監(jiān)控視頻的三維空間覆蓋模型研究

視頻傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)、對(duì)地觀測(cè)傳感器網(wǎng)中一類重要傳感器，可以獲取到最為直觀、最為豐富的可視可聽媒體信息。在重要基礎(chǔ)設(shè)施安全、社會(huì)治安反恐防暴、高危行業(yè)安全探測(cè)、國(guó)土防空等領(lǐng)域有著重要的作用。無(wú)論是新建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的部署優(yōu)化，還是已建視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度優(yōu)化，都急需視頻監(jiān)控系統(tǒng)覆蓋能力分析及其優(yōu)化的理論與方法。本項(xiàng)目旨在通過研究視頻傳感器三維感知模型、視頻傳感器覆蓋計(jì)算、攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化和調(diào)度優(yōu)化等基礎(chǔ)問題，一方面豐富監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)三維感知與覆蓋控制的理論與方法；另一方面，將多視頻傳感器納入統(tǒng)一的地理空間下進(jìn)行優(yōu)化配置，深化監(jiān)控視頻的實(shí)用性。 本項(xiàng)目的主要成果如下:在視頻傳感器感知模型方面，根據(jù)CCD/CMOS成像特點(diǎn)和透視投影模型，構(gòu)建了視頻傳感器的感知模型；提出了基于單幅監(jiān)控圖像的相機(jī)迭代標(biāo)定方法；研發(fā)了“視頻傳感器時(shí)空標(biāo)簽采集系統(tǒng)”。在視頻傳感器覆蓋方面，提出了顧及障礙物的二值格網(wǎng)掃描算法用以快速精確計(jì)算視頻傳感器的覆蓋范圍，并研發(fā)了“視頻傳感器覆蓋范圍分析系統(tǒng)”；在視頻傳感器部署優(yōu)化方面，研究了視頻傳感器的感知強(qiáng)度與感知特性，分析了視頻傳感器姿態(tài)變化對(duì)感知范圍和感知強(qiáng)度的影響；以覆蓋率和感知強(qiáng)度為基本參數(shù)，基于A*搜索算法，提出了視頻傳感器的優(yōu)化部署方法，形成了“視頻傳感器覆蓋仿真系統(tǒng)”；在視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方面，以覆蓋路網(wǎng)的長(zhǎng)度、路段數(shù)以及參與調(diào)度的攝像機(jī)數(shù)量為優(yōu)化目標(biāo)，提出了多目標(biāo)攝像機(jī)路網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化方法。在以上工作的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目還開展了地理視頻方面的拓展研究，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控視頻中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與GIS融合方法、地理視頻的時(shí)空檢索方法。 本項(xiàng)目研究成果可為視頻傳感器感知模型、監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測(cè)與效能評(píng)估、新建視頻傳感器優(yōu)化配置、已有網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化等提供理論與方法支持，并對(duì)其他有向、無(wú)向傳感器的覆蓋分析具有指導(dǎo)和借鑒意義。 2100433B

監(jiān)控視頻作為物聯(lián)網(wǎng)、對(duì)地觀測(cè)傳感器網(wǎng)中一類重要的傳感器，其部署與內(nèi)容分析已經(jīng)納入到國(guó)家和行業(yè)發(fā)展規(guī)劃。然而目前建設(shè)的監(jiān)控視頻缺乏整體規(guī)劃，多數(shù)設(shè)備并未達(dá)到最優(yōu)配置。同時(shí)目前研究多將視頻傳感器感知模型抽象為二維感知平面，且將監(jiān)控區(qū)域抽象為平坦平面，與視頻傳感器真實(shí)感知能力以及實(shí)際地理空間不一致，直接導(dǎo)致在此基礎(chǔ)上的覆蓋分析方法無(wú)法直接應(yīng)用于大規(guī)模實(shí)用系統(tǒng)。本研究旨在解決三維地理環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化配置，重點(diǎn)研究視頻傳感器三維感知模型、監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋效能模型、優(yōu)化配置等基礎(chǔ)問題。一方面豐富監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)三維感知與覆蓋控制的理論與方法；另一方面，將多視頻傳感器納入統(tǒng)一的地理空間下進(jìn)行優(yōu)化配置，深化監(jiān)控視頻的實(shí)用性。同時(shí)，本研究可為監(jiān)控視頻網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)檢測(cè)與效能評(píng)估、新建視頻傳感器優(yōu)化配置等提供理論與方法支持，并對(duì)其他有向、無(wú)向傳感器的覆蓋分析具有指導(dǎo)和借鑒意義。

模型是用來表示實(shí)際的或抽象的物體和現(xiàn)象?，F(xiàn)實(shí)世界中的地理實(shí)體可以用形象的直觀的三維空間圖形的模型加以表達(dá)。地理實(shí)體的模型就其復(fù)雜程度而言，可以分為三類：線框模型、面模型和實(shí)體模型。

制圖模型線框模型

線框模型是一種最簡(jiǎn)單的幾何模型，主要使用直線、折線、曲線等來表示物體的棱邊形體特征。線框模型表示頂點(diǎn)信息和邊的信息。這些邊可能是所有頂點(diǎn)中每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)間的連線，也可能是這些連線中的一部分。如右圖2所示。該圖是某一地物的示意圖，其中的12條邊是8個(gè)頂點(diǎn)問所有可能的28條連線中的一部分，用其頂點(diǎn)坐標(biāo)及邊與頂點(diǎn)之間的關(guān)系來表達(dá)，如下表中的線框模型所示。這種模型的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，易于生成各種投影視圖。但它僅僅給出了物體的框架結(jié)構(gòu)，而無(wú)法給出物體的表面信息。

制圖模型面模型

面模型是在線框模型的基礎(chǔ)上增加了有關(guān)面與邊的拓?fù)湫畔⒍?，主要使用多邊形、曲面等物體的各個(gè)表面單位來表示其形體特征。這種模型給出了頂點(diǎn)的幾何信息及邊與頂點(diǎn)、面與邊之間的二層拓?fù)湫畔?。下表在線框模型的基礎(chǔ)上給出了該地物的面模型表示法。與線框模型相比，面模型具有較豐富的形體信息，但它并未指出該物體是實(shí)心還是空心，哪里是物體的內(nèi)部和外部等信息，因此僅適用于描述物體的外殼。

制圖模型實(shí)體模型

實(shí)體模型常用多面體、球體、錐體等基本體素及并、交、差等運(yùn)算來描述物體，模型復(fù)雜，但信息完整。表示實(shí)體模型的方法有很多種，如基本體素引用法、單元分解法、空間位置枚舉法、掃描表示法、結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法以及邊界表示法等，這里給出幾種表示方法。

(1)體素模型CSG(constructive solid geometry)：即結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何法，一個(gè)復(fù)雜實(shí)體可表示成為一些簡(jiǎn)單實(shí)體的某種組合操作。這些簡(jiǎn)單實(shí)體稱為體素。組合操作有并(union)、交(intersection)、差(difference)等，分別用“∪”、“∩”和“-”操作符來表示。每一體素在參與組合操作之前必須經(jīng)歷某種變換(包括比例、平移、旋轉(zhuǎn)等)，使它從被定義的狀態(tài)變換到被組合狀態(tài)。組合而得的中間實(shí)體在參與更高層組合之前也可能要經(jīng)過類似的變換。系統(tǒng)可以通過用戶指定的尺寸、形狀、位置、方向等來定義一組基本體素，然后對(duì)這些參數(shù)檢查其合理性。一般情況下，體素本身是通過一組由曲面所定義的半空間的交來表示的。

(2)邊界表示法B-Reps(boundary representation)：在邊界表示法中一個(gè)實(shí)體通過包圍它的曲面片或平面多邊形(統(tǒng)稱面片)的集合(邊界)來表示，一個(gè)實(shí)體的邊界必須將實(shí)體內(nèi)部的點(diǎn)和外部的點(diǎn)區(qū)分開來，因此實(shí)體的邊界完整地定義了該實(shí)體。一個(gè)實(shí)體的邊界表示必須滿足一定的條件。比如：定義一個(gè)實(shí)體的邊界的面片的個(gè)數(shù)有限；任意一個(gè)面片都是它的邊界的子集；所有面片的并集定義該實(shí)體的邊界；一個(gè)面片是它的擴(kuò)展曲面或平面的一部分；一個(gè)面片的范圍有限且是同構(gòu)的；等等。

以立方體和圓柱體兩個(gè)實(shí)體來說，它們都有有限個(gè)面；立方體的邊界可以很容易地通過邊分成六個(gè)平面片；圓柱體的邊界可以比較任意地分成一些圓筒形曲片和上下兩個(gè)平面片。在立方體和圓柱體中沒有哪一個(gè)面能單獨(dú)定義一個(gè)完整的物體，即每一面片都是完整邊界的子集。每一面片又是它的擴(kuò)展曲面(平面)的定界區(qū)域。如立方體的每一平面片是一個(gè)無(wú)限平面的定界區(qū)域；圓柱體的圓筒形曲面也是無(wú)限長(zhǎng)圓筒的定界區(qū)域。

平面片可以用邊界線來表示，但曲面片需要較多的信息來表示。例如它可以是由一組特征點(diǎn)來定義的Bezier曲面，再加上一個(gè)由特征多邊形定義的位于該曲面的封閉曲線。一個(gè)物體的邊界可以通過多種方式表示成為一些面、邊和頂點(diǎn)的組合，邊界表示并不唯一。

(3)四叉樹和八叉樹：四叉樹和八叉樹分別是用層次式的二維或三維空間子域劃分來代替大小相等、規(guī)則排列的二維或三維單元陣列的一種高效方法。