专利名称：安全系统及用于运行该安全系统的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的安全系统及一种根据权利要求4前序部分的用于运行该安全系统的方法。
背景技术：
这种类型的安全系统通常装备有固定地设置的摄像机。通过这些固定的摄像机探测运动或变化是所述系统用于基于视频技术的安全技术的基本功能。这些产品在此覆盖范围从具有警报输出的监测摄像机直到允许在内容方面搜寻运动目标的数字录像机。此外，探测运动目标在图像序列的分析中是一个基本功能并且由此是例如用于人-机交互的系统(例如姿态控制)或生物统计的系统(例如具有接着的视觉识别的视觉探测)的重要组成部分。
不仅科技文献中所描述的而且市场上流行的用于探测运动目标的系统都暗示地或明示地使用一种摄像机传感器模式，该摄像机传感器模式假设在一个像点中的在时间上的噪声(“像素噪声”)与灰度值不相关。例如在下面的文献中描述了这种类型的系统A.Elgammal，D.Harwood，L.Davis，“Non-Parametric Model forBackground Subtraction”，FRAME-RATE workshop，1999.
K.Toyama，J.Krumm，B.Brumitt and B.Meyers，“WallflowerPrinciples and Practice of Background Maintenance”，ICCV 1999.
A.Elgammal，R.Duraiswami，D.Harwood，L.Davis，“Backgroundand Foreground Modeling Using Nonparametric Kernel DensityEstimation for Video Surveillance”，Proc.of the IEEE，Vol.90，No.7，July2002，pp.1151-1163.
M.Meyer，M.Htter，T.Ohmacht，“A New System for Video-BasedDetection of Moving Objects and its Integration into Digital Networks”，In Proceedings of IEEE Intern.Conference on Security Technology，Lexington，USA，1996，pp.105-110.
T.Aach，A.Kaup，R.Mester.“Change Detection in Image Sequencesusing Gibbs Random FieldsA Bayesian Approach”，Proceedings Intern.Workshop on Intelligent Signal Processing and Communication Systems，Sendai，Japan，Oct.1993，pp.56-61.
与背景技术相应的像素噪声的灰度值不相关性假设尤其在经常使用的具有CCD技术的传感器中未被单义地满足。确切地说，事实上随着像素的噪声方差增大应考虑相应的灰度值。与灰度值不相关的像素噪声的在实际中通常的简化的假设对整个安全系统的工作能力产生消极影响。例如该假设导致如果要在由于传感器噪声发生的灰度值变化与由于检测运动目标发生的灰度值变化之间进行区分，则在传统的安全系统中假定一个相对于灰度值固定的判定阈值。但因为噪声特性在大多数图像传感器中与灰度值相关，所以这导致所述判定阈值对于亮的图像区域被调节得过于敏感，而对于暗的图像区域被调节得过于不敏感。
发明内容
而根据本发明的具有权利要求1的特征的安全系统使得传统的安全系统得到根本改善。通过将判定阈值设计得与灰度值相关，该安全系统不仅可与亮的图像区域而且可与暗的图像区域更好地匹配。这使得该安全系统的敏感度显著提高。通过在确定判定阈值时考虑与灰度值相关的噪声特性，从现在起也可以对仍然在暗的图像区域中的暗的目标进行探测，而不会在此由于亮的图像带中的像素噪声产生错误探测。由此以有利的方式提高了探测精度，而没有引起错误探测率的提高。但尽可能低的错误探测率在安全技术中具有特别重大的意义。
下面参照附图详细描述本发明。附图表示图1与灰度值g相关的噪声值的方差的曲线图；图2CCD摄像机的与灰度值相关的噪声的可视化图；图3包括多个图像的图像序列的图像；图4根据本发明的安全系统的实施例；图5一个流程图；图6另一个流程图。
具体实施例方式
与背景技术相应的像素噪声的灰度值不相关性假设尤其在经常使用的具有CCD技术的传感器中未被单义地满足。确切地说，事实上随着像素的噪声方差增大应考虑相应的灰度值。与灰度值不相关的像素噪声的在实际中通常的简化的假设对整个安全系统的工作能力产生消极影响。例如该假设导致如果要在由于传感器噪声发生的灰度值变化与由于检测运动目标发生的灰度值变化之间进行区分，则在传统的安全系统中假定一个相对于灰度值固定的判定阈值。但因为噪声特性在大多数图像传感器中与灰度值相关，所以这导致所述判定阈值对于亮的图像区域被调节得过于敏感，而对于暗的图像区域被调节得过于不敏感。借助于图1清楚说明了这个事实。在图1中所示的曲线图中呈现出与灰度值g相关的噪声值的方差，如其对于典型的CCD摄像机所测量的那样。从这些测量值可获知，噪声方差随着灰度值g基本上线性地增大。图2中可看到这个效应。在图2中灰度值被编码地示出了像素噪声的方差，该像素噪声通过分析处理静态场景的一个序列(约30个图像)来确定。亮像点在此代表大的噪声方差，暗像点代表小的噪声方差。该图像序列本身在所有图像中都示出相同的图像内容。图3中示出了这个序列的一个单个的图像。
如果噪声方差与灰度值不相关，则图2必然表示一个未被结构化的灰的面。但从该图中可获知，噪声方差与图像序列中的像点的灰度值相关。由于该相关性，图像序列的亮的目标(参见图3)在图2中也显得亮(大的噪声方差)。图2中的黑的面由原始序列中的过调制效应(bersteuerungseffekten)引起，即由一个在一个固定的灰度值上的像点的拥聚(Festklemmen)引起。
一个最佳的判定阈值应与灰度值相关并且在其定性分布(qualitativen Verlauf)方面应与“关于灰度值的噪声方差”曲线的分布相对应，即，阈值对于暗的图像区域应比对于亮像点更小。如果一个传感器具有线性分布的曲线(也参见图1)，判定阈值也必须具有关于灰度值的线性特性。而根据本发明的具有权利要求1的特征的安全系统使得传统的安全系统得到根本改善。在此，本发明基于这样的认识，即，如果判定阈值自适应地与刚刚观测到的像点的灰度值相匹配，则可获得明显更好的结果。通过判定阈值从现在起被设计得与灰度值相关，该安全系统不仅与亮的图像区域而且与暗的图像区域更好地匹配。这使得该安全系统的敏感度显著提高。通过在确定判定阈值时考虑与灰度值相关的噪声特性，从现在起也可以对仍然在暗的图像区域中的暗的目标进行探测，而不会在此由于亮的图像带中的像素噪声产生错误探测。由此以有利的方式提高了探测精度，而没有引起错误探测率的提高。但尽可能低的错误探测率在安全技术中具有特别重大的意义。
下面参照图4和在图5及图6中所示的流程图来描述根据本发明的安全系统100的一个实施例及其运行状态。该安全系统包括两个子系统101和102。第一子系统基本上在第一运行状态期间运行，而第二子系统在第二运行状态期间激活。
安全系统100包括至少一个具有图像传感器4的摄像机3，所述摄像机配置给两个子系统101、102并且在安全系统100的两个运行状态中都激活，另外，安全系统100包括多个功能模块1、6、8、9、15，这些功能模块在电路方面或至少在功能方面与摄像机3连接。除摄像机3之外，子系统101还包括一个具有光源的功能模块1。该光源的亮度可与时间相关地进行控制。另外，子系统101还包括一个功能模块6，用于显示来自摄像机3的图像传感器4的输出信号的一个数字图像序列。最后，子系统101包括一个功能模块8，用于显示来自该数字图像序列的作为灰度值的函数的噪声方差。除具有图像传感器4的摄像机3之外，子系统102还包括一个功能模块13，该功能模块本身由两个功能模块13a、13b组成。功能模块13a用于从摄像机3的图像传感器4的输出信号计算或估计灰度值方差。功能模块13b可实现与一个阈值的比较。另外，安全系统100还包括一个存储器装置9，两个子系统在该存储器装置上进行存取。
在该安全系统100中可区分两个运行状态，下面先后探讨这些运行状态。在第一运行状态中，安全系统100的初始化以脱机运行方式进行(图5的流程图)。在第二运行状态中，安全系统100以联机运行方式承担其保护任务(图6的流程图)。在安全系统100的第一运行状态中基本上子区域101激活，在第二运行状态中子区域102激活。下面首先描述安全系统100的第一运行状态，该运行状态表示在子区域101中。在初始化阶段期间，通过一个测量系统来确定与设置在摄像机3中的图像传感器4的灰度值相关的噪声方差。为此目的，通过功能模块1提供一个光源，该光源可激励具有图像传感器4的摄像机3。功能模块1中的光源的亮度与时间相关地以小步长提高并且在每次提高之后总是对于一个可预给定的持续时间保持恒定。由此得到在该功能模块中勾画出的用于亮度分布的阶梯曲线。在借助于摄像机3接收由功能模块1产生的光信号(图5中的步骤50)并将摄像机3的图像传感器4的输出信号数字化(图5中的步骤51)之后，在摄像机3完全经过激励后，在功能模块6中存在一个数字图像序列。在功能模块8中对该图像序列的分析处理(图5中的步骤52)获得一个典型的特性曲线，该特性曲线表述图像传感器4的噪声方差，后者作为灰度值g的函数。该典型的特性曲线在说明所使用的图像传感器4的情况下存储在一个存储器装置9中(图5中的步骤53)并且现在可供安全系统100用于当前的运行。尤其是该特性曲线的定性形状构成用于可靠地探测在待监测区域中的目标的一个重要基础。特性曲线的形状用来使特征相应自适应地匹配于与灰度值相关的判定阈值。在本发明的另一个有利构型中，对于具有自动的摄像机调节装置的摄像机，给存储器装置9附加地供给一些数据，这些数据代表对于不同摄像机参数的噪声方差与灰度值的相关性。
在附图的子区域102中示意性地示出了安全系统100的第二运行状态。该系统在当前的运行中如下地工作。就场景内容而言如下地检查一个相应于监测区域的自然场景(摄录场地10)是否由摄像机3摄录的图像的像素由于传感器噪声或由于一个运动的目标而发生变化。在摄录自然场景10(图6中的步骤60)和接着的数字化(图6中的步骤61)之后，存在一个数字图像序列，现在由一个功能模块13根据存在的运动目标例如人、车辆或其它物件对该图像序列进行分析。为此，在一个功能模块13a中首先计算或估计灰度值方差(图6中步骤62)。所述文献中描述的方法从在时间上前后相继的图像首先计算或估计用于每个像点的灰度值方差，该灰度值方差由一个可归因于像素噪声的分量和一个可归因于场景中的运动的分量相加构成。如果一个像素存在不与像素的噪声模式相匹配的显著变化，则借助于在功能模块13b中的一次阈值判定来判定(图6中的步骤63)存在一个运动的目标。阈值在根据本发明的方法中不是如迄今通常的那样对于所有的灰度值都预给定得相同，而是自适应地借助于在功能模块8中求出的并且与存储在存储器装置9中的传感器特性曲线匹配。
在另一个步骤(图6中的步骤64)中产生一个掩码，以便作为分段化结果15标记监测区域中的运动。在此可明显看到前景中右侧的人。
如上所述，有意义的是，在初始化阶段期间将关于传感器4的运行状态的数据以及摄像机参数例如增益传送给确定噪声特性曲线的功能模块8，以便考虑与灰度值相关的噪声特征的可能的变化。因此例如可使图像传感器4的放大器噪声在照明弱的情况下与在一个图像元素中的噪声重叠并且由此可改变噪声的灰度值相关性。为了即使在当前的运行中也可利用该选择，图像传感器4的运行状态必须被传送给用于阈值判定的功能模块13b。
因此，本发明的重要核心部分是将一种自适应的与灰度值相关的阈值判定用于目标探测。通过该措施来显著提高了这种类型的安全系统的工作能力和识别精度。阈值在此符合目的地作为灰度值和摄像机参数的函数以特性曲线的形式被事先测量并且存储在一个存储器装置9中。
权利要求
1.安全系统(100)，具有一个用于摄录目标的摄像机(3)，其中，该安全系统(100)包括至少一个子系统(101、102)，其特征在于第一子系统(101)包括一个具有一个在其亮度方面可控制的光源的第一功能模块(1)、一个用于由该摄像机(3)的摄录结果来产生一个数字图像序列的第二功能模块(6)以及一个用于从该数字图像序列导出作为灰度值的函数的噪声方差的第三功能模块(8)。
2.根据权利要求1的安全系统，其特征在于该安全系统(100)包括一个存储器装置(9)，作为灰度值的函数的噪声方差的函数值可存储在该存储器装置中。
3.根据上述权利要求之一的安全系统，其特征在于第二子系统(102)包括一个用于将一个由该摄像机的摄录结果导出的灰度值方差与一个可预给定的阈值进行比较的功能模块(13)。
4.用于运行一个安全系统(100)的方法，该安全系统包括一个用于摄录目标的摄像机，其特征在于该方法包括一个第一运行状态(初始化阶段)和一个第二运行状态(运行阶段)。
5.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于在该安全系统(100)的第一运行状态中，根据一个设置在该摄像机(3)中的图像传感器(4)的灰度值求出噪声方差并且将其存储在一个存储器装置(9)中。
6.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于为了求出与灰度值相关的噪声方差，对包括该图像传感器(4)的摄像机(3)施以一个光源的辐射。
7.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于该光源被这样控制，使得该光源的亮度与时间相关地以小步长提高并且然后在每次提高之后对于一个可预给定的持续时间保持恒定，由此形成一种用于该光源的亮度与时间的函数的相关性的阶梯曲线。
8.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于该分级地在其亮度方面变化的光源由该摄像机(3)摄录；该摄像机(3)的图像传感器(4)将这些摄录结果转换成一个数字图像序列；并且从该图像序列导出一个描述与灰度值相关的噪声方差的、函数的关系并且将该关系存储在该存储器装置(9)中。
9.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于在该安全系统(100)的第二运行状态中，通过该摄像机(3)摄录待保护区域的一些图像并且检查这些图像在待保护区域中是否存在运动的目标。
10.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于在此从待保护区域的在时间上前后相继的摄录结果来求出用于至少所选出的像点的灰度值方差；在确定有偏差时，与一个阈值进行比较，其中，根据灰度值可变地预给定该阈值。
11.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于从存储在该存储器装置(9)中的值读出该可变的阈值。
12.根据上述权利要求之一的方法，其特征在于对于该摄像机(3)的不同参数求出噪声方差与灰度值的相关性并且作为函数值存储在该存储器装置(9)中。
全文摘要
本发明涉及一种安全系统100，它具有一个用于摄录目标的摄像机3。从该摄像机3的在时间上前后相继的摄录结果导出的像点的灰度方差，该灰度方差与一个与灰度值相关的阈值相比较。由此改善了该安全系统100的识别精度。
文档编号G08B15/00GK1942909SQ200580011427
公开日2007年4月4日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年4月16日
发明者沃尔夫冈·尼曼, 斯特凡·米勒－施奈德斯 申请人:罗伯特·博世有限公司