CN112929605A - 一种顾及语义的ptz摄像机智能巡航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法。其步骤为:(1)根据三维地理信息及视域边界,确定有效监控区;(2)对有效监控区进行规则巡航,获得视频帧图像序列,基于特征点匹配算法拼接为广视角大图,计算大图至地理空间的映射矩阵;(3)按规则巡航方法进行实时巡航,以实时视频帧图像更新大图,并将目标检测结果映射至地理空间;(4)对有效监控区进行格网划分,统计各网格中目标数量,确定热点集合;(5)通过穷举法,确定最佳巡航路径;(6)按最佳路径巡航,实时更新大图、目标检测及地图映射,持续巡航dt时间段;(7)重复步骤(2)‑(6)。本发明方法解决了PTZ摄像机在场景监控中易丢失重要信息的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,属于视频与地理信息科学交叉融合的技术领域。
背景技术
随着信息技术的快速发展,视频监控技术在智慧城市、应急救灾、自然资源监测等领域发挥着越来越重要的作用。监控视频具有高清、真实、实时的优势,地理信息系统具有独特的空间分析能力,能够预测和模拟事物的发展趋势,两者的交叉融合能够提供地理场景的实时监控信息,实现人与地理场景的交互。通过对摄像机采集的视频图像,结合地理语义和时空热点进行智能分析,提高监控视频可靠性。
当前,大范围场景的监控多采用PTZ摄像机,相对于视域受限的静态摄像机,PTZ摄像机有更灵活的监控方式,能够迅速捕捉到目标,实现对整个监控区连续有效的监控。但在实际应用中,PTZ摄像机容易忽视周围的实际场景,监控无效区域,导致监控区域重要信息丢失。如果能顾及地理语义确定监控区,在地理空间下结合时空热点对监控区分块分级监控,根据预设的点位进行巡航,使得摄像机能对各块区的巡航时间进行适当的延长或缩短,将会极大的提高巡航效率,记录更多有价值的信息。目前,该研究领域主要集中在对PTZ摄像机视频图像的智能分析方面,缺乏与地理信息的紧密结合,不能顾及地理信息进行监控。
发明内容
本发明为解决PTZ摄像机在场景监控中易丢失重要信息的问题,提供一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,以提高巡航的质量。
本发明的技术思路为:顾及地理语义,确定有效监控区域;基于SIFT特征点匹配对PTZ完整监控区的视频帧图像序列进行拼接,并以实时视频匹配更新拼接广视角大图;对地理空间下的有效监控区域进行格网划分,同时对实时视频进行目标检测及地理映射;结合GIS对监控区及其目标信息进行分析,得到一条经过所有热点且总巡航距离最小的最佳巡航路径,以实现PTZ摄像机的智能化巡航。
本发明采用的技术方案如下:
一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,包括如下步骤:
步骤1,根据摄像机中心、视域边界和三维精细地理信息,确定有效监控区域;
步骤2,对有效监控区域进行规则巡航,获得PTZ摄像机完整监控区的视频帧图像序列,然后基于SIFT特征点匹配将图像序列拼接为广视角大图P,并根据精细地图或遥感影像,解算广视角大图P至地理空间的映射矩阵H;
步骤3,按规则巡航方法对有效监控区域进行实时巡航,以实时视频帧图像匹配更新广视角大图P;然后对实时视频中的目标进行检测,并将目标检测结果映射至地理空间;
步骤4,对地理空间下的有效监控区域进行规则格网划分,并统计各网格中的目标数量及位置信息,确定热点集合;
步骤5,通过穷举法,确定一条经过所有热点且总巡航距离最小的路径为最佳巡航路径;
步骤6,按照所述最佳巡航路径对有效监控区域进行巡航,实时更新广视角大图P、目标检测及地图映射,同时根据PTZ摄像机中心点坐标和最佳巡航路径的热点坐标,计算相应的PTZ值;调整摄像机经过各热点的姿态,持续巡航dt时间段;
步骤7,按照最佳巡航路径巡航dt时间段后,重复步骤2-6。
进一步地,所述步骤2中,对有效监控区域进行规则巡航的具体方法为:以从上到下、从左往右的顺序,按“Z”形对有效监控区域巡航。
进一步地,所述步骤2中,图像序列拼接为广视角大图P时,要求图像之间有一定的重叠度。
进一步地,所述步骤2中,解算广视角大图P至地理空间的映射矩阵H时,同名点的选取数量≥4。
进一步地,所述步骤3中,对实时视频中的目标进行检测时,设置一个时间阈值Tmin,以Tmin作为时间间隔,对Tmin时间段内的目标进行检测,同时记录当前Tmin时间段内目标的数量及位置信息。
进一步地,所述步骤4中,对地理空间下的有效监控区域进行规则格网划分时,以m×n个正方形网格对有效监控区域进行划分,以每个正方形格网的中心坐标代表各网格的位置。
进一步地,所述步骤4中,确定热点集合时,根据各网格中的目标数量,用自然断点法划分各网格的等级,以此来表征各网格的目标聚集程度,将有目标聚集的网格中心记为热点,无目标的网格中心记为非热点,网格内目标数量越多,摄像机巡航时停留的时间越长。
进一步地,所述步骤6中,以目标数量聚集最多的网格中心作为起始热点,在摄像机经过各热点时,根据计算出的各热点的PTZ值,调整摄像机姿态,持续巡航dt时间段后,回到起始热点。
本发明的方法与现有技术相比,具有以下技术效果:
(1)考虑当前PTZ摄像机监控时未顾及地理语义,监控时易监控目标较少或无目标区域,本发明顾及PTZ摄像机及其周围的地理空间信息,先确定一个有效监控区域,能提高摄像机监控的有效性。
(2)本发明将监控场景的视频帧图像序列拼接为广视角大图,并以实时视频帧图像匹配更新大图,对地理空间下的热点集合进行分级巡航,确保PTZ摄像机对重要监控区域进行巡航时的实时性和适用性。
(3)本发明结合时空热点,使用规则格网对地理空间下的有效监控区域进行划分,提取各格网中的目标信息,以目标聚集区作为巡航重点区域,根据目标的聚集程度,适当延长或缩短各区的巡航时间,保证摄像机巡航的灵活性,实现顾及时空热点的智能化巡航。
(4)本发明针对热点信息,确定一条经过所有热点集合且总巡航距离最小的最佳巡航路径,并根据巡航热点和摄像机中心,确定PTZ值,以调整摄像机在经过各热点的姿态,使得摄像机中心正对各热点,从而保证PTZ摄像机智能化巡航时的高效性,提高巡航效率。
附图说明
图1是本发明方法的流程框图;
图2是确定PTZ摄像机实际有效监控区域的示意图;
图3是格网剖分监控区域的示意图;
图4是确定最佳巡航路径的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本实施例的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,包括如下步骤:首先,根据摄像机中心、视域边界(水平和垂直)和三维精细地理信息(地物、建筑物分布图及其DEM数据),确定PTZ摄像机的有效监控区域V;对有效监控区域V规则巡航,以获取PTZ监控区域的视频帧图像序列,并基于SIFT特征点匹配拼接为广视角大图P,同时根据精细地图或遥感影像,解算图像P至地理空间的映射矩阵H;下一步,按规则巡航方法进行巡航,以巡航获取的实时视频帧图像匹配更新广视角大图P,并进行目标检测,将目标检测结果映射至地理空间;以m×n个正方形网格剖分地理空间下的有效监控区域V,并统计Tmin时间段内各网格中的目标数量及位置信息,确定热点集合,将有目标聚集的网格中心记为热点,无目标的网格中心记为非热点;根据热点集合,确定一条经过各热点且总巡航距离最小的路径为最佳巡航路径;最后,按照最佳巡航路径,实时更新大图、目标检测及地图映射,同时根据摄像机中心点坐标和最佳巡航路径Path的热点坐标,计算相应的PTZ值,调整摄像机经过各热点的姿态,持续巡航dt时间段。
本实施例的方法在具体的实际应用过程中,针对单个PTZ摄像机视频,具体步骤如下:
步骤1,顾及地理语义,根据PTZ摄像机监控场景的实际情况和地理空间数据,确定一个有效监控区域。基于摄像机中心,视域边界(水平和垂直)以及周围地物、建筑物的分布情况和高度信息(DEM数据),得到摄像机的监控区域。对在地图上表示的摄像机及其周围的地理空间信息进行叠加,多边形与多边形采取相交判断后对监控区域进行分割,具体实施中可以直接采用一些GIS SDK提供的函数进行,得到PTZ摄像机的有效监控区域,如图2所示。
步骤2,按照规则巡航的方式,获取PTZ完整监控区域的视频帧图像序列,并基于SIFT特征点检测匹配,将多帧视频图像拼接为广视角大图P,视频帧图像之间应有一定的重叠度。本实施例中,以从上到下、从左往右的顺序,按“Z”形对有效监控区域巡航。针对PTZ摄像机的监控视频,结合相应的高清遥感地图或三维精细地图,选取4个以上的同名点,解算广视角大图P至地理空间下的单应矩阵;设地理坐标点M(X,Y),图像P的像素坐标m(x,y),则两点之间的映射矩阵为H,即在选择同名点时,先在视频图像上选择,然后到高清遥感底图上选取相应的点,选择4对及以上即可解算。
步骤3,按“Z”形规则巡航方法对有效监控区域进行实时巡航,以实时视频帧图像更新图像P,并将实时视频的目标检测结果映射至地理空间。
首先,根据SIFT特征点匹配的同名特征点,得到各帧视频图像至广视角大图P的映射关系,设图像P的像素坐标m(x,y),实时视频帧图像的像素坐标m′(x′,y′),则两点之间的映射矩阵为H′,即然后,基于映射矩阵H′,将实时视频内容融合至广视角大图P,得到实时视频地图;最后,以SSD(Single Shot MultiBox Detector)模型作为目标检测模型,对实时视频中的目标,如行人、车辆等进行检测,将目标检测结果基于单应矩阵H和H′实现从实时视频帧图像至地理空间下的映射。对实时视频中的目标进行检测时,设置一个时间阈值Tmin,以Tmin作为时间间隔,对Tmin时间段内的目标进行检测,同时记录当前Tmin时间段内目标的数量及位置信息。
步骤4,对PTZ摄像机的有效监控区域进行格网划分,并统计各网格中的目标数量及位置信息,确定热点集合。
首先,得到整个网格所组成的矩形的左下角、右上角的经纬度坐标(如果精度要求高,经纬度坐标可以换为投影后的平面直角坐标)和网格大小,再由右上角与左下角经度之差除以网格大小计算出列数n,右上角与左下角纬度之差除以网格大小计算出行数m。根据左下角和右上角的经纬度坐标,并遵循一定的规律确定各网格中心点的地理坐标。若网格从左至右、从下至上,从0行0列开始,共m-1行n-1列,则
各网格中心点的经度=右下角经度+(0.5+网格所在列数)*网格大小,
各网格中心点的纬度=右下角纬度+(0.5+网格所在行数)*网格大小;
此格网生成方法,具体实施中可以采用ArcGIS渔网(fishnet)工具,也可以从底层实现该方法,图3为PTZ摄像机有效监控区域的网格剖分示意图。然后,将每个网格作为一个区域,以各格网中心点坐标作为这个区域的位置中心,并统计落在每个网格中的目标数量及位置信息,将每个有目标聚集的网格作为一个热点集合,将有目标聚集的网格中心记为一个热点,无目标聚集的网格中心则为非热点。热点集合中,目标数量越多,说明此区域相对于其他区域的目标聚集程度越高,在监控场景中的重要程度也越高;反之,越低。最后,根据不同热点集合的目标聚集程度,适当延长或缩短摄像机在此区域的巡航时间,目标的聚集程度越高,摄像机巡航此区域的时间越长;反之,变短。
步骤5,通过穷举法,确定一条经过所有热点且总巡航距离最小的路径为最佳巡航路径Path,同时根据摄像机中心点坐标和最佳巡航路径Path的热点坐标,计算相应的PTZ值。
首先,针对w个热点集合,按“Z”形,即从上到下,从左往右,逐一对网格标号,共计w个网格。然后通过穷举法,以目标聚集最多的网格中心w1作为起始热点,连接每个热点,共得到(w-1)!条路径;最后从中找到一条经过w个热点且总巡航距离最小的路径作为最佳巡航路径Path。
如图4所示,将网格从上到下,从左往右,进行标号,共得到13个热点网格,使用穷举法发现共有(13-1)!种路径可以进行选择,从中选“4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-1-2-3-4”的闭合路径为最佳巡航路径。
步骤6,按照最佳路径巡航,实时更新广视角大图,进行目标检测及地图映射,同时根据摄像机中心点坐标和最佳巡航路径Path的热点坐标,计算每个热点相应的PTZ值。
设摄像机中心点的地理坐标(x1,y1,z1),巡航路径Path某一热点P1的坐标为(x2,y2,0),则有:
方位角Pan:
Pan=arcsinPan
倾角Tilt:
Tilt=arccosTilt
摄像机的Z值可在方位角Pan、倾角Tilt确定后,根据成像大小、图像清晰度等要求进行变焦调节。
以目标聚集数量最多的网格中心作为起始热点,在经过各热点集合时,根据计算出的PTZ值调整摄像机的最佳巡航姿态,使摄像机中心正对热点,依据各热点集合中目标的聚集程度,适当延长或缩短巡航时间,持续巡航dt时间段。按照最佳路径巡航dt时间段后回到起始热点,重复步骤2-6,实现PTZ摄像机的智能化巡航。
Claims (8)
1.一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,根据摄像机中心、视域边界和三维精细地理信息,确定有效监控区域;
步骤2,对有效监控区域进行规则巡航,获得PTZ摄像机完整监控区的视频帧图像序列,然后基于SIFT特征点匹配将图像序列拼接为广视角大图P,并根据精细地图或遥感影像,解算广视角大图P至地理空间的映射矩阵H;
步骤3,按规则巡航方法对有效监控区域进行实时巡航,以实时视频帧图像匹配更新广视角大图P;然后对实时视频中的目标进行检测,并将目标检测结果映射至地理空间;
步骤4,对地理空间下的有效监控区域进行规则格网划分,并统计各网格中的目标数量及位置信息,确定热点集合;
步骤5,通过穷举法,确定一条经过所有热点且总巡航距离最小的路径为最佳巡航路径;
步骤6,按照所述最佳巡航路径对有效监控区域进行巡航,实时更新广视角大图P、目标检测及地图映射,同时根据PTZ摄像机中心点坐标和最佳巡航路径的热点坐标,计算相应的PTZ值;调整摄像机经过各热点的姿态,持续巡航dt时间段;
步骤7,按照最佳巡航路径巡航dt时间段后,重复步骤2-6。
2.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤2中,对有效监控区域进行规则巡航的具体方法为:以从上到下、从左往右的顺序,按“Z”形对有效监控区域巡航。
3.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤2中,图像序列拼接为广视角大图P时,要求图像之间有一定的重叠度。
4.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤2中,解算广视角大图P至地理空间的映射矩阵H时,同名点的选取数量≥4。
5.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤3中,对实时视频中的目标进行检测时,设置一个时间阈值Tmin,以Tmin作为时间间隔,对Tmin时间段内的目标进行检测,同时记录当前Tmin时间段内目标的数量及位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤4中,对地理空间下的有效监控区域进行规则格网划分时,以m×n个正方形网格对有效监控区域进行划分,以每个正方形格网的中心坐标代表各网格的位置。
7.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤4中,确定热点集合时,根据各网格中的目标数量,用自然断点法划分各网格的等级,以此来表征各网格的目标聚集程度,将有目标聚集的网格中心记为热点,无目标的网格中心记为非热点,网格内目标数量越多,摄像机巡航时停留的时间越长。
8.根据权利要求1所述的一种顾及语义的PTZ摄像机智能巡航方法,其特征在于,所述步骤6中,以目标数量聚集最多的网格中心作为起始热点,在摄像机经过各热点时,根据计算出的各热点的PTZ值,调整摄像机姿态,持续巡航dt时间段后,回到起始热点。
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