本发明专利技术公开一种基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，具体步骤包括构建视地参考点、构建单目相机视地空间双向映射模型、误差评估与模型优化、地视转换、视地转换五个步骤。本发明专利技术基于单目瞭望塔摄像机云台实时回传角度数据和视频画面地物的地理空间坐标，构建超定方程组，实现视地空间双向映射，满足定位精度需求，解决单目瞭望塔摄像机监控视频目标与地理空间实时双向定位问题，具有适用性强、定位范围广、定位精度高、数据实时回传等优点，在城市安防、森林防火等场景中具有较高的应用价值。有较高的应用价值。有较高的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法
[0001]本专利技术属于监控视频目标空间定位
，具体涉及一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法。
技术介绍
[0002]监控视频包含丰富的视觉信息，但不具备地理空间属性。因此，监控视频目标空间化表达一直是监控视频与地理信息融合方向的重点和难点。
[0003]单目PTZ相机监控视频是目前视频监控领域中应该最为广泛的一种。传统单目PTZ相机监控视频与地理场景的融合多采用视觉透视变换、像素特征匹配两种方式。其中，视觉透视变换具体包括透视变化矩阵和逆透视变换矩阵，以实现视频向地理空间中的投影和逆投影，该方式对相机在物理世界中的位置坐标、实际姿态参数的精度要求高。目前，大量单目瞭望塔监控设施存在地理空间坐标缺失、姿态参数为相对参数等问题，不仅难以适应实际工程生产工作，而且实用推广性有限。像素特征匹配则是采用视频与地理场景画面像素特征匹配途径，如 SIFT+RANSAC方法，需在计算机上实时渲染出三维地理场景，通过场景模拟相机取景，与实际采集视频数据之间做特征匹配求解，但是当开启多个三维地理场景时，计算性能将骤然下降，难以在实际工程中应用。因此，专利技术一种适用于野外远距离的高精度定位方法对工程应用的推广具有重要意义。
技术实现思路
[0004]专利技术目的：本专利技术旨在基于单目瞭望塔摄像机云台实时回传角度数据和视频画面地物的地理空间坐标，构建高维超定方程组，实现视地空间双向映射，从而解决单目瞭望塔摄像机监控视频目标与地理空间实时双向定位问题，扩大定位范围、提高定位精度。
[0005]技术方案：本专利技术的一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、构建视地参考点：调节摄像机姿态，将摄像机画面中心点对准边界清晰的地物，同时在地图上找到该地物，记录此时的摄像机姿态和地物的地理空间坐标，作为视地参考点，记为P(x,y,z,p,t)。
[0007]步骤2、构建单目相机视地空间双向映射模型：单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)一一对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：
[0008]步骤2.1、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。
[0009]步骤2.2、构建从(p,t)到(x,y,z)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模
型。
[0010]步骤3、误差评估与模型优化：将视地参考点的地理空间坐标带入模型中求得对应旋转角，计算地视转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。将视地参考点的旋转角代入模型中求得对应地理空间坐标，计算视地转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。
[0011]步骤4、地视转换：在地图定位范围内任意选定点P，获取该点地理空间坐标(x,y,z)，将(x,y,z)代入选定的地视定位模型，解算出对应的摄像机旋转角 (p',t)，由于地视转换模型存在一定的系统误差，需采用一种几何纠正方法优化，计算获取更高精度的摄像机旋转角(p,t)，然后通过网络连接远程控制摄像机姿态变换，使目标点位处于监控画面中心，实现地视转换。
[0012]步骤5、视地转换：在摄像机监控画面中任意选中目标点，通过一种简单的针孔模型方法，获取标定目标点时对应的摄像机外部参数(p,t)，将(p,t)代入单目相机视地空间双向映射模型，解得对应地理空间坐标(x,y,z)，并在地图上标识，实现视地转换。
[0013]进一步的，所述步骤1中，采集的视地参考点数量应不少于14组，以满足高维超定方程中未知数的解算需求。视地参考点应尽量均匀分布于摄像机的各个方向，以平衡定位范围内的定位精度。
[0014]进一步的，所述步骤2中，单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)一一对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：
[0015]步骤2.1、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，见式(1)，
[0016][0017]将式(1)转换为矩阵形式，见式(2)：
[0018][0019]将步骤1中采集的任意13组地视参考点代入式(2)，采用最小二乘法求解矩阵，即可得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。
[0020]步骤2.2、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，见式(3)，
[0021][0022]将上式转换为矩阵形式，见式(4)
[0023][0024]将步骤1中采集的任意14组地视参考点代入式(4)，采用最小二乘法求解矩阵，即可得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型。
[0025]进一步的，所述步骤3中，视地转换误差以参考点地理空间坐标和预测坐标间距离度量。地视转换误差以参考点旋转角和预测旋转角偏差度量。
[0026]进一步的，所述步骤4中，通过地视模型计算出摄像机旋转角(p',t)后，对于摄像机任意姿态(p0,t0)，采用一种几何纠正方法，构建摄像机与选定点的三维空间关系，评估选定点坐标(x,y,z)与摄像机坐标(x0,y0,z0)的相对位置关系，以减弱视地转换模型带来的系统误差，获取地理空间坐标所对应的更高精度的摄像机旋转角(p,t)，p值计算见式(5)，
[0027][0028]其中，S表示选定点坐标(x,y,z)与摄像机坐标(x0,y0,z0)间的距离。
[0029]进一步的，所述步骤5中，采用的透视投影模型方法，即在摄像机内部参数固定的条件下，通过角度变换采集多张标定图像，确定摄像机内部参数和任一标定图像外部参数关系，经线性模型分析，可计算出任意图像的摄像机参数优化解，并利用最大似然法进行非线性求精，获得所需的摄像机参数(p,t)。
[0030]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0031](1)本专利技术通过研究单目瞭望塔视频监测的数据特点和定位条件，首次提出将摄像机旋转角与地理坐标相关联，构建映射关系。通过监控画面与地图数据联动，远程控制摄像机，以实现目标的远程精确监控，极大提升单目高空瞭望塔视频的监测监管能力，有效服务于城市安防、森林防火等业务。
[0032](2)本专利技术基于高维超定方程，构建单目相机视地空间双向映射模型，能够通过有限数量的地视参考点标识，在较大范围内，实现高精度的视地空间双向定位。
附图说明
[0033]图1为本专利技术流程图
[0034]图2为视地本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：该方法基于高维超定方程，通过少量参考点标定，构建摄像机视地空间映射模型，实现野外大范围的视频画面目标点位与地理空间坐标之间的高精度双向定位。包括如下步骤：步骤1、构建视地参考点：调节摄像机姿态，将摄像机画面中心点对准边界清晰的地物，同时在地图上找到该地物，记录此时的地物的地理空间坐标和摄像机旋转角Pan、Tilt值，作为视地参考点，记为P(x,y,z,p,t)。步骤2、构建单目相机视地空间双向映射模型：单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)之间对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：步骤2.1、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。步骤2.2、构建从(p,t)到(x,y,z)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型。步骤3、误差评估与模型优化：将视地参考点的地理空间坐标带入模型中求得对应旋转角，计算地视转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。将视地参考点的旋转角代入模型中求得对应地理空间坐标，计算视地转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。步骤4、地视转换：在地图定位范围内任意选定点P，获取该点地理空间坐标(x,y,z)，将(x,y,z)代入选定的地视定位模型，解算出对应的摄像机旋转角(p',t)，由于地视转换模型存在一定的系统误差，需采用一种几何纠正方法优化，计算获取更高精度的摄像机旋转角(p,t)，然后通过网络连接远程控制摄像机姿态变换，使目标点位处于监控画面中心，实现地视转换。步骤5、视地转换：在摄像机监控画面中任意选中目标点，通过透视投影模型，根据目标点像素坐标获取当目标处于画面中心时对应的摄像机旋转角参数(p,t)，将(p,t)代入单目相机视地空间双向映射模型，解得对应地理空间坐标(x,y,z)，并在地图上标识，实现视地转换。2.根据权利要求1所述的基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：所述步骤1中，采集的视地参考点数量应不少于14组，以...
【专利技术属性】
技术研发人员：尹烁，戚知晨，阮婧，殷海军，
申请(专利权)人：南京国图信息产业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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