CN104657992B - 一种基于视频采集的多目标室外定位系统和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及室外定位领域，具体涉及一种基于视频采集的多目标室外定位系统及相应的方法。所述的定位为三维空间定位。所述的多目标为一个或一个以上的具有脉搏的生命体。本发明系统包括视频采集单元，脉搏波提取单元、位置计算单元和行动模拟单元这四个组成部分，本发明方法包括场景布置、视频采集、脉搏波提取、位置计算和行动模拟这五个步骤。相比传统的室外定位系统，本发明提供的室外定位技术精度高、成本低、实时性好，同时具备优秀的可扩展性和可移植性。

Description

一种基于视频采集的多目标室外定位系统和定位方法

技术领域

本发明涉及室外定位领域，具体涉及一种基于视频采集的多目标室外定位系统及相应的方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的进步，定位技术也备受关注且发展迅速。当今，基于卫星定位系统的室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用，但是精度并不理想，例如在人群中很难锁定每个人的具体位置，在许多需要高精度定位的场合难以广泛应用。为了提高精度，现有的技术通常在卫星定位系统的基础上加以红外线、超声波等手段对物体的位置和运动进行感知，或是通过Wi-Fi、蓝牙或ZigBee等无线通讯手段和待测物体进行数据交互。然而，前者所采用的技术手段在室外环境下布局难度极大，且成本高，穿透性、抗干扰性差；后者一方面对待测目标的通信能力提出了要求，另一方面精度提升也相对有限。

发明内容

本发明的目的在于针对现有室外定位技术的不足，提供一种基于视频采集的多目标室外定位系统，并给出基于该系统实现室外定位的方法。本发明所述的室外定位系统能够针对多个有脉搏的生命体，实现基于角度的高精度室外三维空间定位，且部署简单、功耗小、成本低，实时性好。此外，本发明的室外定位系统和方法可以和现有的智能终端，尤其是移动智能终端相结合，具备了优秀的可移植性。

本发明采用的技术方案如下：一种基于视频采集的多目标室外定位系统，所述的定位为三维空间定位，所述的多目标为一个或一个以上的具有脉搏的生命体，该系统包括视频采集单元，脉搏波提取单元、位置计算单元和行动模拟单元，其中：

所述的视频采集单元由一个或多个视频采集设备组成，用于获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息传递给脉搏波提取单元；

所述的脉搏波提取单元用于对视频采集单元所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，再将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的视频采集设备和脉搏信息点在视频图像中的位置传递给位置计算单元，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位；

所述的位置计算单元用于对脉搏波提取单元所传递的来自于各个视频采集设备的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置；

所述的行动模拟单元用于根据位置计算单元所计算出的该生命体在不同时间点上的位置，拟合该生命体的行动轨迹，以及对该生命体的行动趋势进行预测。

其中，所述的视频采集单元与脉搏波提取单元之间、脉搏波提取单元与位置计算单元之间、位置计算单元与行动模拟单元之间可部分或全部通过有线或无线方式进行连接，以保证数据的有效传输。可以根据实际需要，全部采用有线方式连接，全部采用无线方式连接，或部分采用有线方式连接、部分采用无线方式连接。

所述的视频采集设备为一个或多个。当布置的视频采集单元只有一个时，要求事先获知待定位目标和所布置的视频采集单元间的垂直高度；当布置的视频采集单元有两个或以上时，要求保证待定位目标在室外的每个可能的位置都在两台或两台以上视频采集设备的采集范围内，以保证后续计算可以进行。同时，也可以通过布置更广范围、更多数量的视频采集设备以提高室外定位的精确度。所述的视频采集设备选自摄像机、照相机、网络摄像头的任意一种或多种。

所述的脉搏波提取单元为一台具有视频图像处理和信息分析能力的终端。作为优选，所述的脉搏波提取单元可以是一台移动智能终端。脉搏波提取单元基于视频提取脉搏波数据的方法可参照已授权专利《一种非约束目标的非接触式脉搏波采集系统及采集方法》(201310082729.3)。

所述的位置计算单元和行动模拟单元为至少一台具有数据处理能力的终端。即，所述的位置计算单元和行动模拟单元可以是同一台具有数据处理能力的终端，也可以是多台相连接的具有数据处理能力的终端。作为优选，所述的位置计算单元和行动模拟单元为一台移动智能终端。

作为优选，所述的脉搏波提取单元、位置计算单元、行动模拟单元中的任意两者及以上均可以集成在同一台具有视频图像处理、信息分析和数据处理能力的终端上。更优选的，所述的脉搏波提取单元、位置计算单元、行动模拟单元中的任意两者及以上均可以集成在同一台移动智能终端上。

特别地，所述的基于视频采集的多目标室外定位系统可以和具备卫星定位系统功能的移动设备和/或各类实名制证件相结合，以实现被定位目标的身份识别。所述的卫星定位系统包括但不限于全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)。所述的各类实名制证件包括但不限于身份证、银行卡、公交卡。即，当位置计算单元计算出目标的位置，本系统既可以和通过卫星定位系统对该位置具备卫星定位功能的移动设备进行搜索，将所定位的目标和该移动设备相匹配，根据该移动设备的物主信息得知所定位目标的身份；也可以通过检测该位置所能检测到的各类实名制证件信息，如该位置银行ATM此刻所处理的银行卡信息，再如该位置公共交通设施此刻所处理的交通卡信息，获知锁定为目标的身份。

本发明还提供一种基于视频采集的多目标室外定位方法，所述的定位为三维空间定位，所述的多目标为一个或一个以上的具有脉搏的生命体，该方法包括以下4个步骤：

(1)场景布置：在所需进行多目标室外定位的场所布置视频采集设备作为本系统的视频采集单元，所布置的视频采集设备的数量为一个或多个，当布置的视频采集设备为一个时，要求事先获知待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度，且保证待定位目标在室外的每个可能的位置都在该视频采集设备的采集范围内；当布置的视频采集设备为两个或两个以上时，要求保证待定位目标在室外的每个可能的位置都在两台或两台以上视频采集设备的采集范围内；将各个视频采集设备的拍摄参数和在室外的精确位置记录在位置计算单元内；

(2)视频采集：当目标进入所需进行多目标室外定位的场所后，视频采集单元获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息传递给脉搏波提取单元；

(3)脉搏波提取：脉搏波提取单元对步骤(2)中对各个视频采集单元所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，再将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的视频采集设备和脉搏信息点在视频图像中的位置传递给位置计算单元，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位；

(4)位置计算：位置计算单元对(3)中脉搏波提取单元所传递的来自于各个视频采集设备的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置；

(5)行动模拟：行动模拟单元根据位置计算单元所计算出的该生命体在不同时间点上的位置，拟合该生命体的行动轨迹，以及对该生命体的行动趋势进行预测。

所述的步骤(1)中，布置视频采集设备时应根据室外环境的具体情况，尽量使得所布置的视频采集设备的采集范围覆盖所定位目标在室外可能的各个位置，以保证室外定位的效果。同时，也可以通过布置更广范围、更多数量的视频采集设备以提高室外定位的精确度。所述的将各个视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置记录在位置计算单元内的格式可以为“设备编号-设备拍摄参数-设备位置(x,y,z)”。由于后续位置计算时仅需各个视频采集设备之间的相对位置，所以在这一步骤中，记录视频采集设备位置时所选取的参照系是任意的。

所述的步骤(3)脉搏波提取，基于视频提取脉搏波数据的方法可参照已授权专利《一种非约束目标的非接触式脉搏波采集系统及采集方法》(201310082729.3)。

根据系统中所采用的视频采集单元的数量不同，所述的步骤(4)有两种不同的方法。具体为：

方法一：

当布置的视频采集设备为一个时，所述的步骤(4)具体包括以下4个子步骤：

①数据比对：位置计算单元将步骤(3)中脉搏波提取单元提取单元所传递的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据有较高的相似度因此认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：针对每个集合，任选1条脉搏波数据，；

③参数计算：针对每个集合所选取的脉搏波数据，找出视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，标记这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，再运用多脉搏信息点归一法计算出投影的角度、中心和范围这几个参数；

④位置确定：针对每个集合，根据步骤③中多脉搏信息点归一法求出的该视频采集设备各自的投影角度、中心和范围，结合所获知待定位目标和所布置的视频采集单元间的垂直高度，计算出该生命体在室外的位置，对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置。

所述的步骤③参数计算中，系统针对每个集合，根据步骤②中选取出脉搏波数据，返回其各自对应的视频采集设备，找出该视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，即，所有来自于该生命体的脉搏波数据。在步骤(3)中，这些脉搏波数据提取自该视频信息中不同的脉搏信息点，即代表同一生命体身上的不同部位。所述的多脉搏信息点归一法步骤为：找到这些脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包。利用计算几何知识求出该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围。再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，如焦距，可以计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以基本确定该生命体相对于该视频采集设备的方向。

通过多脉搏信息点归一法，将得到的凸包质心作为投影的中心，得到的凸包半径作为投影的范围半径，得到的视频采集设备到生命体质心的射线方向作为投影方向，如此模拟投影即可以保证生命体恰好落在该投影范围内。

所述的④位置确定中，由于③中针对每个集合都求出了采集到该生命体的每个视频采集设备的投影参数，根据这些视频采集设备在室外的位置模拟投影，结合所获知待定位目标和所布置的视频采集单元间的垂直高度即可以唯一确定该集合内脉搏波数据来自的生命体在室外的位置。对每个集合以此操作，即可得知所有生命体在室外的位置。

此方法适用于待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度可以提前获知的情况，对视频采集设备的要求较低。

方法二：

当布置的视频采集设备为两个或两个以上时，所述的步骤(4)具体包括以下4个子步骤：

①数据比对：位置计算单元将步骤(3)中脉搏波提取单元提取单元所传递的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据有较高的相似度因此认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：针对每个集合，选取至少2条相似程度最高的脉搏波数据，要求每个集合内所选取的多条脉搏波数据均来自不同的视频采集设备；

③参数计算：针对每个集合所选取的每条脉搏波数据，分别返回其所对应的视频采集设备，找出该视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，标记这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，再运用多脉搏信息点归一法计算出投影的角度、中心和范围这几个参数；

④位置确定：针对每个集合，根据步骤③中多脉搏信息点归一法求出的每个视频采集设备各自的投影角度、中心和范围，结合这些视频采集设备在室外的位置模拟投影，所有投影的交集即为该集合内脉搏波数据来自的生命体在室外的位置，对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置，实现室外三维空间定位。

需要说明的是，方法二条件中所述的布置的视频采集设备有两个或以上不仅可以体现为同一时间在不同地点布置两个或以上的视频采集单元，也可以体现为相对短时间内一个配有可控制运动模块的视频采集单元在不同位置的快速移动，以达到相同的效果。所述的可控制运动模块可以根据初始位置和运动情况反馈任意时刻视频采集设备的精确位置，包括但不限于无人机、智能小车。

所述的步骤②脉搏波选取中，需要选取至少2条相似程度最高的脉搏波数据以保证后续计算的进行，同时，也可以通过选取更多条的脉搏波数据来提高定位的精度。针对每个集合，必须满足所选取的多条脉搏波数据均来自不同的视频采集设备。

所述的步骤③参数计算中，系统针对每个集合，根据步骤②中选取出的多条脉搏波数据，返回其各自对应的视频采集设备，找出该视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，即，所有来自于该生命体的脉搏波数据。在步骤(3)中，这些脉搏波数据提取自该视频信息中不同的脉搏信息点，即代表同一生命体身上的不同部位。所述的多脉搏信息点归一法步骤为：找到这些脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包。利用计算几何知识求出该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围。再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，如焦距，可以计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以基本确定该生命体相对于该视频采集设备的方向。

通过多脉搏信息点归一法，将得到的凸包质心作为投影的中心，得到的凸包半径作为投影的范围半径，得到的视频采集设备到生命体质心的射线方向作为投影方向，如此模拟投影即可以保证生命体恰好落在该投影范围内。

所述的④位置确定中，由于③中针对每个集合都求出了采集到该生命体的每个视频采集设备的投影参数，根据这些视频采集设备在室外的位置模拟投影，所有投影区域将产生一个交集，该交集即为该集合内脉搏波数据来自的生命体在室外的位置。对每个集合以此操作，即可得知所有生命体在室外的位置，从而实现室外三维空间定位。

此方法适用于待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度不可确定的情况，例如在室外阶梯处的定位，对视频采集设备的要求相对较高。

当位置计算单元计算出所定位目标的位置后，本发明系统可以和具备卫星定位系统功能的移动设备和/或各类实名制证件相结合，以实现被定位目标的身份识别。所述的卫星定位系统包括但不限于全球定位系统(GPS)、北斗卫星导航系统(BDS)。所述的各类实名制证件包括但不限于身份证、银行卡、公交卡。即，本系统既可以和通过卫星定位系统对该位置具备卫星定位功能的移动设备进行搜索，将所定位的目标和该移动设备相匹配，根据该移动设备的物主信息得知所定位目标的身份；也可以通过检测该位置所能检测到的各类实名制证件信息，如该位置银行ATM此刻所处理的银行卡信息，再如该位置公共交通设施此刻所处理的交通卡信息，获知锁定为目标的身份。

所述的步骤(5)中，针对位置计算单元在不同时间所计算出的各个生命体的位置，行动模拟单元可以先根据其脉搏波信息将同一个生命体的位置信息匹配，再结合周边的环境情况，拟合出这段时间内所定位生命体的行动轨迹，以及对该生命体未来一段时间内的行动趋势进行预测。具体地，行动模拟单元可以先根据全部的脉搏波信息间的相似度将其归至不同的生命体，针对每一个生命体找出位置计算单元所计算出的其在不同时间的位置信息。之后，将不同时间所计算出的所有生命体的可以基于所定位目标周边的环境情况(如道路情况、建筑情况、交通拥挤程度等)建模，限制出所定位目标可能行动的区域；再根据这段时间内所定位目标在不同时间点所处的位置得到该目标的行动方向和轨迹。最后，综合所有信息，包括但不限于定位现场的实际情况，所定位目标的脉搏情况、所定位目标位置周围的建筑和交通情况等，对所定位目标的行动趋势进行预测和判断。

本发明的有益效果是：

(1)本发明能够针对室外多个具有脉搏波信号的生命体实现基于角度的室外三维空间定位，相比传统的室外定位技术，具有更高的精确度。

(2)本发明系统在硬件方面仅需布置普通的视频采集设备和处理器终端，软件方面也仅涉及常规的图像处理和数据计算，部署简单，成本低，具有广泛的应用前景。

(3)本发明针对不同情形提供了两种具体的室外定位方式，既可以通过单个视频采集设备完成待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度已知时的室外多目标定位，也可以通过多个视频采集设备完成待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度未知时的室外多目标定位。

(4)本发明的室外定位方法步骤简单，定位过程实时性好。

(5)本发明的室外定位系统和方法可以和身份识别相结合，具备强大的可扩展性。

(6)本发明的室外定位系统和方法可以和现有的智能终端，尤其是移动智能终端相结合，具备了优秀的可移植性。

附图说明

图1是本发明系统组成图。

图2是本发明方法流程图。

图3是位置计算步骤中，多脉搏信息点归一法的示意图。

具体实施方式

为了更详细地说明本发明的基于视频采集的多目标室外定位系统和定位方法，下面根据附图详细说明本发明。

如图1所示，本发明的基于视频采集的多目标室外定位系统包括视频采集单元，脉搏波提取单元和位置计算单元，其中：

所述的视频采集单元由一个或多个视频采集设备组成，用于获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息传递给脉搏波提取单元；

所述的脉搏波提取单元用于对视频采集单元所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，再将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的视频采集设备和脉搏信息点在视频图像中的位置传递给位置计算单元，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位；

所述的位置计算单元用于对脉搏波提取单元所传递的来自于各个视频采集设备的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置；

所述的行动模拟单元用于根据位置计算单元所计算出的该生命体在不同时间点上的位置，拟合该生命体的行动轨迹，以及对该生命体的行动趋势进行预测。

其中，所述的视频采集单元与脉搏波提取单元之间、脉搏波提取单元与位置计算单元之间、位置计算单元与行动模拟单元之间可部分或全部通过有线或无线方式进行连接，以保证数据的有效传输。可以根据实际需要，全部采用有线方式连接，全部采用无线方式连接，或部分采用有线方式连接、部分采用无线方式连接。

实施例1：

下面以在公园对游客人群进行多目标定位为例，具体说明本发明基于视频采集的多目标室外定位系统和定位方法。本实施例中，以多台摄像头作为视频采集设备，以一台具备视频图像处理、信息分析和数据处理能力的智能手机作为脉搏波提取单元、位置计算单元和行动模拟单元，摄像头和智能手机间通过公园内WIFI实现数据传输。

借助该系统，工作人员可以通过下述5个步骤实现基于视频采集的多目标室外定位：

(1)场景布置：

在公园布置摄像头，开启WIFI使得摄像头和智能手机间能够通讯。布置摄像头时应根据公园的具体环境，尽量使得公园的各个位置都在摄像头的采集范围内，以保证室外定位的效果。之后，将各个摄像头的拍摄参数和在室外的精确位置记录在PC机中，格式为“设备编号-设备拍摄参数-设备位置(x,y,z)”，此处坐标系可任意选取。

需要说明的是，此处可以通过给摄像头配有某运动控制系统的方式减少摄像头的布置数量，如将配有滑轮的摄像头安置于事先布置好的轨道上并驱动其运动。通过这种方式，一台运动的摄像头即可充当多台静止摄像头的功能，不影响后续步骤的处理。

(2)视频采集：

在需要进行公园室外多目标定位时，摄像头获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息通过WIFI实时传输给智能手机。

(3)脉搏波提取：

智能手机对步骤(2)中各个摄像头所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位。由于本实施例中智能手机同时充当了本发明的脉搏波提取单元和位置计算单元，其将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的摄像头和脉搏信息点在视频图像中的位置可以直接运用于下一步骤的计算。此处，基于视频提取脉搏波数据的方法可参照已授权专利《一种非约束目标的非接触式脉搏波采集系统及采集方法》(201310082729.3)。

(4)位置计算：

由于本实施例中采用了多个摄像头，因此步骤(4)采用方法二处理。智能手机对(3)中提取的来自于各个摄像头的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合摄像头的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置，实现三维空间定位，具体分为下述四个步骤：。

①数据比对：

智能手机将步骤(3)中提取出的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，如U₁、U₂、U₃；同一集合内的脉搏波数据有较高的相似度因此认为来自于同一个生命体，集合数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：

针对每个集合，选取至少2条相似程度最高的脉搏波数据，要求每个集合内所选取的多条脉搏波数据均来自不同的摄像头。如步骤①中，位置计算单元根据相似度划分出了U₁、U₂、U₃这三个集合，即分别代表三个不同的生命体，记为甲、乙、丙。其中，集合U₁中脉搏波数据相似程度由高到低依次为(小写字母表示脉搏波数据的编号，其后括号中的大写字母表示采集到该条脉搏波摄像头的编号)：a(A)、d(A)、b(B)、e(B)、c(C)，f(D)……则选取2条相似程度最高的脉搏波数据时，首先选取a，d由于跟a来自同一个视频采集设备而舍弃，再选取b，最终选取的2条脉搏波数据即为a、b。若要再选取第3条脉搏波数据，则同理舍弃e，选取c，最终选取的3条脉搏波数据即为a、b、c。

③参数计算：

针对每个集合所选取的每条脉搏波数据，分别返回其所对应的摄像头，找出该摄像头所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，即，所有来自于该生命体的脉搏波数据。以集合U₁中选取了3条脉搏波数据a、b、c为例，首先返回a对应的摄像头A，找出A采集到的所有脉搏波数据，如a、d、g、h、i这5条。在步骤(3)中，这些脉搏波数据提取自该视频信息中不同的脉搏信息点，即代表同一生命体身上的不同部位，如手腕、额头、脖颈、耳后等。所述的多脉搏信息点归一法如附图3所示，步骤为：找到这些脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包。利用计算几何知识求出该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围。再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，如焦距，可以计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以基本确定该生命体相对于该视频采集设备的方向。通过多脉搏信息点归一法，将得到的凸包质心作为投影的中心，得到的凸包半径作为投影的范围半径，得到的视频采集设备到生命体质心的射线方向作为投影方向，如此模拟投影即可以保证生命体恰好落在该投影范围内。

④位置确定：

针对每个集合，根据③中多脉搏信息点归一法求出的每个摄像头各自的投影角度、中心和范围，结合这些摄像头在室外的位置模拟投影，所有投影的交集即为该集合内脉搏波数据来自的生命体在室外的位置。集合U₁的投影结果即为甲的位置。针对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置，实现室外三维空间定位。

(5)行动模拟：

针对位置计算单元在不同时间所计算出的各个生命体的位置，行动模拟单元可以先根据其脉搏波信息将同一个生命体的位置信息匹配，再结合周边的环境情况，拟合出这段时间内所定位生命体的行动轨迹，以及对该生命体未来一段时间内的行动趋势进行预测。具体地，如当日中午12点5分、12点10分、12点15分这三个时间点共采集到甲、乙、丙这三个人的身份信息，行动模拟单元可以先根据所有的脉搏波信息间的相似度将其归至这三个不同的生命体，再分别对甲、乙、丙找出位置计算单元所计算出的其在12点5分、12点10分、12点15分这三个时间点的位置信息。以甲为例，之后，行动模拟单元根据这三个时间点甲所在的位置周边的环境情况，如公园道路情况、建筑物和景点的分布情况、人群密集程度等建模，限制出甲可能行动的区域；再根据这三个时间点甲所处的位置初步拟合出甲的行动方向和轨迹。最后，综合所有信息，对甲的的行动趋势进行预测和判断。例如甲在这三个时间点的位置分别处于公园的某景点出口、某景点到餐饮中心的路上、餐饮中心门口，则结合当时的时间和人流情况可以初步判断出甲接下来有较大的可能要在餐饮中心吃午饭，等等。

实施例2：

下面以在某小区室外自助ATM机附近进行定位为例，具体说明本发明基于视频采集的多目标室外定位系统和定位方法，包括如何与身份识别相结合。本实施例中，以单台摄像头作为视频采集设备，以一台具备视频图像处理、信息分析和数据处理能力的PC机作为脉搏波提取单元、位置计算单元和行动模拟单元，摄像头和PC机间通过有线方式实现数据传输。

借助该系统，工作人员可以通过下述5个步骤实现基于视频采集的多目标室外定位：

(1)场景布置：

在小区室外自助ATM附近布置摄像头，连线数据线使得摄像头和智能手机间能够通讯。布置摄像头时应根据小区室外自助ATM附近的具体环境，尽量使得小区室外自助ATM附近的各个位置都在该摄像头的采集范围内，以保证室外定位的效果。由于在该实施例中，所需定位的目标均位于地面上，所以仅需测得摄像头和到地面的垂直距离即可得知待定位目标和摄像头间的垂直高度。将该距离和摄像头的拍摄参数和在室外的精确位置记录在PC机中，格式为“设备编号-设备拍摄参数-设备位置(x,y,z)”，此处坐标系可任意选取。

(2)视频采集：

在需要进行小区室外自助ATM附近的多目标定位时，摄像头获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息通过WIFI实时传输给PC机。

(3)脉搏波提取：

PC机对步骤(2)中摄像头所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位。由于本实施例中PC机同时充当了本发明的脉搏波提取单元和位置计算单元，其将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的摄像头和脉搏信息点在视频图像中的位置可以直接运用于下一步骤的计算。此处，基于视频提取脉搏波数据的方法可参照已授权专利《一种非约束目标的非接触式脉搏波采集系统及采集方法》(201310082729.3)。

(4)位置计算：

由于本实施例中采用了单个摄像头且提供了待定位目标和摄像头间的垂直高度，因此步骤(4)采用方法一处理。PC机对(3)中提取的来自于摄像头的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合摄像头的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置，实现三维空间定位，具体分为下述四个步骤：

①数据比对：

PC机将步骤(3)中提取出的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，如U₁、U₂、U₃；同一集合内的脉搏波数据有较高的相似度因此认为来自于同一个生命体，集合数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：

针对每个集合，任选1条脉搏波数据。

③参数计算：

针对每个集合所选取的脉搏波数据，找出摄像头所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，即，所有来自于该生命体的脉搏波数据。以集合U₁中选取了3条脉搏波数据a、b、c为例，找出摄像头采集到的所有脉搏波数据，如a、、b、c、d、e这5条。在步骤(3)中，这些脉搏波数据提取自该视频信息中不同的脉搏信息点，即代表同一生命体身上的不同部位，如手腕、额头、脖颈、耳后等。所述的多脉搏信息点归一法如附图3所示，步骤为：找到这些脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包。利用计算几何知识求出该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围。再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，如焦距，可以计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以基本确定该生命体相对于该视频采集设备的方向。通过多脉搏信息点归一法，将得到的凸包质心作为投影的中心，得到的凸包半径作为投影的范围半径，得到的视频采集设备到生命体质心的射线方向作为投影方向，如此模拟投影即可以保证生命体恰好落在该投影范围内。

④位置确定：

针对每个集合，根据③中多脉搏信息点归一法求出的摄像头各自的投影角度、中心和范围，结合这些摄像头在室外的位置模拟投影。由于已经获知待定位目标和所布置的视频采集单元间的垂直高度，仅需在该高度截取投影的结果即可获得该生命体在室外的位置。集合U₁的投影结果即为甲的位置。针对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置，实现室外三维空间定位。

当PC机计算出所定位目标的位置后，本发明系统可以和具备卫星定位系统功能的移动设备和/或各类实名制证件相结合，以实现被定位目标的身份识别。例如在定位出甲的位置以后，本系统通过GPS对该位置具备卫星定位功能的移动设备，如手机进行搜索，将甲和该手机匹配，根据手机的物主信息得知甲的身份；也可以通过检测该位置所能检测到的各类实名制证件信息，如该ATM机此刻所处理的银行卡信息，获知甲的身份。

(5)行动模拟：

针对位置计算单元在不同时间所计算出的各个生命体的位置，行动模拟单元可以先根据其脉搏波信息将同一个生命体的位置信息匹配，再结合周边的环境情况，拟合出这段时间内所定位生命体的行动轨迹，以及对该生命体未来一段时间内的行动趋势进行预测。具体地，如当日下午16点25分、16点30分、16点35分这三个时间点共采集到甲、乙这两个人的身份信息，行动模拟单元可以先根据所有的脉搏波信息间的相似度将其归至这两个不同的生命体，再分别对甲、乙找出位置计算单元所计算出的其在16点25分、16点30分、16点35分这三个时间点的位置信息。以甲为例，之后，行动模拟单元根据这三个时间点甲所在的位置周边的环境情况，如小区ATM机附近的道路情况、建筑物分布情况、人群密集程度等建模，限制出甲可能行动的区域；再根据这三个时间点甲所处的位置初步拟合出甲的行动方向和轨迹。最后，综合所有信息，对甲的的行动趋势进行预测和判断。例如甲在这三个时间点的位置分别处于小区门口、小区ATM机边、附近的便利超市门口，则结合当时的时间和人流情况可以初步判断出甲接下来有较大的可能要去便利超市购物，等等。

对本领域的技术人员来说应理解，根据设计要求和其他因素可以进行各种修改、组合、自组合和变化，只要它们都落于所附权利要求及其等效方案所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种基于视频采集的多目标室外定位系统，所述的定位为三维空间定位，所述的多目标为一个以上的具有脉搏的生命体，其特征在于，该系统包括视频采集单元，脉搏波提取单元、位置计算单元和行动模拟单元，其中：

所述的视频采集单元由一个或多个视频采集设备组成，用于获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息传递给脉搏波提取单元；

所述的脉搏波提取单元用于对视频采集单元所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，再将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的视频采集设备和脉搏信息点在视频图像中的位置传递给位置计算单元，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位；

所述的位置计算单元用于对脉搏波提取单元所传递的来自于各个视频采集设备的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置；所述的比对是数据比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；所述归一化处理具体为：找到脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包；计算该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围；再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以确定该生命体相对于该视频采集设备的方向；

所述的行动模拟单元用于根据位置计算单元所计算出的该生命体在不同时间点上的位置，拟合该生命体的行动轨迹，以及对该生命体的行动趋势进行预测。

2.根据权利要求1所述的一种基于视频采集的多目标室外定位系统，其特征在于：所述的视频采集设备选自摄像机、照相机、网络摄像头的任意一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种基于视频采集的多目标室外定位系统，其特征在于：所述的脉搏波提取单元为一台具有视频图像处理和信息分析能力的终端。

4.根据权利要求1所述的一种基于视频采集的多目标室外定位系统，其特征在于：所述的位置计算单元和行动模拟单元为至少一台具有数据处理能力的终端。

5.根据权利要求1所述的一种基于视频采集的多目标室外定位系统，其特征在于：该系统可以和具备卫星定位系统功能的移动设备和/或各类实名制证件相结合，以实现被定位目标的身份识别。

6.一种利用权利要求1所述基于视频采集的多目标室外定位系统的定位方法，其特征在于，该方法包括以下5个步骤：

(1)场景布置：在所需进行多目标室外定位的场所布置视频采集设备作为本系统的视频采集单元，所布置的视频采集设备的数量为一个或多个，当布置的视频采集设备为一个时，要求事先获知待定位目标和所布置的视频采集设备间的垂直高度，且保证待定位目标在室外的每个可能的位置都在该视频采集设备的采集范围内；当布置的视频采集设备为两个以上时，要求保证待定位目标在室外的每个可能的位置都在两台以上视频采集设备的采集范围内；将各个视频采集设备的拍摄参数和在室外的精确位置记录在位置计算单元内；

(2)视频采集：当目标进入所需进行多目标室外定位的场所后，视频采集单元获取生命体的视频信息，并将所获得的视频信息传递给脉搏波提取单元；

(3)脉搏波提取：脉搏波提取单元对步骤(2)中对各个视频采集单元所传递的视频信息进行分析，基于视频内的脉搏信息点提取出视频中所包含的脉搏波数据，再将所提取的每一条脉搏波数据及其所对应的视频采集设备和脉搏信息点在视频图像中的位置传递给位置计算单元，所述的脉搏信息点是指视频中的生命体身体上能够提取出脉搏波信息的部位；

(4)位置计算：位置计算单元对(3)中脉搏波提取单元所传递的来自于各个视频采集设备的所有脉搏波数据进行比对和归一化处理，再根据这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，综合视频采集设备的拍摄参数和在室外的位置，计算出该生命体的位置；所述比对是数据比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；所述归一化处理具体为：找到脉搏信息点在视频图像中的位置，用一个最小的平面多边形覆盖这些点，即得到一个凸包；计算该凸包的质心和半径，即可以基本确定该生命体的位置和所占范围；再根据质心的位置和该视频采集设备的拍摄参数，计算出生命体质心和视频采集设备连线和视频采集设备镜头法线之间的入射角，即可以确定该生命体相对于该视频采集设备的方向；

(5)行动模拟：行动模拟单元根据位置计算单元所计算出的该生命体在不同时间点上的位置，拟合该生命体的行动轨迹，以及对该生命体的行动趋势进行预测。

7.根据权利要求6所述的室外定位方法，其特征在于，当布置的视频采集设备为一个时，所述的步骤(4)具体包括以下4个子步骤：

①数据比对：位置计算单元将步骤(3)中脉搏波提取单元提取单元所传递的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：针对每个集合，任选1条脉搏波数据；

③参数计算：针对每个集合所选取的脉搏波数据，找出该视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，标记这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，再运用多脉搏信息点归一法计算出投影的角度、中心和范围参数；

④位置确定：针对每个集合，根据步骤③中多脉搏信息点归一法求出的该视频采集设备的投影角度、中心和范围，结合所获知待定位目标和所布置的视频采集单元间的垂直高度，计算出该生命体在室外的位置，对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置，实现室外三维空间定位。

8.根据权利要求6所述的室外定位方法，其特征在于，当布置的视频采集设备为两个以上时，所述的步骤(4)具体包括以下4个子步骤：

①数据比对：位置计算单元将步骤(3)中脉搏波提取单元提取单元所传递的所有脉搏波数据来进行比对，根据相似度将所有的脉搏波数据划入若干集合，同一集合内的脉搏波数据认为来自于同一个生命体，集合的数量即代表所采集的区域内生命体的个数；

②脉搏波选取：针对每个集合，选取至少2条相似程度最高的脉搏波数据，要求每个集合内所选取的多条脉搏波数据均来自不同的视频采集设备；

③参数计算：针对每个集合所选取的每条脉搏波数据，分别返回其所对应的视频采集设备，找出该视频采集设备所采集到的所有在此集合内的脉搏波数据，标记这些脉搏波数据所对应的脉搏信息点在视频图像中的位置，再运用多脉搏信息点归一法计算出投影的角度、中心和范围参数；

④位置确定：针对每个集合，根据步骤③中多脉搏信息点归一法求出的每个视频采集设备各自的投影角度、中心和范围，结合这些视频采集设备在室外的位置模拟投影，所有个投影的交集即为该集合内脉搏波数据来自的生命体在室外的位置，对每个集合以此操作即可得知所有生命体在室外的位置，实现室外三维空间定位。

9.根据权利要求8中所述的室外定位方法，其特征在于，所述的布置的视频采集设备为两个以上，既可以体现为同一时间在不同地点布置两个以上的视频采集单元，也可以体现为相对短时间内一个配有可控制运动模块的视频采集单元在不同位置的快速移动，以达到相同的效果。