CN111240617A - 基于三维地图的视频投放方法、系统和环境监控方法、系统 - Google Patents

基于三维地图的视频投放方法、系统和环境监控方法、系统 Download PDF

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CN111240617A CN201911402918.8A CN201911402918A CN111240617A CN 111240617 A CN111240617 A CN 111240617A CN 201911402918 A CN201911402918 A CN 201911402918A CN 111240617 A CN111240617 A CN 111240617A
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    • H04N7/00—Television systems
    • H04N7/18—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast
    • H04N7/181—Closed-circuit television [CCTV] systems, i.e. systems in which the video signal is not broadcast for receiving images from a plurality of remote sources

Abstract

本发明公开了基于三维地图的视频投放方法和系统，以及应用此视频投放方法的环境监控方法和系统，其中视频投放方法包括：获取采集待投放视频的摄像头参数，包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置、摄像头视域范围四棱锥的尺寸、摄像头视线的倾斜角和方向角、摄像头的经纬度值和高程值；计算三维地图坐标系下摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。该方法能够实现视频与其实际发生空间位置相契合，同时使用户观看的显示区域能够实时响应视频投放位置和范围。

Description

基于三维地图的视频投放方法、系统和环境监控方法、系统
技术领域
本发明属于智能监控技术领域，具体涉及一种将视频投放到三维地图中的方法和系统，以及应用此视频投放方法的环境监控方法和系统。
背景技术
在实际的生态环境监控系统中，常常需要对生物生长环境、活动状态等情况进行动态监控，辅助GPS、温度等多种传感器的采集数据进行分析，从而达到跟踪和保护野生动物的目的。目前动态监控的方案为：通过各类传感器或监控设备将监测值实时传递到监控中心服务器或应用软件，再经过处理将数据值显示在终端。对于传感器监控，只能看到数值，不能看到其真实状态，对于监控视频，主要是以播放插件的方式显示在终端，没有对应到具体的地理位置，另一方面，由于拍摄角度不同，终端显示的监控视频呈现不同的视角，而播放插件往往是同一个方向的平面，给人造成不必要的视觉跳动，需要适应过程。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种将视频投放在三维地图中的方法，该方法能够实现视频与其实际发生空间位置相契合，同时使用户观看的显示区域能够实时响应视频投放位置和范围，具有较高的灵活性。
技术方案：本发明一方面公开了基于三维地图的视频投放方法，包括：
获取采集待投放视频的摄像头参数，所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置C、摄像头视域范围四棱锥的高和底面四边形的边长、摄像头视线的倾斜角和方向角、摄像头的经纬度值和高程值；
计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。
另一方面，本发明还公开了实现上述视频投放方法的系统，包括：
摄像头参数获取模块，用于获取采集待投放视频的摄像头参数；所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系的位置、摄像头视域范围四棱锥的高和底面四边形的边长、摄像头视线的倾斜角和方向角、摄像头的经纬度值和高程值；
视频投放区域获取模块，用于计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
三维地图渲染模块，用于采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
三维地图显示视点调整模块，用于调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。
本发明还公开了应用上述视频投放方法的环境监控方法，包括：
根据三维数据构建三维地图的球面场景；
在待监控地区安装摄像头；
根据上述视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
本发明还公开了实现上述环境监控方法的系统，包括：
三维球面场景构建模块，用于根据三维数据构建三维地图的球面场景；
摄像头管理模块，用于管理待监控地区安装的摄像头，并记录摄像头位置及参数；
视频投放模块，用于根据上述视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
有益效果：本发明公开的视频投放方法能够将摄像头拍摄的视频投放到三维场景中播放，达到视频与其实际发生空间位置相契合的效果，该方法通过视频对应地理位置以及视频投放角度的计算，根据视频实际拍摄的地理位置和范围进行投放；可以应用于实时视频投放，起到全方位监控作用。
附图说明
图1为本发明公开的视频投放方法的流程图；
图2为实施例一中三维地图坐标系的示意图；
图3为实施例一中地面与视域范围四棱锥部分相交的示意图；
图4为实施例一中地面与视域范围四棱锥完全相交的示意图；
图5为第一本地坐标系与第二本地坐标系的示意图；
图6为实施例一中空间笛卡尔坐标系转第一本地坐标系的过程示意图；
图7为显示视点高度计算示意图；
图8为本发明公开的视频投放系统的组成图；
图9为本发明公开的环境监控系统的组成图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
实施例一
本发明公开的基于三维地图的视频投放方法，其流程如图1所示，包括：
步骤1、获取采集待投放视频的摄像头参数，所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置C、摄像头视域范围四棱锥的高H、底面四边形的边长Width和Height、摄像头视线的倾斜角Pitch和方向角Heading、摄像头的经度值θ和纬度值
Figure BDA0002347913080000031
摄像头的高程CAltitude；
三维地图坐标系有多种定义，如图2所示，本实施例中的三维地图坐标系为空间笛卡尔坐标系0eXeYeZe，其以地心为坐标原点0e，地心到本初子午线与赤道交点的射线为X轴，地心到东经90°经线与赤道交点的射线为Y轴，由地心指向北极的射线为Z轴；
步骤2、计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
用于采集视频或图像的摄像头的视域范围为以摄像头为顶点的四棱锥，此四棱锥的尺寸可以根据摄像头的位置和视线等参数获取到。如图3和图4所示，P点为四棱锥顶点C在棱锥底面ABDE上的投影点，则|CP|＝H，视频若投影到地面上则存在两种情况：图3展示了第一种情况：地面与四棱锥C-ABDE部分相交，相交面为IFKJ；图4展示了第二种情况：地面与四棱锥C-ABDE全部相交，相交面为ABFI，还有一种情况是C到P的距离H比较小或者CAltitude比较大或者AE的长度较短致使四棱锥C-ABDE没有与地面相交，即视频没有在地面上形成投影。
本实施例通过以下步骤计算三维地图坐标系下摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点，从而获取三维地图中视频投放区域：
(1.1)分别以摄像头的位置C为原点，建立第一本地坐标系和第二本地坐标系，如图5所示；第一本地坐标系C-XlYlZl的X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴垂直向上；则C-XlYl平行于大地平面，在此坐标系下大地的平面方程为Z＝-CAltitude；
如图3和图4所示，设所述摄像头视域范围四棱锥底面的四边形四个顶点按逆时针顺序分别为A、B、D、E。定义第二本地坐标系C-XmYmZm的X轴为射线BA的方向，Y轴为射线DB的方向，Z轴的方向为从摄像头在视域范围四棱锥底面的投影点P到C的射线方向；该坐标系下P点坐标为(0，0，-H)，A点坐标为
Figure BDA0002347913080000041
B点坐标为
Figure BDA0002347913080000042
D点坐标为
Figure BDA0002347913080000043
E点坐标为
Figure BDA0002347913080000044
(1.2)计算A、B、D、E点在第一本地坐标系C-XlYlZl下的坐标值；
步骤(1.1)中已经得到这四个点在第二本地坐标系中的坐标值，根据这两个本地坐标系的定义可知：第二个本地坐标系是在第一个本地坐标系基础上进行两次旋转完成的：1)绕Z轴面向Z轴正方向看顺时针旋转Heading角度；2)绕X轴面向X轴正方向看顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000045
角度。
所以反过来推算，第一个本地坐标系是在第二个本地坐标系基础上进行两次旋转完成的：1)绕X轴面向X轴正方向看顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000046
2)绕Z轴面向Z轴正方向看顺时针旋转-Heading角度。
绕X轴正方向顺时针旋转σ的变换矩阵为：
Figure BDA0002347913080000047
代入
Figure BDA0002347913080000048
使用正余弦和差公式进行化简，可得变换矩阵为：
Figure BDA0002347913080000051
绕Z轴正方向顺时针旋转σ的变换矩阵为：
Figure BDA0002347913080000052
代入-Heading，使用正余弦和差公式进行化简，可得变换矩阵为：
Figure BDA0002347913080000053
故第一个本地坐标系中ABDE四个点的坐标分别为：
Figure BDA0002347913080000054
Figure BDA0002347913080000055
Figure BDA0002347913080000056
Figure BDA0002347913080000061
此处略去计算过程，记ABDE四个点在第一本地坐标系下分别为A(XAl,YAl,ZAl)、B(XBl,YBl,ZBl)、D(XDl,YDl,ZDl)、E(XEl,YEl,ZEl)；在本实施例中ZAl＝ZBl,ZDl＝ZEl,ZDl/ZEl<ZAl/ZBl。
计算在第一本地坐标系C-XlYlZl下，摄像头分别到视域范围四棱锥底面四个顶点的直线与地面的交点坐标；
已知空间两点坐标(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)，则过这两个点的空间直线方程为：
Figure BDA0002347913080000062
代入C点坐标(0,0,0)和A点坐标(XAl,YAl,ZAl)可得直线CA方程：
Figure BDA0002347913080000063
代入地面平面方程Z＝-CAltitude求解直线CA与地面的交点坐标：
Figure BDA0002347913080000064
同理计算得到直线CB、CD、CE与地面的交点坐标分别为：
Figure BDA0002347913080000065
Figure BDA0002347913080000066
Figure BDA0002347913080000067
(1.3)判断地面与摄像头视域范围的相交情况：
可以通过判断直线CA\CB\CD\CE与地面交点是否在线段CA\CB\CD\CE中来判断地面与视域范围的相交情况，本实施例中，将判断条件简化为：
如果ZAl，ZBl，ZDl，ZEl均大于-CAltitude，则地面与摄像头视域范围不相交，无法实现视频的正确投放；其中CAltitude为摄像头的高程；
如果ZAl，ZBl，ZDl，ZEl均小于等于-CAltitude，则地面与摄像头视域范围完全相交；如图4所示；
其他情况为地面与摄像头视域范围部分相交；如图3所示；
(1.4)地面与摄像头视域范围完全相交时，UCA、UCB、UCD、UCE即为第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点；
地面与摄像头视域范围部分相交时，通过高度等比例换算计算第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点，步骤如下：
计算四边形ABDE的四条边与地面的交点，设分别为UAB,UBD,UDE,UEA；UCA、UCB、UCD、UCE和UAB,UBD,UDE,UEA这八点都是位于四棱锥的边所在的直线上，当部分相交时，其中必有位于四棱锥表面上的点，且为4个，即选择这4个位于摄像头视域范围四棱锥表面的点，即为第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点；
如图3所示，本实施例中，设摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点分别为I、F、K、J；其中K点和J点分别为直线CD和CE与地面的交点，在步骤1.3中已计算得到；I点和F点为AE、BD与地面的交底，计算如下：
已知A点坐标和E点坐标即可求出过AE的直线方程：
Figure BDA0002347913080000071
又已知地面平面方程Z＝-CAltitude，代入可得I点坐标：
Figure BDA0002347913080000072
同理，可计算出F点坐标：
Figure BDA0002347913080000081
为简化表示，此处将第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点坐标分别记为：
I(XIl,YIl,ZIl)、F(XFl,YFl,ZFl)、J(XJl,YJl,ZJl)、K(XKl,YKl,ZKl)。
(1.5)将第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点变换到三维地图坐标系，即空间笛卡尔坐标系下。
本实施例中定义的空间笛卡尔坐标系、第一本地坐标系与第二本地坐标系均为符合右手法则的直角坐标系，相互之间可以通过平移、旋转进行转换。如图6所示，空间笛卡尔坐标系转化为第一本地坐标系的过程：1)如图6-1所示：坐标原点由地球中心平移到第一个本地坐标系原点位置，平移向量为
Figure BDA0002347913080000082
其中(XC,YC,ZC)为C点的空间笛卡尔坐标；2)如图6-2所示，绕Z轴正方向顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000083
3)如图6-3所示，绕X轴正方向顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000084
所以反过来推算，由第一本地坐标系转化为空间笛卡尔坐标系则需要经过如下过程：1)绕X轴正方向顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000085
2)绕Z轴正方向顺时针旋转
Figure BDA0002347913080000086
3)坐标原点平移，平移向量为
Figure BDA0002347913080000087
将空间点point平移(dx,dy,dz)的变换矩阵为：
Figure BDA0002347913080000088
将式1(绕X轴旋转变换矩阵)、式3(绕Z轴旋转变换矩阵)、式6(原点平移变换矩阵)，以及正余弦和差化积公式代入以上过程中即可求得地面视频投放四边形区域四个顶点的空间笛卡尔坐标，为简化表示，记
Figure BDA0002347913080000089
为摄像头纬度的弧度表示、θ为摄像头经度的弧度表示：
I点在空间笛卡尔坐标系下的坐标：
Figure BDA0002347913080000091
F点在空间笛卡尔坐标系下的坐标：
Figure BDA0002347913080000092
J点在空间笛卡尔坐标系下的坐标：
Figure BDA0002347913080000093
K点在空间笛卡尔坐标系下的坐标：
Figure BDA0002347913080000094
上述四个点围成的区域记为三维地图中视频投放区域。
步骤3、采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
步骤4、调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域；
如图3所示，虽然在添加实时视频时显示视点位于平面ABDE的垂直正上方，但是在这里单独显示该投影视频时应该让显示视点位于四边形IFKJ的垂直正上方，这样可以保证显示区域正对视频投放区域，并调整显示视点的高度，使出现实时视频的完整平面。
如图7所示，设角度α为显示视点的视线张开角度，Q为显示视点的位置，RT为地面一条线，若要使得这条线在屏幕中正好完整地显示出来，则需要过Q点做一条垂直于RT的垂线，即为图7中的QG，则QG为显示视点的高度，在本实施例中，RT的长度为视频投放区域四边形对角线IK和FJ中长度最大的线段长度，假设该长度为S，则显示视点的高度为：
Figure BDA0002347913080000101
摄像头采集的视频中，AB方向为横向，是视频序列中的水平方向；BD方向为纵向，是视频序列中的竖直方向。三维地图中视频投放区域中，水平方向的两个对边中线的连接线与正北方向的夹角为显示视点的方向角，本实施例中，显示视点视线的方向角即为IF中点与JK中点连线与正北方向的夹角，倾斜角即为垂直地面向下，在本实施例中该值为-90°。
实现上述视频投放方法的系统如图8所示，包括：
摄像头参数获取模块，用于获取采集待投放视频的摄像头参数；所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置、摄像头视域范围四棱锥的高和底面四边形的边长、摄像头视线的倾斜角和方向角；
视频投放区域获取模块，用于计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
三维地图渲染模块，用于采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
三维地图显示视点调整模块，用于调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。
实施例二
本实施例公开了利用本发明公开的视频投放方法进行环境监控的方法，包括：
根据三维数据构建三维地图的球面场景；
在待监控地区安装摄像头；
根据实施例一的视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
可以利用数字正射影像图(DOM，Digital Orthophoto Map)、数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)、三维倾斜数据、建筑信息模型(Building InformationModeling，BIM)等三维数据来构建三维地图。同时，在待监控地区不同位置安装多个摄像头，将要查看的位置处的摄像头采集的视频作为待投放视频，实现多位置监控。
实现上述环境监控方法的系统如图9所示，包括：
三维球面场景构建模块，用于根据三维数据构建三维地图的球面场景；
摄像头管理模块，用于管理待监控地区安装的摄像头，并记录摄像头位置及参数；所述管理包括：查询、添加、删除、修改；
视频投放模块，用于根据实施例一的视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
本发明中的环境监控系统可以采用服务器-终端分离的B/S架构实现基础底图以及业务数据快速读取以及不同终端的数据共享，服务器包括业务服务器、GIS服务器、数据库服务器、文件服务器，终端为个人电脑或智能移动终端的浏览器。终端上的显示区域用于显示三维地图，并可以调整显示范围的位置及大小。当显示的三维场景中有摄像头时，采用本发明公开的视频投放方法将此摄像头采集的实时视频投放到三维场景中播放。根据用户需求，也可以将采集的视频保存在文件服务器中。保存的视频可以再次投放，实现回放。

Claims (8)

1.基于三维地图的视频投放方法，其特征在于，包括：
获取采集待投放视频的摄像头参数，所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置C、摄像头视域范围四棱锥的高和底面四边形的边长、摄像头视线的倾斜角和方向角、摄像头的经纬度值和高程值；
计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。
2.根据权利要求1所述的基于三维地图的视频投放方法，其特征在于，三维地图坐标系下摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点的计算步骤包括：
(1.1)分别以摄像头的位置C为原点，建立第一本地坐标系和第二本地坐标系；所述第一本地坐标系C-XlYlZl的X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴垂直向上；
设所述摄像头视域范围四棱锥底面的四边形四个顶点按逆时针顺序分别为A、B、D、E，所述第二本地坐标系C-XmYmZm的X轴为射线BA的方向，Y轴为射线DB的方向，Z轴的方向为从摄像头在视域范围四棱锥底面的投影点P到C的射线方向；
(1.2)计算A、B、D、E点在第一本地坐标系C-XlYlZl下的坐标值，设分别为A(XAl,YAl,ZAl)、B(XBl,YBl,ZBl)、D(XDl,YDl,ZDl)、E(XEl,YEl,ZEl)；
计算在第一本地坐标系C-XlYlZl下，摄像头分别到视域范围四棱锥底面四个顶点的直线与地面的交点坐标，设分别为UCA、UCB、UCD、UCE；
(1.3)判断地面与摄像头视域范围的相交情况：
如果ZAl，ZBl，ZDl，ZEl均大于-CAltitude，则地面与摄像头视域范围不相交，无法实现视频的正确投放；其中CAltitude为摄像头的高程；如果ZAl，ZBl，ZDl，ZEl均小于等于-CAltitude，则地面与摄像头视域范围完全相交；
其他情况为地面与摄像头视域范围部分相交；
(1.4)地面与摄像头视域范围完全相交时，UCA、UCB、UCD、UCE即为第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点；
地面与摄像头视域范围部分相交时，通过高度等比例换算计算第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点，步骤如下：
计算四边形ABDE的四条边与地面的交点，设分别为UAB,UBD,UDE,UEA；从UCA、UCB、UCD、UCE和UAB,UBD,UDE,UEA这八点中选择4个位于摄像头视域范围四棱锥表面的点，即为第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点；
(1.5)将第一本地坐标系C-XlYlZl下摄像头视域范围与地面相交的四边形的4个顶点变换到三维地图坐标系下。
3.根据权利要求1所述的基于三维地图的视频投放方法，其特征在于，调整后三维地图显示视点的位置为：
高度为
Figure FDA0002347913070000021
其中α为三维地图显示视点视线的张开角度；S为视频投放区域最大对角线长度；
方向角为三维地图中视频投放区域中，水平方向的两个对边中线的连接线与正北方向的夹角；
倾斜角为垂直地面向下。
4.基于三维地图的视频投放系统，其特征在于，包括：
摄像头参数获取模块，用于获取采集待投放视频的摄像头参数；所述参数包括：摄像头在三维地图坐标系中的位置、摄像头视域范围四棱锥的高和底面四边形的边长、摄像头视线的倾斜角和方向角、摄像头的经纬度值；
视频投放区域获取模块，用于计算三维地图坐标系下所述摄像头视域范围与地面相交的四边形的顶点；所述四边形为三维地图中视频投放区域；
三维地图渲染模块，用于采用待投放视频流渲染三维地图中视频投放区域的外观；
三维地图显示视点调整模块，用于调整三维地图显示视点的位置，使显示区域当前视线对准视频投放区域，且视频投放区域铺满显示区域。
5.环境监控方法，包括：
根据三维数据构建三维地图的球面场景；
在待监控地区安装摄像头；
根据权利要求1-3中任一项所述的视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
6.根据权利要求5所述的环境监控方法，其特征在于，还包括：
在待监控地区不同位置安装多个摄像头，将要查看的位置处的摄像头采集的视频作为待投放视频。
7.根据权利要求5所述的环境监控方法，其特征在于，所述三维数据包括DOM、DEM、BIM、三维倾斜数据。
8.环境监控系统，其特征在于，包括：
三维球面场景构建模块，用于根据三维数据构建三维地图的球面场景；
摄像头管理模块，用于管理待监控地区安装的摄像头，并记录摄像头位置及参数；
视频投放模块，用于根据权利要求1-3中任一项所述的视频投放方法，投放摄像头采集的视频到三维球面场景中。
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