CN110516014B - 一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，所述方法通过首先读取监控探头视频图像，然后在二维地图上采集同名点对，获取同名点的图像坐标和地理坐标；然后根据同名点的图像坐标对输入的每一帧视频图像进行裁剪处理，建立视频图像与地理空间的映射关系；进而对地面覆盖范围进行格网划分和插值操作，得到可与二维地图进行融合的图像。本发明建立了可定制分辨率、更精确的视频图像与二维地图的映射关系，增强了监控视频在地理场景中融合表达的效果。
Description
技术领域
本发明属于视频流与二维地图的实时融合技术，具体涉及一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法。
背景技术
随着社会经济发展，城市化进程不断加快，人类的活动空间进一步扩大，逐渐形成一个多尺度、高动态、非稳定的复杂地理场景。目前，政府和各级相关管理部门逐步加大对视频监控技术的应用，实时监控区域状态，以保障社会公共安全，为地理环境监测、突发事件预警及处理等提供有力支撑。从2008年开始，中国每年新增的摄像头数量都超过百万个，并且逐年快速增长。当前，监控视频多釆用“井”字窗格、各自独立的视图模式。2005年，OGC发布geo-video web services草案，内容涉及视频流、文本信息及二者的融合，随后，监控视频与GIS的融合展示技术逐渐受到重视。
地理信息具有空间性、多维性、时序性等优势，若想实时了解区域态势，需将监控视频与地理信息进行融合，挖掘地理空间中隐含的时空信息，同时可将空间分析方法应用到视频分析中，克服监控视频自身的局限性，即降低视频理解的难度。另一方面，实时、高清、海量的监控视频可作为传统2D地理空间数据的有益补充，二者结合可提高2D地理空间数据的空间分辨率和现势性。
对于监控视频与2D地理空间数据的融合，国内外专家学者根据不同应用方向已提出多种方法。主要包括：
(1)视频在地图中的示意化表达，是指在地图中将摄像机中心表示为一个点要素或者将摄像机所监控的地面区域以一个扇形要素来表示。该方法虽然实现了摄像机位置和监控区域在2D地图中的表达，但以示意为主，不准确，也不能实现监控视频图像坐标与2D平面直角坐标的精确映射。
(2)视频在窗口屏幕中显示。一般有两种方法：一是在地图中将视频播放器作为新窗口调用,将地图查询结果传递给播放器；二是将播放器采用HTML内联框架IFrame作为InfoWindow嵌入在地图中。目前使用JavaScript可容易实现Google Maps、ArcGIS Server地图和Flash视频的集成，并支持常见地图操作和地理视频的交互播放。
(3)视频信息映射到二维地理空间。如基于几何关系的映射方法，当地面水平，摄像机旋转角接近于0时，可以将某一平面与视锥体相交，求解交点的坐标，构成当前摄像机在2D地图中的视域多边形。
基于角锥体原理的空间后方交会算法(简称角锥体法)也适用于监控视频的视频图像空间与地理空间映射，它是根据摄影像方与物方空间所对应的光线束之间夹角相等原理求解角元素，该方法求解过程中要求相机焦距已知。
发明内容
发明目的：针对现有技术中对于架设高度低、倾角小的城市道路监控探头所采集的监控视频到二维地图的映射复杂和难度高问题，本发明提供一种城市道路监控视频映射到二维地图的方法。
技术方案：一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，包括如下步骤：
(1)同名点获取：获取接入的道路监控探头的监控视频信息，截取一帧视频图像，并在视频图像和二维地图上采集同名点对，获取同名点的图像坐标和地理坐标；
(2)自适应裁剪：对输入的每一帧视频图像进行裁剪处理，去除冗余信息，并重新计算同名点在裁剪后的视频图像中的坐标，建立视频图像与地理空间的互映射关系；
(3)覆盖范围格网剖分：基于视频图像与地理空间的互映射关系计算视频图像在地理空间中的覆盖范围，根据输入的处理分辨率对地面覆盖范围进行格网划分；
(4)逐格网插值：对划分的每一地面格网进行从地理空间到图像空间的映射，并进行插值操作，得到格网在新图像中对应像素的图像坐标和像元值，最后对生成的图像进行局部透明处理；
(5)重复上述步骤，循环处理获取的实时视频流，得到每一帧视频图像与二维地图融合的图像。
进一步的，步骤(1)所述的图像为截取监控视频的第一帧图像；
步骤(1)所述视频图像和二维地图上采集同名点对的数量不少于四对，且不能全部共线。
步骤(2)中对于输入视频图像进行裁剪的步骤如下：
(a)解析输入的同名点的图像坐标，图像中点p1，p2，p3，…，pn，对应地图中点P1，P2，P3，…，Pn；
(b)根据同名点的图像坐标，其原点位于左上角，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向，找到位于图像最左侧同名点pleft、最上侧同名点pup和最右侧同名点pright；若最左侧或最右侧存在多个同名点，取y值最小的点；若最上侧存在多个同名点，取x值最小的点；
(c)裁剪掉pleft左部、pup上部和pright右部的图像区域。
步骤(2)所述建立视频图像与地理空间的互映射关系的步骤如下：
(21)根据四对及以上同名点的图像坐标及地理坐标的对应关系，解算图像空间到地理空间的映射变换矩阵h，完成图像空间到地理空间映射关系的建立,已知点的图像坐标求解其地理空间坐标的计算公式如下：
式中，(x y 1)T是点的图像坐标，(X Y 1)T是点的地理空间坐标；
(22)对解算出的图像空间到地理空间的映射变换矩阵进行求逆运算得到地理空间到图像空间的映射变换矩阵h′，完成地理空间到图像空间映射关系的建立，已知点的地理空间坐标求解其图像坐标的计算公式如下：
式中，(x y 1)T是点的图像坐标，(X Y 1)T是点的地理空间坐标。
步骤(3)所述视频图像在地理空间覆盖范围计算及地面格网划分步骤如下：
(31)读取视频图像以像素为单位的高度和宽度；
(32)根据视频图像四个顶点的图像坐标，利用第二步中得到的图像空间到地理空间的映射变换矩阵解算出图像四个顶点对应的地理坐标，由此在地理空间中形成一个四边形区域即为图像在地理空间的覆盖范围；
(33)计算步骤(32)中得到的地理空间覆盖四边形区域的外接矩形；
(34)根据设置的处理分辨率对步骤(33)中得到的外接矩形区域进行分割，形成若干规则排列的格网，每一格网的边长等于设置的处理分辨率。
步骤(4)所述对格网从地理空间到图像空间映射的步骤如下：
(41)根据图像在地理空间覆盖四边形区域外接矩形左下角的坐标和处理分辨率遍历划分的每一格网；
(42)根据地理空间到图像空间的映射变换矩阵，将格网的地理坐标转换为图像坐标；
(43)判断转换后的图像坐标是否在裁剪后的图像范围内；
(44)若坐标不在裁剪后的图像范围内，将该位置的图像坐标值设为0；
(45)若坐标在裁剪后的图像范围内，利用插值算法如双线性插值生成该位置像元的像素值。
优选的，步骤(4)所述对生成的图像进行局部透明处理是指在图像中加入alpha通道，将图像中没有内容的部分设置为透明。
有益效果：与现有技术相比，本发明显著的效果在于实现了复杂道路环境下的监控探头所获取的监控视频到二维地图的映射，且通过建立可定制分辨率、更精确的视频图像与二维地图的映射关系，为道路管理提供极大的便利，同时也有效对实时监控区域状态，以保障社会公共安全，为地理环境监测、突发事件预警及处理等提供有力支撑。
附图说明
图1是本发明的同名点对采集系统示意图；
图2是本发明所述视频图像在地理空间覆盖范围计算示意图；
图3是本发明所述格网从地理空间到图像空间映射示意图；
图4是本发明中输入图像裁剪规则示意图；
图5是本发明对于结果图像像元插值示意图；
图6是实施例结果示意图。
具体实施方式
为了详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例做进一步的阐述。
本发明所公开的是一种城市道路监控视频到二维地图实时映射的方法。主要是通过道路监控探头所采集的实时视频流，通过采集视频图像和地理空间中的同名点，并对视频图像进行相关处理，建立起视频图像空间和地理空间的映射关系，进而实现视频图像到二维地图的实时映射。
本发明的实施过程主要包括读取监控探头视频的一帧图像，在视频第一帧图像和二维地图上采集同名点对，获取同名点的图像坐标和地理坐标；然后根据同名点的图像坐标对输入的每一帧视频图像进行裁剪处理，去除视频中如行道树、房屋等静态冗余目标，并计算同名点在裁剪后的视频图像中的坐标，建立视频图像与地理空间的映射关系；接着利用得到的映射关系计算视频图像在地理空间中的覆盖范围，根据输入的处理分辨率对地面覆盖范围进行格网划分；进而对划分的每一地面格网根据映射关系进行逆向映射并进行插值操作得到格网在新图像中对应像素的图像坐标和像元值，得到可与二维地图进行融合的图像。最后不断循环处理实时视频流以实现每一帧视频图像与二维地图融合。
本发明所述方法的实施需要计算机和用于监控的摄像头，本实施借助笔记本电脑和一个海康威视DS-2CD3T25-I5高清监控摄像头。
(一)视频图像采集及视频图像与地理空间的互映射关系构建的过程如下：
如图1所示的是本发明同名点对采集系统。整个系统分为三个部分，上部左侧二维地图/影像显示区域，上部右侧为视频图像显示区域，下部处理分辨率及采集的同名点对坐标设置和显示区域。点击“添加一个新点”按钮后，用鼠标在视频图像中选择一个特征点，接着再用鼠标在二维地图显示区域点击对应的位置，系统可以获取该对同名点的图像坐标和地理坐标并显示在同名点对坐标设置和显示区域。其步骤如下：
(1)将监控摄像头安装在道路旁的建筑物上并对准城市道路，连接至笔记本电脑；
(2)利用本发明程序读取监控视频数据，并截取视频第一帧图像；
(3)利用图1所示的同名点采集系统采集四对同名点的图像坐标和地理坐标；
(4)根据输入同名点的图像坐标对输入的每一帧视频图像进行裁剪操作，图像坐标原点位于左上角，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向，图像中p1(x1,y1),p2(x2,y2),p3(x3,y3),…,pn(xn,yn)表示采集的同名点，对同名点p1-pn的x坐标和y坐标分别进行排序，最左侧点pleft,是指x坐标最小值对应的同名点，最右侧点pright，是指x坐标最大值对应的同名点，最上侧点pup，是指y坐标最小值对应的同名点。裁减掉左部pleft、pright右部和pup上部的图像区域，上述过程如附图2所示，阴影区域表示裁剪掉的部分；
(5)重新计算同名点在裁剪后的图像中的坐标。计算方法为：用每个同名点的x坐标减去(4)中得到的xmin，y坐标减去(4)中得到的ymin；
(6)根据同名点对的图像坐标和地理坐标解算图像空间到地理空间的单应变换矩阵；
(7)对(6)中得到的图像空间到地理空间的单应矩阵进行求逆，得到地理空间到图像空间的单应变换矩阵。
(二)覆盖范围计算以及地理空间格网划分过程，步骤如下：
(1)根据图像空间到地理空间的单应变换矩阵，计算图像四个顶点对应的地理坐标，具体见附图3，图像在地理空间的覆盖范围为四边形区域，其中a、b、c、d为图像顶点，a′、b′、c′、d′为图像顶点对应的地理空间点，h为图像空间到地理空间的单应矩阵；
(2)计算(1)中四边形区域的外接矩形，计算方法为：查找a'、b'、c'、d'的X坐标最小值Xmin、X坐标最大值Xmax、Y坐标最小值Ymin和Y坐标最大值Ymax。则外接矩形左下角和右上角的坐标分别为(Xmin,Ymin)和(Xmax,Ymax)；
(3)用Xmax减去Xmin，得到的结果除以处理分辨率pSize得到划分格网的列数；用Ymax减去Ymin，得到的结果除以处理分辨率pSize得到划分格网的行数。此行列数即为处理后生成的新图像的高度和宽度。
(三)地理空间到图像空间映射插值及映射图像生成过程，步骤如下：
(1)遍历地理空间中划分的每一格网，根据外接矩阵左下角的坐标(Xmin,Ymin)和处理分辨率pSize，计算每一格网左下角坐标X＝Xmin+j*pSize，Y＝Ymin+i*pSize，i,j为格网所在的行列号。
(2)利用地理空间到图像空间的映射变换矩阵，将格网的地理坐标转换为图像坐标(图4)。
(3)在生成结果图像中加入alpha通道，用来记录图像的透明度信息。
(4)判断转换后的图像坐标是否在裁剪后的图像范围内,若坐标不在裁剪后的图像范围内，将该位置的图像坐标值设为0，并将该像元alpha通道值设置为0(完全透明)。
(5)若坐标在裁剪后的图像范围内，对像元进行插值，具体插值方法见附图5，并将该像元alpha通道值设置为255(完全不透明)。
坐标(X,Y)处灰度值的计算公式：
p＝X-x，q＝Y-y
f(X，Y)＝(1-q)[(1-p)f(x，y)+pf(x+1，y)]+q[(1-p)f(x，y+1)+pf(x+1，y+1)]
(6)实施例的映射结果从视觉角度来说，映射后的视频图像替代了其在二维地图中的实际覆盖区域，视频图像中的道路线、建筑物等静态物体与二维地图中对应的区域较为准确的贴合在一起，同时将视频中的车辆等动态目标直观的展示在了二维地图中，实现了视频与二维地图的融合。映射结果如图6所示。
现有的视频数据与2D地理空间数据的融合方法与本发明适用对象、尺度等各有不同。从理论上讲，监控视频的成像过程遵循相机模型，即将监控视野内任一点位的三维空间直角坐标投射到像平面上。通过在视频和遥感影像中选取相应的点位，计算单应矩阵的方法，来实现视频图像到二维地理空间的映射。本发明主要面向城市道路监控视频，其架设目的是监控道路上的交通情况，一般倾角较小，与二维地图的视角差别大，对映射方法的要求较高；且在视频监控范围内包含静态和动态目标，而监控的关注点在于路口过往车辆，即是对动态目标的实时管理，故视频中的静态目标如行道树、房屋等需要进行剔除处理以减少无用信息表达。实现视频图像与二维地图的实时映射对交通管理、社会公共安全等均有着重要意义。
Claims (5)
1.一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)同名点获取：获取接入的道路监控探头的监控视频信息，截取一帧视频图像，并在视频图像和二维地图上采集同名点对，获取同名点的图像坐标和地理坐标；
(2)自适应裁剪：对输入的每一帧视频图像进行裁剪处理，去除冗余信息，并重新计算同名点在裁剪后的视频图像中的坐标，建立视频图像与地理空间的互映射关系；
(3)覆盖范围格网剖分：基于视频图像与地理空间的互映射关系计算视频图像在地理空间中的覆盖范围，根据输入的处理分辨率对地面覆盖范围进行格网划分；
(4)逐格网插值：对划分的每一地面格网进行从地理空间到图像空间的映射，并进行插值操作，得到格网在新图像中对应像素的图像坐标和像元值，最后对生成的图像进行局部透明处理；
(5)重复上述步骤，循环处理获取的实时视频流，得到每一帧视频图像与二维地图融合的图像，
步骤(2)中对于输入视频图像进行裁剪的步骤如下：
(a)解析输入的同名点的图像坐标，图像中点p1，p2，p3，...，pn，对应地图中点P1，P2，P3，...，Pn；
(b)根据同名点的图像坐标，其原点位于左上角，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向，找到位于图像最左侧同名点pleft、最上侧同名点pup和最右侧同名点pright；若最左侧或最右侧存在多个同名点，取y值最小的点；若最上侧存在多个同名点，取x值最小的点；
(c)裁剪掉pleft左部、pup上部和pright右部的图像区域，
步骤(2)所述建立视频图像与地理空间的互映射关系的步骤如下：
(21)根据四对及以上同名点的图像坐标及地理坐标的对应关系，解算图像空间到地理空间的映射变换矩阵h，完成图像空间到地理空间映射关系的建立，已知点的图像坐标求解其地理空间坐标的计算公式如下：
式中，(x y 1)T是点的图像坐标，(X Y 1)T是点的地理空间坐标；
(22)对解算出的图像空间到地理空间的映射变换矩阵进行求逆运算得到地理空间到图像空间的映射变换矩阵h′，完成地理空间到图像空间映射关系的建立，已知点的地理空间坐标求解其图像坐标的计算公式如下：
式中，(x y 1)T是点的图像坐标，(X Y 1)T是点的地理空间坐标，
步骤(4)所述对格网从地理空间到图像空间映射的步骤如下：
(41)根据图像在地理空间覆盖四边形区域外接矩形左下角的坐标和处理分辨率遍历划分的每一格网；
(42)根据地理空间到图像空间的映射变换矩阵，将格网的地理坐标转换为图像坐标；
(43)判断转换后的图像坐标是否在裁剪后的图像范围内；
(44)若坐标不在裁剪后的图像范围内，将该位置的图像坐标值设为0；
(45)若坐标在裁剪后的图像范围内，利用插值算法如双线性插值生成该位置像元的像素值。
2.根据权利要求1所述的一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，其特征在于：步骤(1)所述的图像为截取监控视频的第一帧图像。
3.根据权利要求1所述的一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，其特征在于：步骤(1)所述视频图像和二维地图上采集同名点对的数量不少于四对，且不能全部共线。
4.根据权利要求1所述的一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，其特征在于：步骤(3)所述视频图像在地理空间覆盖范围计算及地面格网划分步骤如下：
(31)读取视频图像以像素为单位的高度和宽度；
(32)根据视频图像四个顶点的图像坐标，利用第二步中得到的图像空间到地理空间的映射变换矩阵解算出图像四个顶点对应的地理坐标，由此在地理空间中形成一个四边形区域即为图像在地理空间的覆盖范围；
(33)计算步骤(32)中得到的地理空间覆盖四边形区域的外接矩形；
(34)根据设置的处理分辨率对步骤(33)中得到的外接矩形区域进行分割，形成若干规则排列的格网，每一格网的边长等于设置的处理分辨率。
5.根据权利要求1所述的一种面向城市道路监控视频映射到二维地图的方法，其特征在于：步骤(4)所述对生成的图像进行局部透明处理是指在图像中加入alpha通道，将图像中没有内容的部分设置为透明。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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