TW201344637A - 上空墜物預警系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種上空墜物預警系統及方法，該系統用於：每隔預設的間隔時間，獲取安全保護裝置的攝像裝置攝取的場景影像，及加速度感測器偵測到的使用者的移動方向和移動速度；在獲取的場景影像中偵測墜物；當在獲取的場景影像中偵測到墜物時，根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷；當判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷時，確定安全保護裝置中需要開啟的警示裝置；開啟上述確定的警示裝置進行報警。利用本發明可以即時偵測安全保護裝置使用者上空是否出現墜物。

Description

上空墜物預警系統及方法

本發明涉及一種監控系統及方法，尤其涉及一種上空墜物預警系統及方法。

目前，工程人員於施工等危險場所中，多未設置相關危險警示通報機制，當施工場所高空物體因故不慎發生掉落等可能危及下方工程人員安全的危險狀況時，多僅能仰賴現場工程人員自行察覺，大聲呼喊警告下方工程人員閃避。

但是，由於施工場所多充斥著高分貝的機械噪音，工程人員容易因此而無法聽見他人的呼叫聲，或無法及時察覺相關危險狀況，導致工程人員閃避不及，遭上空墜物擊傷。

鑒於以上內容，有必要提供一種上空墜物預警系統及方法，其可即時偵測安全保護裝置使用者上空的墜物，當判斷使用者可能會遭墜物擊傷時，自動啟動警示裝置進行報警。

一種上空墜物預警系統，該系統包括：

資料獲取模組，用於每隔預設的間隔時間，獲取安全保護裝置的攝像裝置攝取的場景影像，及安全保護裝置的加速度感測器偵測到的使用者的移動方向和移動速度；

墜物偵測模組，用於在獲取的場景影像中偵測墜物；

安全狀態分析模組，用於當在獲取的場景影像中偵測到墜物時，根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷；

警示裝置確定模組，用於當判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷時，根據使用者與該偵測到的墜物之間的相對位置關係，確定安全保護裝置中需要開啟的警示裝置；及

警示模組，用於開啟上述確定的警示裝置進行報警。

一種上空墜物預警方法，該方法包括如下步驟：

資料獲取步驟，每隔預設的間隔時間，獲取安全保護裝置的攝像裝置攝取的場景影像，及安全保護裝置的加速度感測器偵測到的使用者的移動方向和移動速度；

墜物偵測步驟，在獲取的場景影像中偵測墜物；

安全狀態分析步驟，當在獲取的場景影像中偵測到墜物時，根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷；

警示裝置確定步驟，當判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷時，根據使用者與該偵測到的墜物之間的相對位置關係，確定安全保護裝置中需要開啟的警示裝置；及

警示步驟，開啟上述確定的警示裝置進行報警。

相較於習知技術，所述的上空墜物預警系統及方法，其可即時偵測安全保護裝置使用者上空的墜物，當判斷使用者可能會遭墜物擊傷時，自動啟動警示裝置進行報警，從而避免意外事故的發生。

參閱圖1所示，係本發明上空墜物預警系統的應用環境示意圖。在本實施方式中，該上空墜物預警系統21運行於一個安全保護裝置2中。所述安全保護裝置2還包括透過訊號線和資料線相連的儲存器20、控制器（如微處理器）22、攝像裝置23、加速度感測器24和警示裝置26。在本實施方式中，所述安全保護裝置2為工程安全帽。

所述攝像裝置23用於每隔預設的間隔時間（如0.1秒）獲取使用者頭部上方的場景影像，並將獲取的場景影像儲存至儲存器20中。上空墜物預警系統21在該獲取的場景影像中偵測墜物，當判斷使用者可能會遭墜物擊傷時，自動啟動警示裝置26進行報警，以提醒使用者注意周圍有危險。

在本實施方式中，該攝像裝置23為一種深度攝影機（Depth-sensing Camera），如時間飛行（Time of Flight，TOF）攝像裝置，用於攝取監控場景範圍內的場景影像，以及獲取場景影像中被攝物體的景深資訊。所述被攝物體的景深資訊是指被攝物體各點與攝像裝置23的鏡頭的距離資訊。由於TOF攝像裝置在拍攝目標物時，將發射一定波長的訊號，當訊號遇到目標物時即會反射至TOF攝像裝置的鏡頭，根據訊號發射與接收之間的時間差即可計算出目標物上各點與TOF攝像裝置鏡頭之間的距離資訊，因此所述攝像裝置23可得到場景影像中被攝物體各點與攝像裝置23的鏡頭之間的距離資訊。

加速度感測器24用於偵測使用者的移動方向和移動速度。在本實施方式中，所述警示裝置26為多個，包括警示燈號260和震動元件262等。參閱圖4所示，所述攝像裝置23安裝於安全保護裝置2的頂部，所述警示燈號260安裝在安全保護裝置2的外側，所述震動元件262安裝在安全保護裝置2的內側。

可以理解，所述安全保護裝置2還應該進一步包括其他必要的元件，如制動單元和電池等。制動單元可以為馬達，用於開啟警示燈號260和震動元件262，電池用於提供上空墜物預警系統21所需的電力。在其他實施方式中，也可以只安裝警示燈號260或震動元件262。

在本實施方式中，所述上空墜物預警系統21可以被分割成一個或多個模組，所述一個或多個模組被儲存在所述儲存器20中並被配置成由一個或多個處理器（參閱圖1中的控制器22）執行，以完成本發明。例如，參閱圖2所示，所述上空墜物預警系統21被分割成資料獲取模組210、墜物偵測模組212、安全狀態分析模組214、警示裝置確定模組216和警示模組218。本發明所稱的模組是完成一特定功能的程式段，比程式更適合於描述軟體在控制器22中的執行過程，關於各模組的功能將在圖3的流程圖中具體描述。

參閱圖3所示，係本發明上空墜物預警方法的較佳實施方式的流程圖。

步驟S10，當使用者將安全保護裝置2戴在頭部，並開啟上空墜物預警系統21後，資料獲取模組210每隔預設的間隔時間（如0.1秒），獲取安全保護裝置2的攝像裝置23攝取的場景影像，及加速度感測器24偵測到的使用者的移動方向和移動速度。

步驟S11，墜物偵測模組212在獲取的場景影像中偵測墜物。

舉例而言，所述墜物偵測模組212獲取當前場景影像和前一張場景影像，比對當前場景影像和前一張場景影像中各點到攝像裝置23鏡頭的距離。如果找到預設數量的點(如10個)到攝像裝置23鏡頭的距離縮短，則判斷當前場景影像中出現墜物，即表示使用者頭部上方出現墜物。其中，該墜物根據所述找到的點的集合（以下稱為“點集合”）確定。例如，所述墜物可以透過計算所述點集合的最小包圍長方體得到，或利用特徵圖形擬合方法擬合得到。

舉例而言，參閱圖5所示，假設t=1為當前場景影像，t=0為上一張場景影像，由圖元點組成的物體M1到攝像裝置23鏡頭的距離從7米縮短為6米，則墜物偵測模組212判斷當前場景影像中出現墜物。

在本實施方式中，墜物到鏡頭的距離可以是指：該墜物中座標值最小的點到鏡頭的距離，也可以是指：該墜物的中心點到鏡頭的距離。其中，墜物的中心點可以是該墜物對應的最小包圍長方體的中心。

需要指出的是，本發明所用墜物偵測方法並不限於上述舉例方法，本領域技術人員也可以搭配其他具備相同功能的墜物偵測技術。例如，在其他實施方式中，也可以利用動態區域偵測技術，在場景影像中偵測動態區域，偵測到的動態區域將作為使用者頭部上方的墜物。

步驟S12，墜物偵測模組212判斷是否在獲取的場景影像中偵測到墜物。如果在獲取的場景影像中偵測到墜物，則執行步驟S13。如果沒有在獲取的場景影像中偵測到墜物，則返回步驟S10。

步驟S13，安全狀態分析模組214根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷。如果判斷使用者會遭該偵測到的墜物擊傷，則執行步驟S14。如果判斷使用者不會遭該偵測到的墜物擊傷，則返回步驟S10。判斷方法有多種，本實施方式介紹兩種判斷方法。

方法一，具體過程參閱下述步驟(a1)-(a4)。

(a1) 安全狀態分析模組214根據偵測到的墜物到攝像裝置23鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的下降距離L（即墜物的高度）。

參閱圖6A所示，假設“A”代表墜物M1的中心點，“O”代表攝像裝置23鏡頭的中心位置，“OA”代表墜物M1到鏡頭的距離，則“OC”代表需要計算的墜物M1的下降距離，“CA”代表使用者與該偵測到的墜物M1在橫軸方向（即使用者移動方向）的距離。

在圖6A中，OA距離已知，角AOC（β）可由CA於場景影像上距離與場景影像寬度W之間的比例關係推算得出。參閱圖6B所示，θ為攝像裝置23的場景角度（系出廠時的預設值），則β=θ×CA/W。其中，CA代表墜物M1的中心點A在場景影像中的X軸座標值，“C”為座標系原點。

根據角度β，可以進一步計算出墜物M1的下降距離OC=OA×cos(β)，其中，cos()代表取余弦函數。使用者與該偵測到的墜物M1在橫軸方向的距離CA= OA×sin(β)，其中，sin()代表取正弦函數。

(a2) 安全狀態分析模組214根據該下降距離L確定該偵測到的墜物M1的墜落範圍。具體而言，安全狀態分析模組214根據該偵測到的墜物M1的高度（即下降距離L），在場景影像中沿橫軸（如X軸）和縱軸（如Y軸）方向作該墜物M1的切面，得到該墜物M1在橫軸和縱軸的座標值範圍，從而確定該墜物M1的墜落範圍。

參閱圖6C所示，是墜物M1在A1位置沿X軸方向和Y軸方向的切面示意圖，從圖6C中可以看出，墜物M1在X軸的座標值範圍為[x1，x2]，墜物M1在Y軸的座標值範圍為[y1，y2]。

(a3) 安全狀態分析模組214根據該偵測到的墜物M1的墜物範圍確定一個危險區域，根據該使用者位置確定一個使用者範圍。其中，該危險區域是包圍上述墜落範圍R1的一個封閉區域，該使用者範圍是根據該使用者所處位置確定的一個封閉區域。

例如，參閱圖6C所示，“R1”代表該墜物M1的墜落範圍，“R2”代表確定的危險區域，“R3”代表確定的使用者範圍。

(a4) 當該使用者範圍R3與該危險區域R2相交時，安全狀態分析模組214判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。

方法二，具體過程參閱下述步驟(b1)-(b4)。

(b1) 安全狀態分析模組214根據偵測到的墜物到攝像裝置23鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的下降距離L（即墜物的高度）及使用者與該偵測到的墜物M1在橫軸方向（即使用者移動方向）的距離D1，具體過程參閱方法一的描述，在此不在贅述。

(b2) 安全狀態分析模組214根據該下降距離L確定該偵測到的墜物M1的下降時間T。具體而言，該墜物M1的下降過程可以視作自由落體運動，根據公式下落高度h=gt²/2，其中h=L，t代表下降時間，g為重力加速度，例如，可以取g=9.8m/s²。

(b3) 安全狀態分析模組214根據該使用者的移動速度，確定該使用者在該下降時間T內的移動距離D2。

(b4) 當使用者的移動距離D2加上一個預設值P大於或等於該使用者與該偵測到的墜物M1在橫軸方向的距離D1時（即D2+P≥D1），安全狀態分析模組214判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。

步驟S14，警示裝置確定模組216根據使用者與該偵測到的墜物之間的相對位置關係，確定安全保護裝置2中需要開啟的警示裝置26。

舉例而言，如果該偵測到的墜物在使用者的前方（參閱圖7A所示），則確定需要開啟的警示裝置26為安全保護裝置2外側的警示燈號260和/或內側前面的震動元件262。

步驟S15，警示模組218開啟上述確定的警示裝置26，以震動、聲音等方式警告使用者進行進行閃避。

例如，如果確定的警示裝置26為安全保護裝置2外側的警示燈號260和內側前面的震動元件262，則警示燈號260透過聲音報警和燈光閃爍的方式提醒周圍的人注意。同時，當使用者感覺到安全保護裝置2前面的震動元件262開始震動時，及時往後方躲避或停止繼續向前移動，有效避免使用者造墜物擊傷（參閱圖7B所示）。

最後應說明的是，以上實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施方式對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

2．．．安全保護裝置

20．．．儲存器

21．．．上空墜物預警系統

22．．．控制器

23．．．攝像裝置

24．．．加速度感測器

26．．．警示裝置

260．．．警示燈號

262．．．震動元件

210．．．資料獲取模組

212．．．墜物偵測模組

214．．．安全狀態分析模組

216．．．警示裝置確定模組

218．．．警示模組

圖1係本發明上空墜物預警系統的應用環境示意圖。

圖2係本發明上空墜物預警系統的功能模組圖。

圖3係本發明上空墜物預警方法較佳實施方式的流程圖。

圖4係圖1中的安全保護裝置的示意圖。

圖5係在場景影像中偵測墜物的示意圖。

圖6A-6B係計算偵測到的墜物的下降距離的示意圖。

圖6C係確定偵測到的墜物的墜落範圍的示意圖。

圖7A-7B係偵測到墜物時的報警示意圖。

21．．．上空墜物預警系統

210．．．資料獲取模組

212．．．墜物偵測模組

214．．．安全狀態分析模組

216．．．警示裝置確定模組

218．．．警示模組

Claims (10)

1. 一種上空墜物預警系統，該系統包括：
   資料獲取模組，用於每隔預設的間隔時間，獲取安全保護裝置的攝像裝置攝取的場景影像，及安全保護裝置的加速度感測器偵測到的使用者的移動方向和移動速度；
   墜物偵測模組，用於在獲取的場景影像中偵測墜物；
   安全狀態分析模組，用於當在獲取的場景影像中偵測到墜物時，根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷；
   警示裝置確定模組，用於當判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷時，根據使用者與該偵測到的墜物之間的相對位置關係，確定安全保護裝置中需要開啟的警示裝置；及
   警示模組，用於開啟上述確定的警示裝置進行報警。
2. 如申請專利範圍第1項所述之上空墜物預警系統，所述場景影像包括被攝物體的景深資訊，所述被攝物體的景深資訊是指被攝物體各點與攝像裝置的鏡頭的距離資訊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之上空墜物預警系統，所述墜物偵測模組在獲取的場景影像中偵測墜物包括：
   獲取當前場景影像和前一張場景影像，比對當前場景影像和前一張場景影像中各點到攝像裝置鏡頭的距離；
   如果找到預設數量的點到攝像裝置鏡頭的距離縮短，則判斷當前場景影像中出現墜物，其中，該墜物根據所述找到的點的集合確定。
4. 如申請專利範圍第2項所述之上空墜物預警系統，所述安全狀態分析模組判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷包括：
   根據偵測到的墜物到攝像裝置鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的高度；
   根據該偵測到的墜物的高度，在場景影像中沿橫軸和縱軸方向作該墜物的切面，得到該墜物在橫軸和縱軸的座標值範圍，以確定該墜物的墜落範圍，場景影像的橫軸為使用者的移動方向；
   根據該偵測到的墜物的墜物範圍確定一個危險區域，根據該使用者位置確定一個使用者範圍；及
   當該使用者範圍與該危險區域相交時，判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。
5. 如申請專利範圍第2項所述之上空墜物預警系統，所述安全狀態分析模組判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷包括：
   根據偵測到的墜物到攝像裝置鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的高度及使用者與該偵測到的墜物在橫軸方向的距離D1，該橫軸方向為使用者的移動方向；
   根據該偵測到的墜物的高度確定該墜物的下降時間；
   根據該使用者的移動速度，確定該使用者在該下降時間內的移動距離D2；
   當使用者的移動距離D2加上一個預設值大於或等於D1時，判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。
6. 一種上空墜物預警方法，該方法包括：
   資料獲取步驟，每隔預設的間隔時間，獲取安全保護裝置的攝像裝置攝取的場景影像，及安全保護裝置的加速度感測器偵測到的使用者的移動方向和移動速度；
   墜物偵測步驟，在獲取的場景影像中偵測墜物；
   安全狀態分析步驟，當在獲取的場景影像中偵測到墜物時，根據偵測到的墜物的位置、使用者的移動方向和移動速度，判斷使用者是否會遭該偵測到的墜物擊傷；
   警示裝置確定步驟，當判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷時，根據使用者與該偵測到的墜物之間的相對位置關係，確定安全保護裝置中需要開啟的警示裝置；及
   警示步驟，開啟上述確定的警示裝置進行報警。
7. 如申請專利範圍第6項所述之上空墜物預警方法，所述場景影像包括被攝物體的景深資訊，所述被攝物體的景深資訊是指被攝物體各點與攝像裝置的鏡頭的距離資訊。
8. 如申請專利範圍第7項所述之上空墜物預警方法，所述墜物偵測步驟包括：
   獲取當前場景影像和前一張場景影像，比對當前場景影像和前一張場景影像中各點到攝像裝置鏡頭的距離；
   如果找到預設數量的點到攝像裝置鏡頭的距離縮短，則判斷當前場景影像中出現墜物，其中，該墜物根據所述找到的點的集合確定。
9. 如申請專利範圍第7項所述之上空墜物預警方法，所述安全狀態分析步驟包括：
   根據偵測到的墜物到攝像裝置鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的高度；
   根據該偵測到的墜物的高度，在場景影像中沿橫軸和縱軸方向作該墜物的切面，得到該墜物在橫軸和縱軸的座標值範圍，以確定該墜物的墜落範圍，場景影像的橫軸為使用者的移動方向；
   根據該偵測到的墜物的墜物範圍確定一個危險區域，根據該使用者位置確定一個使用者範圍；及
   當該使用者範圍與該危險區域相交時，判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。
10. 如申請專利範圍第7項所述之上空墜物預警方法，所述安全狀態分析步驟包括：
    根據偵測到的墜物到攝像裝置鏡頭的距離，計算出該偵測到的墜物的高度及使用者與該偵測到的墜物在橫軸方向的距離D1，該橫軸方向為使用者的移動方向；
    根據該偵測到的墜物的高度確定該墜物的下降時間；
    根據該使用者的移動速度，確定該使用者在該下降時間內的移動距離D2；
    當使用者的移動距離D2加上一個預設值大於或等於D1時，判定使用者會遭該偵測到的墜物擊傷。