一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，涉及视频监控【技术领域】。该方法包括下列步骤：监控场景的建模；监控要求的建模；通过优化算法得出最优的摄像机布局方案。本发明所述的方法通过对整个摄像机的布局优化问题建立数学模型，将多摄像机的布局优化问题转化为线性规划问题，其能够在存在多个约束条件的情况下，自动地求解出满足监控要求的最优摄像机布局方案。本发明提出的方法在保证设计效果的同时可简化设计步骤，节约设计时间，为面向大场景监控的摄像机布局优化提供科学依据。
【专利说明】一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于视频监控【技术领域】，特别是涉及一种面向大场景监控的摄像机布局优 化方法。
【背景技术】
[0002] 随着"平安城市"、"3111工程"和"天网工程"等项目在各个城市的有序展开，安全 防范工作受到越来越多的关注，视频监控系统作为安防工作的重要组成部分，被广泛的应 用于金融、交通、公共安全等领域，成为打击犯罪，反恐防暴的有力武器。其中各种大型体育 场馆、机场、车站、展览中心等人流密集的大型场所作为安防的重点区域，不可避免的需要 安装大量的监控摄像机，作为打击犯罪、保护人民财产安全、维护社会治安的有效手段。而 面向此类大场景的视频监控系统的设计往往需要存在大规模、高覆盖率、多视角等监控要 求。
[0003] 当前，面向大场景视频监控的多摄像机的空间布局规划问题进行的深入研究还比 较少，现有的布局规划方式大多数是由工程设计人员凭借经验或者简单的量测、估算来进 行布局配置，这种设计方式较为粗糙，很难综合考虑实际应用中遇到的环境复杂性、自遮挡 和互遮挡、成本控制等问题，故难以得到最优的布局方案。这就给面向大场景下大规模、高 覆盖率、多视角的视频监控系统的设计、应用及推广带来了很多的困难，同时还会增加系统 的复杂度以及相关的建设和维护费用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种面向大场景监控的摄像机优化布局方法。本发明方法 能够克服现有布局方法中主要依靠人工经验，缺乏全局考虑等缺点，可应对大场景监控中 不同区域的多种监控要求，同时还可兼顾考虑设计成本问题，可为大场景下监控摄像机的 布局优化提供科学依据。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种监控摄像机的布局优化方法，具体包括以下 步骤：
[0006] A?监控场景的建模；
[0007] B?监控要求的建模；
[0008] C.通过优化算法得出最优的摄像机布局方案。
[0009] 所述的步骤A还进一步包括：
[0010] A1.环境的建模；
[0011] A2.监控对象的建模；
[0012] A3.监控摄像机的建模；
[0013] A4.遮挡情况和可见条件的建模。
[0014] 所述的环境建模，是指对被监控的空间进行建模，包括：对监控空间中监控区域的 设定，摄像机可安置区域的设定，空间中的障碍物的建模。其中，监控区域可根据需求设定 不同的权值，进行重要程度的划分；摄像机可安置区域，可根据设计要求设置在固定的点位 或者某些区域；空间中障碍物被定义为可阻碍摄像机视线的物体。
[0015] 所述的监控对象的建模，是指对监控对象的位置、朝向、可视面进行建模。
[0016] 所述的监控摄像机的建模，是指对摄像机的所在位置、姿态进行建模；根据设计目 标的不同和摄像机型号参数的不同，确定摄像机的可视区域F0V;确定摄像机的成本。
[0017] 所述的遮挡情况包括自遮挡和互遮挡，其中自遮挡是指被监控对象自身造成的遮 挡，即需要监控的方向没有满足可视条件。
[0018] 所述的互遮挡，是指监控摄像机到监控对象的视线方向上存在障碍物或场景边界 的遮挡，导致摄像机不能观察到监控对象。
[0019] 所述的可见的条件，是评判监控对象对于摄像机是否可见的标准，具体是指被监 控对象在监控摄像机中必须满足的一定的成像条件，如：监控对象在摄像机中的成像必须 超过一定数量的像素；监控对象必须被一定数量以上的摄像机监控到。
[0020] 所述的步骤B还进一步包括：
[0021] B1.设计目标的建模；
[0022] B2?约束条件的建模。
[0023] 所述的设计目标，是指整个布局设计的目标函数，可以是：实现监控覆盖率最大 化，使得设计成本最低，或者根据实际需要定制。
[0024] 所述的约束条件，是指设计中必须满足的限制条件，如：必须达到某一覆盖率要 求，成本不得高于某一限制，覆盖条件限制，摄像机的型号、数量限制或根据实际需要定 制；
[0025] 所述的设计目标和约束条件的区别在于：设计目标是对整个设计方案的优劣进行 评价的标准，是最终期望达到的目标；约束条件是设计过程中必须满足的限制条件。
[0026] 所述的步骤C还进一步包括：
[0027] C1.读取监控场景的模型，对摄监控对象可能出现的区域和摄像机可安置区域进 行离散化；
[0028] C2.读取离散化后的摄像机可安置位置集和监控对象集；
[0029] C3.读取设计目标和约束条件；
[0030] C4.通过优化搜索算法得出满足约束条件和设计目标解
[0031] 其中，所述的对监控对象的可能出现的区域进行离散化，是指对监控区域中监控 对象可能出现的位置，可能的朝向进行离散化处理，得到一个集合。所述的对摄像机可安置 区域的离散化，是指对监控摄像机可安置的区域进行离散化处理，得到一个集合。
[0032] 本发明的有益效果在于：
[0033] 本发明可以直观快速的得到面向大场景监控的多个摄像机的布局优化方案，简化 了设计步骤，节约了设计时间；可针对大场景中不同监控区域监控设计要求不同的情况做 出灵活的调整，具备一定的通用性。本发明能综合考虑多种约束条件，得出最优的布局方 案，为实际应用中面向大场景监控的摄像机的布局优化提供科学依据，具有广泛的应用前 旦 -5^ 〇
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1监控场景示意图；
[0035] 图2监控摄像机可视区域F0V的表示方法；
[0036] 图3遮挡和可见条件示意图；
[0037] 图4本发明【具体实施方式】中的贪心算法的流程图；
[0038] 图5本发明一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法的流程图。
[0039] 具体实施方法
[0040] 为了更好的展示本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及具体实施方案 对本发明的一种大场景下的监控摄像机优化布局方法进行进一步的详细说明。应当理解， 此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041] 本发明中的设计目标，是用来对目标布局的优劣进行评价的，是布局优化问题的 目标函数，而对约束条件的建模包括对最终布局必须达到的如覆盖率水平、成本限制、摄像 机数量、参数限制等进行数值化描述，以便于通过算法在计算机中得出最优的布局。本发明 提供了一些具体约束条件的描述方法，实际应用中可根据设计需求进行选择或更改参数。 例如，如果想在大型场馆的目标区域，以规定数量和型号的摄像机进行合理布局，使得监控 区域能以最小的成本达到某一覆盖率的需求，应用本发明提出的方法可根据这一描述，建 立相应的模型，通过优化算法得到所需要的最优布局。
[0042] 下面详细描述本发明的监控摄像机布局优化方法：
[0043] 本发明采用基于几何计算和线性规划相结合的方法来为面向大场景监控的多摄 像机布局优化问题建立线性规划模型。首先是对整个监控场景的建模，然后对实际的设计 目标和约束条件分别进行建模，最后通过优化算法得出最优解。
[0044] 本发明的监控摄像机最优布局问题，是在多个约束条件下的目标优化问题，即摄 像机的数量、型号、位置、姿态的优化配置问题。
[0045] 第一步，监控场景的建模。
[0046] 如图1(a)所示监控场景可以分为环境、监控对象、摄像机。
[0047] 图1(b)中的空白区域即监控区域，其中黑色的区域是障碍物或墙体，障碍物被定 义为具有一定高度的柱体。其中监控对象P的位置可表示为三维空间中的坐标（x，y，z)。 摄像机C的位置可以表示为（x，y，z)，摄像机的姿态可表示为偏角中或三维方向角（pitch， roll, yaw)〇
[0048] 图1(c)中灰色区域即监控对象可能出现的区域，其中颜色更深的灰色区域是人 为设定的重要监控区域，可通过设定更高的采样权值来表示。
[0049] 图1 (d)中的靠近墙体和障碍物的灰色区域是摄像机可安置的区域。
[0050] 如图2所示，三角区域代表摄像机的可视区域F0V，其形状大小主要由摄像机的参 数、姿态和人为设定的最低监控分辨率约束条件决定。如图2(a)_(c)所示，为了方便统一 建模，需要对摄像机的可视区域F0V进行旋转平移处理。
[0051] 假设摄像机的平面坐标为（cx，Cy)，并且摄像机的偏角史已知，则可令
【权利要求】
1. 一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于，包括： A. 监控场景的建模； B. 监控要求的建模； C. 通过优化算法得出最优的摄像机布局方案。
2. 根据权利要求1所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的步骤A还进一步包括： A1.环境的建模； A2.监控对象的建模； A3.监控摄像机的建模； A4.遮挡情况和可见条件的建模。
3. 根据权利要求2所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的环境建模，是指对被监控的空间进行建模，包括：对监控空间中监控区域的设定，摄 像机可安置区域的设定，空间中的障碍物的建模；其中，监控区域可根据需求设定不同的权 值，进行重要程度的划分；摄像机可安置区域，可根据设计要求设置在固定的点位或者某些 区域；空间中障碍物被定义为可阻碍摄像机视线的物体。
4. 根据权利要求2所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的监控对象的建模，是指对监控对象的位置、朝向、可视面进行建模。
5. 根据权利要求2所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的监控摄像机的建模，是指对摄像机的所在位置、姿态进行建模；根据设计目标的不同 和摄像机型号参数的不同，确定摄像机的可视区域FOV ;确定摄像机的成本。
6. 根据权利要求2所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的遮挡情况包括自遮挡和互遮挡，其中自遮挡是指被监控对象自身造成的遮挡，即需 要监控的方向没有满足可视条件；互遮挡是指监控摄像机到监控对象的视线方向上存在障 碍物或场景边界的遮挡，导致摄像机不能观察到监控对象。
7. 根据权利要求1所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的监控要求的建模还进一步包括： B1.设计目标的建模； B2.约束条件的建模。
8. 根据权利要求8所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的设计目标，是指整个布局设计的目标函数，是对整个设计方案的优劣进行评价的标 准，包括：实现监控覆盖率最大化，使得设计成本最低。
9. 根据权利要求8所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的约束条件，是指设计中必须满足的限制条件，包括：必须达到某一覆盖率要求，成本 不得高于某一限制，覆盖条件限制，摄像机的型号、数量限制或根据实际需要定制。
10. 根据权利要求1所述的一种面向大场景监控的摄像机布局优化方法，其特征在于， 所述的通过优化算法得出最优的摄像机布局方案还进一步包括： C1.读取监控场景的模型，对摄监控对象可能出现的区域和摄像机可安置区域进行离 散化； C2.读取离散化后的摄像机可安置位置集和监控对象集； C3.读取设计目标和约束条件； C4.通过优化搜索算法得出满足约束条件和设计目标解。
【文档编号】H04N5/247GK104469322SQ201410815008
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】尹宏鹏, 柴毅, 蒋玮, 张坤 申请人:重庆大学