CN107067447A - 一种大空间区域的整体化视频监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种大空间区域的整体化视频监控方法，其包括如下步骤：在电子地图上选择一长方形的待监控区域，在待监控区域内选择有运动目标的长方形区域为视频采集区和标志性目标，绘制成AutoCAD平面图；测量视频采集区和各标志性目标的空间位置坐标；根据空间位置坐标，建三维模型；根据摄像机所能监测的范围来将视频采集区划分成若干个视频监测区间，对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理后，将其分别映射到其对应的视频监测区间的三维模型上，集合生成一幅实时的待监控区域的大空间投影图像；通过拼接屏同时显示、录像。实现了对大空间区域的整体视频监控，为应对突发紧急事件在第一时间提供完整的全局视频资料。
Description
技术领域
本发明涉及社会治安视频监控系统和道路交通秩序管理视频监控系统，尤其一种大空间区域的整体化视频监控方法。
背景技术
视频监控系统可以给观察者带来监控区域的图像流信息，因其直观性和实时性好，在公共安全、道路交通管理等领域得到广泛的应用，成为维护和保障社会正常工作和正常生活秩序的有力工具。
但在视频监控系统中承担视频信息采集的摄像机处于独立工作状态，即每个摄像机独立采集视频信息，该视频信息通过有/无线通讯系统发送到后台监控室再独立显示；单个摄像机受自身视角、视界等参数的制约，所能覆盖的监控区域有限。为了对较大的区域进行视频监控，人们不得不设置众多的摄像机来覆盖大的空间区域，有时需要的摄像机数量多达几十台、上百台，同时在监控室设置庞大的电视墙，对每台摄像机采集的视频图像进行显示。这些众多的显示画面，每一个都可以提供其监控小区域内的实时图像，但众多的画面给观察者和现场指挥者提供的是碎片化的图像信息，缺乏对需要监控的、大空间区域完整的视频图像信息，使观察者在面对上百台显示器画面时不堪重负，容易遗漏重要的监控画面，也使指挥者无法在第一时间得到全部监控区域的图像信息，做出正确决策，从而调动全部警力去应对突发事件。
为了弥补单一摄像机监控区域有限这个问题，人们尝试多种方法来扩大摄像机的监控区域：有的采用鱼眼摄像机，即带有广角镜头的摄像机，其可以带来较宽的视野，但其受视界限制，监控的区域也有限，而且鱼眼摄像机画面四周受分辨率影响大，画面边缘不清晰；有的采用快球摄像机，即带有快速云台的旋转摄像机，采用时间分割的方法来扩大监控区域，这种方法在某一时刻只能输出某一角度的视频信息，导致显示画面不流畅，有卡顿现象，且也受视界限制；有的采用多摄像机拼接全景视频画面，即采用四个或多个摄像机拼接出360°视频画面，虽然改善了视频流畅性，但也受到视界的限制，而且这种方式通常要求把摄像机安装在监控区域中间，安装不方便，影响监控区域美观；这些方法虽然扩大了监控区域，但对更大范围区域要求的完整监控需要仍然无能为力。
发明内容
本发明针对现有视频监控技术和系统在大空间区域使用所存在的问题，特别提供了大场景、高逼真度的一种大空间区域的整体化视频监控方法。
一种大空间区域的整体化视频监控方法，其包括如下步骤：
(1)在电子地图上选择一长方形的待监控区域，并采集该待监控区域的四个端点的地图位置坐标；
(2)在待监控区域内选择有运动目标的长方形区域为视频采集区，同时在待监控区域内选择静态的标志性目标；然后分别采集该视频采集区的四个端点的地图位置坐标和所有标志性目标的地图位置坐标；最后绘制成AutoCAD平面图；
(3)分别测量视频采集区和各标志性目标的空间位置坐标；
(4)根据空间位置坐标，在AutoCAD平面图上对各标志性目标进行三维建模，然后对各个视频采集区进行三维建模，最后得到待监控区域的三维模型；
(5)根据摄像机所能监测的范围来将视频采集区划分成若干个视频监测区间，并对每个视频监测区间的端点和中心点进行检测，得到其空间位置坐标；
(6)每个视频监测区间安装一个摄像机，使摄像机的拍摄方向与待监控区域的观察视点的变换方向一致；
(7)对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理后，得到标准图像；
(8)将各个标准图像分别映射到其对应的视频监测区间的三维模型上，集合生成一幅实时的待监控区域的大空间投影图像；
(9)对大空间投影图像和各个摄像机采集的视频流通过拼接屏同时显示出来，并对其进行录像用于录像回放。
进一步方案，所述地图位置坐标为米级的经度、纬度和高度值；所述空间位置坐标为厘米级的经度、纬度和高度值。
进一步方案，所述步骤(2)中标志性目标是包括待监控区域中的建筑物、照明灯立杆、大型广告牌、大型树木。
进一步方案，所述步骤(6)中摄像机选用高分辨率网络摄像机，摄像机安装在离地面8-10米高处的立杆上或立杆的横臂上，其拍摄角度与水平面成10-20度夹角。
进一步方案，所述空间位置坐标的测量是通过高精度RTK卫星测绘系统进行测量的，所述高精度RTK卫星测绘系统包括基站单元和移动测量单元，所述基站单元包括安装在三角架上的第一GPS天线，所述第一GPS天线的电缆与第一RTK差分定位主机的天线输入端连接，所述第一RTK差分定位主机的输出端与第一高速跳频数传电台连接，所述第一高速跳频数传电台的天线输入端连接有第一数传天线；所述移动测量单元包括测绘电脑与安装在测绘杆上的第二GPS天线，所述第二GPS天线的电缆与第二RTK差分定位主机的天线输入端连接，所述第二RTK差分定位主机与第二高速跳频数传电台连接，所述第二高速跳频数传电台的天线输入端连接有第二数传天线，所述第二RTK差分定位主机的输出端与所述测绘电脑连接。
更进一步方案，所述第一RTK差分定位主机与第一高速跳频数传电台均由12V直流电源供电；所述第二RTK差分定位主机与第二高速跳频数传电台均由蓄电池进行供电；所述移动测量单元安装在背包或便携式推车中。
进一步方案，步骤(7)对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理包括以下步骤：
(1)确定校正系数；
(2)将摄像机输出的视频流解码还原成一帧静态图像；
(3)按照校正系数对几何变化和畸变的图像进行校正；
(4)采用差值法对校正后的图像进行填空处理。
更进一步方案，所述校正系数的确定步骤如下：
(1)采用标准棋盘毯，并从中选取25个方格的交汇点P11-P55作为校正样本点，
(2)把标准棋盘毯铺设在一个视频监测区间的实际地面上，使标准棋盘毯的上、下边沿分别与该视频监测区间的上、下边沿平行，标准棋盘毯的中心点P33与该视频监测区间的中心点重合，并位于该视频监测区间的摄像机的镜头光轴上，则标准棋盘毯的中心点P33的空间位置坐标与该视频监测区间的中心点的空间位置坐标一致；
(3)根据标准棋盘毯的边长与方格的边长，分别推导出其他24个校正样本点的空间位置坐标；
(4)打开摄像机，输出一个该视频监测区间的图像照片，并利用计算机画图工具软件，得到图像照片中标准棋盘毯的25个校正样本点的图像坐标为Pij(uij,vij),其中i、j＝1,2,3,4,5，以及该视频监测区间的四个顶点的图像坐标PA(uA,vA)、PB(uB,vB)、PC(uC,vC)、PD(uD,vD)；
(5)采用三次多项式拟合法，得到畸变图像转换为标准图像的校正系数矩阵为：
Aij＝[a00,a10,a01,a20,a11,a02,a30,a21,a12,a03]T，
Bij＝[b00,b10,b01,b20,b11,b02,b30,b21,b12,b03]T，
式中a00、a10、a01、a20、a11、a02、a30、a21、a12、a03、b00、b10、b01、b20、b11、b02、b30、b21、b12、b03为转换系数。
进一步方案，步骤(8)中大空间投影图像的集合生成是通过视频监控系统与三维场景模型集合而成的，所述视频监控系统包括监控前端设备和监控中心设备，所述监控前端设备包括设置在立杆上的高清网络摄像机，所述高清网络摄像机通过网络交换机和第一光纤收发器连接；所述监控中心设备包括通过光纤与第一光纤收发器连接的第二光纤收发器，所述第二光纤收发器通过千兆网络交换机分别与大场景三维成像服务器、视频图像处理器连接，所述千兆网络交换机分别与网络视频录像机、高清视频解码器交互式连接，所述高清视频解码器的输入端连接有模拟键盘、输出端连接有拼接屏。
本发明相对于现有视频监控技术具有以下有益效果：
(1)本发明实现了对大空间区域的整体视频监控，可以直观观察到大空间区域内感兴趣目标的实时状态，为应对突发紧急事件在第一时间提供完整的全局视频资料；
(2)本发明在监控大空间区域画面显示时，既有整个大空间区域的合成视频显示，又有针对各个视频监测区间的实时采集视频显示，前者为显示视频的理解和可读性提供了保障，后者实现了对监控目标细节的精确观察，实现了宏观视频监控与微观视频监控的有机统一；
(3)本发明借助高精度RTK卫星测绘系统对监控场景中的标志性目标和视频监测区间进行测量，提高了三维场景建模的准确度，使显示的监控场景更加逼真，虚拟场景与实时视频监控图像的融合更加严密；
(4)本发明采用三次多项式拟合法对畸变图像进行校正处理，既达到较佳的图像校正效果，又减少了图像校正算法的复杂度，保证了大空间区域视频监控合成场景的实时显示；
(5)本发明在图像校正时采用双线性差值法计算空白点的色彩值，极大地消除了校正后标准图像的边沿锯齿现象，使显示时的监控画面色彩看上去更连续、更逼真；
(6)本发明在大空间待监控区域的监控场景合成时，增加遮挡目标检测，可以自动移除对视频监控范围产生遮挡影响的目标，可以使主要的视频监控范围全部展现在观察者的视线内；
(7)本发明通过对观察视点的规划，在满足对大空间区域监控要求的基础上，可以有效避免出现“鬼影”、“马赛克”、“出界”等极端视点带来的显示画面问题，使画面显示更加友好；
(8)本发明设置了多种方式的存储录像回放模式，方便使用人员对监控采集视频和合成场景视频的回看，其组合回放模式可以真实还原实时监控时的显示状态。
附图说明
图1为待监控区域的AutoCAD平面图；
图2为高精度RTK卫星测绘系统的框图；
图3为待监控区域的三维场景模型；
图4为待监控区域内的视频监测区间划分平面图；
图5为视频监测区间上的摄像机的安装示意图；
图6中a为标准棋盘毯，b为标准棋盘毯的校正样本点取样示意图；
图7为畸变图像的校正示意图，a为畸变图像，b为标准图像；
图8为视频监控系统的框图；
图9为拼接屏显示示意图；
图10为三维成像服务器工作流程图。
具体实施方式
实施例1：
一种大空间区域的整体化视频监控方法，其包括如下步骤：
(1)在电子地图上选择一长方形的待监控区域，并采集该待监控区域的四个端点的地图位置坐标；
(2)在待监控区域内选择有运动目标的长方形区域为视频采集区，同时在待监控区域内选择静态的标志性目标；然后分别采集该视频采集区的四个端点的地图位置坐标和所有标志性目标的地图位置坐标；最后绘制成AutoCAD平面图；
(3)分别测量视频采集区和各标志性目标的空间位置坐标；
(4)根据空间位置坐标，在AutoCAD平面图上对各标志性目标进行三维建模，然后对各个视频采集区进行三维建模，最后得到待监控区域的三维模型；
(5)根据摄像机所能监测的范围来将视频采集区划分成若干个视频监测区间，并对每个视频监测区间的端点和中心点进行检测，得到其空间位置坐标；
(6)每个视频监测区间安装一个摄像机，使摄像机的拍摄方向与待监控区域的观察视点的变换方向一致；
(7)对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理后，得到标准图像；
(8)将各个标准图像分别映射到其对应的视频监测区间的三维模型上，集合生成一幅实时的待监控区域的大空间投影图像；
(9)对大空间投影图像和各个摄像机采集的视频流通过拼接屏同时显示出来，并对其进行录像用于录像回放。
进一步方案，所述地图位置坐标为米级的经度、纬度和高度值；所述空间位置坐标为厘米级的经度、纬度和高度值。
进一步方案，所述步骤(2)中标志性目标是包括待监控区域中的建筑物、照明灯立杆、大型广告牌、大型树木。
进一步方案，所述步骤(6)中摄像机选用高分辨率网络摄像机(海康威视DS-2CD6233F)，摄像机安装在离地面8-10米高处的立杆上或立杆的横臂上，其拍摄角度与水平面成10-20度夹角。
进一步方案，所述空间位置坐标的测量是通过高精度RTK卫星测绘系统进行测量的，如图2所示，高精度RTK卫星测绘系统包括基站单元1和移动测量单元2，所述基站单元1包括安装在三角架13上的第一GPS天线11，所述第一GPS天线11的电缆与第一RTK差分定位主机(E2687)14的天线输入端连接，所述第一RTK差分定位主机(E2687)14的输出端与第一高速跳频数传电台(FGR2-CE)15连接，所述第一高速跳频数传电台15的天线输入端连接有第一数传天线12；所述移动测量单元2包括测绘电脑27与安装在测绘杆23上的第二GPS天线21，所述第二GPS天线21的电缆与第二RTK差分定位主机(E2687B1)24的天线输入端连接，所述第二RTK差分定位主机24与第二高速跳频数传电台(FGR2-MM2)25连接，所述第二高速跳频数传电台25的天线输入端连接有第二数传天线22，所述第二RTK差分定位主机24的输出端与所述测绘电脑27连接。
更进一步方案，所述第一RTK差分定位主机14与第一高速跳频数传电台15均由12V直流电源16供电；所述第二RTK差分定位主机24与第二高速跳频数传电台25均由蓄电池26进行供电；所述移动测量单元2安装在背包或便携式推车中。
进一步方案，步骤(7)对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理包括以下步骤：
(1)确定校正系数；
(2)将摄像机输出的视频流解码还原成一帧静态图像；
(3)按照校正系数对几何变化和畸变的图像进行校正；
(4)采用差值法对校正后的图像进行填空处理。
更进一步方案，所述校正系数的确定步骤如下：
(1)采用标准棋盘毯，并从中选取25个方格的交汇点P11-P55作为校正样本点，
(2)把标准棋盘毯铺设在一个视频监测区间的实际地面上，使标准棋盘毯的上、下边沿分别与该视频监测区间的上、下边沿平行，标准棋盘毯的中心点P33与该视频监测区间的中心点重合，并位于该视频监测区间的摄像机的镜头光轴上，则标准棋盘毯的中心点P33的空间位置坐标与该视频监测区间的中心点的空间位置坐标一致；
(3)根据标准棋盘毯的边长与方格的边长，分别推导出其他24个校正样本点的空间位置坐标；
(4)打开摄像机，输出一个该视频监测区间的图像照片，并利用计算机画图工具软件，得到图像照片中标准棋盘毯的25个校正样本点的图像坐标为Pij(uij,vij),其中i、j＝1,2,3,4,5，以及该视频监测区间的四个顶点的图像坐标PA(uA,vA)、PB(uB,vB)、PC(uC,vC)、PD(uD,vD)；
(5)采用三次多项式拟合法，得到畸变图像转换为标准图像的校正系数矩阵为：
Aij＝[a00,a10,a01,a20,a11,a02,a30,a21,a12,a03]T，
Bij＝[b00,b10,b01,b20,b11,b02,b30,b21,b12,b03]T，
式中a00、a10、a01、a20、a11、a02、a30、a21、a12、a03、b00、b10、b01、b20、b11、b02、b30、b21、b12、b03为转换系数。
进一步方案，步骤(8)中大空间投影图像的集合生成是通过视频监控系统与三维场景模型集合而成的，所述视频监控系统包括监控前端设备和监控中心设备，所述监控前端设备包括设置在立杆上的高清网络摄像机，所述高清网络摄像机通过网络交换机和第一光纤收发器连接；所述监控中心设备包括通过光纤与第一光纤收发器连接的第二光纤收发器，所述第二光纤收发器通过千兆网络交换机分别与大场景三维成像服务器、视频图像处理器连接，所述千兆网络交换机分别与网络视频录像机、高清视频解码器交互式连接，所述高清视频解码器的输入端连接有模拟键盘、输出端连接有拼接屏。
实施例2：
选择一个城市道路中常见的十字道路交叉口，该大空间区域的整体化视频监控方法，包括如下步骤：
(1)大空间待监控区域的选定
在百度卫星地图模式下，或其它地理信息系统提供的电子地图上选定一长方形的待监控区域，同时从电子地图上采集该待监控区域的四个顶点位置坐标，即每个顶点对应的经度、纬度和高度值，其精度在“米”级。
(2)视频采集区的选定
在待监控区域中针对有运动目标的地方选择需要进行实时视频监控的范围为视频采集区；即在待监控区域的电子地图上确定需要利用摄像机实时采集视频流的范围，通常是人和车辆可以进入或自由活动的范围，如道路、广场、大厅等，视频监控范围选择为长方形，并在电子地图上得到其对应顶点的经度、纬度和高度值，其精度在“米”级，绘制在AutoCAD平面图上，如图1所示。
(3)标志性目标的选定
确定待监控区域中的标志性目标，如建筑物、照明灯立杆、大型广告牌、大型树木等，确定这些标志性目标在地面的垂直投影区域，并在电子地图上得到其对应投影区域的顶点位置坐标(经度、纬度和高度值)，其精度在“米”级，并绘制在图1的AutoCAD平面图上。
(4)采用高精度RTK卫星测绘系统分别测量视频采集区和各标志性目标的空间位置坐标，其测量精度可以达到“厘米”级；
如图2所示，高精度RTK卫星测绘系统包括基站单元1和移动测量单元2，所述基站单元1包括安装在三角架13上的第一GPS天线11，所述第一GPS天线11的电缆与第一RTK差分定位主机(E2687)14的天线输入端连接，所述第一RTK差分定位主机(E2687)14的输出端与第一高速跳频数传电台(FGR2-CE)15连接，所述第一高速跳频数传电台15的天线输入端连接有第一数传天线12；所述移动测量单元2包括测绘电脑27与安装在测绘杆23上的第二GPS天线21，所述第二GPS天线21的电缆与第二RTK差分定位主机(E2687B1)24的天线输入端连接，所述第二RTK差分定位主机24与第二高速跳频数传电台(FGR2-MM2)25连接，所述第二高速跳频数传电台25的天线输入端连接有第二数传天线22，所述第二RTK差分定位主机24的输出端与所述测绘电脑27连接。
更进一步方案，所述第一RTK差分定位主机14与第一高速跳频数传电台15均由12V直流电源16供电；所述第二RTK差分定位主机24与第二高速跳频数传电台25均由蓄电池26进行供电；所述移动测量单元2安装在背包或便携式推车中。
开始测绘时，第一步搭建基站单元1：把第一GPS天线11安装在三角架13上，放置在地面或楼顶的开阔地带；把第一GPS天线11的电缆接到第一RTK差分定位主机E2687 14的天线输入端，并拧紧；把第一数传天线12连接到第一高速跳频数传电台FGR2-CE 15的天线输入端，并拧紧；用标准串口电缆把第一RTK差分定位主机E2687 14和第一高速跳频数传电台FGR2-CE15连接起来；把12V电源16的输出电源分别接到第一RTK差分定位主机E2687 14和第一高速跳频数传电台FGR2-CE 15的电源输入端。
第二步搭建移动测量单元2：把第二GPS天线21安装在测绘杆23上，同时把第二GPS天线21的电缆接到第二RTK差分定位主机E2687B1 24的天线输入端，并拧紧；把第二数传天线22连接到第二高速跳频数传电台FGR2-MM2 25的天线输入端，并拧紧；用标准串口电缆把第二RTK差分定位主机E2687B1 24和第二高速跳频数传电台FGR2-MM2 25连接起来；把蓄电池6-QW-55 26的直流电源接线端分别接到第二RTK差分定位主机E2687B1和第二高速跳频数传电台FGR2-MM2的电源输入端；用标准网络线把第二RTK差分定位主机E2687B1和测绘电脑27连接在一起。
第三步基站单元上电工作：接通电源，各组成部件正常工作，第一RTK差分定位主机E2687经过大约45秒冷启动，正常输出RTK差分数据，该差分数据传送到第一高速跳频数传电台FGR2-CE广播出去，RTK差分数据的刷新率为10Hz。
第四步移动测量单元上电工作：打开电源开关，蓄电瓶6-QW-55为第二RTK差分定位主机E2687B1和第二高速跳频数传电台FGR2-MM2供电，第二RTK差分定位主机E2687B1经过大约45秒冷启动后正常工作，同时通过第二高速跳频数传电台FGR2-MM2接收基站单元传送的RTK差分数据，对自身得到的地理位置坐标(经度、纬度、高度)校准后，输出高精度的地理位置坐标(经度、纬度、高度)，精度达到“厘米”级。
第五步测绘电脑工作：打开测绘电脑27，通过运行测绘软件，可以实时查看第二差分定位主机E2687B1的工作状态，并接收其通过网络线传送来的高精度地理位置坐标。
第六步，把测绘杆23指向待测量的位置点，并保持稳定，测绘电脑上接收到的位置坐标(经度、维度、高度)就是该位置点的坐标测量值，其测量精度可以达到“厘米”级，测量结果保存/记录在测绘电脑27中。即需要测量哪一点的空间位置坐标，就把测绘杆23放在该点上；因为一个标志性目标要逼真地模拟，需要在它的外部轮廓上测很多的点。
可以把移动测量单元2整体安装在背包中或便携式推车中，可以对待测位置点进行快速的位置坐标测量。
在大空间待监控区域中的所有需要精确测量的标志性目标全部测量结束后，可以撤除高精度RTK卫星测绘系统，即在后期的视频监控系统集合大空间投影图像时，无需高精度RTK卫星测绘系统的参与。
(5)标志性目标的测量和场景建模
利用高精度RTK卫星测绘系统对大空间待监控区域内的标志性目标进行测量，得到该目标精确的外部轮廓空间位置坐标，并采用纹理贴图处理对该标志性目标进行建模，得到其三维高逼真度模型，并进而建立整个大空间待监控区域的场景模型。其具体步骤如下：
第一步，确定需要建模的标志性目标，并提取该标志性目标的外部轮廓，外部轮廓用平面表示，对于非平面的标志性目标外表面可用一个或多个平面来模拟；
第二步，利用高精度RTK卫星测绘系统对标志性目标的外部轮廓的每个平面顶点位置进行精确测量，得其空间位置坐标，并存入空间数据库；
第三步，将空间位置坐标数据导入AutoCAD软件，生成可视的标志性目标外部轮廓图，编辑、修改使其与标志怀目标的实际外表面形状尽量保持一致；
第四步，用数码相机对标志性目标的外部轮廓的每个平面拍照，并把照片导入Photoshop软件中进行处理；首先对照片进行校正，克服因拍照时镜头曲率、拍照角度带来的画面畸变、失真，在几何关系上与该外表面尺寸一致；再按该外部表面实际状态裁剪照片，去除多余部分，使保留下来的照片可以严丝合缝地嵌入到代表该外表面的平面中；最后对照片做调色处理，使相邻平面的照片在色调上保持匹配，并与实际景象相一致；此时得到的照片作为该平面对应的纹理贴图，并记录在模型数据库；
第五步，把包含目标外部轮廓信息的空间数据库、以及包括目标纹理贴图信息的模型数据库导入3DS Max软件，得到具有纹理贴图的目标三维模型，参照目标的实际状态，利用3DS Max软件提供的工具对目标三维模型进一步修改，得到高逼真度的目标三维模型；
第六步，按照以上步骤，依序将待监控区域内所有的标志性目标分别建模，再对其中的道路路面、绿地等也参照此步骤建模，可以得到大空间待监控区域的高逼真度三维模型，如图3所示。
(6)视频监测区间的划分与测量
对大空间等监控区域中的广场、道路等需要进行视频监控的范围，根据监控摄像机的内部参数和安装方式，确定每台摄像机可以监控范围的大小，进而把视频监控范围划设为更小的、适合单台摄像机监控的视频监测区间，如将图1中需要进行视频监控的道路路面划设为如图4中的四个视频监测区间。即每个视频监测区间配备1台摄像机实现视频监控功能，用4台摄像机组合来对大空间范围进行视频监控；然后，利用高精度RTK卫星测绘系统对每个视频监测区间的端点和中心点进行测量，得到其空间位置坐标(经度、纬度、高度)，其精度达到“厘米”级。
(7)监控摄像机的选择和设置
摄像机选用海康威视的DS-2CD6233F，该摄像机为300万像素、1/1.8”CCD日夜型高清数字摄像机，具有高画质、低噪声等优点，通过RJ45网口输出采集的视频流。
在安装摄像机时，使摄像机的拍摄方向与大空间等监控区域的观察视点方向尽可能保持一致，可以达到最好的观察效果；摄像机一般安装在8-10米高立杆上或其横臂上，拍摄角度与水平面成10-20角，如图5所示。每个摄像机可以监控的视频区间大约在25米×70米左右。
如将图1中需要进行视频监控的道路路面划设为如图4中的四个视频监测区间，则相应安装四台摄像机。由于大场景视点及其对应观察视点的移动路线是从东南方(右下)指向西北方(左上)的，则摄像机应安装在该视频监测区间的东南方，镜头指向西北方向的监控区间。如图4所示，其视频监测区间1对应的摄像机安装在如图4中的A点，视频监测区间2对应的摄像机安装在图4中的B点，视频监测区间3对应的摄像机安装在图4中的C点，视频监测区间4对应的摄像机安装在图4中的D点。
(8)对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、色彩处理后，得到标准图像；其中畸变图像的校正系数的确定如下：
第一步，校正时采用如图6a中的标准棋盘毯，其由10×10个交错排放的黑白正方形方格组成，每个方格的边长为20厘米，从中选取25个方格交汇点P11-P55作为校正样本点。
第二步，把标准棋盘毯铺设在待监控区域的地面上，其中心点P33与视频监测区间的地面中心点重合，并位于监控摄像机镜头的光轴上，标准棋盘毯的上、下边沿分别与待监控区域的上、下边沿平行，如图5所示。
第三步，由于标准棋盘毯的中心点P33与视频监测区间的地面中心点重合的，而视频监测区间的中心点的空间位置坐标(经度、纬度、高度)已利用高精度RTK卫星测绘系统测出，则标准棋盘毯的中心点P33的坐标是已知的，为P33(XW,YW,ZW)；另外，由于标准棋盘毯中的方格的边长为20厘米，则可算出标准棋盘毯中其余24个校正样本点的空间位置坐标。
第四步，打开摄像机，从其输出的视频图像中抓拍包括标准棋盘毯在内的图像照片，并利用计算机画图工具软件，可得到图像照片中标准棋盘毯25个校正样本点的图像坐标Pij(uij,vij),i、j＝1,2,3,4,5，以及该视频监测区间的四个顶点图像坐标PA(uA,vA)、PB(uB,vB)、PC(uC,vC)、PD(uD,vD)。
第五步，采用三次多项式拟合法来求解畸变图像到标准图像转换的转换系数矩阵，假设在畸变图像上的某一点P的坐标为(x,y)，则其对应的标准图像系下的坐标为(x’,y’)，则：
上式中，aij、bij为畸变图像转换到标准图像时转换系数矩阵中的待定系数，其中i、j＝0、1、2、3，n＝3。
因为n＝3，共有20个待定系数需要求解，因此需要选择10个参考点。本监控方法中选择视频监测区间的4个顶点PA、PB、PC、PD和标准棋盘毯上的6个点P33、P11、P15、P51、P55、P13，可以最大限度覆盖图像区域，提高转换后标准图像的精度；其中选择P13点是因为图像上沿的畸变最大，把参考点选择在这里，可以提高这个区域的转换精度。
第六步，通过上面选择的10个参考点，其空间位置坐标已经通过高精度RTK卫星测绘系统测得，通过比例变换，得到这10个参考点标准图像中的坐标分别为PA(x’A,y’A)、PB(x’B,y’B)、PC(x’C,y’C)、PD(x’D,y’D)、P11(x’11,y’11)、P15(x’15,y’15)、P33(x’33,y’33)、P51(x’51,y’51)、P55(x’55,y’55)、P13(x’13,y’13)；10个参考点在畸变图像中的坐标点可以通过计算机通用画图工具软件测得，分别为PA(xA,yA)、PB(xB,yB)、PC(xC,yC)、PD(xD,yD)、P11(x11,y11)、P15(x15,y15)、P33(x33,y33)、P51(x51,y51)、P55(x55,y55)、P13(x13,y13)。
采用三次多项式拟合法求解畸变图像到标准图像转换的公式为：
x’＝a00+a10x+a01y+a20x2+a11xy+a02y2+a30x3+a21x2y+a12xy2+a03y3
y’＝b00+b10x+b01y+b20x2+b11xy+b02y2+b30x3+b21x2y+b12xy2+b03y3
将上面10个参考点的标准图像坐标值和畸变图像坐标值代入上面公式，得到一组关于变换系数a00、a10、a01、a20、a11、a02、a30、a21、a12、a03、b00、b10、b01、b20、b11、b02、b30、b21、b12、b03的方程组，通过方程组求解，可以得到这20个变换系数值。
利用上述公式可以把畸变图像上的任意一点P(x,y)转换为标准图像上对应的点P(x’,y’)；对内存中解码得到的视频畸变图像中的每个像素点用上述公式求解，可以得到其在标准图像中的坐标值；对畸变图像中所有的像素点进行遍历处理，可以对畸变图像进行校正，得到标准图像，把原来失真的监控区间图像转换为无失真的图像。
采用三次多项式拟合法进行校正，可以在场景监控视频显示时，通过计算，实现畸变图像的校正，得到良好的观察效果，如图7所示，将畸变图像(a)校正成为标准图像(b)。
在把畸变图像变换为标准图像时，由于图像坐标的基本单位为像素，其坐标应为整数，而变换得到的标准图像会产生非整数的坐标P(i+u,j+v)，其中i+u＝x’，j+v＝y’，i、j为整数，u、v为小数，此时，按以下方法进行取整：
若0≤u<0.5，0≤v<0.5，P(i+u,j+v)取整为P(i,j)；
若0.5≤u<1，0≤v<0.5，P(i+u,j+v)取整为P(i+1,j)；
若0≤u<0.5，0.5≤v<1，P(i+u,j+v)取整为P(i,j+1)；
若0.5≤u<1，0.5≤v<1，P(i+u,j+v)取整为P(i+1,j+1)；
此时的标准图像是通过对畸变图像的校正得到的，由于畸变的非线性，得到的标准图像会留下一些空白点，需要对这些空白点进行填充；填充采用双线性差值法计算空白点的色彩值来填充，该方法可以快速计算得到标准图像中缺失的像素点(空白)，同时极大地消除标准图像的边沿锯齿现象，使图像色彩看上去更连续、更逼真。
如标准图像中的空白点P(x’,y’)，其色彩值g(P)可以利用其周边已知的像素点的色彩值g(A)、g(B)、g(C)、g(D)推算得到：
g(P)＝(1-u)(1-v)g(A)+u(1-v)g(B)+uvg(C)+(1-u)vg(D)
式中：g(A)、g(B)、g(C)、g(D)分别为最邻近空白点P左下角A、右下角B、右上角C、左上角D的已知像素点的色彩值，u是空白点P投影在水平轴(AB)上的比例系数，v是空白点P投影在垂直轴(AD)上的比例系数。
(9)将各个标准图像分别映射到其对应的视频监测区间的三维模型上，集合生成一幅实时的待监控区域的大空间投影图像；其中大空间投影图像的集合生成是通过视频监控系统与三维场景模型集合而成的。
如图8所示，视频监控系统包括监控前端设备3和监控中心设备4，所述监控前端设备3包括设置在立杆上的若干个高清网络摄像机31，所述高清网络摄像机31均通过网络交换机32和第一光纤收发器33连接；所述监控中心设备4包括通过光纤与第一光纤收发器33连接的第二光纤收发器43，所述第二光纤收发器43通过千兆网络交换机44分别与大场景三维成像服务器47、视频图像处理器48连接，所述千兆网络交换机44分别与网络视频录像机45、高清视频解码器42交互式连接，所述高清视频解码器42的输入端连接有模拟键盘41、输出端连接有拼接屏46。
高清网络摄像机31通过以太网口把采集到的视频图像按H.264格式编码，并传送到网络交换机32，网络交换机32将邻近高清网络摄像机31传来的视频数据汇总后发送到第一光纤收发器33，第一光纤收发器33把电信号转换为光信号，从而把位于高清网络摄像机31采集的视频流信号传回到远程的视频监控中心。
第二光纤收发器43将接收到的视频流光信号并转换为电信号，并通过千兆网络交换机44汇总和分发相关的视频流信号，为视频流信号提供相关通路；网络视频录像机45选用海康威视的DS9608N，用于存储监控前端发来的多路高清视频流，同时存储大场景三维成像服务器合成输出的视频流；大场景三维成像服务器为1台安装有场景目标数据库和实时成像算法软件的高性能服务器，其根据观察视点的控制状态，把视频图像处理器发来的视频图像映射到对应的视频监测区间，并生成一幅实时的大场景空间图像，通过网络输出显示；视频图像处理器为1台安装有实时视频贴图生成软件的高性能计算机，用于处理监控前端送来的视频流，把视频流解码为一帧图像，再对图像按事先确定的校正方法进行转换，然后把图像裁剪成需要的的尺寸，通过网络送到大场景三维成像服务器，用作场景成像需要的纹理贴图，每台视频图像处理器可以实时处理2路监控前端送来的视频流；模拟键盘用来控制视频显示时各个画面在拼接屏上的位置，以及合成的场景视频的观察视点位置；高清视频解码器选用海康威视的DS6410HD,用于输入的高清视频流的解码，可以按拼接屏要求的画面格式，把不同的视频流解码输出到不同单元的拼接屏显示单元；拼接屏选用海康威视的DS2046NH,用于多视频流画面的显示。
(10)对大空间投影图像和各个摄像机采集的视频流通过拼接屏同时显示出来。如图9所示，拼接屏采用3×3屏，每块屏的大小为46英寸，显示分辨率为1920×1080，拼接屏左上角四块屏用于组合显示大场景三维成像服务器输出的合成监控视频，其余五块屏分别用于显示四个监控前端的高清网络摄像机传送回来的视频监控区间实时视频和服务器工作软件界面。则可以通过拼接屏直观地看到整个大空间待监控区域的现场场景，也可以看到待监控区域的实时视频，并借助大场景显示的帮助，可以更好地理解每个视频监测区间发生的各种异常状态。
(11)对大空间投影图像和各个摄像机采集的视频流进行录像用于录像回放
系统工作时，监控前端的4台高清摄像机把对应4个视频监测区间的实时视频流传送回监控中心设备，4路视频流一方面输出到拼接屏中对应的单元进行显示，另一方面输出到网络视频录像机(NVR)中进行录像，同时4路视频流还分别传送到视频图像处理器进行图像的校正、色彩处理，其中图像的校正是通过视频图像处理器对输入的视频流进行解码，将视频流还原为一帧静态图像；然后按上述步骤(8)的步骤对其进行校正；再采用双线性差值法计算空白点的色彩值并填充，则可以极大地消除标准图像的边沿锯齿现象，使图像色彩看上去更连续、更逼真。
最后对计算得到的标准图像进行裁剪并输出，由于摄像机传回的监控视频画面尺寸通常大于场景中对应监控区间画面尺寸，所以按监控区间实际需要的画面尺寸对标准图像进行裁剪，使之满足用于监控区间贴图时的尺寸要求；把最终处理得到的标准图像作为三维场景中监控区间的实时贴图传送到三维成像服务器。
视频图像处理器采用多线程工作模式，1台视频图像处理器可以按25帧/秒的速率实时处理2路监控视频；所以4个视频监测区间对应的4路监控视频需要2台视频图像处理器。
存储在网络视频录像机中的视频流有二种回放模式，单独回放模式和组合回放模式，其中单独回放模式是通过在三维成像服务器上使用工作软件，把存储的视频监控摄像机传送回来的视频流或合成的大空间区域的视频流，按指定摄像机编号或合成视频、指定播放时间段，传送到指定的拼接屏显示单元播放；可以单路回放，也可以多路回放，多路回放时各回放的视频流是相互独立的。
组合回放是通过在三维成像服务器上使用工作软件，把存储的视频监控摄像机传送回来的视频流以及合成的大空间区域的视频流，按指定的播放时间段，分别传送到拼接屏对应的显示单元，包括合成视频流在内的所有视频流的播放，在时间上是同步的，组合回放可以完整再现实时监控时的显示场景。
另外，三维成像服务器的工作流程如下(如图10所示)：
第一步，将前面建好的大空间待监控区域的三维场景模型调入内存；
第二步，读取所有视频图像处理器传来的所有视频监测区间的图像，并把这些图像在三维场景模型中作为对应视频监测区间的纹理贴图使用，得到包括实时监控视频在内的、完整的动态三维场景；
第三步，读取观察视点的位置和方向，观察视点的位置和方向由三维成像服务器外设的键盘和鼠标控制；
第四步，根据观察视点的位置和方向，计算生成动态三维场景的投影图像；其观察视点以俯视为主，即在默认状态时可以俯视整个大空间区域，如图1所示；需要进一步仔细观察大空间区域内的活动目标，可以通过观察视点变换来实现，即把观察视点推向目标，扩大显示目标及其周边环境的画面，可以在显示屏幕上观察到更多细节。
三维监控场景的观察视点可以任意变换，但由于监控摄像机已经安装好，其拍摄的位置、角度是固定的，为取得良好的观察效果，为观察视点的变换制订好固定的移动路线，以便实现良好的观察效果；根据监控摄像机的安装位置和方向，为每一个监控摄像机指定一条观察视点移动路线，即视点从默认的俯视观察位置向摄像机拍摄画面的中心点移动，使该摄像机画面在合成画面中的比例逐渐变大，画面细节逐渐清晰，当画面大到超过整个显示画面的三分之一时，用该摄像机拍摄的视频图像取代原来合成的场景图像；工作时，对哪个监控视频图像中的目标感兴趣，就可以把观察视点向该目标移动；观察完毕，敲击“返回”键，可以快速回到默认的大空间区域显示状态。
在观察视点变换过程中，原来显示的场景中的各种模型和监控视频图像将在形状和尺寸上发生变化；场景中的三维模型是根据观察视点的位置和方向投影显示在画面上面的，观察视点变化时需要对包括视频监测区间在内的、各个模型的投影面、遮挡关系等进行计算，重新投影生成一幅新的场景画面。
如果大空间场景中某个物体的三维模型对需要观察的视频监测区间图像产生遮挡，为取得好的观察效果，处理软件在观察视点变换时会在显示画面中自动移除该物体，以便消除遮挡，更好地对感兴趣的目标进行观察。
第五步，把投影图像编码成视频流输出，在计算得到三维大空间区域的投影图像后，处理软件根据上一帧投影图像的内容，采用H.264编码格式，把内存中的高分辨率静态投影图像转换为实时视频流输出到拼接屏指定位置显示，同时输出到网络视频录像机进行存储。
三维成像服务器每秒25次从视频图像处理器读取视频监测区间图像，同步生成三维场景的投影图像，其输出为25帧/秒的视频流，分辨率最高可以达到3840×2160，能够很好地显示观察目标的细节。
以上实施例并非仅限于本发明的保护范围，所有基于本发明的基本思想而进行修改或变动的都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在电子地图上选择一长方形的待监控区域，并采集该待监控区域的四个端点的地图位置坐标；
（2）在待监控区域内选择有运动目标的长方形区域为视频采集区，同时在待监控区域内选择静态的标志性目标；然后分别采集该视频采集区的四个端点的地图位置坐标和所有标志性目标的地图位置坐标；最后绘制成AutoCAD平面图；
（3）分别测量视频采集区和各标志性目标的空间位置坐标；
（4）根据空间位置坐标，在AutoCAD平面图上对各标志性目标进行三维建模，然后对各个视频采集区进行三维建模，最后得到待监控区域的三维模型；
（5）根据摄像机所能监测的范围来将视频采集区划分成若干个视频监测区间，并对每个视频监测区间的端点和中心点进行检测，得到其空间位置坐标；
（6）每个视频监测区间安装一个摄像机，使摄像机的拍摄方向与待监控区域的观察视点的变换方向一致；
（7）对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理后，得到标准图像；
（8）将各个标准图像分别映射到其对应的视频监测区间的三维模型上，集合生成一幅实时的待监控区域的大空间投影图像；
（9）对大空间投影图像和各个摄像机采集的视频流通过拼接屏同时显示出来，并对其进行录像用于录像回放。
2.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述地图位置坐标为米级的经度、纬度和高度值；所述空间位置坐标为厘米级的经度、纬度和高度值。
3.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述步骤（2）中标志性目标是包括待监控区域中的建筑物、照明灯立杆、大型广告牌、大型树木。
4.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述步骤（6）中摄像机选用高分辨率网络摄像机，摄像机安装在离地面8-10米高处的立杆上或立杆的横臂上，其拍摄角度与水平面成10-20度夹角。
5.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述空间位置坐标的测量是通过高精度RTK卫星测绘系统进行测量的，所述高精度RTK卫星测绘系统包括基站单元和移动测量单元，所述基站单元包括安装在三角架上的第一GPS天线，所述第一GPS天线的电缆与第一RTK差分定位主机的天线输入端连接，所述第一RTK差分定位主机的输出端与第一高速跳频数传电台连接，所述第一高速跳频数传电台的天线输入端连接有第一数传天线；所述移动测量单元包括测绘电脑与安装在测绘杆上的第二GPS天线，所述第二GPS天线的电缆与第二RTK差分定位主机的天线输入端连接，所述第二RTK差分定位主机与第二高速跳频数传电台连接，所述第二高速跳频数传电台的天线输入端连接有第二数传天线，所述第二RTK差分定位主机的输出端与所述测绘电脑连接。
6.根据权利要求5的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述第一RTK差分定位主机与第一高速跳频数传电台均由12V的直流电源供电；所述第二RTK差分定位主机与第二高速跳频数传电台均由蓄电池进行供电；所述移动测量单元安装在背包或便携式推车中。
7.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：步骤（7）对各个摄像机所采集的实时视频图像进行校正、填空处理包括以下步骤：
（1）确定校正系数；
（2）将摄像机输出的视频流解码还原成一帧静态图像；
（3）按照校正系数对几何变化和畸变的图像进行校正；
（4）采用差值法对校正后的图像进行填空处理。
8.根据权利要求7的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：所述校正系数的确定步骤如下：
（1）采用标准棋盘毯，并从中选取25个方格的交汇点P11-P55作为校正样本点，
（2）把标准棋盘毯铺设在一个视频监测区间的实际地面上，使标准棋盘毯的上、下边沿分别与该视频监测区间的上、下边沿平行，标准棋盘毯的中心点P33与该视频监测区间的中心点重合，并位于该视频监测区间的摄像机的镜头光轴上，则标准棋盘毯的中心点P33的空间位置坐标与该视频监测区间的中心点的空间位置坐标一致；
（3）根据标准棋盘毯的边长与方格的边长，分别推导出其他24个校正样本点的空间位置坐标；
（4）打开摄像机，输出一个该视频监测区间的图像照片，并利用计算机画图工具软件，得到图像照片中标准棋盘毯的25个校正样本点的图像坐标为Pij(uij,vij),其中i、j=1,2,3,4,5，以及该视频监测区间的四个顶点的图像坐标PA(uA,vA)、PB(uB,vB)、PC(uC,vC)、PD(uD,vD)；
（5）采用三次多项式拟合法，得到畸变图像转换为标准图像的校正系数矩阵为：
Aij =[a00,a10,a01,a20,a11,a02,a30,a21,a12,a03]T，
Bij =[b00,b10,b01,b20,b11,b02,b30,b21,b12,b03]T ，
式中a00、a10、a01、a20、a11、a02、a30、a21、a12、a03、b00、b10、b01、b20、b11、b02、b30、b21、b12、b03为转换系数。
9.根据权利要求1的所述的一种大空间区域的整体化视频监控方法，其特征在于：步骤（8）中大空间投影图像的集合生成是通过视频监控系统与三维场景模型集合而成的，所述视频监控系统包括监控前端设备和监控中心设备，所述监控前端设备包括设置在立杆上的高清网络摄像机，所述高清网络摄像机通过网络交换机和第一光纤收发器连接；所述监控中心设备包括通过光纤与第一光纤收发器连接的第二光纤收发器，所述第二光纤收发器通过千兆网络交换机分别与大场景三维成像服务器、视频图像处理器连接，所述千兆网络交换机分别与网络视频录像机、高清视频解码器交互式连接，所述高清视频解码器的输入端连接有模拟键盘、输出端连接有拼接屏。
Priority Applications (1)
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