H＝SH÷n，如图10中的W和H所示。B1，B2，。。。，B9代表每个区域，每个区域为目标追踪区。
2.2区域的移动控制。用操作键UP代表当前区域向上移动一格(每一格代表一个区域)，当按下键UP时，当前所处区域的位置增加一个区域高度H。当新的高度超过显示屏高度SH时，新的区域高度设置为显示屏的起点。例如，当前区域为B5，当按下控制键UP时，当前区域移至B8，当再次按键UP时，当前区则移至B2。控制键DOWN为向下移动一个区域，控制键LEFT和RIGHT表示向左及向右移动一个区域。区域移动到显示屏边界时的处理方式与UP键相同，即始终保持在一个方向的滚动移动。
2.3显示区域与摄像机对应关系。显示屏端的计算机程序设计成层次式的多层关系，如图11所示。其中顶层的显示对应摄像机CAM2的场景，从第二层起，显示屏对应于摄像机CAM1的场景。第二层所显示场景为上一层(第一层)所对应区域放大的场景，第三层所显示场景为第二层所对应区域放大的场景，其他层次以此类推。
2.4追踪目标：图9所示显示屏划分的区域是所关心的目标活动区域全景。也就是说在该区域以外的地方不是追踪目标的区域。显示屏在缺省模式下，显示的为摄像机CAM2所传输来的场景即图11所示的顶层，而当前区域设为显示屏中心的区域(如B5)。当目标出现在其它区域(如B3)时，按控制键UP、LEFT、RIGHT及DOWN，移动当前区域至该区域(B3区)，按下执行键EXE(如图7所示)，计算机程序把该区域(如B3区)所对应的层号、区域号、摄像机的角度及放大倍数等参数或相应参数传输给摄像机CAM1，摄像机CAM1的云台即控制摄像头运动并对准该区域，发送视频信号到手机无线监控设备HHD。手机无线监控设备HHD呈现的就是摄像机CAM1所放大场景，即手机无线监控设备HHD呈现的是图11中所示的第二层。四个控制键UP，DOWN，LEFT和RIGHT在第二层的移动方式与在顶层时的方式相同。在当前区域按下执行键EXE键时，计算机程序把当前区域所对应的摄像机的层号、区域号、角度及放大倍数等或相应参数传输给摄像机CAM1，摄像机CAM1的云台控制摄像头对准该区域并发送视频信号到手机无线监控设备HHD。手机无线监控设备HHD呈现的就是摄像机CAM1所放大的场景，即HHD呈现的是图11所示的第三层。依次类推，其他层次的设计方式也是同样。在一般的应用上，三个层次的设计是足够了。从而实现对运动目标的追踪。
当需要回到上一层场景时，按BACK键，每按一次，计算机程序就退回一层，当退回到顶层时，BACK键不再往上退。当按下BACK键时，计算机程序把上一层相对应区域所对应的摄像机的层号、区域号、角度和放大倍数等参数或相关参数传输给指定的摄像机，顶层为摄像机CAM2，其他层次为摄像机CAM1。
2.5触摸屏式手机无线监控设备HHD的操作方法。触摸屏为显示屏区域上覆盖一层压力敏感器材料，当压力敏感部位受压时，受压部位的坐标位置会传输给计算机相应的输入控制单元。在触摸屏的情形中，2.4中所定义的LEFT，RIGHT，UP，DOWN键由在相应区域点击一次来完成，2.4中所定义的执行键EXE则由连续二次点击同一区域来代替。连续二次点击的时间间隔由一般计算机连续点击二次的时间间隔来设置。例如，在图11中的B3区域连续点击二次，则计算机程序把B3区所对应的摄像机CAM1的层号、区域号、角度及放大倍数等参数或相关参数传输给摄像机CAM1，摄像机CAM1运动至该区域并发送视频信号到手机无线监控设备HHD，手机无线监控设备HHD呈现的就是摄像机CAM1所放大的场景，即手机无线监控设备HHD呈现的是图11所示的第二层。所以连续二次点击的作用与2.4中所述的执行键EXE键完全相同。2.4中所述的返回键BACK功能则由触摸屏中所设计的一个返回键来代替，此触摸键的设计形式是任意的，计算机程序当收到此信息时，实现与2.4中所述的BACK键功能。
监控终端为带有鼠标的计算机的操作方法。与2.5中所述的方法类似。把鼠标的其中一个按键(一般是左键)按下的功能与2.5中的点击相同，鼠标所对应的光标位置伴随鼠标按键按下来确定当前区域，连续按击二次执行2.4中所述执行键EXE的功能。其余与2.5中所述方法完全相同。
3.监控端程序设计流程：
监控端程序流程图如图12和图13所示。由此设计而成的程序称为监控程序。程序的具体步骤如下：
(1)开始：初始化程序所需的各种变量、存储器大小及其他参数。
(2)打开视频窗口：调用视频播放器函数，设置视频窗口的宽度为SW值，高度为SH值。
(3)创建图形板：调用图形板函数，设置图形板的宽度及高度分别为SW及SH，位置与视频窗口完全重合，并放在视频窗口之上，且完全透明。
(4)图形板区域生成：把图形板划分成水平m个区间，垂直n个区间，形成m×n个区域，并记录每个区域的坐标值区间，设置当前的层次号为curH＝0。
(5)循环调用图形板子区域层次生成函数判别条件：如果curH＞＝H，跳出本循环，并进入到(7)；否则调用子区域生成函数(6)。
(6)子区域层次生成函数的建立：对于给定的矩形区域、所需划分的水平m个区间、垂直n个区间、当前区域的标识号及层次号curH，把该矩形区域划分成水平m个区间，垂直n个区间，形成m×n个区域，并记录每个区域的坐标值区间，设置当前的层次号为curH+1，在每个子区域中设置指针指向其父区域，并在其父区域中设置子层次指针指向本层次。
(7)控制键设置：设置操作键UP，DOWN，LEFT，RIGHT，执行键EXE，返回键BACK为系统事件等待状态，并分别联结相应的在(8)-(13)中定义的操作功能函数。进入系统等待状态(14)。
(8)操作键UP：把当前区域的垂直坐标增加h，如果新坐标大于等于上一层等效屏高，置新坐标为0，置当前区域为该坐标所在区域。并在显示屏上以图形标记该区域。
(9)操作键DOWN：把当前区域的垂直坐标减少h，如果新坐标小于0，置新坐标为SH-h，置当前区域为该坐标所在区域。并在显示屏上以图形标记该区域。
(10)操作键LEFT：把当前区域的水平坐标减少w，如果新坐标小于0，置新坐标为SW-w，置当前区域为该坐标所在区域。并在显示屏上以图形标记该区域。
(11)操作键RIGHT：把当前区域的水平坐标增加w，如果新坐标大于等于上一层等效屏宽，置新坐标为0，置当前区域为该坐标所在区域。并在显示屏上以图形标记该区域。
(12)操作执行键EXE：进入当前区域子层次指针所指向的下一层次。把当前区域所对应的摄像机号，层号、区域号、摄像机角度，放大/缩小倍数，及其他参数发送给视频服务器。由视频服务器发指令驱动相应摄像机动作。刷新当前显示屏。
(13)操作返回键BACK：进入到当前区域父层次指针指向的上一层次。把当前层次所对应的摄像机号，层号、区域号、摄像机角度，放大/缩小倍数，及其他参数发送给视频服务器。由视频服务器发指令驱动相应摄像机动作。刷新当前显示屏。
(14)系统事件等待：等待事件发生，即等待操作键UP、DOWN、LEFT、RIGHT、执行键EXE及返回键BACK键按下，当完成相应的功能后，系统再次回到事件等待状态。
4、监控程序的运行：
监控程序存于图6所示的硬盘中。当使用监控程序时，该程序载入CPU及相应的存储单元，操作系统OS则分配所需的资源，如显示屏、输入设备及其他设备，并按程序流程图13(a)及13(b)的步骤进行相关配置，配置完成后，让系统处于等待状态，即让监控系统处于等待各种操作的状态。当使用者按下操作键时，操作系统OS即执行本系统所定义的相应操作。每完成一个操作，系统回到等待状态，即等待下一个操作。
附图说明
图1为视频监控系统基本构成图示。
图2为数字网络视频监控系统基本构成图示。
图3为监控场景示意图。
图4为监控场景示意图。
图5追踪监控配置示意图。
图6为从摄像机CAM2获取的场景。
图7为手持终端HHD示意图。
图8为监视终端结构示意图。
图9为显示屏区域划分示意图。
图10为显示屏区域3×3下划分示意图。
图11为显示屏区域划分示意图。
图12为监控端程序设计流程示意图。
图13为监控端程序设计流程示意图。
图中标号：CAM1为摄像机，CAM2另一个摄像机，VS为视频服务器，NET为传输网络，HHD为手持无线监控设备，MTR为专用监控设备，YD为云台，UP、DOWN、LEFT和RIGHT依次向上、向下、向左和向右操作键，EXE为执行键，BACK为返回键，Screen为显示屏。
具体实施方式
(1)选择摄像机CAM1：该摄像机必须为带有云台并具有一定倍数的放大/缩小功能。本示范中使用的为长春佶达实业有限公司生产的球机，型号为SK-12X520C6QZ。
(2)选择摄像机CAM2：该摄像机为带有广角镜头的普通摄像机。
(3)视频服务器：本服务器具有二个以上的视频输入接口，并带有一个信号输出端口，一个网络接入端口。本示范中使用上海天卫通信科技有限公司生产的视频服务器，型号为Skyewe v 0.1。
(4)手持终端监控设备：本示范中采用Dopod(多普达)掌上电脑，型号为dopod 828，本设备采用Windows Mobile 2003操作系统。
(5)手持终端监控软件：软件为本发明3.中所述的监控软件。
(6)安装：按图5所示，连接摄像机CAM1、摄像机CAM2、及视频服务器VS，下载本发明的监控软件至Dopod掌上电脑。
(7)使用：在Dopod掌上电脑上启动监控软件，即可实现本发明所述的全部功能。
Claims (6)
1、一种在低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统，其特征在于由摄像机(CAM1)、另一摄像机(CAM2)、视频服务器(VS)、传输网络(NET)和操作终端组成；其中，摄像机(CAM1)为带有可以水平0-360°、垂直0-90°转动的云台，摄像机(CAM2)带有广角镜头；视频服务器(VS)是具有同时接入二路以上摄像机信号或二个一路的视频服务器的组合，摄像机(CAM1)的视频信号接入视频服务器(VS)的端口(C1)，摄像机(CAM2)的视频信号接入视频服务器(VS)的端口(C2)，摄像机(CAM2)的云台(YD)接入视频服务器(VS)的端口(K1)，端口(K1)的输出信号控制云台的运动；视频服务器(VS)把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，并压缩成某种数据格式，然后传输入传输网络(NET)，传输网络(NET)用于传输信号给终端监控；终端监控包括手持无线监控设备(HHD)和专用监控设备(MTR)。
2、根据权利要求1所述的在低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统，其特征在于所述手持无线监控设备(HHD)为手机或掌上电脑，其上设有显示屏和操作键，其中操作键设有控制键、执行键(EXE)和返回键(BACK)，控制键UP，DOWN，LEFT，RIGHT分别代表向上、向下、向左及向右移动的按键；所述专用监控设备(MTR)为电脑或监视器。
3、一种低速移动网络中追踪运动目标的视频监控方法，使用如权利要求2所述的视频监控系统，其特征在于具体步骤如下：
(1)调整摄像机(CAM2)的方向与角度，使之能够把场景的完整景象通过传输网络(NET)呈现在手持无线监控设备(HHD)及专用监控设备(MTR)，或者其中之一；
(2)手持无线监控设备(HHD)端的实现追踪运动目标的步骤为：
(2.1)把显示屏划分成水平m个区间，垂直n个区间，m≥1，n≥1，形成m×n个相邻的区域，将这些区域从左至右、从下至上依次编号；显示屏的尺寸用像素点来表示，用SW代表显示屏宽，SH代表显示屏高；每个区域的宽度W＝SW÷m，H＝SH÷n；每个区域为目标追踪区；
(2.2)区域的移动控制，用操作键UP代表当前区域向上移动一格，每一格代表一个区域，当按下键UP时，当前所处区域的位置增加一个区域高度H；当新的高度超过显示屏高度SH时，新的区域高度设置为显示屏的起点；控制键DOWN为向下移动一个区域，控制键LEFT和RIGHT表示向左及向右移动一个区域；区域移动到显示屏边界时的处理方式与控制键UP相同，即始终保持在一个方向的滚动移动；
(2.3)显示区域与摄像机对应关系，显示屏端的计算机程序设计成层次式的多层关系，其中顶层的显示对应摄像机(CAM2)的场景，从第二层起，显示屏对应于摄像机(CAM1)的场景；第二层所显示场景为第一层所对应区域放大的场景，第三层所显示场景为第二层所对应区域放大的场景，其他层次以此类推；
(2.4)追踪目标：显示屏划分的区域是所关心的目标活动区域全景，在该区域以外的地方不是追踪目标的区域；显示屏在缺省模式下，显示的为摄像机(CAM2)所传输来的场景的顶层，而当前区域设为显示屏中心的区域；当目标出现在其它区域时，控制键UP、LEFT、RIGHT及DOWN，移动当前区域至该区域区，按下执行键(EXE)，计算机程序把该区域区所对应的层号、区域号、摄像机的角度及放大倍数传输给摄像机(CAM1)，摄像机(CAM1)的云台即控制摄像头运动并对准该区域，发送视频信号到手机无线监控设备(HHD)；手机无线监控设备(HHD)呈现摄像机(CAM1)所放大场景，即手机无线监控设备HHD呈现的是第二层；四个控制键UP，DOWN，LEFT和RIGHT在第二层的移动方式与在顶层时的方式相同；在当前区域按下执行键(EXE)键时，计算机程序把当前区域所对应的层号、区域号、摄像机的角度及放大倍数传输给摄像机(CAM1)，摄像机(CAM1)的云台控制摄像头对准该区域并发送视频信号到手机无线监控设备(HHD)，手机无线监控设备(HHD)呈现的就是摄像机(CAM1)所放大的场景，即手持无线监控设备(HHD)呈现的是第三层；依次类推，从而实现对运动目标的追踪。
4、根据权利要求3所述的在低速移动网络中追踪运动目的视频监控方法，其特征在于所述的m＝3，n＝3。
5、根据权利要求3所述的在低速移动网络中追踪运动目的视频监控方法，其特征在于所述监控终端采用触模式手持无线监控设备。
6、根据权利要求1所述的在低速移动网络中追踪运动目的视频监控方法，其特征在于所述监控终端采用带有鼠标的计算机。
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