羅松飛 劉康康

摘要：3D GIS環(huán)境下攝像頭智能布控是以校園三維數(shù)字地圖為基礎(chǔ)，結(jié)合攝像頭監(jiān)控模型，定義最大有效監(jiān)控區(qū)域，再根據(jù)選定的待監(jiān)控區(qū)域，反向計算出監(jiān)控攝像頭布控點(diǎn)位，最終實(shí)現(xiàn)校園室外監(jiān)控攝像頭的智能布控。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字地圖 最大有效監(jiān)控區(qū)域 智能布控

1、引言

自20世紀(jì)70年代視頻監(jiān)控進(jìn)入中國市場以來，視頻監(jiān)控技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，在安防領(lǐng)域里的應(yīng)用也日益廣泛和深入。但是，隨之而來也有很多技術(shù)問題，比如就目前企事業(yè)單位、學(xué)校、小區(qū)在安裝視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)時，工作人員往往是憑借固有經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合簡單量測決定攝像頭的安裝位置、高度、監(jiān)控方向、俯仰角度等參數(shù)，這種方式存在著不足之處：第一，僅依靠經(jīng)驗(yàn)和簡單量測決定攝像頭的安裝參數(shù)，很難保證安裝之后是否符合監(jiān)控需求，如果不符合需求，還需要拆掉重裝，耗時費(fèi)力;第二、在節(jié)約成本上，難以做到以最少的監(jiān)控點(diǎn)覆蓋所需要的監(jiān)控區(qū)域，因此近些年如何實(shí)現(xiàn)攝像頭的最優(yōu)布局成為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)。

本文以3D GIS為基礎(chǔ)制作三維數(shù)字校園地圖，分析攝像頭的監(jiān)控模型，以最遠(yuǎn)監(jiān)控距離測算攝像頭的最大有效監(jiān)控區(qū)域，以單個攝像頭最大有效監(jiān)控區(qū)域?yàn)橐劳?，進(jìn)一步計算完成校園全覆蓋監(jiān)控至少需要多少個監(jiān)控點(diǎn)位、單個攝像頭安裝的監(jiān)控方向、俯仰角度，初步確定攝像頭的監(jiān)控布局，再結(jié)合3D GIS可視域分析，對于因建筑物的遮擋而無法監(jiān)控區(qū)域，通過增設(shè)攝像頭完成監(jiān)控區(qū)域全覆蓋。

2、三維地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是一種多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，依托于計算機(jī)科學(xué)、地圖學(xué)等其它學(xué)科，從應(yīng)用角度來說，它是將真實(shí)世界中的空間信息繪制成電子地圖數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提供相應(yīng)的地圖服務(wù)，比如說百度地圖上的導(dǎo)航功能。3D GIS即是三維地理信息系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)GIS，3D GIS研究對象從二維地圖轉(zhuǎn)變成三維地圖，三維地圖比二維地圖可以提供更佳的可視化效果，在多維度空間分析上也有著絕對的優(yōu)勢，如可視域分析等。結(jié)合3D GIS在空間分析和可視化上的優(yōu)勢，本文以3D數(shù)字校園地圖為基礎(chǔ)，研究如何實(shí)現(xiàn)校園監(jiān)控攝像頭的智能布控。

3 三維數(shù)字校園地圖制作

目前，三維數(shù)字地圖按照數(shù)據(jù)源和制作方法的不同，分為實(shí)景三維數(shù)字地圖和虛擬三維數(shù)字地圖。實(shí)景三維數(shù)字地圖是通過攝影測量的方法準(zhǔn)確獲取地面和物體表面的三維空間坐標(biāo)信息，然后將數(shù)據(jù)輸入相應(yīng)計算機(jī)軟件生成三維數(shù)字模型，再將現(xiàn)實(shí)世界物體的外觀信息貼到3D模型上，最終獲取的三維數(shù)字地圖與真實(shí)環(huán)境非常相似。但是，這種方式獲取的數(shù)據(jù)量大，對硬件的性能要求高，同時設(shè)備比較昂貴，因此制作實(shí)景三維數(shù)字地圖的成本比較高;虛擬三維數(shù)字地圖是以現(xiàn)實(shí)地理信息為基礎(chǔ)，基于WEB GIS和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)。這種方式制作的三維地圖數(shù)據(jù)量小，運(yùn)行速度比較快，技術(shù)門檻低。本文采用實(shí)景三維數(shù)字地圖繪制。

三維數(shù)字地圖制作過程主要分為三個階段：數(shù)據(jù)獲取階段、模型建立階段、地圖繪制階段。首先通過全站儀采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)內(nèi)容包括場地勘查、控制點(diǎn)布設(shè)、控制測量、建筑物特征點(diǎn)測量等;將采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Auto CAD中生成建筑線框圖，然后將生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3dmax中建立三維數(shù)字校園模型;最后通過Supermap插件生成地圖文件。

4、攝像頭監(jiān)控模型

4.1、攝像頭類型

攝像機(jī)的種類有很多，不同類型攝像機(jī)有各自特性，針對下一步需計算獲取攝像頭監(jiān)控模型，這里首先對攝像機(jī)進(jìn)行分類。常見攝像機(jī)按照形態(tài)可分為槍型攝像機(jī)、半球形攝像機(jī)、筒形攝像機(jī)、球形攝像機(jī)等;按照攝像機(jī)鏡頭焦距是否可變，可分為定焦距攝像機(jī)和變焦距攝像機(jī);按照相機(jī)感光器件有效像素數(shù)可分為100萬、200萬、400萬、800萬等像素攝像機(jī)等。本文以定焦距槍型攝像機(jī)為例分析攝像頭監(jiān)控模型。

4.2、攝像頭監(jiān)控模型

決定攝像頭監(jiān)控區(qū)域的因素有很多，可以分為兩類：一類是攝像頭自身參數(shù)，比如攝像頭感光器件（ccd或cmos）的尺寸、攝像頭焦距等;另一類是攝像頭的安裝參數(shù)，比如攝像頭安裝的位置、高度、俯仰角度、水平偏轉(zhuǎn)角度等。根據(jù)攝像頭的安裝參數(shù)和自身參數(shù)繪制攝像頭監(jiān)控模型示意圖，如圖3.1，其中平面ABCD即是攝像頭監(jiān)控的地面區(qū)域;圖3.2 攝像頭監(jiān)控模型在XOY平面投影示意圖;圖3.3 是攝像頭監(jiān)控模型在ZOY平面投影示意圖。

其中A、B、C、D即是攝像頭監(jiān)控區(qū)域的邊界點(diǎn)，獲取A（XA，YA）、B（XB，YB）、C（XC，YC）、D（XD，YD）四點(diǎn)坐標(biāo)即可得知攝像頭監(jiān)控區(qū)域。設(shè)攝像頭空間坐標(biāo)為Camera（x0，y0，z0），俯仰角（攝像頭主光軸與水平面的夾角）為Pθ;攝像頭感光器件的寬為w，高為 h，焦距為f，水平視場角為Hθ，垂直視場角為Wθ，主光軸與Y軸夾角為Rθ。由此可知：

結(jié)合攝影透視規(guī)律，以A點(diǎn)為例，A點(diǎn)坐標(biāo)值為：

同理可獲取B、C、D三點(diǎn)坐標(biāo)值。

5、最大有效監(jiān)控區(qū)域

攝像頭監(jiān)控模型是一個錐體（不考慮景深），錐體與地面的交叉部分是攝像頭監(jiān)控地面的區(qū)域，在攝像頭自身參數(shù)不變情況下，這個區(qū)域的大小隨著攝像頭的安裝高度和水平角度變化而變化。顯然，高度越高、水平角度越小，攝像頭的監(jiān)控區(qū)域越廣，但是這也意味著監(jiān)控距離會變遠(yuǎn)，進(jìn)而會導(dǎo)致遠(yuǎn)處監(jiān)控目標(biāo)在畫面中的清晰度下降，不利于監(jiān)控，因此攝像頭有一個看清物體信息的最遠(yuǎn)監(jiān)控距離。

最大有效監(jiān)控區(qū)域是指在安裝攝像頭時，使攝像頭安裝點(diǎn)位到最遠(yuǎn)監(jiān)控點(diǎn)的距離等于最遠(yuǎn)監(jiān)控距離，此時攝像頭監(jiān)控區(qū)域皆為有效監(jiān)控，此時的監(jiān)控區(qū)域也就是最大有效監(jiān)控區(qū)域。最遠(yuǎn)監(jiān)控距離根據(jù)監(jiān)控要求而不同，本文呢以看清人臉信息為例，能夠看清人臉信息最直接的因素就是有效像素點(diǎn)數(shù)量，普通人臉長度約23cm，根據(jù)實(shí)測和關(guān)于人臉識別的標(biāo)準(zhǔn)要求，清楚識別人臉特征要求臉部長度不少于45個像素點(diǎn)，即每厘米長度至少2個有效像素。結(jié)合攝像頭成像原理和ccd有效像素數(shù)、焦距可計算出能夠看清人臉的最遠(yuǎn)監(jiān)控距離滿足以下條件：

其中pix是指傳感器豎向像素數(shù)，顯然最遠(yuǎn)監(jiān)控距離由攝像頭的內(nèi)部參數(shù)所決定，并且最大有效監(jiān)控區(qū)域由最遠(yuǎn)監(jiān)控距離和安裝高度所決定，因此攝像頭最大有效監(jiān)控面積可寫成

同時最遠(yuǎn)監(jiān)控距離、安裝高度、俯仰角度三者的關(guān)系為：

6、攝像頭智能布控

攝像頭智能布控分為兩個過程：其一就是攝像頭的點(diǎn)位分析，其二是結(jié)合三維GIS可視域分析優(yōu)化攝像頭布局。攝像頭點(diǎn)位分析是指在三維地圖上選取需要監(jiān)控的區(qū)域，計算機(jī)自動獲取全覆蓋當(dāng)前監(jiān)控區(qū)域所需要攝像頭布控的數(shù)量、點(diǎn)位坐標(biāo)值、俯仰角度值、水平角度值;考慮到攝像頭在安裝后存在建筑物遮擋問題，通過可視域分析優(yōu)化安裝參數(shù)。

6.1攝像頭點(diǎn)位分析

攝像頭點(diǎn)位分析是以最大有效監(jiān)控區(qū)域?yàn)橐劳校Y(jié)合攝像頭監(jiān)控模型反向計算出攝像頭布控點(diǎn)位。具體步驟如下：

第一步：選擇需要監(jiān)控的區(qū)域。根據(jù)GIS軟件的面積量測功能，計算出待監(jiān)控區(qū)域面積為S。

第二步：根據(jù)攝像頭自身參數(shù)計算出單個攝像頭的最遠(yuǎn)監(jiān)控距離，選定攝像頭安裝高度H，進(jìn)而獲取當(dāng)前安裝高度下的最大有效監(jiān)控區(qū)域面積，俯仰角。

第三步：以待監(jiān)控區(qū)域S為底，以最大有效監(jiān)控區(qū)域?yàn)榛瑒哟翱?，自S上邊界開始滑動，滑動的橫向步長為的上邊長，豎向步長為的高，直到S區(qū)域全覆蓋為止，同時計算橫向步長數(shù)m和豎向步長數(shù)n，可知全覆蓋S區(qū)域需（m+1）（n+1）個攝像頭。

第四步：計算攝像頭點(diǎn)位坐標(biāo)值。已知攝像頭監(jiān)控區(qū)域的四個頂點(diǎn)坐標(biāo)值，以及安裝高度、俯仰角度，結(jié)合攝像頭監(jiān)控模型可獲取攝像頭點(diǎn)位坐標(biāo)、值。

6.2 3D GIS可視域分析

前者計算的攝像頭點(diǎn)位坐標(biāo)，沒有考慮實(shí)際安裝時可能會出現(xiàn)建筑物遮擋問題，3D GIS可視域分析可以很好解決這個問題。3D GIS可視域分析是指通過設(shè)定觀察點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y，Z）、水平視角、垂直視角、可視距離、水平偏轉(zhuǎn)角，結(jié)合地圖模型計算獲取當(dāng)前觀察點(diǎn)的可視域。

當(dāng)前很多地圖分析處理軟件都自帶可視域分析功能，以攝像頭點(diǎn)位坐標(biāo)為觀察點(diǎn)，以攝像頭自身水平視角、垂直視角、最遠(yuǎn)監(jiān)控距離、安裝俯仰角度、水平偏轉(zhuǎn)方向設(shè)定可視域分析參數(shù)，計算獲取攝像頭實(shí)際監(jiān)控區(qū)域，

7、小結(jié)

本文以人臉識別有效像素為依托，計算單個攝像頭最大有效監(jiān)控區(qū)域，結(jié)合3D地圖數(shù)據(jù)，基本上可以實(shí)現(xiàn)中小范圍封閉區(qū)域攝像頭智能布控。但本文尚有不足之處，攝像頭智能布控分析僅限某一種攝像頭，下一步將針對于多個攝像頭類型，實(shí)現(xiàn)多種攝像頭組合完成智能布控。

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