CN106803926B - 一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，其步骤为：设定监控目标子区域及其对应监控子目标，确定监控子区域与视频传感器的覆盖有效距离；设定可部署视频传感器的候选空间，选定遮挡视线的障碍物图层；离散各监控目标子区域、离散部署候选空间、离散视频传感器的可变参数；构建优化目标函数以及约束条件；利用启发式优化算法实现视频传感器部署优化，获得部署视频传感器的数量及其部署的空间位置与部署姿态参数。本发明克服了其他优化方法监控任务单一的不足。

Description

一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法

技术领域

本发明涉及视频监控技术领域，特别是一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法。

背景技术

视频传感器是一种广泛应用于各类突发公共事件感知的重要传感器，对保障社会安全、维护社会稳定起到突出作用，视频数据常被用于人脸识别、行为识别、群体行为识别、车辆检测、车牌检测等等。随着我国“平安城市”等工程的深入开展，全国各城市均加大了对视频传感器硬件的投入，然而当前视频传感器在实际应用中，常存在监控画面模糊不可辨认、监控区域被遮挡、目标区域存在监控盲区、视频传感器重复建设等等问题，究其原因为视频传感器建设前缺乏对监控区域及其监控任务分析，建设过程缺乏分析设计的方法和工具。因此，需要一种视频传感器网络部署优化方法，此方法能够顾及不同监控区域的监控需求，从而使得部署的视频传感器网络不仅可用且部署成本低。

目前，视频传感器部署优化方法已有很多，不同之处主要在于视频传感器覆盖模型、优化目标和优化方法三个方面。在视频传感器覆盖模型方面，主要考虑的方面包括传感器的视域、分辨率等多个因素中的一种或者多种；在优化目标方法则为视频传感器覆盖数量最少、覆盖面积最大等目标中的一个或者多个；在优化方法方面主要包括粒子群智能优化、虚拟力优化、蚁群优化、模拟退化等等。然而目前的监控视频传感器部署优化方法均认为监控区域的监控目标统一，即认为监控区域的重要程度相同。但在实际应用中，由于视频传感器部署的空间范围大，且监控任务目标复杂多样，不同监控子区域监控任务不同，对视频传感器的覆盖要求存在差异，传统的方法仅仅面向单一监控任务，整个监控目标区域的覆盖需求单一，显然无法满足实际应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，根据不同监控子区域的多种监控任务，确定子区域中监控视频的覆盖需求，在设定的可架设监控视频传感器的空间位置中，部署最少数量(总成本最低)的监控视频传感器，获得满足多种需求的视频传感器优化部署方案。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，包括以下步骤：

步骤一、设定监控目标子区域及其对应监控子目标；

步骤二、设定可部署视频传感器的候选空间，选定遮挡视线的障碍物图层；

步骤三、离散各监控目标子区域、离散部署候选空间、离散视频传感器的可变参数；所述离散监控目标子区域是以规则格网将各个监控目标子区域抽样为目标格网点，以格网点的覆盖表示目标区域的覆盖情况；所述离散部署候选空间是以预设的步长将候选空间抽样为多个视频传感器可部署的候选三维空间点；所述离散视频传感器的可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角，焦距、俯仰角和旋转角各自分别以预设的步长离散，离散为多个可变参数组，每一组包含一个焦距、俯仰角和旋转角；

步骤四、构建面向多监控任务的覆盖优化目标函数以及约束条件；所述约束条件具体包括：1)离散后的部署候选空间点中，一个空间点只能部署一个视频传感器；2)离散后的目标格网点至少被一个视频传感器有效覆盖，有效覆盖为同时满足以下三个条件：①目标格网点在视频传感器的视域中，视域范围由视频传感器可部署的候选三维空间点的坐标以及可变参数组确定；②根据步骤二中选定的遮挡视线的障碍物图层，确定目标格网点未被障碍物遮挡；③目标格网点到视频传感器的距离满足目标格网点所属子区域监控任务需求；

步骤五、根据步骤四中构建的优化目标函数以及约束条件，利用启发式优化算法实现视频传感器部署优化，获得部署视频传感器的数量及其部署的空间位置与部署姿态参数。

作为本发明所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法进一步优化方案，所述步骤一和步骤二具体如下：

(a)选取地理场景中的多个区域；

(b)设定监控目标子区域所对应监控子目标，监控子目标是以子区域中的点到视频传感器的距离来刻画不同的监控任务对视频传感器的覆盖需求；

(c)所述候选空间为多个垂直面或空间体或垂直面与空间体的混合，障碍物图层是线对象图层或面对象图层。

作为本发明所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法进一步优化方案，所述步骤三中，离散部署候选空间具体为：以正北方向为X轴方向，以东方向为Y轴方向，以垂直方向为Z轴方向，在X、Y、Z三个方向上分别以预设步长将可部署空间离散为若干三维空间点，该三维空间点作为视频传感器部署的候选空间位置；

确定视频传感器的可变参数，可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角；焦距的变化范围根据部署的相机型号确定，俯仰角的变化范围为[-90度,90度]，旋转角的变化范围为[0,360度]。

作为本发明所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法进一步优化方案，所述步骤四中构建部署优化目标函数，使得部署方案中的视频传感器数量最少，且离散后的目标格网点的有效覆盖率不低于设定比例。

作为本发明所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法进一步优化方案，每个视频传感器的有效覆盖距离D_max，

其中，(h,w)表示图像的大小，(R_h,R_v)为图像像素大小，β为不同监控任务中目标对象对角线方向上单位长度上的像素大小，d表示像距。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提出的一种顾及监控任务多样性的视频传感器部署优化方法克服了监控区域监控任务单一性的视频传感器部署问题；根据不同监控子区域的多种监控任务，确定子区域中监控视频的覆盖需求，在设定的可架设监控视频传感器的空间位置中，部署最少数量(总成本最低)的监控视频传感器，获得满足多种需求的视频传感器优化部署方案。

附图说明

图1是视频传感器覆盖模型。

图2是本发明顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的基本思路：设定监控目标子区域及其监控子任务；设定可部署视频传感器的空间位置；选定障碍物数据；离散监控目标区域、离散可部署视频传感器的候选空间；并离散视频传感器的可变参数，包括焦距、旋转角、俯仰角等；构建优化目标函数及其约束条件，最后利用启发式优化算法实现视频传感器的优化部署。

本发明一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法的基本步骤为：

一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设定监控目标子区域及其对应监控子目标；

步骤二、设定可部署视频传感器的候选空间，选定遮挡视线的障碍物图层；

步骤三、离散各监控目标子区域、离散部署候选空间、离散视频传感器的可变参数；所述离散监控目标子区域是以规则格网将各个监控目标子区域抽样为目标格网点，以格网点的覆盖表示目标区域的覆盖情况；所述离散部署候选空间是以预设的步长将候选空间抽样为多个视频传感器可部署的候选三维空间点；所述离散视频传感器的可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角，焦距、俯仰角和旋转角各自分别以预设的步长离散，离散为多个可变参数组，每一组包含一个焦距、俯仰角和旋转角；

步骤四、构建面向多监控任务的覆盖优化目标函数以及约束条件；所述约束条件具体包括：1)离散后的部署候选空间点中，一个空间点只能部署一个视频传感器；2)离散后的目标格网点至少被一个视频传感器有效覆盖，有效覆盖为同时满足以下三个条件：①目标格网点在视频传感器的视域中，视域范围由视频传感器可部署的候选三维空间点的坐标以及可变参数组确定；②根据步骤二中选定的遮挡视线的障碍物图层，确定目标格网点未被障碍物遮挡；③目标格网点到视频传感器的距离满足目标格网点所属子区域监控任务需求；

步骤五、根据步骤四中构建的优化目标函数以及约束条件，利用启发式优化算法实现视频传感器部署优化，获得部署视频传感器的数量及其部署的空间位置与部署姿态参数。

所述步骤一和步骤二具体如下：

(a)选取地理场景中的多个区域；

(b)设定监控目标子区域所对应监控子目标，监控子目标是以子区域中的点到视频传感器的距离来刻画不同的监控任务对视频传感器的覆盖需求；

(c)所述候选空间为多个垂直面或空间体或垂直面与空间体的混合，障碍物图层是线对象图层或面对象图层。

所述步骤三中，离散部署候选空间具体为：以正北方向为X轴方向，以东方向为Y轴方向，以垂直方向为Z轴方向，在X、Y、Z三个方向上分别以一定步长将可部署空间离散为若干三维空间点，该三维空间点作为视频传感器部署的候选空间位置；

确定视频传感器的可变参数，可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角；根据实际应用情况确定俯仰角的变化范围，一般为[-90,90]，确定俯仰角的变化步长，单位为度；根据实际应用情况确定旋转角的变化范围，一般为[0,360]，确定旋转角的变化步长，单位为度。

所述步骤四中构建部署优化目标函数，使得部署方案中的视频传感器数量最少，且离散后的目标格网点的有效覆盖率不低于设定比例。

第五步所述利用启发式优化算法实现视频传感器部署优化的具体步骤为：

(1)构建A*算法(该算法可参考以下文献中的方案：Russell S J,Norvig P,CannyJ F,et al.Artificial intelligence:a modern approach[M].Englewood Cliffs:Prentice hall,1995.)的图结构；

(2)构建A*算法的代价函数；

(3)构建A*算法的启发函数；

(4)利用视线检测方法(该视线检测方法可参照王自然、张亚南，刘学军等在2015,37(5)的《国防科技大学学报》中发表的视频传感器覆盖范围精细化计算方法)，计算有障碍物存在的情况下目标格网点的覆盖情况；

(5)计算出顾及多种监控任务的优化部署方案，即整个区域中视频传感器的数量以及各个视频传感器的部署参数，包含视频传感器的部署的空间位置、俯仰角、旋转角等。

实施例：

第一步：准备高精度数据，包括以shapefile格式保存的多个多种类型的矢量图层。

第二步：在GIS软件中绘制多个监控目标区域，并设定各个监控区域的监控任务；在GIS软件中绘制多个视频传感器部署候选空间；设定障碍物图层，如建筑物面状图层；

第三步：利用公式(1)，计算每个监控的有效覆盖距离D_max。

其中，(h,w)表示图像的大小，(R_h,R_v)为图像像素大小，β为不同监控任务中目标对象对角线方向上单位长度上的像素大小，d表示像距。

则视频传感器的有效覆盖除了满足图1中的两个条件：(1)目标区域的格网点在视频传感器的视域范围内，如图1中视频传感器的视域为由C-D₁D₂D₃D₄构建的棱锥，点G₁和G₂在视域中；(2)目标点与相机的视线之间没有障碍物，如图1所示，传感器视域中存在障碍物B遮挡视线，使得点G₂被遮挡，仅G₁被视频传感器覆盖；还需要满足覆盖目标子区域的视频传感器到抽样点的距离小于D_max。

第四步：设定离散的步长，包括离散目标区域的步长、部署候选区域的离散步长，以及视频传感器姿态变化步长。

第五步：启动优化部署程序进行视频传感器优化部署，优化部署的整个流程如图2所示，得出部署方案。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设定监控目标子区域及其对应监控子目标；

步骤二、设定可部署视频传感器的候选空间，选定遮挡视线的障碍物图层；

步骤三、离散各监控目标子区域、离散部署候选空间、离散视频传感器的可变参数；所述离散监控目标子区域是以规则格网将各个监控目标子区域抽样为目标格网点，以格网点的覆盖表示目标区域的覆盖情况；所述离散部署候选空间是以预设的步长将候选空间抽样为多个视频传感器可部署的候选三维空间点；所述离散视频传感器的可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角，焦距、俯仰角和旋转角各自分别以预设的步长离散，离散为多个可变参数组，每一组包含一个焦距、俯仰角和旋转角；

步骤四、构建面向多监控任务的覆盖优化目标函数以及约束条件；所述约束条件具体包括：1)离散后的部署候选空间点中，一个空间点只能部署一个视频传感器；2)离散后的目标格网点至少被一个视频传感器有效覆盖，有效覆盖为同时满足以下三个条件：①目标格网点在视频传感器的视域中，视域范围由视频传感器可部署的候选三维空间点的坐标以及可变参数组确定；②根据步骤二中选定的遮挡视线的障碍物图层，确定目标格网点未被障碍物遮挡；③目标格网点到视频传感器的距离满足目标格网点所属子区域监控任务需求；

所述步骤四中构建部署优化目标函数，使得部署方案中的视频传感器数量最少，且离散后的目标格网点的有效覆盖率不低于设定比例，每个视频传感器的有效覆盖距离D_max，

其中，(h,w)表示图像的大小，(R_h,R_v)为图像像素大小，β为不同监控任务中目标对象对角线方向上单位长度上的像素大小，d表示像距；

步骤五、根据步骤四中构建的优化目标函数以及约束条件，利用启发式优化算法实现视频传感器部署优化，获得部署视频传感器的数量及其部署的空间位置与部署姿态参数。

2.根据权利要求1所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二具体如下：

(a)选取地理场景中的多个区域；

(b)设定监控目标子区域所对应监控子目标，监控子目标是以子区域中的点到视频传感器的距离来刻画不同的监控任务对视频传感器的覆盖需求；

(c)所述候选空间为多个垂直面或空间体或垂直面与空间体的混合，障碍物图层是线对象图层或面对象图层。

3.根据权利要求1所述的一种顾及多种监控任务的视频传感器部署优化方法，其特征在于，所述步骤三中，离散部署候选空间具体为：以正北方向为X轴方向，以东方向为Y轴方向，以垂直方向为Z轴方向，在X、Y、Z三个方向上分别以预设步长将可部署空间离散为若干三维空间点，该三维空间点作为视频传感器部署的候选空间位置；

确定视频传感器的可变参数，可变参数包括焦距、俯仰角和旋转角；焦距的变化范围根据部署的相机型号确定，俯仰角的变化范围为[-90度,90度]，旋转角的变化范围为[0,360度]。