基于地理坐標與視頻圖像關(guān)聯(lián)映射的視頻背景目標定位與標識方法研究

黃仝宇　胡斌杰

【摘? 要】視頻圖像數(shù)據(jù)雖然能夠逼真地展示空間信息，但是因缺少地理屬性而不能直接與地理信息進行關(guān)聯(lián)。先構(gòu)建攝像設(shè)備姿態(tài)變化情況下的地理坐標與視頻圖像映射模型，并通過采用光軸糾偏的方法對不同倍率下視頻圖像坐標的偏移進行校正，根據(jù)地理坐標與視頻圖像映射模型，將監(jiān)控可視范圍內(nèi)的地圖POI信息通過轉(zhuǎn)換之后在視頻圖像相應(yīng)的背景目標位置上添加標識，實現(xiàn)對視頻的背景目標的定位，進而增強視頻空間的表達。

【關(guān)鍵詞】視頻GIS;坐標轉(zhuǎn)換;光軸偏移;背景目標定位;背景目標標識

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.013? ? ? ? 中圖分類號：TN919.8

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）01-0071-05

引用格式：黃仝宇，胡斌杰. 基于地理坐標與視頻圖像關(guān)聯(lián)映射的視頻背景目標定位與標識方法[J]. 移動通信， 2020，44（1）： 71-75.

0? ?引言

視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍非常廣泛，使用場景多種多樣。在此情況下，監(jiān)控視頻圖像往往存在視頻背景復(fù)雜、類型多樣與形狀不一、與前景運動目標相互干擾、所處環(huán)境光線變化等若干問題，因此難以采用圖像分析的方法來實現(xiàn)背景目標的識別和定位。因為背景目標與監(jiān)控場景中的人、車、物與事件密不可分，為更好地將運動目標進行時空分析和場景還原，須將視頻背景目標進行識別和定位。

由于視頻監(jiān)控圖像是一種被廣泛應(yīng)用的媒體資源，也是一種最貼近真實的全息空間地圖，有不少科研機構(gòu)和商業(yè)機構(gòu)提出視頻GIS（GeoGIS）的概念[1]，通過將視頻圖像與地理坐標的關(guān)聯(lián)映射，使視頻圖像具備空間位置相關(guān)性。本文構(gòu)建攝像設(shè)備姿態(tài)變化情況下的地理坐標與視頻圖像映射模型，并通過采用光軸糾偏的方法對不同倍率下視頻圖像坐標偏移進行校正，將地圖POI（Point of Interest）信息通過篩選之后在視頻圖像相應(yīng)位置上面添加標識，表達背景目標的名稱和屬性，并實時刷新攝像設(shè)備的姿態(tài)信息，形成一幅動態(tài)的視頻地圖。這樣可以實現(xiàn)對視頻背景目標的定位和標識，進而增強視頻空間的表達。

1? ?攝像設(shè)備姿態(tài)變化的地理坐標與視頻圖像映射模型

視頻圖像數(shù)據(jù)雖然能夠逼真地展示空間信息，但是因缺少地理屬性而不能直接與地理信息系統(tǒng)進行深度融合。一般地，視頻圖像數(shù)據(jù)不具備地理空間坐標。為了賦予視頻圖像數(shù)據(jù)地理空間屬性，保持參考坐標的一致性，通常需要將這些圖像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到某種坐標系，并進行坐標變換[2]。

如圖1所示，在地理坐標與極坐標的轉(zhuǎn)換模型中，攝像設(shè)備M的經(jīng)緯度坐標是（Mlon， Mlat），海拔高度為hm，攝像設(shè)備初始的極坐標為（p1， t1），水平視場角為V;POI目標點N的經(jīng)緯度坐標是（Nlon， Nlat），海拔高度設(shè)為hn，目標點的極坐標為（PN， TN）;攝像設(shè)備M與POI目標點N在水平方向的距離為|M'N'|;攝像設(shè)備M、地心O、目標點位N的夾角∠MON為γ，∠MOO'為β，∠NOO'為α;正北方向、攝像設(shè)備M與目標點N角∠O'MN為PN，海平面、攝像設(shè)備M與目標點N的垂直夾角為TN。由地理坐標坐標的轉(zhuǎn)換模型，得式（1）、式（2）：

如圖2所示，為了便于觀察攝像設(shè)備與目標的位置關(guān)系，建立攝像設(shè)備M與目標點N的空間位置關(guān)系模型。其中，攝像設(shè)備M在水平面的投影為M'，目標點N在地面的投影為N'，水平面、攝像設(shè)備M與目標點N的垂直夾角為TN。

如圖3所示，在攝像設(shè)備姿態(tài)變化的情況下，以攝像設(shè)備機芯鏡頭位置O為圓心，建立極坐標與平面坐標的轉(zhuǎn)換模型。在模型中，鏡頭指向為射線，射線此時極坐標為（p2， t2），其中 P2=∠XOH '，t2=∠HOH';攝像設(shè)備觀察到的視場范圍是四邊形ABCD，與垂直;G、F、I、E分別是AB、BC、CD、DA的中點，攝像設(shè)備的水平視場角V=∠GOI;A'B'C'D'為矩形ABCD在水平面XOY上的投影，H'和N'分別為H和N在水平面XOY上的投影;N（xn，yn）點為POI目標點在二維視頻畫面上的映射，Δxn和Δyn分別為N在二維視頻畫面上到中心H的兩個坐標軸方向的偏移量。

經(jīng)過運算，可得POI目標點N在視頻畫面中距離中心點H的坐標偏移量Δxn和Δyn。

2? ?不同倍率下視頻背景目標坐標偏移的糾正

在地理坐標與視頻圖像進行關(guān)聯(lián)映射的過程中，受電子地圖精度的限制，系統(tǒng)難以獲取高精度的POI的經(jīng)緯度信息。平面電子地圖與視頻圖像畫面并不能完全匹配，難以保證POI目標點坐標以及PT極坐標屬于同一位置點。此外，POI的坐標信息中沒有高度信息，因此該方法只能將三維空間的位置信息近似為二維空間，這致使在坐標轉(zhuǎn)換的求解過程中的約束條件與實際的約束條件不匹配。值得注意的是，機芯鏡頭倍率變化、畫面畸變等情況也會導(dǎo)致坐標偏移，因此地理坐標與視頻畫面的關(guān)聯(lián)映射存在一定的誤差。

導(dǎo)致視頻背景目標坐標偏移的因素很多，本研究重點解決因攝像設(shè)備機芯鏡頭變倍導(dǎo)致光軸偏移的問題。光軸偏移是指攝像設(shè)備的機芯鏡頭變倍后，原畫面的中心點在新倍率下發(fā)生偏移的現(xiàn)象。光軸糾偏是利用視頻圖像中某個測試點在不同倍率下位置變化情況來計算水平、垂直坐標偏移量。雖然每個倍率都會有相應(yīng)的光軸偏移值，但是由于機芯鏡頭的變倍是連續(xù)變化，故只需選取一些倍率進行計算，并擬合成數(shù)學(xué)函數(shù)或者具有一定規(guī)律的曲線，進而計算出其它各種倍率下的偏移量。

如圖4所示，首先，以視頻圖像左上角為二維平面的坐標原點，以水平向右為軸、垂直向下為軸建立平面直角坐標系。視頻圖像畫面的分辨率，其中心點為O' （x0，y0），x0=

W/2，y0=H/2。用于偏移測試的背景目標是一幅軸對稱的圖案，其中心點為P （xp，yp），水平距離為l，且在x軸方向有K個像素點，鏡頭與背景目標的物距為d。

按照上述步驟，對不同倍率下視頻圖像的測試點坐標進行記錄，并計算偏移值。當前攝像設(shè)備的分辨率為1 980×1 080。如圖5、圖6所示，可得攝像設(shè)備在水平方向、垂直方向的光軸偏移值的散點圖：

當放大倍率為k3的時候，根據(jù)偏移量計算函數(shù)分別算出與，并對該點的坐標進行校正即可。不同的圖像分辨率的糾正方法相同，不再贅述。

3? ?視頻背景目標定位與標識的實現(xiàn)

本文提供一種地理坐標與視頻圖像關(guān)聯(lián)映射的視頻背景目標定位和標識的方法，其方法包括：獲取攝像設(shè)備的經(jīng)緯度坐標、方向、海拔;計算攝像設(shè)備與POI點的位置關(guān)系;實時更新POI點位在實時視頻圖像畫面的映射坐標并以標簽加字幕的方式標注。以經(jīng)緯度坐標為（119.920906°，32.474961°）、高108 m的建筑物頂點安裝的200萬帶云臺可變焦的攝像設(shè)備作為圖像采集點，獲取半徑為2 km扇形區(qū)域的POI點經(jīng)緯度信息（高度可根據(jù)實際情況進行估算），如表1所示。本次測試的背景目標包括住宅小區(qū)、酒店、商場等。

如圖7所示，根據(jù)攝像設(shè)備的當前經(jīng)緯度、海拔高度、云臺俯仰角、水平視場角以及垂直視場角等計算攝像設(shè)備的可視域，在攝像設(shè)備采集的實時視頻圖像畫面上顯示當前可視域?qū)?yīng)的POI標簽。只有POI點位在攝像設(shè)備的當前可視域時才顯示標簽信息，其余情況下將標簽隱藏。

攝像設(shè)備在4個測試點的相關(guān)測試參數(shù)如表2所示：

通過可視域分析與坐標轉(zhuǎn)換，POI標簽在視頻畫面中的實時呈現(xiàn)，且在攝像設(shè)備的姿態(tài)發(fā)生變化時（從a到b），POI標簽跟隨攝像設(shè)備姿態(tài)的變化而變化。通過對光軸偏移的糾正，在攝像設(shè)備倍率變化時（從c到d），仍可以有較好的實驗結(jié)果。根據(jù)地理坐標與視頻圖像映射模型，將監(jiān)控視域范圍內(nèi)的地圖POI信息通過轉(zhuǎn)換之后在視頻圖像相應(yīng)的背景目標位置上面添加標識，實現(xiàn)對視頻的背景目標進行定位，進而增強視頻空間的表達。

4? ?結(jié)束語

本文構(gòu)建地理坐標與視頻圖像映射模型，實現(xiàn)POI信息在視頻畫面中的實時呈現(xiàn)，且在攝像設(shè)備的姿態(tài)發(fā)生變化時，POI信息跟隨攝像設(shè)備姿態(tài)的變化而變化。通過采用光軸糾偏的方法對不同倍率下視頻圖像坐標的偏移進行校正，在攝像設(shè)備機芯鏡頭的倍率變化時，仍可以有較好的實驗結(jié)果。視頻背景目標定位和標注是視頻內(nèi)容分析的一個環(huán)節(jié)，為全面地分析監(jiān)控場景中的目標以及對現(xiàn)場進行還原，下一步需結(jié)合監(jiān)控場景中的行人、車輛等前景運動目標進行深入研究。

參考文獻：

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作者簡介

黃仝宇（orcid.org/0000-0002-9615-1369）：博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)電子與通信學(xué)院，現(xiàn)任高新興科技集團股份有限公司旗下公信軟件、無錫高新興總經(jīng)理，主要研究方向為前端感知與傳輸技術(shù)、視頻結(jié)構(gòu)化、視頻大數(shù)據(jù)等。

胡斌杰：現(xiàn)任華南理工大學(xué)電子與通信學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，IEEE學(xué)會高級會員，長期從事無線通信與物聯(lián)網(wǎng)方面的教學(xué)與科研工作，主要致力于車聯(lián)網(wǎng)（V2X）與移動邊緣計算（MEC）、信息能量同傳、室內(nèi)外高精度定位技術(shù)和MIMO多天線技術(shù)等方面的研究。