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CN104639916A - 一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统及其监控方法 - Google Patents

一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统及其监控方法 Download PDF

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郑远见
张勇挥
曾啸天
朱桂庭
卫东峰
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Abstract

本发明涉及一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,包括大场景摄像子系统和目标跟踪摄像子系统,所述大场景摄像子系统采用用于拍摄大场景视域内视频的高点定焦摄像机,所述目标跟踪摄像子系统采用一个或多个用于跟踪拍摄大场景视域内运动目标的局部视频的PTZ摄像机,大场景摄像子系统的输出端与目标跟踪摄像子系统的输入端相连。本发明还公开了一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法。本发明有效实现了大场景摄像子系统与目标跟踪摄像子系统之间的精确互动与控制,根据预设的优先级顺序指定相应的PTZ摄像机进行移动拍摄,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机成像的中心位置,降低了系统的复杂性,大大提高监控系统的图像质量和目标跟踪的可靠性。

Description

一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统及其监控方法
技术领域
本发明涉及视频监控技术领域,尤其是一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统及其监控方法。
背景技术
在视频监控的应用中,有些情况下,例如在广场、车站等公共场所,需要对较大场景范围的目标进行视频监控。由于普通定焦摄像机的视角有限,通常采用广角摄像机来覆盖较大的场景,在使用中存在着目标物体的分辨率较低的缺陷,很难看清楚目标物体的细节,且图像失真非常严重。
现有的解决方案之一是使用较多数量的定焦摄像机来覆盖一个大场景,将这些摄像机拍摄的画面进行拼接,这种解决方案的缺点是需要增加摄像机,使设备成本、安装成本大为增加。
另一种可行的解决方案是利用几个可以在水平方向和垂直方向旋转的变焦摄像机,简称PTZ摄像机,俗称球机,来实现大场景的监控。其中一种方式是人工操作PTZ摄像机的旋转和变焦,对大场景进行扫描,但是这一方式工作量太大,很容易遗漏重要的目标信息;另一种方式,是在无人值守的情况下,让PTZ摄像机按照预设的轨迹扫描大场景,在每个预定的位置停留一定时间后转向下一位置,在这种方式下,因为PTZ摄像机只能沿着预设的轨迹运动,因此有些物体可能完全避开PTZ摄像机的监控。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够大大提高监控系统的图像质量和目标跟踪的可靠性的大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统。
为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,包括大场景摄像子系统和目标跟踪摄像子系统,所述大场景摄像子系统采用用于拍摄大场景视域内视频的高点定焦摄像机,所述目标跟踪摄像子系统采用一个或多个用于跟踪拍摄大场景视域内运动目标的局部视频的PTZ 摄像机,大场景摄像子系统的输出端与目标跟踪摄像子系统的输入端相连。
所述大场景摄像子系统还包括大场景视频采集模块、图像拼接模块、大场景视频存储模块和目标选择模块,所述高点定焦摄像机的输出端通过图像拼接模块与大场景视频采集模块的输入端相连,大场景视频采集模块的输出端分别与大场景视频存储模块、目标选择模块的输入端相连;所述目标跟踪摄像子系统还包括目标排队模块、PTZ控制模块、目标定位模块和目标视频存储模块,所述目标选择模块的输出端与目标排队模块的输入端相连,目标排队模块的输出端与PTZ控制模块的输入端相连,PTZ控制模块的输出端与一个或多个PTZ 摄像机的输入端相连,一个或多个PTZ 摄像机的输出端与目标定位模块的输入端相连,目标定位模块的输出端分别与PTZ控制模块、目标视频存储模块的输入端相连。
所述高点定焦摄像机由多个定焦摄像机组成。
所述PTZ 摄像机的安装方式采用平行扩展模式或者广角扩展模式,所述平行扩展模式是指,相隔一段水平距离安装一个PTZ 摄像机,同时保证两相邻PTZ摄像机的视野有一定的重叠区域;所述广角扩展模式是指,各个PTZ摄像机围绕着一个公共的轴心,以不同的视角方向安装,同时保证两相邻PTZ摄像机的视野有一定角度的重叠。
所述广角扩展模式为360度全景视频监控模式,该模式由3~6个PTZ摄像机组成。
本发明的另一目的在于提供一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)大场景视频采集模块采集高点定焦摄像机拍摄的大场景视域内的视频信息,并将其传输至目标选择模块;
(2)目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,并将待跟踪目标及其初始位置坐标发送至目标排队模块;
(3)目标排队模块按照预设的优先级顺序指定PTZ摄像机,PTZ控制模块接收待跟踪目标的初始位置坐标并将其转换为PTZ定位控制参数,按照该参数驱动指定的PTZ摄像机移动,使目标处于PTZ摄像机成像的中心位置;
(4)目标定位模块通过粒子滤波目标跟踪算法获得目标在PTZ摄像机中的位置坐标,并将其转换为PTZ定位控制参数,PTZ控制模块向指定的PTZ摄像机发送PTZ定位控制参数,驱动PTZ摄像机移动,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机成像的中心位置。
所述预设的优先级顺序包括:与人为指定的目标具有较高相似度的运动目标拥有较高优先级,优先进行跟踪;指定某一类别的目标具有较高优先级,优先进行跟踪。
在初始定位时,由目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,接着PTZ控制模块根据该初始位置坐标计算出PTZ摄像机的PTZ定位控制参数:位置P、仰角T和缩放分辨率Z,驱动PTZ摄像机移动,使目标处于PTZ摄像机成像的中心位置;随后,PTZ控制模块的控制参数改由目标在PTZ摄像机中局部视频的位置提供,即由目标定位模块根据目标位置转换为被跟踪目标的PTZ定位控制参数,其中P由目标在局部视频中的运动速度来确定,T由目标在局部视频中的上下位置来确定,Z由目标在局部视频中的大小来确定。
在采用多个高点定焦摄像机的情况下,图像拼接模块通过图像拼接算法将各个高点定焦摄像机拍摄的多个具有重叠区域的视频拼接为一个具有较高清晰度的完整视频,所述的图像拼接算法为:首先从两相邻的高点定焦摄像机拍摄的部分重叠的图像中提取重叠部分的特征点,然后使用最近邻查询算法查找初始匹配对,并用随机一致性采样法剔除误匹配的点对,以实现特征点对的精确匹配,最后根据匹配成功的特殊点对实现两个图像的平滑拼接。
由上述技术方案可知,本发明有效实现了大场景摄像子系统与目标跟踪摄像子系统之间的精确互动与控制,在降低系统通信量的同时提高了系统的性能;本发明实现了对目标的实时跟踪拍摄,通过坐标定标以实现精确跟踪拍摄的自动定位;同时根据预设的优先级顺序指定相应的PTZ摄像机进行移动拍摄,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机成像的中心位置,优化了目标的提取和跟踪方式,实现对硬件资源的充分利用,降低了系统的复杂性,大大提高监控系统的图像质量和目标跟踪的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图;
图 2 为本发明中PTZ摄像机采用平行扩展模式的拍摄示意图;
图 3为本发明中PTZ摄像机采用广角扩展模式的拍摄示意图;
图 4 为本发明中360度全景视频监控模式的拍摄示意图。
具体实施方式
一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,包括大场景摄像子系统1和目标跟踪摄像子系统2,所述大场景摄像子系统1采用用于拍摄大场景视域内视频的高点定焦摄像机,所述目标跟踪摄像子系统2采用一个或多个用于跟踪拍摄大场景视域内运动目标的局部视频的PTZ摄像机3,大场景摄像子系统1的输出端与目标跟踪摄像子系统2的输入端相连,如图1所示。
如图1所示,所述大场景摄像子系统1还包括大场景视频采集模块、图像拼接模块、大场景视频存储模块和目标选择模块,所述高点定焦摄像机的输出端通过图像拼接模块与大场景视频采集模块的输入端相连,大场景视频采集模块的输出端分别与大场景视频存储模块、目标选择模块的输入端相连;所述目标跟踪摄像子系统2还包括目标排队模块、PTZ控制模块、目标定位模块和目标视频存储模块,所述目标选择模块的输出端与目标排队模块的输入端相连,目标排队模块的输出端与PTZ控制模块的输入端相连,PTZ控制模块的输出端分别与一个或多个PTZ摄像机3的输入端相连,一个或多个PTZ摄像机3的输出端与目标定位模块的输入端相连,目标定位模块的输出端与PTZ控制模块、目标视频存储模块的输入端相连。所述目标选择模块可选择一个或多个感兴趣的待跟踪目标,还可以记录所述感兴趣目标在过去任意时刻的位置和速度,也可以预测所述感兴趣目标在将来某一时刻的位置和速度。
所述高点定焦摄像机由多个定焦摄像机组成;高点定焦摄像机可以由多个定焦摄像机构成,将多个具有重叠区域的视频拼接为一个具有较高清晰度的完整视频,以获取高清晰、低失真的大场景视频。
根据摄像机的安装位置不同,可以有多种扩展模式。可以对大场景摄像系统包含的高点定焦摄像机数量及安装位置进行扩展,使其适应不同的监控环境,还可以对目标跟踪摄像子系统2包含的PTZ摄像机3的数量及安装位置进行扩展,使其适应不同的监控目标。
所述PTZ摄像机3的安装方式采用平行扩展模式或者广角扩展模式,所述平行扩展模式是指,相隔一段水平距离安装一个PTZ摄像机3,同时保证两相邻PTZ摄像机3的视野有一定的重叠区域,如图2所示,通过图像拼接算法实现场景的扩展;这种模式的好处是场景的扩展简便,可以通过增加摄像机的数量来实现,在公路、机场跑道等场合下的视频监控,需要对场景进行平行扩展。所述广角扩展模式是指,各个PTZ摄像机3围绕着一个公共的轴心,以不同的视角方向安装,同时保证两相邻PTZ摄像机3的视野有一定角度的重叠,如图3所示,通过图像拼接算法实现场景的扩展,扩展后的摄像机组合视角扩大,相当于一个广角摄像机,但其图像清晰度大大高于普通的广角摄像机,且图像的失真度很小。所述广角扩展模式为360度全景视频监控模式,该模式由3~6个PTZ摄像机3组成,如图4所示,成为一个具有全景摄像能力的视频监控系统,以应用于需要进行全景监控的场所,例如车站、广场等,其优点是图像分辨率高、图像失真度低。
本方法包括:(1)大场景视频采集模块采集高点定焦摄像机拍摄的大场景视域内的视频信息,并将其传输至目标选择模块;(2)目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,并将待跟踪目标及其初始位置坐标发送至目标排队模块;(3)目标排队模块按照预设的优先级顺序指定PTZ摄像机3,PTZ控制模块接收待跟踪目标的初始位置坐标并将其转换为PTZ定位控制参数,按照该参数驱动指定的PTZ摄像机3移动,使目标处于PTZ摄像机3成像的中心位置;(4)目标定位模块通过粒子滤波目标跟踪算法获得目标在PTZ摄像机3中的位置坐标,并将其转换为PTZ定位控制参数,PTZ控制模块向指定的PTZ摄像机3发送PTZ定位控制参数,驱动PTZ摄像机3移动,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机3成像的中心位置。
所述预设的优先级顺序包括:与人为指定的目标具有较高相似度的运动目标拥有较高优先级,优先进行跟踪;指定某一类别的目标具有较高优先级,优先进行跟踪。
在初始定位时,由目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,接着PTZ控制模块根据该初始位置坐标计算出PTZ摄像机3的PTZ定位控制参数:位置P、仰角T和缩放分辨率Z,驱动PTZ摄像机3移动,使目标处于PTZ摄像机3成像的中心位置;随后,PTZ控制模块的控制参数改由目标在PTZ摄像机3中局部视频的位置提供,即由目标定位模块根据目标位置转换为被跟踪目标的PTZ定位控制参数,其中P由目标在局部视频中的运动速度来确定,T由目标在局部视频中的上下位置来确定,Z由目标在局部视频中的大小来确定。完成了被跟踪目标的初始定位后,目标跟踪摄像子系统2无需与大场景摄像子系统1进行交互就能独立进行目标的后续跟踪。
当大场景摄像子系统1所选择的一个高点定焦摄像机所获得的视频清晰度及视域达不到实际要求时,可以将其替换为由多个高点定焦摄像机构成的高清晰度的大场景摄像系统,其方法是将由各摄像机拍摄的多个具有重叠区域的视频拼接为一个具有较高清晰度的完整视频,以获取高清晰、低失真的大场景视频。所采用的图像拼接算法可以采用任何主流的图像拼接算法,这里为了获得更好的拼接效果和运行速度,对现有的sift图像拼接算法进行了改进,在采用多个高点定焦摄像机的情况下,图像拼接模块通过图像拼接算法将各个高点定焦摄像机拍摄的多个具有重叠区域的视频拼接为一个具有较高清晰度的完整视频,所述的图像拼接算法为:首先从两相邻的高点定焦摄像机拍摄的部分重叠的图像中提取重叠部分的特征点,然后使用BBF(Best Bin First)最近邻查询算法查找初始匹配对,并用RANSAC(RANdom SAmple Consensus)随机一致性采样法剔除误匹配的点对,以实现特征点对的精确匹配,最后根据匹配成功的特殊点对实现两个图像的平滑拼接。
综上所述,本发明有效实现了大场景摄像子系统1与目标跟踪摄像子系统2之间的精确互动与控制,在降低系统通信量的同时提高了系统的性能;本发明实现了对目标的实时跟踪拍摄,通过坐标定标以实现精确跟踪拍摄的自动定位;同时根据预设的优先级顺序指定相应的PTZ摄像机3进行移动拍摄,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机3成像的中心位置,优化了目标的提取和跟踪方式,实现对硬件资源的充分利用,降低了系统的复杂性,大大提高监控系统的图像质量和目标跟踪的可靠性。

Claims (9)

1.一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,其特征在于:包括大场景摄像子系统和目标跟踪摄像子系统,所述大场景摄像子系统采用用于拍摄大场景视域内视频的高点定焦摄像机,所述目标跟踪摄像子系统采用一个或多个用于跟踪拍摄大场景视域内运动目标的局部视频的PTZ 摄像机,大场景摄像子系统的输出端与目标跟踪摄像子系统的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,其特征在于:所述大场景摄像子系统还包括大场景视频采集模块、图像拼接模块、大场景视频存储模块和目标选择模块,所述高点定焦摄像机的输出端通过图像拼接模块与大场景视频采集模块的输入端相连,大场景视频采集模块的输出端分别与大场景视频存储模块、目标选择模块的输入端相连;所述目标跟踪摄像子系统还包括目标排队模块、PTZ控制模块、目标定位模块和目标视频存储模块,所述目标选择模块的输出端与目标排队模块的输入端相连,目标排队模块的输出端与PTZ控制模块的输入端相连,PTZ控制模块的输出端与一个或多个PTZ 摄像机的输入端相连,一个或多个PTZ 摄像机的输出端与目标定位模块的输入端相连,目标定位模块的输出端分别与PTZ控制模块、目标视频存储模块的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,其特征在于:所述高点定焦摄像机由多个定焦摄像机组成。
4.根据权利要求1所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,其特征在于:所述PTZ 摄像机的安装方式采用平行扩展模式或者广角扩展模式,所述平行扩展模式是指,相隔一段水平距离安装一个PTZ 摄像机,同时保证两相邻PTZ摄像机的视野有一定的重叠区域;所述广角扩展模式是指,各个PTZ摄像机围绕着一个公共的轴心,以不同的视角方向安装,同时保证两相邻PTZ摄像机的视野有一定角度的重叠。
5.根据权利要求4所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控系统,其特征在于:所述广角扩展模式为360度全景视频监控模式,该模式由3~6个PTZ摄像机组成。
6.一种大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法,该方法包括下列顺序的步骤:
(1)大场景视频采集模块采集高点定焦摄像机拍摄的大场景视域内的视频信息,并将其传输至目标选择模块;
(2)目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,并将待跟踪目标及其初始位置坐标发送至目标排队模块;
(3)目标排队模块按照预设的优先级顺序指定PTZ摄像机,PTZ控制模块接收待跟踪目标的初始位置坐标并将其转换为PTZ定位控制参数,按照该参数驱动指定的PTZ摄像机移动,使目标处于PTZ摄像机成像的中心位置;
(4)目标定位模块通过粒子滤波目标跟踪算法获得目标在PTZ摄像机中的位置坐标,并将其转换为PTZ定位控制参数,PTZ控制模块向指定的PTZ摄像机发送PTZ定位控制参数,驱动PTZ摄像机移动,使被跟踪目标始终位于PTZ摄像机成像的中心位置。
7.根据权利要求6所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法,其特征在于:所述预设的优先级顺序包括:与人为指定的目标具有较高相似度的运动目标拥有较高优先级,优先进行跟踪;指定某一类别的目标具有较高优先级,优先进行跟踪。
8.根据权利要求6所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法,其特征在于:在初始定位时,由目标选择模块在大场景视频中发现并选择待跟踪目标,并获取待跟踪目标的初始位置坐标,接着PTZ控制模块根据该初始位置坐标计算出PTZ摄像机的PTZ定位控制参数:位置P、仰角T和缩放分辨率Z,驱动PTZ摄像机移动,使目标处于PTZ摄像机成像的中心位置;随后,PTZ控制模块的控制参数改由目标在PTZ摄像机中局部视频的位置提供,即由目标定位模块根据目标位置转换为被跟踪目标的PTZ定位控制参数,其中P由目标在局部视频中的运动速度来确定,T由目标在局部视频中的上下位置来确定,Z由目标在局部视频中的大小来确定。
9.根据权利要求6所述的大场景多目标跟踪拍摄视频监控方法,其特征在于:在采用多个高点定焦摄像机的情况下,图像拼接模块通过图像拼接算法将各个高点定焦摄像机拍摄的多个具有重叠区域的视频拼接为一个具有较高清晰度的完整视频,所述的图像拼接算法为:首先从两相邻的高点定焦摄像机拍摄的部分重叠的图像中提取重叠部分的特征点,然后使用最近邻查询算法查找初始匹配对,并用随机一致性采样法剔除误匹配的点对,以实现特征点对的精确匹配,最后根据匹配成功的特殊点对实现两个图像的平滑拼接。
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