CN1278939A - 检测移动物的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种检测一个场景中移动物的方法,具有以下步骤:a)通过至少在n个不同频谱范围中,在两个不同时刻上测量一个点的亮度值(H1i,H2i)来确定这个点的色度值(H1,H2),其中n是一个整数并至少为2,b)在n'维矢量空间中借助于被测量的亮度值(H1i,H2i)对这两个色度值确定第一及第二矢量(h1,h2),其中2≤n'≤n,c)确定第二矢量(h2)的端点到由第一矢量(h1)决定的直线的距离,及d),当该距离超过一个给定极限值时,判断出存在一个移动物,以及涉及能实施该方法的装置。通过考虑及使用在不同频谱区域中的亮度值,可以比在可见光线中观察场景的整体亮度更可靠地判断场景中移动物的存在。

Description

检测移动物的方法及装置
本发明涉及自动检测一个场景，如一个摄象机视野中的移动物的方法及装置。对于建筑物及地区的保安经常使用电子保安设备。电视设备与此相关地用于在一定情况下对现有的警卫人员提供关于现场事件的发光图象。但是，由于持续地观察电视监视器是不合情理的，通常使用了移动物报警器，它向警卫人员发出现场事件或移动物的信号。通常对此使用了视频移动物报警器，它能通过对由摄象机提供的视频信号的适当求值从电子途径上识别现场中的移动物。这样一种方法譬如被描述在DE 32 14 254 A中。
该公知的用于检测移动物的方法及装置仅求出一个场景亮度信息的值。在此情况下，产生一个问题，即尤其是在户外监视时被监视场景的具有许多变化，这些变化不是通过待识别对象如人或车辆引起的，而是通过各种类型的光照波动引起的。这些光照波动的原因可能是遮住太阳的云彩，被风吹动的树影，暂时来去的流光、例如通过在晨昏光线中观察的场景旁弛过的汽车的前灯或类似物引起的光照波动，它们不能均匀地覆盖整个被观察的场景，故从电子途径上难以和移动的人及车辆相区分。在通常公知的移动物检测方法及装置中，将尽可能好地区分待识别的及应忽略的场景变化，例如，通过自动样本图形识别来区分，由此能尽可能可靠地实现该区分。在该方法中，必需持续地同时处理极大量的图象点，以便勉强可靠地识别待搜索的样本图形。为此需要大量的计算成本，该计算成本随待监视的总图象点数成超正比地上升。但在识别时还是容易出错，例如，当场景中待识别的样本图形被部分遮盖时。
本发明的任务在于，提供一种检测移动物的方法及装置，它们仅借助于个别的图象点就能对移动物的存在比传统的方法及装置作出显著可靠得多的估价。
该任务将通过独立权利要求中的方法及装置来解决。
本发明乃基于这样的构思，即为了检测移动物，一个点的颜色特征或者颜色值通过测量它的亮度值在至少两个不同的频谱域中测量并且该被测量的亮度值作为一个矢量进行理解。当只是一个点的照射改变时，不同的亮度值也平行地改变，即为该点所设置的矢量改变它的长度。如果该点的色调改变，则引起该矢量进行旋转。该矢量通过旋转所产生的距离被得到，并且当其超过一个预定的阈值时，判定存在一个运动。
该距离可用各种方式来测量，例如作为角度距离，作为笛卡儿坐标距离或根据任何另外合适的量度制来测量。
确定矢量的矢量空间的维n’可相应于确定亮度值的数目n，但也可比其小一。
在后一情况下，可取的是，在n’维矢量空间中的矢量通过线性变换用一个变换矩阵来确定n个亮度值，在该矩阵每行中的系数包括正及负的符号。这样得到的矢量分量在单纯亮度改变时相对小地变化，但在色度变化时变化大。
一个矩阵行的系数和最好为0，在此情况下，所包含的矢量分量对于监视场景中一个消色差点的亮度变化完全不敏感。此外符合目的的是，在被观察的场景中选择占优势的色调及这样选择系数，即使该色调的线性变换为0。由此可使该场景用其着有的色调或在彩色光照下可靠地被监视。
根据本发明，特别有利的是，确定传统摄象机可工作的频谱区域上的亮度值。这些频谱区域可为一个彩色视频信号的三个标准频谱区域R，G，B，可为由CCD简便彩色摄象机观察的彩色：深蓝，深红，黄及绿色，但也可选择与此偏离的颜色，例如，当待监视场景的照明或色调类型可能出现这些偏离色调显示时。还可附加于或取代所述的频谱范围，在可见光外，在位于红外或紫外频谱范围中进行监视。
当测量的频谱区域是频谱区域R，G，B时，最好线性变换在一个坐标系U，V；I，Q；或DB，DR中进行。这些坐标系U，V；I，Q；或DB，DR的定义是PAL、NTSC、或SECAM彩色制中公知的。
当对一个点的色度值配置的矢量很短时，例如由于该点的亮度值在所观察的频谱区域中很小时，则由该矢量确定的直线包含相对大的不可靠性，它可能导致在比较两个矢量方向时错误地识别一个根本不存在的移动物。为了避免这样的错误，最好在对一个图象点配置的两个矢量中将较长的选为第一矢量，因为其方向可被精确地确定。
当需要检测非常强的照度图象点时，可能出现另一问题。当检测的亮度值线性地正比于光照强度时，一个矢量的方向在光照强度变化时保持不变。但当检测亮度值用的传感器的饱和极限值被超过时，情况就不再是如此。对此问题将这样来处理，在步骤(a)中对该时间点记录m个不同频谱区域中的m个亮度值；当亮度值中的一个超过饱和极限值时，将不采纳该相应频谱区域的亮度值，及在步骤(b)至(d)中将采用其亮度值低于饱和极限值的那些n个频谱区域的亮度值。
从以下结合附图对实施例的说明中将会得到本发明的其它特征和优点。附图为：-图1：根据本发明的移动物检测装置，-图2：用于说明该方法的第一构型的一个三维彩色矢量空间的描述图，-图3：用于说明超过饱和极限值的色度值处理的三维彩色矢量空间的第二描述图，-图4：该方法第二构型的流程图，-图5：用于说明该方法第二构型的一个二维彩色矢量空间的描述图，-图6：该方法第二构型的流程图。
图1以极概括的方式表示一个根据本发明的移动物检测装置。它包括瞄准一个场景的彩色摄象机1、一个接口3，后者接收由摄象机1摄取的图象并将作为结果的数字化RGB值输出到一个具有读写存储器5及计算机单元7的数据处理系统的母线上。每个图象点的数据被存储在读写存储器5中。计算机单元7同样接收由接口7输出的每个图象点的数据，从读写存储器5读出在前一时刻存储于其中的同一图象点的数据并对其进行处理，对这些处理将结合图2及3详细地描述。
摄象机1对于每个图象点给出三个亮度值R、G、B，这些值(以随机单位)可取“0”(暗景)及“1”(最大信号)之间的值。所有可能的三重值的总和可表示为一个三维矢量空间中边长为1的立方体，如图2中所示。
矢量A1表示在第一时刻由摄象机对于一个图象点输出的三重值。如果在该被观察点的照明强度以一个给定的系数变化时，所有三个亮度值以相同的系数变化。因此，例如在照明增强时，矢量A1可过渡到矢量A2。如果在该图象的相关点上发生了一个移动，通常可通过该点上色调的变化来表达。于是可得到一个新的矢量B、该矢量将不平行于矢量A1及A2。计算单元7对于该相关图象点确定：
d=｜B×A1｜／｜A1｜。
该表达式表达矢量B的顶点到由矢量A1确定的直线的垂线长度。当该距离超过一个给定极限值ε时，换言之，当矢量B位于绕矢量A1周围半径为ε的圆柱体以外时，计算单元7将判断出该彩色变化是以移动物为根据的，并发出一个相应的警报信号。
图3表示该方法的一个变型，其情况为，所测量亮度值中的一个位于摄象机1的饱和极限的附近。在图3中，彩色矢量A3的B值接近1并由此在摄象机的饱和区域中。相反地，R值及G值明显小于1，如矢量A3在RG平面中的投影A3’所示。
当矢量A3的图象点上的照明强度增加时，饱和的B值不是与R值及G值以相同的程度增长，因为R值及G值不会超过值1，该值相应于摄象机1的全量值。这将引起，随着照明强度的增大，彩色矢量不仅其程度变化，而且其方向也变化，例如这时从A3过渡到A4。矢量A4的端点显然位于A3周围其半径为ε的圆柱体Z3以外。对该问题可这样地考虑，即在彩色矢量A3及A4的求值时干脆不考虑饱和的B值。因此，所考虑的矢量空间从现在的三维R、G、B减少到两维R、G。由此对矢量A3、A4不再检测方向的变化，而是检测RG平面中的投影A3’、A4’。当矢量A4’的顶端到由矢量A3’确定的直线的垂线其长度大于半径ε时，即A4’的端点位于圆柱Z3在RG平面上的投影，即2ε宽度的条带Z3’以外时，则计算单元7将判断出存在一个移动物。在目前情况下，其中仅是照明强度变化，该变化与R及G的亮度值成正比，因此A3’及A4’为共线。由此可确定出无任何移动物。
当所测量的频谱区域中的另一个饱和时，该方法自然以相同方式进行，但其中投影将落在另一相应平面上。
当然也可以测量多个或不同于所述三个的频谱区域，尤其是对一个场景的亮度可在红外或紫外区域中进行测量。当在所有测量频谱区域中具有两个低于饱和极限值的亮度值时，本发明的可实施性便可被满足。
图4表示根据图2及3描述的方法的流程图，其中将检测普遍的M个频谱区域。
在步骤41上，计算单元从摄象机1接收亮度值H1=(H1l，…H1m)。在下一步骤42中，计算单元从存储器5读出属于该同一点的亮度值H2=(H2l，…H2m)，该值是在由摄象机1传输上个图象时存储在该存储器中的。接着(步骤43)，在存储器中用值H1改写亮度值H2。
计算单元现在来确定这样的频谱区域i，对于这些区域无论是H1i还是H2i均低于适合相关频谱区域的饱和极限值(步骤44)。这样得到的值具有可能减少的分量数目n并可归结为矢量h1、h2(步骤45)。
然后在步骤46中确定平方和h1 2=h1l 2+…+h1n 2及h2 2=h2l 2+…+h2n 2，并彼此相比较。当h1 2＜h2 2时，将这两个矢量互换，以使得h2为这两个矢量中较短的。较长的矢量的平方值将在步骤48中与一个最小值相比较。如果它小于该最小值，则确定出该矢量太短，不足以能以满足检测移动物的可靠性来确定其方向。在此情况下，结束该处理。
另外也可在步骤48中将平方值与零相比较，并当相等时结束该处理。该比较能比与实常数E的比较更快地进行。
但如果在步骤48中，h2的平方值足够大，能以足够的可靠性确定矢量的方向，(或它不为零，)则在步骤49中，计算从矢量h2的端点到由h1确定的直线的垂线的长度d。对此可与矢量分量数目无关地使用以下公式：
d=｜(h2·e1)e1-h2｜
其中e1=h1 / |h1|在步骤50中，将求得的长度d与预定极限值ε相比较。当d为小时，可结束对于该相关图象点的该方法，及可对另一图象点重复该方法。当d为大时，计算单元在步骤51中输出一个信号，它指示存在一个移动物。
图5用绘制的YUV坐标系表示RGB彩色矢量空间的第二示图。传统的彩色电视系统不是直接传输由摄象机获得的RGB色度值，而是传输由式Y=0．3R+0．59G+0．1B确定的亮度信号Y及两个不同定义的色差信号。公知的PAL制例如使用信号U、V，它们由RGB三重值通过以下线性转换得到：
在图5中也表示出由三个量Y、U及V展开的坐标系。Y轴通过立方体的两个角点(0；0；0)及(1；1；1)延伸。
当一个被观察点的彩色变化时，它总是导致分分量的U值及V值变化，但不必然导致该亮度值Y的变化。因为借助Y值不可能可靠地识别移动物，因此在图象信息求值时可以不考虑它。这意味着，取代在RGB空间中比较两个矢量A5，A6的方向，仅需在U，V平面中比较它们投影A5’，A6’的方向。由此使被计算单元7处理的数据量减少到2／3。
图6表示根据该方法第二构型的信号处理的流程图。在步骤61中，接口3从摄象机1接收亮度值(R1，G1，B1)，及由此在步骤62中确定色差值U1、V1。为此接口3可包含一个传统的PAL编码电路，由它产生PAL图象信号的所有三个分量Y、U、V。由于不要处理Y信号，故可采用简化的电路，它仅需输出两个色差信号U及V。计算单元7接收由接口3输出的数字化数值U1、V1，从存储器5读出在前一时刻对同一图象点记录的色差值U2、V2(步骤63)，并在其中存储当前的色差值U1、V1(步骤64)。在步骤65中，确定色差矢量(U1，V1)，(U2，V2)的长度L1、L2。如果这里个长度等于零，则[相应矢量的端点到由另一矢量确定的直线的距离不大于ε]这两个矢量的继续处理将不再会导致检测到移动物，由此该方法终止在步骤66上。如果这两个矢量长于ε，则在步骤67中比较它们的长度。在步骤68或69中，这两个矢量中较短者的端点到由较长者确定的、与此共线的直线的垂线长度D当L1＞L2时将借助公式D=(U2V1-U1V2)／L1确定，此外将根据D=(U1V2-U2V1)／L2来确定。
如果在步骤70中确定出D大于极限值ε，则计算单元7判断出存在移动物，并输出一个与此相关的信号(步骤71)。由此该方法结束并可对另一图象点重复该方法。
根据该方法的第一改进，可在步骤70及71之间的一个中间步骤上还检验：是否L1及L2中至少一个大于一个最小值，如ε。如果是，则进行到步骤71；如果否，则判断出这些矢量对可靠识别方向变化太短，并终止该处理。
另一方式是，可根据第二改进在步骤66中判断：是否L1及L2中至少一个大于ε。如果否，结束处理；如果是，则进行到步骤67，以此方式，对于太短的矢量首先根本不执行处理步骤67至70。
本发明的方法可以具有许多改变。原则上，要测量的及在信号处理时要考虑的频谱区域数目将不受限制。即使当要测量多个或不同于上述列举的频谱区域R，G，B的情况下，总是可以，将得到的亮度值的坐标变换到一个坐标系中，该坐标系具有一个延伸在从亮度值展开的坐标系的第一象限中的轴(Y轴)，及通过忽略Y值使处理的数据量减小。当要测量m＞3频谱区域时，可以结合根据图4及6的方法特征，例如这时从处理中剔除第一个饱和亮度值，及在接着具有减小维数n的矢量空间中用(n-1)×n矩阵进行线性变换，该矩阵每行的系数具有不同的符号，由此来达到减小待处理的数据。

Claims (18)

1．检测一个场景中移动物的方法，具有以下步骤：
a)通过至少在n个不同频谱范围中，在两个不同时刻上测量一个点的亮度值(H1i，H2i)来确定这个点的色度值(H1，H2)，其中n是一个整数并至少为2，
b)在n’维矢量空间中借助于被测量的亮度值(H1i，H2i)对这两个色度值确定第一及第二矢量(h1，h2)，其中2≤n’≤n，
c)确定第二矢量(h2)的端点到由第一矢量(h1)决定的直线的距离，
d)当该距离超过一个给定极限值(ε)时，判断出存在一个移动物。
2．根据权利要求1的方法，其中n’=n。
3．根据权利要求2的方法，其中矢量的系数是测量的亮度值。
4．根据权利要求1的方法，其中n’=n-1。
5．根据权利要求4的方法，其中在步骤(b)中，通过使用一个变换矩阵对各个n亮度值的线性变换得到n’维矢量空间中的各矢量，该矩阵的每行中包括正及负的系数。
6．根据权利要求5的方法，其中该变换矩阵每行中的系数和为0。
7．根据权利要求5的方法，其中这样地选择变换矩阵，即使得在该场景中占优势的色调的变换为0。
8．根据以上权利要求中一项的方法，其中n=3。
9．根据以上权利要求中一项的方法，其中测量的频谱区域是指配置给一个彩色视频信号的R，G及B分量的频谱区域。
10．根据权利要求5，8及9中一项的方法，其中在步骤(b)中亮度值R，G及B被变换到U，V坐标系，I，Q坐标系，或DB，DR坐标系中。
11．根据以上权利要求中一项的方法，其中在步骤(b)中将两个矢量(h1，h2)中较长者选择为第一矢量。
12．根据以上权利要求中一项的方法，其中在步骤(a)中，在每个时刻记录m个不同频谱区域中的m个亮度值(m≥n)，当其中一个亮度值超过饱和极限值时，将不采纳相应频谱区域中的两个亮度值，及对n个频谱区域的在饱和极限值以下的亮度值执行步骤(b)至(d)。
13．检测一个场景中移动物的方法，其中在不同时刻用摄象机记录两个场景图象，及对这些图象的多个点执行根据上述权利要求中一项的方法。
14．检测一个场景中移动物的装置，具有：
(a)一个摄象机(1)，它适用于通过至少在n个不同频谱范围中测量图象点的亮度值来产生该场景的图象，其中n是一个整数并至少为2，
(b)一个存储器(5)，
(c)一个计算单元(7)，它能够对一个图象点的亮度值(H1i，R，G，B)配置一个矢量(H1；h1；(U1，V1))，它的分量借助测量的亮度值来确定，从存储器中读出在先对同一图象点存储的矢量(H2；h2；(U2，V2))，确定两个矢量端点之间的距离，及当该距离超过一个预定极限值(ε)时，判断出存在一个移动物，
(d)一个输出装置，当计算单元(7)判断出存在一个移动物时，产生出一个信号。
15．根据权利要求14的装置，其中计算单元(7)能够通过用一个(n-1)×n矩阵对接收的亮度值的线性变换来产生矢量，其中该矩阵的所有行既包括正的也包括负的系数。
16．根据权利要求12或13的装置，其中n=3。
17．根据权利要求12至14中一项的装置，其中摄象机产生在频谱区域R，G及B中的图象。
18．根据权利要求15的装置，其中存储器存储一个图象点的U、V值，I、Q值或DR、DB值。
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