CN111539388B - 一种高空抛物监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高空抛物监测方法。包括根据建筑物尺寸在建筑物顶部架设摄像头，对建筑物侧面抛物情况进行监控，并将录像文件发送至控制中心；控制中心通过相邻的图片帧对比来判断是否有抛物情况出现，再找到第一次出现抛物目标的图片帧的时间戳并找到所有摄像头在这一时刻拍摄的图像进行二值化处理，得到每个摄像头对应的二值化图像；沿建筑物监控面建立与房号对应的直角坐标系，确定每个摄像头对应的坐标及抛物点和摄像头之间的几何关系，结合二值化图像计算抛物点对应的抛物坐标，再得出抛物坐标对应的房号。本发明通过沿建筑物的监测侧面建立直角坐标系，可根据计算得出的抛物坐标快速定位抛物的房号，便于进行高空抛物追踪、教育和追责。

Description

一种高空抛物监测方法

技术领域

本发明涉及图像监测处理技术领域，具体涉及一种高空抛物监测方法。

背景技术

高空抛物现象被称为“悬在城市上空的痛”，是一种极度不文明的行为，很容易带来社会危害，造成重大社会影响；针对高空抛物现象，各个地区都出台了禁止高空抛物的法律法规，以保证人民群众的生命财产安全，但是还是存在着监控难，取证难等问题。

为保护居民隐私，现有的针对高空抛物的自动化监测方法主要是在建筑物的楼下地面上设置仰视监控摄像头进行24小时录像保存监视，当人工发现抛物后调取录像查看。这种方法存在以下几个问题：

一、抛物发现较难，只能通过人工识别物品坠落后的痕迹等情况来初步判断是否是抛物，是否需要调取录像查看；

二、录像的回放查看工作量大且繁琐，由于坠落物品的具体坠落时间难以准确估计，所以需要查看的录像时间段会比较长，查看的工作量大，且只能人工查看，存在漏查、错查的情况，难以准确定位抛物的初始抛出位置；

三、地面安装摄像头的位置要求比较高，距离高楼的水平直线距离要控制好，既要保证摄像头有一定倾角，使拍出来的高楼侧面图片有好的视角，又不能使倾角过大，以至于暴露住户的隐私。另外摄像头安装高度所处的位置不能有大型绿化树木遮挡视野，同时还要做好外观美化工作，保证楼下公共空间的环境优美。

综上所述，急需一种高空抛物监测方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种高空抛物监测方法，以解决快速定位抛物位置的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高空抛物监测方法，包括以下步骤：

步骤A：根据建筑物尺寸在建筑物顶部架设m个摄像头，m≥1；对建筑物侧面抛物情况进行监控，并将录像文件发送至控制中心；

步骤B：控制中心按照设定的时间间隔抓取录像文件中的图片帧，通过相邻的图片帧对比来判断是否有抛物情况出现；

步骤C：控制中心根据步骤B中发现抛物情况的图片帧的时间点往前追溯，找到第一次出现抛物目标的图片帧的时间戳并找到所有摄像头在这一时刻拍摄的图像进行二值化处理，得到每个摄像头对应的二值化图像，当摄像头数量为一个时，还需抓取抛物目标落地时的图片帧并进行二值化处理；

步骤D：沿建筑物监控面建立与房号对应的直角坐标系，第n个摄像头对应的坐标为(x_n，y_n)，抛物点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角为β_n，第n个摄像头对应的摄像头视角为θ_n，n＝1，2，......m；根据步骤C中的二值化图像计算抛物点对应的抛物坐标(x_p，y_p)，得出抛物坐标(x_p，y_p)对应的房号。

优选的，所述步骤D中，采用表达式3)计算抛物点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角β_n：

其中，N_n为抛物目标在第n个摄像头录像文件中第一次出现抛物目标的图片帧中抛物目标的质心与图片横列中心点之间的像素数量值，M_n为第n个摄像头录像文件中第一次出现抛物目标的图片帧中一横列上的总像素数量值。

优选的，所述步骤A中，摄像头架设超出建筑物外沿0.5米～1米，确保摄像头监控视野能够覆盖所有楼层；沿建筑物侧面的长度方向每间隔10米～40米架设一个摄像头，第n个摄像头对应的摄像头视角θ_n为120°～170°，第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n为-16°～16°。

优选的，所述步骤A中，架设摄像头数量为一个时，摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n＝0°。

优选的，所述步骤D中，采用表达式8)和表达式10)～表达式11)计算抛物坐标(x_p，y_p)：

x_p＝x_n+tanβ_n(y_n-y_p) 10)；

y_p＝a×h 11)；

其中，a为坐标系计量单位与实际距离值的转换系数，h为抛物坐标对应的抛物点的离地高度，H为摄像头中心的离地高度，K₀为第一次出现抛物目标的图片帧中抛物目标在横列上所占的像素数量值，K为抛物目标落地时的图片帧中抛物目标在横列上所占的像素数量值。

优选的，所述摄像头数量为两个或两个以上时，摄像头之间两两组合进行监控，且第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n≠0°。

优选的，所述步骤D中，采用表达式14)～表达式15)计算抛物坐标(x_p，y_p)：

其中，α₁和α₂分别为第一个摄像头和第二个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度，即α_n的n取值分别为1和2；β₁为抛物坐标点与第一个摄像头中心的连线和第一个摄像头的视角中心线两者之间的夹角，β₂为抛物坐标点与第二个摄像头中心的连线和第二个摄像头的视角中心线两者之间的夹角，即β_n的n取值分别为1和2，(x₁，y₁)为第一个摄像头的坐标，(x₂，y₂)为第二个摄像头的坐标，即(x_n，y_n)的n取值分别为1和2。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明中，通过控制中心按照设定的时间间隔，抓取录像文件中的图片帧，通过相邻的图片帧对比来判断是否有抛物情况出现，不需人工进行回放，提高了判别抛物情况的效率。

(2)本发明中，通过将所有摄像头第一次出现抛物目标的图片帧进行二值化处理，得到每个摄像头对应的二值化图像，以及架设单个摄像头时对抛物目标落地时的图片帧进行二值化处理，便于确认抛物目标T的黑色像素点质心离图片中心在横列上所占的像素数量值及抛物目标T的黑色像素点本身在横列上所占的像素数量值。

(3)本发明中，通过沿建筑物的监测侧面建立直角坐标系，可根据计算得出的抛物坐标快速定位抛物的房号，便于进行高空抛物追踪、教育和追责。

(4)本发明中，通过选用广角高清摄像头进行高空抛物监测，摄像头架设时超出建筑物外沿0.5米～1米，沿建筑物侧面的长度方向每间隔10米～40米架设一个摄像头，并选用合适的摄像头视角θ_n和摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n，确保摄像头监控视野能够覆盖所有楼层，避免出现监控盲区。

(5)本发明中，当摄像头数量为一个时，利用抛物目标与参照物之间的像素值比例关系，能快速得出抛物点的离地高度h，减少设备成本的同时可保证高空抛物监测的准确性。

(6)本发明中，当摄像头数量为两个或两个以上时，摄像头之间两两组合进行监控，且第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n≠0°，能通过摄像头坐标与抛物坐标之间的几何关系，快速得出抛物坐标，从而锁定抛物房号。

(7)本发明中，摄像头安装位置位于建筑物顶部，不影响建筑物的美观，不会占用大片空地，对安装环境要求比较低，可以在建筑物装修之初即可同步建设，不会侵害住户隐私。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例1中的高空抛物监测系统的系统组成示意图；

图2是本申请实施例1中建立的直角坐标系示意图；

图3是本申请实施例1中的P₁ ¹的示意图；

图4是本申请实施例1中P₁ ²的示意图；

图5是本申请实施例1中计算抛物点的离地高度h的原理图；

图6是本申请实施例1的流程图；

图7是本申请实施例2中建立的直角坐标系示意图；

图8是本申请实施例2中P₁ ¹的示意图；

图9是本申请实施例2中

的示意图；

图10是本申请实施例2的流程图；

其中，1、摄像头，2、核心交换机，3、控制中心，4、网线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

参见图1至图6，一种高空抛物监测方法，本实施例应用于高空抛物监测及抛物点的确认。

一种高空抛物监测方法，采用如图1所示的高空抛物监测系统进行抛物监测，高空抛物监测系统参照现有技术进行设置，包括摄像头1、核心交换机2、控制中心3和网线4，控制中心3内置用于进行高空抛物监测的设定程序，一栋建筑物的所有摄像头1通过网线4与核心交换机2连接，控制中心3也通过网线4与核心交换机2连接，所有设备共同组成一个高速局域网，本实施例中，摄像头采用广角高清摄像头进行高空抛物监测，包括以下步骤：

一、根据建筑物尺寸在建筑物顶部架设m个摄像头，m≥1；对建筑物侧面抛物情况进行监控(即摄像头进行实时录像)，并将录像文件发送至控制中心；

在建筑物顶部，对需监测的建筑物侧面进行摄像头架设，将摄像头架设于建筑物顶层向下进行拍摄，摄像头架设时超出建筑物外沿0.5米～1米，确保摄像头监控视野能够覆盖所有楼层，不被建筑物外部结构如阳台等遮挡；沿建筑物侧面的长度方向每间隔10米～40米架设一个摄像头，第n个摄像头对应的摄像头视角θ_n为120°～170°，第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n为-16°～16°，n＝1，2，......m；本实施例中，如图2所示，建筑物有十一层，每层高度为3米，在长度方向上，每一户所占长度为10米，在监测侧面长度为40米的建筑物顶部架设一个摄像头S₁，摄像头S₁位于监测侧面长度方向的中心，离地高度为41.5米，摄像头S₁的视角θ₁为115°，摄像头S₁的视角中心线与铅垂线所成角度α₁＝0°。

二、控制中心设定程序按照设定的时间间隔，抓取录像文件中的图片帧，通过相邻的图片帧对比来判断是否有抛物情况出现；

三、控制中心提取发现抛物情况的图片帧(即提取抛物首次出现在画面内的图片)，并根据该图片帧的拍摄时间点往前追溯，找到第一次出现抛物目标T的图片帧的时间戳找到所有摄像头在这一时刻拍摄的图像并进行二值化处理，得到每个摄像头对应的二值化图像，第n个摄像头对应得到的二值化图像为

n＝1，2，......m；经过二值化处理的图片中，抛物目标T为黑色像素点，其余部分均替换为白色像素点，便于确认抛物目标T的黑色像素点质心离图片中心在横列上所占的像素数量值及抛物目标T的黑色像素点本身在横列上所占的像素数量值。

四、本实施例中，n和m均取值为1，即当架设摄像头个数为一个时，第一次出现抛物目标T的图片帧进行二值化处理后得到的图像为P₁ ¹，如图3所示；由于本实施例中，仅架设一个摄像头S₁，当摄像头数量为一个时，还需抓取抛物目标T落地时的图片帧(即提取抛物落地稳定在画面内的图片)并进行二值化处理，得到的图像定义为P₁ ²，如图4所示，需注意的是，所选用的图片帧中抛物目标T为未发生碎裂的状态。

五、参见图3，用N_n表示在

中抛物目标T的质心与图片横列中心点之间在横列上所占的像素数量值，用M_n表示

中一横列上的总像素数量值，K₀为第一次出现抛物目标的图片帧中抛物目标T在横列上所占的像素数量值，结合几何知识可得：

其中，k为像素数量值与实际距离值之间的转换系数，H为摄像头的离地高度，h为抛物点的离地高度，联立表达式2)～表达式3)，可得到抛物点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角β_n的计算表达式3)：

本实施例中，P₁ ¹中一横列上的总像素数量值为130万，抛物目标T的质心与图片横列中心点之间的像素数量值为12万，即M₁＝130万像素，N₁＝12万像素，由前文可知θ₁＝115°，将已知参数代入表达式1)中，计算可得到抛物点与摄像头S₁中心的连线和摄像头S₁的视角中心线两者之间的夹角β₁，由图5可知，抛物目标T位于摄像头S₁的视角中心线右侧，记为正值：

β₁≈16° 4)；

六、本实施例中，需结合抛物目标T落地时的图片帧进行二值化处理后得到的图像P₁ ²计算抛物点的离地高度h，在地面上选取边长1米的正方形框格Z作为标定参照物，由图4可知，抛物目标T在P₁ ²中在横列上所占的像素数量值为K，正方形框格Z在横列上所占的像素数量值为J。

由图5可知，T₁代表抛物目标T在抛出瞬间所处的位置，T₂代表抛物目标T在落地瞬间所处的位置，为了构造几何关系，假设抛物目标T沿摄像头与抛出瞬间的抛物目标T质心连线的方向做直线运动直到落地(实际运动方向不需受此假设的限制)，d为抛物目标T的直径；易知，由于摄像头的成像特点，与标定参照物正方形框格Z相比，抛物目标T在抛出瞬间在P₁ ¹中所占像素数量值等同于尺寸为D的物品在P₁ ²中所占的像素数量值，则根据几何知识和像素数量值的比例关系有：

其中，L₁为摄像头S₁中心至T₁的连线长度，L₂为摄像头S₁中心至T₂的连线长度，联立表达式5)～表达式7)，根据抛物大小与标定参照物的比例求取抛物高度，可得到用于计算抛物点的高度h的表达式8)：

本实施例中，抛物目标T在P₁ ¹中在横列上所占的像素数量值K₀＝6万像素，抛物目标T在P₁ ²中在横列上所占的像素数量值K＝3.2万像素，由前文可知H＝41.5米，将已知参数代入表达式8)中，可得到抛物点对应的抛物高度h：

h≈19.37米 9)。

七、沿建筑物监控面建立与房号对应的直角坐标系，在控制中设定程序中输入楼栋长、宽、层高和房号间的对应关系；第n个摄像头对应的坐标为(x_n，y_n)，抛物坐标点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角为β_n，第n个摄像头对应的摄像头视角为θ_n，n＝1，2，......m；在控制中心设定程度中输入摄像头相关初始安装参数包括摄像头的安装位置、摄像头对应的摄像头视角以及摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度等，根据上述步骤中的二值化图像计算抛物坐标(x_p，y_p)，得出抛物坐标(x_p，y_p)对应的房号。

本实施例中，建立如图2所示的直角坐标系，以建筑物左下角为坐标系原点，x坐标轴的正向为水平向右，y坐标轴的正向为竖直向上，坐标轴上一个单位长度对应1米的距离值，则摄像头S₁的坐标(x_n，y_n)为(20,41.5)，抛物点的坐标记为W(x_p，y_p)，则根据坐标系中的几何关系有：

x_p＝x_n+tanβ_n(y_n-y_p) 10)；

y_p＝a×h 11)；

其中，a为坐标系计量单位与实际距离值的转换系数，本实施例中，坐标轴上一个单位长度对应1米的距离值，将摄像头S₁的坐标(x_n，y_n)为(20,41.5)、β₁和h代入表达式10)～表达式11)，联立计算被抛物品初始坐标，即抛物坐标W(x_p，y_p)，可得到抛物点对应的抛物坐标为W(26.3，19.37)，查询建筑物的长、宽、层高和房号等信息数据库可得到抛物房间号，通过设定程序的数据库可知抛物坐标W(26.3，19.37)刚好处于房号7-3所处的坐标区域{(x，y)|20≤x≤30，18≤y≤21}，则该抛物目标T系房号7-3所属的人员抛出，将抛物信息记录在数据库中。本实施例的高空抛物监测流程如图6所示。

实施例2：

参见图7至图10，一种高空抛物监测方法，本实施例应用于高空抛物监测及抛物点的确认。

本实施例与实施例1的区别在于，建筑物顶部架设有两个摄像头，分别为摄像头S₁和摄像头S₂，当摄像头数量为两个或两个以上时，摄像头之间两两组合进行实时录像监控，且第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n≠0°；如图7所示，以建筑物左下角为坐标系原点，x坐标轴的正向为水平向右，坐标轴y的正向为竖直向上，坐标轴上的一个单位长度对应1米的距离值，其中，摄像头S₁的坐标(x₁，y₁)为(8,38)，摄像头S₂的坐标(x₂，y₂)为(32,38)；摄像头S₁和摄像头S₂均采用视角为140°的广角高清摄像头，即θ₁＝θ₂＝140°；摄像头S₁的视角中心线与铅垂线所成角度α₁＝12°，摄像头S₂的视角中心线与铅垂线所成角度α₂＝-12°。

找到摄像头S₁和摄像头S₂第一次拍摄到抛物的图片帧并进行提取和二值化处理，其中，摄像头S₁得到的第一次出现抛物目标T的图片帧进行二值化处理后得到的图像为P₁ ¹，如图8所示，P₁ ¹中一横列上的总像素数量值为150万，抛物目标T的质心与图片横列中心点之间的像素数量值为8万，即M₁＝150万像素，N₁＝8万像素；摄像头S₂得到的第一次出现抛物目标T的图片帧进行二值化处理后得到的图像为

如图9所示，

中一横列上的总像素数量值为150万，抛物目标T的质心与图片横列中心点之间的像素数量值为5.4万，即M₂＝150万像素，N₂＝5.4万像素；将已知参数代入表达式3)中，计算可得到抛物点与摄像头S₁中心的连线和摄像头S₁的视角中心线两者之间的夹角β₁、抛物点与摄像头S₂中心的连线和摄像头S₂的视角中心线两者之间的夹角β₂：

β₁＝17° 12)；

β₂＝-11.5° 13)；

由图7可知，摄像头S₁的坐标(x₁，y₁)、摄像头S₂的坐标(x₂，y₂)与抛物点对应的抛物坐标W(x_p，y_p)存在以下关系：

将已知参数代入表达式14)～表达式15)进行计算，可得到抛物坐标为W(21.5，13.7)，查询建筑物的长、宽、层高和房号等信息数据库可知，抛物坐标W(21.5，13.7)刚好处于房号5-3所处的坐标区域{(x，y)|20≤x≤30，12≤y≤15}，则该抛物目标T系房号5-3所属的人员抛出，将抛物信息记录在数据库中。本实施例的高空抛物监测流程如图10所示。

由于大部分建筑物监测侧面一般都为较规则的平面，所以本方法能适用于常规的建筑住宅的高空抛物监测，通过图像处理和相应算法，实现了自动化的记录抛物目标T的抛出坐标和房号的功能，免除了人工大量观看录像查找的繁琐工作量和误差；通过自动化记录的数据，可以精确查找抛物人员，进行教育和警示，控制住抛物的源头，尽可能杜绝高空抛物现象发生。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高空抛物监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：根据建筑物尺寸在建筑物顶部架设m个摄像头，m≥1；对建筑物侧面抛物情况进行监控，并将录像文件发送至控制中心；

步骤B：控制中心按照设定的时间间隔抓取录像文件中的图片帧，通过相邻的图片帧对比来判断是否有抛物情况出现；

步骤C：控制中心根据步骤B中发现抛物情况的图片帧的时间点往前追溯，找到第一次出现抛物目标的图片帧的时间戳并找到所有摄像头在这一时刻拍摄的图像进行二值化处理，得到每个摄像头对应的二值化图像，当摄像头数量为一个时，还需抓取抛物目标落地时的图片帧并进行二值化处理；

步骤D：沿建筑物监控侧面建立与房号对应的直角坐标系，第n个摄像头对应的坐标为(x_n，y_n)，抛物点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角为β_n，第n个摄像头对应的摄像头视角为θ_n，n＝1，2，......m；根据步骤C中的二值化图像计算抛物点对应的抛物坐标(x_p，y_p)，得出抛物坐标(x_p，y_p)对应的房号。

2.根据权利要求1所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述步骤D中，采用表达式3)计算抛物点与第n个摄像头中心的连线和第n个摄像头的视角中心线两者之间的夹角β_n：

其中，N_n为抛物目标在第n个摄像头录像文件中第一次出现抛物目标的图片帧中抛物目标的质心与图片横列中心点之间的像素数量值，M_n为第n个摄像头录像文件中第一次出现抛物目标的图片帧中一横列上的总像素数量值。

3.根据权利要求2所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述步骤A中，摄像头架设超出建筑物外沿0.5米～1米，确保摄像头监控视野能够覆盖所有楼层；沿建筑物侧面的长度方向每间隔10米～40米架设一个摄像头，第n个摄像头对应的摄像头视角θ_n为120°～170°，第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n为-16°～16°。

4.根据权利要求3所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述步骤A中，架设摄像头数量为一个时，摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n＝0°。

5.根据权利要求1所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述步骤D中，采用表达式8)和表达式10)～表达式11)计算抛物坐标(x_p，y_p)：

x_p＝x_n+tanβ_n(y_n-y_p) 10)；

y_p＝a×h 11)；

其中，a为坐标系计量单位与实际距离值的转换系数，h为抛物坐标对应的抛物点的离地高度，H为摄像头中心的离地高度，K₀为第一次出现抛物目标的图片帧中抛物目标在横列上所占的像素数量值，K为抛物目标落地时的图片帧中抛物目标在横列上所占的像素数量值。

6.根据权利要求3所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述摄像头数量为两个或两个以上时，摄像头之间两两组合进行监控，且第n个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度α_n≠0°。

7.根据权利要求6所述的一种高空抛物监测方法，其特征在于，所述步骤D中，采用表达式14)～表达式15)计算抛物坐标(x_p，y_p)：

其中，α₁和α₂分别为第一个摄像头和第二个摄像头的视角中心线与铅垂线所成角度，即α_n的n取值分别为1和2；β₁为抛物坐标点与第一个摄像头中心的连线和第一个摄像头的视角中心线两者之间的夹角，β₂为抛物坐标点与第二个摄像头中心的连线和第二个摄像头的视角中心线两者之间的夹角，即β_n的n取值分别为1和2，(x₁，y₁)为第一个摄像头的坐标，(x₂，y₂)为第二个摄像头的坐标，即(x_n，y_n)的n取值分别为1和2。

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