一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，涉及視頻監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括下列步驟：監(jiān)控場景的建模；監(jiān)控要求的建模；通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)的攝像機(jī)布局方案。本發(fā)明所述的方法通過對整個攝像機(jī)的布局優(yōu)化問題建立數(shù)學(xué)模型，將多攝像機(jī)的布局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題，其能夠在存在多個約束條件的情況下，自動地求解出滿足監(jiān)控要求的最優(yōu)攝像機(jī)布局方案。本發(fā)明提出的方法在保證設(shè)計(jì)效果的同時可簡化設(shè)計(jì)步驟，節(jié)約設(shè)計(jì)時間，為面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
【專利說明】一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于視頻監(jiān)控【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu) 化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著"平安城市"、"3111工程"和"天網(wǎng)工程"等項(xiàng)目在各個城市的有序展開，安全 防范工作受到越來越多的關(guān)注，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為安防工作的重要組成部分，被廣泛的應(yīng) 用于金融、交通、公共安全等領(lǐng)域，成為打擊犯罪，反恐防暴的有力武器。其中各種大型體育 場館、機(jī)場、車站、展覽中心等人流密集的大型場所作為安防的重點(diǎn)區(qū)域，不可避免的需要 安裝大量的監(jiān)控攝像機(jī)，作為打擊犯罪、保護(hù)人民財產(chǎn)安全、維護(hù)社會治安的有效手段。而 面向此類大場景的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往需要存在大規(guī)模、高覆蓋率、多視角等監(jiān)控要 求。
[0003] 當(dāng)前，面向大場景視頻監(jiān)控的多攝像機(jī)的空間布局規(guī)劃問題進(jìn)行的深入研究還比 較少，現(xiàn)有的布局規(guī)劃方式大多數(shù)是由工程設(shè)計(jì)人員憑借經(jīng)驗(yàn)或者簡單的量測、估算來進(jìn) 行布局配置，這種設(shè)計(jì)方式較為粗糙，很難綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中遇到的環(huán)境復(fù)雜性、自遮擋 和互遮擋、成本控制等問題，故難以得到最優(yōu)的布局方案。這就給面向大場景下大規(guī)模、高 覆蓋率、多視角的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及推廣帶來了很多的困難，同時還會增加系統(tǒng) 的復(fù)雜度以及相關(guān)的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)優(yōu)化布局方法。本發(fā)明方法 能夠克服現(xiàn)有布局方法中主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏全局考慮等缺點(diǎn)，可應(yīng)對大場景監(jiān)控中 不同區(qū)域的多種監(jiān)控要求，同時還可兼顧考慮設(shè)計(jì)成本問題，可為大場景下監(jiān)控攝像機(jī)的 布局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種監(jiān)控攝像機(jī)的布局優(yōu)化方法，具體包括以下 步驟：
[0006] A?監(jiān)控場景的建模；
[0007] B?監(jiān)控要求的建模；
[0008] C.通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)的攝像機(jī)布局方案。
[0009] 所述的步驟A還進(jìn)一步包括：
[0010] A1.環(huán)境的建模；
[0011] A2.監(jiān)控對象的建模；
[0012] A3.監(jiān)控攝像機(jī)的建模；
[0013] A4.遮擋情況和可見條件的建模。
[0014] 所述的環(huán)境建模，是指對被監(jiān)控的空間進(jìn)行建模，包括：對監(jiān)控空間中監(jiān)控區(qū)域的 設(shè)定，攝像機(jī)可安置區(qū)域的設(shè)定，空間中的障礙物的建模。其中，監(jiān)控區(qū)域可根據(jù)需求設(shè)定 不同的權(quán)值，進(jìn)行重要程度的劃分；攝像機(jī)可安置區(qū)域，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置在固定的點(diǎn)位 或者某些區(qū)域；空間中障礙物被定義為可阻礙攝像機(jī)視線的物體。
[0015] 所述的監(jiān)控對象的建模，是指對監(jiān)控對象的位置、朝向、可視面進(jìn)行建模。
[0016] 所述的監(jiān)控攝像機(jī)的建模，是指對攝像機(jī)的所在位置、姿態(tài)進(jìn)行建模；根據(jù)設(shè)計(jì)目 標(biāo)的不同和攝像機(jī)型號參數(shù)的不同，確定攝像機(jī)的可視區(qū)域F0V;確定攝像機(jī)的成本。
[0017] 所述的遮擋情況包括自遮擋和互遮擋，其中自遮擋是指被監(jiān)控對象自身造成的遮 擋，即需要監(jiān)控的方向沒有滿足可視條件。
[0018] 所述的互遮擋，是指監(jiān)控攝像機(jī)到監(jiān)控對象的視線方向上存在障礙物或場景邊界 的遮擋，導(dǎo)致攝像機(jī)不能觀察到監(jiān)控對象。
[0019] 所述的可見的條件，是評判監(jiān)控對象對于攝像機(jī)是否可見的標(biāo)準(zhǔn)，具體是指被監(jiān) 控對象在監(jiān)控攝像機(jī)中必須滿足的一定的成像條件，如：監(jiān)控對象在攝像機(jī)中的成像必須 超過一定數(shù)量的像素；監(jiān)控對象必須被一定數(shù)量以上的攝像機(jī)監(jiān)控到。
[0020] 所述的步驟B還進(jìn)一步包括：
[0021] B1.設(shè)計(jì)目標(biāo)的建模；
[0022] B2?約束條件的建模。
[0023] 所述的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是指整個布局設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，可以是：實(shí)現(xiàn)監(jiān)控覆蓋率最大 化，使得設(shè)計(jì)成本最低，或者根據(jù)實(shí)際需要定制。
[0024] 所述的約束條件，是指設(shè)計(jì)中必須滿足的限制條件，如：必須達(dá)到某一覆蓋率要 求，成本不得高于某一限制，覆蓋條件限制，攝像機(jī)的型號、數(shù)量限制或根據(jù)實(shí)際需要定 制；
[0025] 所述的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件的區(qū)別在于：設(shè)計(jì)目標(biāo)是對整個設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行 評價的標(biāo)準(zhǔn)，是最終期望達(dá)到的目標(biāo)；約束條件是設(shè)計(jì)過程中必須滿足的限制條件。
[0026] 所述的步驟C還進(jìn)一步包括：
[0027] C1.讀取監(jiān)控場景的模型，對攝監(jiān)控對象可能出現(xiàn)的區(qū)域和攝像機(jī)可安置區(qū)域進(jìn) 行離散化；
[0028] C2.讀取離散化后的攝像機(jī)可安置位置集和監(jiān)控對象集；
[0029] C3.讀取設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件；
[0030] C4.通過優(yōu)化搜索算法得出滿足約束條件和設(shè)計(jì)目標(biāo)解
[0031] 其中，所述的對監(jiān)控對象的可能出現(xiàn)的區(qū)域進(jìn)行離散化，是指對監(jiān)控區(qū)域中監(jiān)控 對象可能出現(xiàn)的位置，可能的朝向進(jìn)行離散化處理，得到一個集合。所述的對攝像機(jī)可安置 區(qū)域的離散化，是指對監(jiān)控攝像機(jī)可安置的區(qū)域進(jìn)行離散化處理，得到一個集合。
[0032] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0033] 本發(fā)明可以直觀快速的得到面向大場景監(jiān)控的多個攝像機(jī)的布局優(yōu)化方案，簡化 了設(shè)計(jì)步驟，節(jié)約了設(shè)計(jì)時間；可針對大場景中不同監(jiān)控區(qū)域監(jiān)控設(shè)計(jì)要求不同的情況做 出靈活的調(diào)整，具備一定的通用性。本發(fā)明能綜合考慮多種約束條件，得出最優(yōu)的布局方 案，為實(shí)際應(yīng)用中面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)的布局優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，具有廣泛的應(yīng)用前 旦 -5^ 〇

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 圖1監(jiān)控場景示意圖；
[0035] 圖2監(jiān)控攝像機(jī)可視區(qū)域F0V的表示方法；
[0036] 圖3遮擋和可見條件示意圖；
[0037] 圖4本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的貪心算法的流程圖；
[0038] 圖5本發(fā)明一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法的流程圖。
[0039] 具體實(shí)施方法
[0040] 為了更好的展示本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方案 對本發(fā)明的一種大場景下的監(jiān)控攝像機(jī)優(yōu)化布局方法進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解， 此處所描述的具體實(shí)施方案僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0041] 本發(fā)明中的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是用來對目標(biāo)布局的優(yōu)劣進(jìn)行評價的，是布局優(yōu)化問題的 目標(biāo)函數(shù)，而對約束條件的建模包括對最終布局必須達(dá)到的如覆蓋率水平、成本限制、攝像 機(jī)數(shù)量、參數(shù)限制等進(jìn)行數(shù)值化描述，以便于通過算法在計(jì)算機(jī)中得出最優(yōu)的布局。本發(fā)明 提供了一些具體約束條件的描述方法，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行選擇或更改參數(shù)。 例如，如果想在大型場館的目標(biāo)區(qū)域，以規(guī)定數(shù)量和型號的攝像機(jī)進(jìn)行合理布局，使得監(jiān)控 區(qū)域能以最小的成本達(dá)到某一覆蓋率的需求，應(yīng)用本發(fā)明提出的方法可根據(jù)這一描述，建 立相應(yīng)的模型，通過優(yōu)化算法得到所需要的最優(yōu)布局。
[0042] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的監(jiān)控攝像機(jī)布局優(yōu)化方法：
[0043] 本發(fā)明采用基于幾何計(jì)算和線性規(guī)劃相結(jié)合的方法來為面向大場景監(jiān)控的多攝 像機(jī)布局優(yōu)化問題建立線性規(guī)劃模型。首先是對整個監(jiān)控場景的建模，然后對實(shí)際的設(shè)計(jì) 目標(biāo)和約束條件分別進(jìn)行建模，最后通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)解。
[0044] 本發(fā)明的監(jiān)控攝像機(jī)最優(yōu)布局問題，是在多個約束條件下的目標(biāo)優(yōu)化問題，即攝 像機(jī)的數(shù)量、型號、位置、姿態(tài)的優(yōu)化配置問題。
[0045] 第一步，監(jiān)控場景的建模。
[0046] 如圖1(a)所示監(jiān)控場景可以分為環(huán)境、監(jiān)控對象、攝像機(jī)。
[0047] 圖1(b)中的空白區(qū)域即監(jiān)控區(qū)域，其中黑色的區(qū)域是障礙物或墻體，障礙物被定 義為具有一定高度的柱體。其中監(jiān)控對象P的位置可表示為三維空間中的坐標(biāo)（x，y，z)。 攝像機(jī)C的位置可以表示為（x，y，z)，攝像機(jī)的姿態(tài)可表示為偏角中或三維方向角（pitch， roll, yaw)〇
[0048] 圖1(c)中灰色區(qū)域即監(jiān)控對象可能出現(xiàn)的區(qū)域，其中顏色更深的灰色區(qū)域是人 為設(shè)定的重要監(jiān)控區(qū)域，可通過設(shè)定更高的采樣權(quán)值來表示。
[0049] 圖1 (d)中的靠近墻體和障礙物的灰色區(qū)域是攝像機(jī)可安置的區(qū)域。
[0050] 如圖2所示，三角區(qū)域代表攝像機(jī)的可視區(qū)域F0V，其形狀大小主要由攝像機(jī)的參 數(shù)、姿態(tài)和人為設(shè)定的最低監(jiān)控分辨率約束條件決定。如圖2(a)_(c)所示，為了方便統(tǒng)一 建模，需要對攝像機(jī)的可視區(qū)域F0V進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移處理。
[0051] 假設(shè)攝像機(jī)的平面坐標(biāo)為（cx，Cy)，并且攝像機(jī)的偏角史已知，則可令

【權(quán)利要求】
1. 一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于，包括： A. 監(jiān)控場景的建模； B. 監(jiān)控要求的建模； C. 通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)的攝像機(jī)布局方案。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的步驟A還進(jìn)一步包括： A1.環(huán)境的建模； A2.監(jiān)控對象的建模； A3.監(jiān)控攝像機(jī)的建模； A4.遮擋情況和可見條件的建模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的環(huán)境建模，是指對被監(jiān)控的空間進(jìn)行建模，包括：對監(jiān)控空間中監(jiān)控區(qū)域的設(shè)定，攝 像機(jī)可安置區(qū)域的設(shè)定，空間中的障礙物的建模；其中，監(jiān)控區(qū)域可根據(jù)需求設(shè)定不同的權(quán) 值，進(jìn)行重要程度的劃分；攝像機(jī)可安置區(qū)域，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)置在固定的點(diǎn)位或者某些 區(qū)域；空間中障礙物被定義為可阻礙攝像機(jī)視線的物體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的監(jiān)控對象的建模，是指對監(jiān)控對象的位置、朝向、可視面進(jìn)行建模。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的監(jiān)控攝像機(jī)的建模，是指對攝像機(jī)的所在位置、姿態(tài)進(jìn)行建模；根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)的不同 和攝像機(jī)型號參數(shù)的不同，確定攝像機(jī)的可視區(qū)域FOV ;確定攝像機(jī)的成本。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的遮擋情況包括自遮擋和互遮擋，其中自遮擋是指被監(jiān)控對象自身造成的遮擋，即需 要監(jiān)控的方向沒有滿足可視條件；互遮擋是指監(jiān)控攝像機(jī)到監(jiān)控對象的視線方向上存在障 礙物或場景邊界的遮擋，導(dǎo)致攝像機(jī)不能觀察到監(jiān)控對象。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的監(jiān)控要求的建模還進(jìn)一步包括： B1.設(shè)計(jì)目標(biāo)的建模； B2.約束條件的建模。
8. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是指整個布局設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，是對整個設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行評價的標(biāo) 準(zhǔn)，包括：實(shí)現(xiàn)監(jiān)控覆蓋率最大化，使得設(shè)計(jì)成本最低。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的約束條件，是指設(shè)計(jì)中必須滿足的限制條件，包括：必須達(dá)到某一覆蓋率要求，成本 不得高于某一限制，覆蓋條件限制，攝像機(jī)的型號、數(shù)量限制或根據(jù)實(shí)際需要定制。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向大場景監(jiān)控的攝像機(jī)布局優(yōu)化方法，其特征在于， 所述的通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)的攝像機(jī)布局方案還進(jìn)一步包括： C1.讀取監(jiān)控場景的模型，對攝監(jiān)控對象可能出現(xiàn)的區(qū)域和攝像機(jī)可安置區(qū)域進(jìn)行離 散化； C2.讀取離散化后的攝像機(jī)可安置位置集和監(jiān)控對象集； C3.讀取設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件； C4.通過優(yōu)化搜索算法得出滿足約束條件和設(shè)計(jì)目標(biāo)解。
【文檔編號】H04N5/247GK104469322SQ201410815008
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】尹宏鵬, 柴毅, 蔣瑋, 張坤 申請人:重慶大學(xué)