專利名稱：基于平行視頻拼接技術(shù)的礦井安全監(jiān)控方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及礦井安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及采用視頻為手段的安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及采用稀疏視點(diǎn)的、基于平行視頻拼接的礦井安全的監(jiān)控方法。
背景技術(shù)：
礦井安全監(jiān)控是國家安全生產(chǎn)的重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)。在幾十甚到幾百米的井下，工作環(huán)境極為惡劣，如何對整個安全生活過程、重點(diǎn)施工工段進(jìn)行實(shí)時(shí)精確、可靠高效的安全監(jiān)控與預(yù)警是特別重要的研究課題。目前的井下的監(jiān)控技術(shù)主要有:一，采用傳感器獲取現(xiàn)場的溫度、濕度或有害氣體濃度；二，利用攝像機(jī)實(shí)時(shí)捕獲工作段面的現(xiàn)場信息。前一種技術(shù)需要在現(xiàn)場布局大量的傳感器，反饋礦井內(nèi)氣體濃度等參數(shù)，存在獲取的信息不直觀的問題，另外，在井下突發(fā)情況時(shí)無法反映實(shí)時(shí)狀況；后一種技術(shù)雖能克服傳感器監(jiān)控不直觀的缺陷，但由于只是若干獨(dú)立攝像機(jī)的簡單監(jiān)控:若要提高攝像監(jiān)控的精度就需要在井下狹小的空間大量布局，既不經(jīng)濟(jì)也不實(shí)際；若減少監(jiān)控點(diǎn)、稀疏布置又會出現(xiàn)觀測點(diǎn)無法掃描到的盲區(qū)，相鄰觀測點(diǎn)重復(fù)監(jiān)控的重疊區(qū)，以及監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)監(jiān)控時(shí)的圖像失真變形區(qū)，都會造成礦井安全監(jiān)控中誤判斷。為此，開發(fā)一種低成本、易布局、高精度的井下視頻監(jiān)控技術(shù)創(chuàng)新是非常有必要的。將若干獨(dú)立攝像機(jī)通過算法拼接成一個大視域監(jiān)控視頻的視頻拼接技術(shù)為這種需求提供了一種解決思路?，F(xiàn)有的視頻拼接方法的主要步驟有視點(diǎn)初始化、輸入源同步幀、同步頻配準(zhǔn)、同步幀融合、合成幀顯示及保存，具體為:首先進(jìn)行視點(diǎn)初始化，即視點(diǎn)布局等相關(guān)準(zhǔn)備工作；然后是開始對各個同步幀依次進(jìn)行配準(zhǔn)，從而找到相互重疊的位置，這一步中必要時(shí)還要進(jìn)行視點(diǎn)幾何變換實(shí)現(xiàn)正確配準(zhǔn)；接下來就可以對這個配準(zhǔn)后的同步幀進(jìn)行融合，以生成拼接合成幀；之后，將得到拼接合成幀進(jìn)行顯示以及保存，并轉(zhuǎn)入到下一個同步幀的配準(zhǔn)之中，從而開始新一輪的同步幀拼接工作。上述過程中，同步幀的配準(zhǔn)和融合是關(guān)鍵步驟，其核心技術(shù)是如何進(jìn)行圖像的拼接。參見圖2，傳統(tǒng)圖像拼接(image mosaic)是圍繞中心點(diǎn)拍一圈圖像而成。這種方法克服了單幅圖像視域小的不足，因此得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但這種傳統(tǒng)的拼接方法視點(diǎn)固定，對于例如街道和井下巷道等狹長的場景，離攝像機(jī)越遠(yuǎn)圖像的變形就越厲害，無法顯示整體的形貌來。參見圖3，針對傳統(tǒng)圖像拼接的不足，改進(jìn)的方案是采用平行拼接(parallelmosaic)的方法對狹長的場景進(jìn)行處理，其具體方法是在多個平行視點(diǎn)拍攝場景的基礎(chǔ)上，將每一個視點(diǎn)位置取出的一條切片拼接成一幅大視域圖像的一種切片式圖像拼接技術(shù)。該平行拼接可以獲得廣角圖像，克服了傳統(tǒng)圖像拼接在單一視點(diǎn)情況下視域受限的缺陷，特別適合需要移動視點(diǎn)才可以完整拍攝下來的縱深較長場景，如井下巷道和街道等，因此具有重要的實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)有的平行拼接方法主要有路途全景拼接(route panorama)和平行投影拼接(parallel perspective stereo mosaics)。但對上述兩種方法存在兩點(diǎn)不足:I)上述兩種平行拼接的方案均要求布置攝像機(jī)連續(xù)運(yùn)動拍攝場景以確保達(dá)到足夠的密集視點(diǎn)，從而保證可以提取足夠的切片進(jìn)行無縫拼接，這樣就需要密集的攝像機(jī)布局，或者需要特別控制攝像機(jī)連續(xù)運(yùn)動的設(shè)備；2)在進(jìn)行圖像采集時(shí)，要求各視點(diǎn)正對場景(即視點(diǎn)方向與攝像機(jī)的水平運(yùn)動方向垂直)以模擬正交投影，即攝像機(jī)的光軸必須與水平運(yùn)動方向垂直，或者視點(diǎn)偏轉(zhuǎn)角度較小，這樣才能保證所提取的拼接切片具有最小變形，但也導(dǎo)致需要大量繁瑣且復(fù)雜的調(diào)試工作。換言之，視點(diǎn)密集增加了拍攝過程中的工作量；而多視點(diǎn)方向與攝像機(jī)水平運(yùn)動方向垂直增加了工作的復(fù)雜度和不穩(wěn)定性，同時(shí)降低了拼接的靈活度，視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度不能過大也限制了拼接場景的范圍。綜上所述，現(xiàn)有平行視頻拼接方法不適應(yīng)于巷道狹長的井下復(fù)雜環(huán)境的安全監(jiān)控。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有基于平行視頻拼接技術(shù)的礦井安全監(jiān)控方法的不足，本發(fā)明提供一種減少對視點(diǎn)的密集數(shù)量要求以及降低采樣設(shè)備水平運(yùn)動方向與視點(diǎn)方向拍攝技術(shù)要求的一種自由稀疏視點(diǎn)平行視頻拼接的方法。其具體的方法為:基于平行視頻拼接技術(shù)的礦井安全監(jiān)控方法，按如下步驟進(jìn)行:(I)布置采樣點(diǎn):設(shè)需要進(jìn)行安全監(jiān)控的監(jiān)控場景面的深度為Lv，攝像機(jī)與監(jiān)控場景面之間的距離為LD，相鄰兩個攝像機(jī)之間的間距為Lc，則攝像機(jī)與監(jiān)控場景面之間的距離Ld是監(jiān)控場景面的深度Lv的1.0至10.0倍，相鄰兩個攝像機(jī)之間的間距L。是監(jiān)控場景面的深度Lv的1.0至3.0倍，所有攝像機(jī)安置的高度相同，且在旋轉(zhuǎn)時(shí)所有攝像機(jī)保持相同的旋轉(zhuǎn)角度，相鄰兩個攝像機(jī)各自偏轉(zhuǎn)±45°范圍內(nèi)時(shí)所形成的相鄰視點(diǎn)圖像之間應(yīng)有重疊，監(jiān)控同一監(jiān)控場景面的攝像機(jī)的連線應(yīng)平行于監(jiān)控場景面；所有攝像機(jī)均通過數(shù)據(jù)線與負(fù)責(zé)圖形處理的計(jì)算機(jī)相連接，計(jì)算機(jī)將從每個攝像機(jī)獲得的同步幀統(tǒng)一處理；(2)初始化攝像機(jī)焦距:每個攝像機(jī)均采用相同的幀分辨率，其焦距f運(yùn)用幀分辨率模擬計(jì)算，即設(shè)幀的寬和高分別是w和h，攝像機(jī)的焦距f取值為:/ = λ/ ^ΤΡ;(3)初始化重疊位置:將所有的攝像機(jī)正對于監(jiān)控場景面取像，獲得每個攝像機(jī)的初始同步幀《，其中η為第η個攝像機(jī)；用半透明法獲得相鄰兩個攝像機(jī)之間的初始同步幀格:之間重疊區(qū)域的水平長度L(n,n+1) ； (4)調(diào)試圖像亮度:將從各個攝像機(jī)獲取的初始同步幀/S進(jìn)行Gamma校正，所用公式為U=aIinY，其中，Iin是初始同步幀裙的原始像素，Itjut是初始同步幀攻經(jīng)過校正后的像素，參數(shù)a取I,參數(shù)Y的取值范圍為1.5-3.0 ;(5)記錄攝像機(jī)偏轉(zhuǎn)角度:將所有攝像機(jī)設(shè)定相同的偏轉(zhuǎn)角度Qs,所述偏轉(zhuǎn)角度Θs是自開始監(jiān)控起的第s秒時(shí)攝像機(jī)實(shí)際面對方向與攝像機(jī)正視場景時(shí)的方向之間的夾角；偏轉(zhuǎn)角度Θ s與每臺攝像機(jī)的實(shí)時(shí)同步巾盧/ 相對應(yīng)，所述實(shí)時(shí)同步巾貞枝為第η臺攝像機(jī)自開始監(jiān)控起的第s秒時(shí)監(jiān)控的圖像；(6)進(jìn)行同步幀虛擬變換:對實(shí)時(shí)同步幀/；；進(jìn)行虛擬變換，得到虛擬變換后的虛擬同步幀從，其中，虛擬變換公式為、=
權(quán)利要求
1.關(guān)于平行視頻拼接技術(shù)的礦井安全監(jiān)控方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行: (1)布置采樣點(diǎn):設(shè)需要進(jìn)行安全監(jiān)控的監(jiān)控場景面的深度為Lv，攝像機(jī)與監(jiān)控場景面之間的距離為LD，相鄰兩個攝像機(jī)之間的間距為Lc，則攝像機(jī)與監(jiān)控場景面之間的距離Ld是監(jiān)控場景面的深度Lv的1.0至10.0倍，相鄰兩個攝像機(jī)之間的間距Lc是監(jiān)控場景面的深度1^的1.0至3.0倍，所有攝像機(jī)安置的高度相同，且在旋轉(zhuǎn)時(shí)所有攝像機(jī)保持相同的旋轉(zhuǎn)角度，相鄰兩個攝像機(jī)各自偏轉(zhuǎn)±45°范圍內(nèi)時(shí)所形成的相鄰視點(diǎn)圖像之間應(yīng)有重疊，監(jiān)控同一監(jiān)控場景面的攝像機(jī)的連線應(yīng)平行于監(jiān)控場景面；所有攝像機(jī)均通過數(shù)據(jù)線與負(fù)責(zé)圖形處理的計(jì)算機(jī)相連接，計(jì)算機(jī)將從每個攝像機(jī)獲得的同步幀統(tǒng)一處理； (2)初始化攝像機(jī)焦距:每個攝像機(jī)均采用相同的幀分辨率，其焦距f運(yùn)用幀分辨率模擬計(jì)算，即設(shè)幀的寬和高分別是w和h，攝像機(jī)的焦距f取值為:f = (3)初始化重疊位置:將所有的攝像機(jī)正對于監(jiān)控場景面取像，獲得每個攝像機(jī)的初始同步幀垃，其中η為第η個攝像機(jī)；用半透明法獲得相鄰兩個攝像機(jī)之間的初始同步幀邛之間重疊區(qū)域的水平長度L(n,n+1)； (4)調(diào)試圖像亮度:將從各個攝像機(jī)獲取的初始同步幀相進(jìn)行Gamma校正，所用公式為I t=alin Y，其中，1^是初始同步幀垃的原始像素，1ut是初始同步幀沒經(jīng)過校正后的像素，參數(shù)a取1，參數(shù)Y的取值范圍為1.5-3.0 ; (5)記錄攝像機(jī)偏轉(zhuǎn)角度:將所有攝像機(jī)設(shè)定相同的偏轉(zhuǎn)角度0s，所述偏轉(zhuǎn)角度03是自開始監(jiān)控起的第s秒時(shí)攝像機(jī)實(shí)際面對方向與攝像機(jī)正視場景時(shí)的方向之間的夾角；偏轉(zhuǎn)角度Θ s與每臺攝像機(jī)的實(shí)時(shí)同步巾貞括相對應(yīng)，所述實(shí)時(shí)同步巾貞G為第η臺攝像機(jī)自開始監(jiān)控起的第s秒時(shí)監(jiān)控的圖像； (6)進(jìn)行同步幀虛擬 變換:對實(shí)時(shí)同步幀拉進(jìn)行虛擬變換，得到虛擬變換后的虛擬同步幀片，其中，虛擬變換公式為
全文摘要
針對現(xiàn)有基于平行視頻拼接技術(shù)的礦井安全監(jiān)控方法的不足，本發(fā)明提供一種減少對視點(diǎn)的密集數(shù)量要求以及降低采樣設(shè)備水平運(yùn)動方向與視點(diǎn)方向拍攝技術(shù)要求的一種自由稀疏視點(diǎn)平行視頻拼接的方法，通過采取虛擬變換以及同步幀校正與幀配準(zhǔn)的兩階段策略，實(shí)現(xiàn)稀疏視點(diǎn)和自由視點(diǎn)旋轉(zhuǎn)下的圖像拼接。本發(fā)明有益的技術(shù)效果有解決縱伸較大場景的自由角度監(jiān)控問題，實(shí)現(xiàn)無變形、盲區(qū)和重疊區(qū)的大視域?qū)崟r(shí)監(jiān)控；本方法布局簡單、易實(shí)施、更加經(jīng)濟(jì)和安全，只需少量攝像機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)整個場景的清晰監(jiān)控。
文檔編號H04N5/262GK103096043SQ20131005582
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21日
發(fā)明者方賢勇 申請人:安徽大學(xué)