[发明专利]地理场景中移动监控目标的实时空间定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及视频监控和地理信息技术等领域。与传统视频监控单纯获取监控目标的实时视频信息相比，与地理信息技术相结合的视频监控系统既能发挥视频监控系统实时图像可视化的优势，又能充分发挥地理信息技术的特点，及时反馈监控目标的空间位置信息，提升安全防范工作的效率。本发明提供了一种地理场景中移动监控目标的实时空间定位方法，本方法适用于户外大范围视频监控系统中的目标空间定位，减少人工定位的工作量，提高视频监控工程应用的质量。 

技术背景

视频监控技术凭其直观、准确、及时、信息容量丰富等特点，在各个领域内得到了越来越广泛的应用，如公共安全管理、环境监测、遗产保护、景区管理、火灾监测等。在实际的工程应用中，大部分视频监控系统运营时还是以人工方法识别、发现、跟踪监控目标，系统要求监控职守人员通过看到的视频图像做出相应的响应和决策。这些监控系统多用于具有监控角度固定、覆盖范围小且已知等情况。但是，在大范围、复杂的自然地理环境中，因监控摄像头不断转动、缺少必要的地面参考物等因素，职守人员很难快速地判断和跟踪移动目标所处的即时位置。 

随着计算机立体视觉、摄影测量学、数字图像处理以及地理信息等技术的发展，多学科的交叉融合是解决问题的新途径。目前出现了一些解决视频图像目标空间定位的思路和方法。计算机图形学图形标准库OpenGL的透视成像与摄影测量的原理是一致的，这样可以利用OpenGL成像的逆过程求得图像目标的空间位置。利用CCD数码相机对已知点进行摄影以求取数学模型，从而确定其空间位置。将视频与地理信息结合起来，提出了地理视频概念。地理视频继承了地图具有的可量测距离和方位，空间关系明确的特点；又兼有视频数据具有实时、真实等特点，在国内外已有了一些相关研究，将每帧视频添加地理索引标签或元数据，实现每帧视频与位置信息关联。同时，地理视频得到初步应用：车辆导航、校园地理视频等。这种耦合方法可以实现地理环境与小范围(或具体地理对象)视频的结合，满足小区安防、交通监控等需求。然而，随着监控采集设备的性能不断提高，具有高清、透雾性能的监控摄像机监控范围达到20公里之远，在复杂大范围的户外环境监测中只需在高空布设少量的监控点，即可跟踪区域内各种移动目标的行为活动。这种情况下，如何快速、实时地发现、定位和跟踪移动目标就成为一 个重要挑战。 

OpenGL是一种图形工业标准的开放性API库。其功能强大，通过图形变换、光照处理、纹理映射、投影变换等一系列函数，实现对现实世界中三维物体(如移动监控目标)在计算机中的模拟。OpenGL成像主要过程为：在模型空间，三维物体经过模型变换矩阵M进行旋转、平移及缩放变化，以确定其大小、位置和形状；再经过透视投影矩阵P进行透视变换，形成规则观察体；经过视口矩阵V变换，实现三维模型到屏幕影像坐标变换，实现三维模型的二维显示。OpenGL透视成像与摄影测量的原理是一致的。矩阵相乘的公式为： 

[x y 1]^T＝V·P·M[X Y Z 1]^T                    (1) 

OpenGL函数glFrustum(X₁，X_r，Y_b，Y_t，Z_n，Z_f)实现透视投影变换，其中(X_l，Y_b，Z_n)、(X_r，Y_t，Z_n)分别为视锥体中近裁剪面上的左下角和右上角坐标，Z_n，Z_f分别确定了投影视锥体的近远裁剪面。glFrustum所定义的投影视锥可体现摄影测量的内方位元素。假设摄影底片(CCD)的长宽分别为Lx、Ly，利用等比关系可将内方位元素(焦距f和像主点坐标x₀，y₀)设置到OpenGL的成像函数glFrustum各参数中，从而模拟实际摄像机投影结果，对应关系如公式2。