CN103986871B - 一种智能变焦视频监控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能变焦视频监控方法及系统，方法包括以下步骤：S1、将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距；S2、读入视频帧，对视频帧进行目标检测；S3、确定每个预设区在视频帧上的分布，从而确定目标落入的预设区；S4、调节摄像机为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄。系统包括云台、摄像机、视频采集卡和监控主机，采用上述监控方法进行变焦视频监控。实施本发明可有效克服传统监控技术中监控范围小、缺少灵活性、对距离较远的目标难以分辨的缺点。

Description

一种智能变焦视频监控方法及系统

技术领域

本发明涉及视频监控领域，具体地说，涉及一种智能变焦视频监控方法及系统。

背景技术

近年来，安防技术在国内外飞速发展。视频监控以其直观、方便的信息内容而广泛应用于安防监控等场合，成为金融、商业、住宅、社区等领域安全防范的重要手提段，为这些地方的安全防范起着重要的作用。因此，目前的视频监控系统越来越广泛的使用。

但是对于传统的监控系统，在多数需要监控的露天场合，使用的多是固定的枪式摄像机，其摄像机固定不动，监控的目标环境有限，导致监控的范围不广，灵活性不足；另一方面由于其采用的监控方式为被动监控，其摄像机不能变焦，拍摄后无法对目标进行光学放大，导致对距离较远、分辨率较低的目标难以分辨。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种智能变焦监控方法及系统，可有效克服传统监控技术中监控范围小、缺少灵活性、对距离较远的目标难以分辨的缺点，智能化程度高，操作方便，检测速度快，设备要求低，可用于银行、工厂、小区等多个场合的监控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供了一种智能变焦视频监控方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距；

S2、读入视频帧，对视频帧进行目标检测；

S3、确定每个预设区在视频帧上的分布，从而确定目标落入的预设区；

S4、调节摄像机焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄。

作为进一步优选地，所述步骤S1中，拍摄焦距d_i为第i个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，d_i+1为第i+1个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，A_p*A_p为摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率，B_p*B_p为摄像机显示屏中要求的目标最大分辨率，D*D为目标实际大小，所述H为目标离地面的垂直距离，所述N_pix为摄像机感光屏上每1mm对应的像素个数。

作为进一步优选地，所述步骤S2中，对视频帧进行目标检测，包括对视频帧进行预处理、运动目标检测和视觉显著区检测，所述预处理为对所述视频帧进行滤波去噪，并对去噪后的视频帧进行光照补偿,所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测,所述视觉显著区检测用于提取所述运动区域中具有视觉特征显著性的区域。

作为进一步优选地，所述步骤S3中，确定目标在视频帧上预设区中的分布的方式为：若目标在视频帧上的纵坐标y∈[b_k-1,b_k]时，b_k为第n+1-k个预设区的起始位置在视频帧上的映射，判断目标出现在第n+1-k个预设区，k＝1,2,…,n，n为划分的预设区数量。

作为进一步优选地，所述步骤S4中，调节摄像机焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距之前，根据预设区中落入的目标数越多则优先扫描的原则确定摄像机对各个预设区的扫描顺序，使得摄像机按照所述扫描顺序对目标落入预设区进行放大拍摄。

相应地，本发明还提供一种变焦视频监控系统，包括：云台、摄像机、视频采集卡和监控主机，

摄像机，用于拍摄图像及视频；

视频采集卡与摄像机相连接，用于读入摄像机拍摄到的视频帧，将模拟视频信号转换为数字信号后传输给监控主机；

监控主机与视频采集卡相连接，用于将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距，并确定每个预设区在视频帧上的分布；接收视频采集卡传输的数字信号，对所述视频帧进行目标检测，并根据每个预设区在视频帧上的分布，确定目标落入的预设区；向云台发送水平垂直转动的命令，向摄像机发送调节焦距的命令，使得摄像机的焦距调节为目标落入的预设区对应的拍摄焦距；

云台、摄像机分别与监控主机相连接，摄像机安装在云台上，所述云台根据水平垂直转动的命令调节水平垂直角度，摄像机根据调节焦距命令调节焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄。

作为进一步优选地，所述监控主机和云台、摄像机之间还设置有RS485/232转换器，用于将云台水平垂直转动、摄像机焦距调节命令对应的RS485串口指令转换为RS232信号；所述RS485/232转换器和云台、摄像机之间还设置有解码器，用于接收所述RS232信号并进行解码，解码后向云台发送水平垂直转动的命令，向摄像机发送调节焦距的命令。

作为进一步优选地，拍摄焦距d_i为第i个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，d_i+1为第i+1个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，A_p*A_p为摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率，B_p*B_p为摄像机显示屏中要求的目标最大分辨率，D*D为目标实际大小，所述H为目标离地面的垂直距离，所述N_pix为摄像机感光屏上每1mm对应的像素个数。

作为进一步优选地，所述监控主机用于对视频帧进行目标检测，包括对视频帧进行预处理、运动目标检测和视觉显著区检测，所述预处理为对所述视频帧进行滤波去噪，对去噪后的视频帧进行光照补偿,所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测,所述视觉显著区检测用于提取所述运动区域中具有视觉特征显著性的区域。

作为进一步优选地，所述监控主机还用于在向摄像机发送调节焦距的命令，使得摄像机的焦距调节为目标落入的预设区对应的拍摄焦距之前，根据预设区中落入的目标数越多则优先扫描的原则确定摄像机对各个预设区的扫描顺序，使得摄像机按照所述扫描顺序对目标落入预设区进行放大拍摄；所述监控主机确定目标在视频帧上预设区中的分布的方式为：若目标在视频帧上的纵坐标y∈[b_k-1,b_k]时，b_k为第n+1-k个预设区的起始位置在视频帧上的映射，判断目标出现在第n+1-k个预设区，k＝1,2,…,n，n为划分的预设区数量。

因此，本发明可获得以下有益效果：将监控场所按照与摄像机的距离划分为若干预设区，根据目标在图像上的最小、最大分辨率为每个预设区设置一个拍摄焦距，当监控场景中检测到目标时，系统能够立刻发现并放大目标，解决了传统监控中由于摄像机不能变焦带来的对远距离目标难以分辨的问题，提高了检测精度；云台根据相应指令调节水平垂直角度，可解决传统监控中由于摄像机固定带来的监控范围小、不能灵活跟踪目标等问题；本发明所述方法和系统对硬件设备要求低，无须依赖大型复杂机器即可实现，且智能化程度高，实施过程中无需人工干预。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明智能变焦视频监控方法工作流程图；

图2为本发明智能变焦视频监控系统的监控场所示意图；

图3为本发明系统的预设区在图像上的分布示意图；

图4为本发明智能变焦视频监控系统结构示意图；

图5为传统监控方法在某场景拍摄到的图像；

图6为本发明系统在同一场景拍摄到的图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明智能变焦视频监控方法工作流程图。如图1所示，本发明方法包括如下步骤：

S1、将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距；

S2、读入视频帧，对视频帧进行目标检测；

S3、确定每个预设区在视频帧上的分布，从而确定目标落入的预设区；

S4、调节摄像机焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄。

其中，上述步骤S1中，将监控场所按照与摄像机的距离长短由近及远地划分为n个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距，可根据目标在图像上的最小分辨率和最大分辨率为每个预设区设置一个拍摄焦距，以保证最终放大拍摄后的目标图像清晰可见。如图2所示，本发明一个优选实施例中，具体设置方法如下：

设在摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率为A_p*A_p，目标与摄像机的空间距离为u，相距为v，摄像机的焦距为f，摄像机感光屏上每1mm对应N_pix个像素，实际目标的物理尺寸为D*D。已知摄像机焦距f∈[F_min,F_max]，F_min、F_max分别为摄像机所能变焦的最小和最大焦距，则可根据成像公式列出方程，如式(1)所示。

从而得到u与f的关系，见式(2)。

设目标与摄像机的水平距离为u_h，目标离地面的垂直距离为H，则u_h与u之间满足式(3)。

根据式(2)、(3)可得到目标与摄像机的水平距离u_h与此时目标最小分辨率要求的摄像机焦距f的关系式(4)。

同理，设在显示屏中要求的目标最大分辨率为B_p*B_p,则可得到目标与摄像机的水平距离u_h与此时目标最大分辨率要求的摄像机焦距f的关系式(5)。

这样，根据式(4)、(5)，就能够确定目标与摄像机的水平距离u_h与此时要求的最大焦距f_max、最小焦距f_min之间的对应关系。在上述关系式中，目标实际大小D*D为定值，例如人脸的平均大小；H在一个固定场景中同样也为定值，例如人脸距离地面的平均高度。

设第i个预设区的起始位置距摄像机的距离为d_i，则该预设区所覆盖的监控距离d_i对应该区的目标最大分辨率要求的摄像机焦距d_i+1对应该区的目标最小分辨率要求的摄像机焦距则该预设区的的监控焦距F_i和应满足式(6)。

因此，寻找满足条件的和就能够确定第i个预设区的起始位置d_i和结束位置d_i+1的约束关系。同时由于摄像机变焦能力的限制，f∈[F_min,F_max]。因此最后一个预设区n的起始位置d_n对应于摄像机所能变焦的最大焦距F_max，则由第i个预设区的起始位置d_i和结束位置d_i+1的约束关系及上述公式可推导出预设区的数量n。

上述步骤S2中，记读入的视频帧为T_i，首先对T_i进行预处理，即对T_i进行中值滤波(此处优选3*3中值滤波)以去除图像中的椒盐噪声，得到去噪后的图像接着，优选使用基于“参考白”的方法对进行光照补偿，得到图像

运动目标检测用于检测预处理后的视频帧的运动区域,可选用帧间差分法、光流法等方法。本发明优选使用基于混合高斯背景建模的方法进行运动目标检测。对输入的图像提取运动前景和背景。将前景部分的像素值记为255，背景部分像素值记为0，得到二值图

视觉显著区检测用于对经过运动目标检测后的视频帧提取具有视觉特征显著性的区域，可选用过滤器模型、选择调整模型等方法。本发明优选使用Itti模型对图像进行视觉显著区检测。提取图像中的显著区域，像素值记为255，其他区域像素值记为0，得到二值图

将图像和相与，记得到的二值图为r。在r中寻找连通域，若有，则说明存在目标，执行步骤S3，否则重复执行步骤S2直至检测到目标。

上述步骤S3中，将监控场景分区后，对监控场所拍摄图像，确定每个预设区在图像上的分布。在r中找到连通域后，标记连通域为{L^j}，得到L^j的中心点(x^j,y^j)的纵坐标y^j。若y^j∈[b_k-1,b_k]，b_k为第n+1-k个预设区的起始位置在视频帧上的映射，k＝1,2,…,n，则可以判断目标出现在第n+1-k个预设区。如图3所示，当目标在图上的纵坐标y∈[b_n-1,b_n]时，则可以判定目标落在了预设区1，目标在图上的纵坐标y∈[0,b₁]时，可以判断目标落在了预设区n。

上述步骤S4中，调节摄像机为目标落入的预设区对应的拍摄焦距之前，可根据预设区中落入的目标数越多则优先扫描的原则确定摄像机对各个预设区的扫描顺序，再按照所述扫描顺序对目标落入预设区进行放大拍摄。即记录每个预设区中落入的目标数，并从大到小进行排序，得到表{s_n}。按照表{s_n}记载的预设区号码依次访问落入目标的预设区。每次访问预设区时驱动云台调节水平垂直角度以及摄像机调节拍摄焦距，使得摄像机对落入目标的预设区进行放大，并且进行扫描。当该预设区扫描完毕，则对下一个预设区进行访问。所有落入目标的预设区遍历完毕后，再次重复执行步骤S2，直到收到停止命令。

图4为本发明变焦视频监控系统结构示意图。如图4所示，本发明变焦视频监控系统，包括初始化模块、云台、摄像机、视频采集卡、RS485/232转换器、解码器、电源、传输线路和监控主机，其中电源通过电源线路给视频采集卡、解码器、摄像机和云台供电；

摄像机用于拍摄图像及视频；视频采集卡与摄像机相连接，用于读入拍摄到的视频帧，将模拟视频信号转换为数字信号后传输给监控主机；

监控主机与视频采集卡相连接，用于将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距，并确定每个预设区在视频帧上的分布；监控主机不断接收视频采集卡发送的数字信号，对数字信号对应的视频帧进行预处理、运动目标检测和视觉显著区检测，从而确定场景中有无目标；若场景中存在目标，则根据每个预设区在监控拍摄到的图像(视频帧)上的分布，从而得到每个预设区落入的目标数，根据上述预设区中落入的目标数确定摄像机对各个预设区的扫描顺序；其中，预处理、运动目标检测、视觉显著区检测以及各预设区扫描顺序的确定优选上述变焦视频监控方法中提到的方式；

监测主机检测到场景中存在目标后，可优选通过RS485/232转换器将发送的RS485串口指令转换为RS232信号；RS485/232转换器将RS232信号发送给解码器，所述解码器接收所述RS232信号并进行解码，解码后向云台发送水平垂直转动的命令，向摄像机发送调节焦距的命令，云台根据对应命令调节水平垂直角度，摄像机根据对应命令调节焦距，使得摄像机对目标落入的预设区可按照上述扫描顺序依次进行放大扫描。

本发明监控主机在具体实现过程中，采用了多线程技术，包括：1)界面线程；2)图像接收与处理线程；3)云台调节线程。

当本发明系统处于自由状态时，只有界面线程工作。一旦系统进入监控状态，则创建图像接收与处理线程以及云台调节线程。图像接收与处理线程开始工作时，从视频采集卡中得到图像(视频帧)并进行图像处理，此时云台调节线程处于挂起状态。当且仅当图像接收与处理线程发现目标后，系统才会向云台调解线程发送一个信号，使得云台调节线程可以向云台发送调节角度以及焦距的指令。指令发送完毕后，云台调节线程又会被挂起，继续处于等待状态，以等待下一个信号的来临。采用多线程的手段可有效解决传统监控中精度与速度的矛盾。

图5、图6分别为在同一场景相同距离下，由传统监控方法拍摄到的图像和采用本发明系统拍摄到的图像，由图可知，采用本发明方法或系统可对远距离目标清晰地进行分辨，检测精度高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能变焦视频监控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距；

S2、读入视频帧，对视频帧进行目标检测；

S3、确定每个预设区在视频帧上的分布，从而确定目标落入的预设区；

S4、调节摄像机焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄；

所述步骤S1中，拍摄焦距d_i为第i个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，d_i+1为第i+1个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，A_p*A_p为摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率，B_p*B_p为摄像机显示屏中要求的目标最大分辨率，D*D为目标实际大小，所述H为目标离地面的垂直距离，所述N_pix为摄像机感光屏上每1mm对应的像素个数。

2.如权利要求1所述的智能变焦视频监控方法，其特征在于，所述步骤S2中，对视频帧进行目标检测，包括对视频帧进行预处理、运动目标检测和视觉显著区检测，所述预处理为对所述视频帧进行滤波去噪，并对去噪后的视频帧进行光照补偿，所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测,所述视觉显著区检测用于提取所述运动区域中具有视觉特征显著性的区域。

3.如权利要求1或2所述的智能变焦视频监控方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定目标在视频帧上预设区中的分布的方式为：若目标在视频帧上的纵坐标y∈[b_k-1,b_k]时，b_k为第n+1-k个预设区的起始位置在视频帧上的映射，判断目标出现在第n+1-k个预设区，k＝1,2,…,n，n为划分的预设区数量。

4.如权利要求1或2所述的智能变焦视频监控方法，其特征在于，所述步骤S4中，调节摄像机焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距之前，根据预设区中落入的目标数越多则优先扫描的原则确定摄像机对各个预设区的扫描顺序，使得摄像机按照所述扫描顺序对目标落入预设区进行放大拍摄。

5.一种智能变焦视频监控系统，包括：云台、摄像机、视频采集卡和监控主机，其特征在于，

摄像机，用于拍摄图像及视频；

视频采集卡与摄像机相连接，用于读入摄像机拍摄到的视频帧，将模拟视频信号转换为数字信号后传输给监控主机；

监控主机与视频采集卡相连接，用于将监控场所按照与摄像机的距离长短划分为多个预设区，为每个预设区设置合理的拍摄焦距，并确定每个预设区在视频帧上的分布；接收视频采集卡传输的数字信号，对所述视频帧进行目标检测，并根据每个预设区在视频帧上的分布，确定目标落入的预设区；向云台发送水平垂直转动的命令，向摄像机发送调节焦距的命令，使得摄像机的焦距调节为目标落入的预设区对应的拍摄焦距；

云台、摄像机分别与监控主机相连接，摄像机安装在云台上，所述云台根据水平垂直转动的命令调节水平垂直角度，摄像机根据调节焦距命令调节焦距为目标落入的预设区对应的拍摄焦距，对目标落入预设区进行放大拍摄；

拍摄焦距d_i为第i个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，d_i+1为第i+1个预设区的起始位置与摄像机的水平距离，A_p*A_p为摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率，B_p*B_p为摄像机显示屏中要求的目标最大分辨率，D*D为目标实际大小，所述H为目标离地面的垂直距离，所述N_pix为摄像机感光屏上每1mm对应的像素个数。

6.如权利要求5所述的智能变焦视频监控系统，其特征在于，所述监控主机和云台、摄像机之间还设置有RS485/232转换器，用于将云台水平垂直转动、摄像机焦距调节命令对应的RS485串口指令转换为RS232信号；所述RS485/232转换器和云台、摄像机之间还设置有解码器，用于接收所述RS232信号并进行解码，解码后向云台发送水平垂直转动的命令，向摄像机发送调节焦距的命令。

7.如权利要求5或6所述的智能变焦视频监控系统，其特征在于，所述监控主机用于对视频帧进行目标检测，包括对视频帧进行预处理、运动目标检测和视觉显著区检测，所述预处理为对所述视频帧进行滤波去噪，对去噪后的视频帧进行光照补偿,所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测,所述视觉显著区检测用于提取所述运动区域中具有视觉特征显著性的区域。

8.如权利要求5或6所述的智能变焦视频监控系统，其特征在于，所述监控主机还用于在向摄像机发送调节焦距的命令，使得摄像机的焦距调节为目标落入的预设区对应的拍摄焦距之前，根据预设区中落入的目标数越多则优先扫描的原则确定摄像机对各个预设区的扫描顺序，使得摄像机按照所述扫描顺序对目标落入预设区进行放大拍摄；所述监控主机确定目标在视频帧上预设区中的分布的方式为：若目标在视频帧上的纵坐标y∈[b_k-1,b_k]时，b_k为第n+1-k个预设区的起始位置在视频帧上的映射，判断目标出现在第n+1-k个预设区，k＝1,2,…,n，n为划分的预设区数量。