一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法與流程

本發明涉及視頻監控技術領域，特別是一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法。

背景技術：

視頻傳感器是一種廣泛應用于各類突發公共事件感知的重要傳感器，對保障社會安全、維護社會穩定起到突出作用，視頻數據常被用于人臉識別、行為識別、群體行為識別、車輛檢測、車牌檢測等等。隨著我國“平安城市”等工程的深入開展，全國各城市均加大了對視頻傳感器硬件的投入，然而當前視頻傳感器在實際應用中，常存在監控畫面模糊不可辨認、監控區域被遮擋、目標區域存在監控盲區、視頻傳感器重復建設等等問題，究其原因為視頻傳感器建設前缺乏對監控區域及其監控任務分析不足，建設過程缺乏分析設計的方法和工具。因此，需要一種視頻傳感器網絡部署優化方法，此方法能夠顧及不同監控區域的監控需求，從而使得部署的視頻傳感器網絡不僅可用且部署成本低。

目前，視頻傳感器部署優化方法已有很多，不同之處主要在于視頻傳感器覆蓋模型、優化目標和優化方法三個方面。在視頻傳感器覆蓋模型方面，主要考慮的方面包括傳感器的視域、分辨率等多個因素中的一種或者多種；在優化目標方法則為視頻傳感器覆蓋數量最少、覆蓋面積最大等目標中的一個或者多個；在優化方法方面主要包括粒子群智能優化、虛擬力優化、蟻群優化、模擬退化等等。然而目前的監控視頻傳感器部署優化方法均認為監控區域的監控目標統一，即認為監控區域的重要程度相同。但在實際應用中，由于視頻傳感器部署的空間范圍大，且監控任務目標復雜多樣，不同監控子區域監控任務不同，對視頻傳感器的覆蓋要求存在差異，傳統的方法僅僅面向單一監控任務，整個監控目標區域的覆蓋需求單一，顯然無法滿足實際應用需求。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法，根據不同監控子區域的多種監控任務，確定子區域中監控視頻的覆蓋需求，在設定的可架設監控視頻傳感器的空間位置中，部署最少數量(總成本最低)的監控視頻傳感器，獲得滿足多種需求的視頻傳感器優化部署方案。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法，包括以下步驟：

步驟一、設定監控目標子區域及其對應監控子目標；

步驟二、設定可部署視頻傳感器的候選空間，選定遮擋視線的障礙物圖層；

步驟三、離散各監控目標子區域、離散部署候選空間、離散視頻傳感器的可變參數；所述離散監控目標子區域是以規則格網將各個監控目標子區域抽樣為目標格網點，以格網點的覆蓋表示目標區域的覆蓋情況；所述離散部署候選空間是以預設的步長將候選空間抽樣為多個視頻傳感器可部署的候選三維空間點；所述離散視頻傳感器的可變參數包括焦距、俯仰角和旋轉角，焦距、俯仰角和旋轉角各自分別以預設的步長離散，離散為多個可變參數組，每一組包含一個焦距、俯仰角和旋轉角；

步驟四、構建面向多監控任務的覆蓋優化目標函數以及約束條件；所述約束條件具體包括：1)離散后的部署候選空間點中，一個空間點只能部署一個視頻傳感器；2)離散后的目標格網點至少被一個視頻傳感器有效覆蓋，有效覆蓋為同時滿足以下三個條件：①目標格網點在視頻傳感器的視閾中，視閾范圍由視頻傳感器可部署的候選三維空間點的坐標以及可變參數組確定；②根據步驟二中選定的遮擋視線的障礙物圖層，確定目標格網點未被障礙物遮擋；③目標格網點到視頻傳感器的距離滿足目標格網點所屬子區域監控任務需求；

步驟五、根據步驟四中構建的優化目標函數以及約束條件，利用啟發式優化算法實現視頻傳感器部署優化，獲得部署視頻傳感器的數量及其部署的空間位置與部署姿態參數。

作為本發明所述的一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法進一步優化方案，所述步驟一和步驟二具體如下：

(a)選取地理場景中的多個區域；

(b)設定監控目標子區域所對應監控子目標，監控子目標是以子區域中的點到視頻傳感器的距離來刻畫不同的監控任務對視頻傳感器的覆蓋需求；

(c)所述候選空間為多個垂直面或空間體或垂直面與空間體的混合，障礙物圖層是線對象圖層或面對象圖層。

作為本發明所述的一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法進一步優化方案，所述步驟三中，離散部署候選空間具體為：以正北方向為X軸方向，以東方向為Y軸方向，以垂直方向為Z軸方向，在X、Y、Z三個方向上分別以預設步長將可部署空間離散為若干三維空間點，該三維空間點作為視頻傳感器部署的候選空間位置；

確定視頻傳感器的可變參數，可變參數包括焦距、俯仰角和旋轉角；焦距的變化范圍根據部署的相機型號確定，俯仰角的變化范圍為[-90度,90度]，旋轉角的變化范圍為[0,360度]。

作為本發明所述的一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法進一步優化方案，所述步驟四中構建部署優化目標函數，使得部署方案中的視頻傳感器數量最少，且離散后的目標格網點的有效覆蓋率不低于設定比例。

作為本發明所述的一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法進一步優化方案，每個視頻傳感器的有效覆蓋距離D_max，

其中，(h,w)表示圖像的大小，(R_h,R_v)為圖像像素大小，β為不同監控任務中目標對象對角線方向上單位長度上的像素大小，d表示像距。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：本發明提出的一種顧及監控任務多樣性的視頻傳感器部署優化方法克服了監控區域監控任務單一性的視頻傳感器部署問題；根據不同監控子區域的多種監控任務，確定子區域中監控視頻的覆蓋需求，在設定的可架設監控視頻傳感器的空間位置中，部署最少數量(總成本最低)的監控視頻傳感器，獲得滿足多種需求的視頻傳感器優化部署方案。

附圖說明

圖1是視頻傳感器覆蓋模型。

圖2是本發明顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

本發明的基本思路：設定監控目標子區域及其監控子任務；設定可部署視頻傳感器的空間位置；選定障礙物數據；離散監控目標區域、離散可部署視頻傳感器的候選空間；并離散視頻傳感器的可變參數，包括焦距、旋轉角、俯仰角等；構建優化目標函數及其約束條件，最后利用啟發式優化算法實現視頻傳感器的優化部署。

本發明一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法的基本步驟為：

一種顧及多種監控任務的視頻傳感器部署優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、設定監控目標子區域及其對應監控子目標；

步驟二、設定可部署視頻傳感器的候選空間，選定遮擋視線的障礙物圖層；

步驟三、離散各監控目標子區域、離散部署候選空間、離散視頻傳感器的可變參數；所述離散監控目標子區域是以規則格網將各個監控目標子區域抽樣為目標格網點，以格網點的覆蓋表示目標區域的覆蓋情況；所述離散部署候選空間是以預設的步長將候選空間抽樣為多個視頻傳感器可部署的候選三維空間點；所述離散視頻傳感器的可變參數包括焦距、俯仰角和旋轉角，焦距、俯仰角和旋轉角各自分別以預設的步長離散，離散為多個可變參數組，每一組包含一個焦距、俯仰角和旋轉角；

步驟四、構建面向多監控任務的覆蓋優化目標函數以及約束條件；所述約束條件具體包括：1)離散后的部署候選空間點中，一個空間點只能部署一個視頻傳感器；2)離散后的目標格網點至少被一個視頻傳感器有效覆蓋，有效覆蓋為同時滿足以下三個條件：①目標格網點在視頻傳感器的視閾中，視閾范圍由視頻傳感器可部署的候選三維空間點的坐標以及可變參數組確定；②根據步驟二中選定的遮擋視線的障礙物圖層，確定目標格網點未被障礙物遮擋；③目標格網點到視頻傳感器的距離滿足目標格網點所屬子區域監控任務需求；

步驟五、根據步驟四中構建的優化目標函數以及約束條件，利用啟發式優化算法實現視頻傳感器部署優化，獲得部署視頻傳感器的數量及其部署的空間位置與部署姿態參數。

所述步驟一和步驟二具體如下：

(a)選取地理場景中的多個區域；

(b)設定監控目標子區域所對應監控子目標，監控子目標是以子區域中的點到視頻傳感器的距離來刻畫不同的監控任務對視頻傳感器的覆蓋需求；

(c)所述候選空間為多個垂直面或空間體或垂直面與空間體的混合，障礙物圖層是線對象圖層或面對象圖層。

所述步驟三中，離散部署候選空間具體為：以正北方向為X軸方向，以東方向為Y軸方向，以垂直方向為Z軸方向，在X、Y、Z三個方向上分別以一定步長將可部署空間離散為若干三維空間點，該三維空間點作為視頻傳感器部署的候選空間位置；

確定視頻傳感器的可變參數，可變參數包括焦距、俯仰角和旋轉角；根據實際應用情況確定俯仰角的變化范圍，一般為[-90,90]，確定俯仰角的變化步長，單位為度；根據實際應用情況確定旋轉角的變化范圍，一般為[0,360]，確定旋轉角的變化步長，單位為度。

所述步驟四中構建部署優化目標函數，使得部署方案中的視頻傳感器數量最少，且離散后的目標格網點的有效覆蓋率不低于設定比例。

第五步所述利用啟發式優化算法實現視頻傳感器部署優化的具體步驟為：

(1)構建A*算法(該算法可參考以下文獻中的方案：Russell S J,Norvig P,Canny J F,et al.Artificial intelligence:a modern approach[M].Englewood Cliffs:Prentice hall,1995.)的圖結構；

(2)構建A*算法的代價函數；

(3)構建A*算法的啟發函數；

(4)利用視線檢測方法(該視線檢測方法可參照王自然、張亞南，劉學軍等在2015,37(5)的《國防科技大學學報》中發表的視頻傳感器覆蓋范圍精細化計算方法)，計算有障礙物存在的情況下目標格網點的覆蓋情況；

(5)計算出顧及多種監控任務的優化部署方案，即整個區域中視頻傳感器的數量以及各個視頻傳感器的部署參數，包含視頻傳感器的部署的空間位置、俯仰角、旋轉角等。

實施例：

第一步：準備高精度數據，包括以shapefile格式保存的多個多種類型的矢量圖層。

第二步：在GIS軟件中繪制多個監控目標區域，并設定各個監控區域的監控任務；在GIS軟件中繪制多個視頻傳感器部署候選空間；設定障礙物圖層，如建筑物面狀圖層；

第三步：利用公式(1)，計算每個監控的有效覆蓋距離D_max。

其中，(h,w)表示圖像的大小，(R_h,R_v)為圖像像素大小，β為不同監控任務中目標對象對角線方向上單位長度上的像素大小，d表示像距。

則視頻傳感器的有效覆蓋除了滿足圖1中的兩個條件：(1)目標區域的格網點在視頻傳感器的視閾范圍內，如圖1中視頻傳感器的視閾為由C-D₁D₂D₃D₄構建的棱錐，點G₁和G₂在視閾中；(2)目標點與相機的視線之間沒有障礙物，如圖1所示，傳感器視閾中存在障礙物B遮擋視線，使得點G₂被遮擋，僅G₁被視頻傳感器覆蓋；還需要滿足覆蓋目標子區域的視頻傳感器到抽樣點的距離小于D_max。

第四步：設定離散的步長，包括離散目標區域的步長、部署候選區域的離散步長，以及視頻傳感器姿態變化步長。

第五步：啟動優化部署程序進行視頻傳感器優化部署，優化部署的整個流程如圖2所示，得出部署方案。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應當視為屬于本發明的保護范圍。