基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法，该方法包括以下步骤：1)将观察区划分为n个Cell单元，将主动摄像机组的每台摄像机分别针对每一个Cell单元进行标定，得到摄像机的内参数与外参数；2)事先利用AIS装置对Cell单元进行标定，并将标定信息存储，当目标物体进入相关的Cell单元后，根据AIS返回的位置信息，确定目标物体所在的Cell单元；3)使主动摄像机组迅速运动到对准目标所在的Cell区域；所述主动摄像机组中主动摄像机台数为m；4)拍摄目标物体清晰的视频图像，并根据追踪算法，对目标物体进行跟踪。本发明专利技术提出了一种新的摄像思路：采用划分Cell单元的方法，利用AIS系统与Cell区联合确定目标物体的位置与航向。

A target tracking method for complex waters based on AIS and active camera

The invention discloses a method for tracking complex waters and active target AIS based on camera, the method comprises the following steps: 1) the observation area is divided into n Cell units, each camera active camera group respectively for each Cell unit of the camera calibration, get internal parameters and external parameters of the machine 2); prior use AIS device on the Cell unit of the calibration, and the calibration information is stored into the Cell object, when the relevant unit, according to the location information returned by AIS, to determine the Cell unit object; 3) the active camera group quickly moves to the target area on Cell; the active camera in the group of active camera for M units; 4) shooting video object clear, and according to the tracking of a target tracking algorithm. This invention puts forward a new camera idea: using the method of dividing the Cell unit, using the AIS system and the Cell area to determine the position and course of the object.

【技术实现步骤摘要】
基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法
本专利技术涉及，尤其涉及一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法。
技术介绍
近年来，内河航运在国民经济的发展中起着越来越重要的作用，随着内河船只数量增加，通航环境不断恶化，内河航道的安全性问题也日益突出，因此，对内河复杂水域的监控显得尤为重要，目前常的监控方式主要有视觉监控、雷达监控、以及AIS监控，雷达监控应用领域非常广泛，但其存在先天的不足，即在下雨、起雾、雾霾较重的天气便失效，同样，视觉监控也存在类似的问题，将视觉监控与AIS装置监控联合起来实现对船舶的监控可以极大的解决以上问题，有效的增强对内河船只的跟踪与监控，减少内河事故发生。目前市面捕获视频图像的方式大都是被动感知，主动感知方式越来越受到人们的关注，但是目前应用较少，主要应用在严密的国防监控场所，每移动一次主动摄像机的摄像头，都需要重新对摄像机进行标定，因此，主动摄像机即使有应用案例，但并没有发挥其最大的效用——拍摄清晰的图片，本专利技术作者将主动摄像机、AIS装置与“目标场景Cell划分”(本文作者在已经提交的专利中已经提出)三者联合起来实现对船舶的监控，属首次提出，在已经划分好的Cell区域,在主动摄像机工作之前，针对每一个Cell区，对摄像机和AIS进行标定，并记录存储标定的结果，该工作的开展保证了摄像机能够拍摄清晰的图片，同时，根据AIS发送机返回的消息，可以确定船舶航行的方向，进而实现利用主动摄像机对船舶进行跟踪拍摄清晰图像的目的。目前，捕获图像的方法或装置主要有以下几种：a.由南通航运职业技术学院专利技术的专利:一种导航雷达或AIS跟踪参数引导的智能视频监控系统(已公开的专利号：CN104184990A)，该专利技术首先利用雷达或AIS对目标进行定位，然后，利用视频监测站的设备对目标进行跟踪拍摄，跟踪设备主要是带有云台功能的摄像机。该方法的优点是利用AIS数据与视频监控器进行“联合拍摄”，拍摄范围较广，而并不只是针对目标物体本身，利用摄像机进行跟踪拍摄，同时，对于目标物体成像参数，以及对目标物体运行路径的跟踪算法，该方案没有给出具体的方案，因此，不能够拍摄目标物体高清晰的图像与视频。该方法利用主动摄像机对物体进行拍摄，只是利用了主动摄像机能够改变拍摄姿态这一特点，并没有利用主动摄像机拍照方面的特点，即该方法并未对目标区域进行细分，也未对目标区域进行标定，因此，无法调整摄像机的内外参数，拍摄目标物体的特定位置的清晰图像，并对特定位置进行跟踪。b.由中国航天时代电子公司专利技术的专利:一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法(已公开的专利号：CN105353772A)，该专利技术公开了一种无人机机动目标定位跟踪中的视觉伺服控制方法。该专利技术仅需使用单一固定相机对目标成像，通过控制无人机位姿，实现对机动目标的高精度连续定位跟踪，该方法无需跟踪云台和激光测距设备，有效地降低了载荷的体积和成本，提高了侦察的隐蔽性。该方法利用无人机对目标进行定位及跟踪拍摄,能够获取目标清晰的图像,但是,该方法无法与船舶进行协同控制,也不能自动跟踪监测固定的船舶。该方法主要特点是侦察具有隐蔽性，但是，该特点也造成了该方法只能捕获目标物体局部图像。c.由中国电子科技集团公司第二十八研究所专利技术的专利:一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法(已公开的专利号：105430326A)，该专利技术的特点是CCTV摄像头与AIS一起跟踪拍摄目标船舶，解决了拍摄过程中画面抖动的问题，但是，该方法无法拍摄目标高清的图像，同时也无根据目标物体的速度，来调配视频的跟踪速度，最后，该专利技术采用AIS定位方法，但是AIS定位方法本身存在一定的误差，因此，该专利技术的定位效果也不是很精确。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法，包括以下步骤：1)将观察区划分为n个Cell单元，其中n≥2；将主动摄像机组的每台摄像机分别针对每一个Cell单元进行标定，得到摄像机的内参数与外参数；2)事先利用AIS装置对Cell单元进行标定，并将标定信息存储，当目标物体进入相关的Cell单元后，根据AIS返回的位置信息，确定目标物体所在的Cell单元；3)使主动摄像机组(主动摄像机组中主动摄像机台数m≥1(台))迅速运动到对准目标所在的Cell区域；4)拍摄目标物体清晰的视频图像，并根据追踪算法，对目标物体进行跟踪。按上述方案，所述步骤1)中对摄像机进行标定具体如下：当每台摄像机对准每一个Cell区时，记录云台的姿态及角度值，将将摄像机标定的结果存储，所述摄像机标定的结果包括摄像机的内参数与外参数；摄像机进行标定，标定方法如下：1.1)建立照相机坐标系与图像坐标系首先建立两个基本坐标系，即图像坐标系与照相机坐标系：图像坐标系以照片左上角建立以像素为单位的直角坐标系，图像坐标点设为[XPYP]T；照相机坐标系以相机光心为原点，光轴为z轴，以图片坐标系中x，y方向建立x轴，y轴，坐标系满足右手法则，其坐标点为[XCYCZC]T；1.2)建立两坐标系间关系由于照相机满足针孔模型，因此满足以下关系式式中，λ为尺度因子，K为照相机内参数，由张正友标定法得到；1.3)建立世界坐标系引入世界坐标系，并建立世界坐标系与上述两坐标系的关系，世界坐标系中设定沿棋盘格长宽方向为x，y轴，垂直于棋盘格方向为z轴，世界坐标系中点设为[XWYWZW]T；世界坐标系与照相机坐标系及图像坐标系关系如下：1.4)计算照相机到棋盘格间旋转矩阵R与平移矩阵t获取对棋盘格中的所有角点在世界坐标系下的坐标，其第i个角点坐标为[XWiYWi0]T，同时找到图像坐标系下对应点坐标[XPiYPi]T，结合标定照相机内参数K，用下式对R和t进行求解：其中，λ为尺度因子，R为3×3的矩阵，表示世界坐标系到照相机坐标系的旋转角度，t为3×1的矩阵，表示世界坐标系到相机坐标系的平移距离，通过上式求出R与λ，从而得到主动摄像机组的最优成像参数。按上述方案，所述步骤2)中具体为：事先利用AIS装置对Cell单元组成的Cell区域进行标定，当目标物体所占水面面积小于Cell单元面积时，载有AIS装置的目标运行进入至每一个Cell单元中，针对每一个Cell单元，通过多次测量，把目标物体在不同的Cell单元内时，所得到的数据分类存储起来，其存储方法是：建立与Cell单元个数相同数量的表格，把在不同Cell中获取的数据，存储在相应的Cell表格中(把偏差较大的数据去掉)，根据每个表格中的数据，确定每个Cell所能容纳的最大的位置范围，该范围包括经度范围与纬度范围值，当目标物体进入相关的Cell单元后，根据AIS返回的位置信息，确定目标物体所在的Cell单元；当目标物体所占水面面积大于一个Cell单元时，根据目标物体的长、宽及所处的位置确定目标物体所占的Cell单元的个数和目标物体所在的全部Cell单元；按上述方案，所述步骤2)中具体为：利用AIS装置对cell单元进行标定，确定每个cell单元的经度与纬度值，每个cell单元由四个点连成的四条边围成；在船舶观察网上，确定每个c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将观察区划分为n个Cell单元，其中n≥2；将主动摄像机组的每台摄像机分别针对每一个Cell单元进行标定，得到摄像机的内参数与外参数；2)事先利用AIS装置对Cell单元进行标定，并将标定信息存储，当目标物体进入相关的Cell单元后，根据AIS返回的位置信息，确定目标物体所在的Cell单元；3)使主动摄像机组迅速运动到对准目标所在的Cell区域；所述主动摄像机组中主动摄像机台数为m，m≥1；4)拍摄目标物体清晰的视频图像，并根据追踪算法，对目标物体进行跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将观察区划分为n个Cell单元，其中n≥2；将主动摄像机组的每台摄像机分别针对每一个Cell单元进行标定，得到摄像机的内参数与外参数；2)事先利用AIS装置对Cell单元进行标定，并将标定信息存储，当目标物体进入相关的Cell单元后，根据AIS返回的位置信息，确定目标物体所在的Cell单元；3)使主动摄像机组迅速运动到对准目标所在的Cell区域；所述主动摄像机组中主动摄像机台数为m，m≥1；4)拍摄目标物体清晰的视频图像，并根据追踪算法，对目标物体进行跟踪。2.根据权利要求1所述的基于AIS和主动摄像机的复杂水域目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤1)中对摄像机进行标定具体如下：当每台摄像机对准每一个Cell区时，记录云台的姿态及角度值，将将摄像机标定的结果存储，所述摄像机标定的结果包括摄像机的内参数与外参数；摄像机进行标定，标定方法如下：1.1)建立照相机坐标系与图像坐标系首先建立两个基本坐标系，即图像坐标系与照相机坐标系：图像坐标系以照片左上角建立以像素为单位的直角坐标系，图像坐标点设为[XPYP]T；照相机坐标系以相机光心为原点，光轴为z轴，以图片坐标系中x，y方向建立x轴，y轴，坐标系满足右手法则，其坐标点为[XCYCZC]T；1.2)建立两坐标系间关系由于照相机满足针孔模型，因此满足以下关系式式中，λ为尺度因子，K为照相机内参数，由张正友标定法得到；1.3)建立世界坐标系引入世界坐标系，并建立世界坐标系与上述两坐标系的关系，世界坐标系中设定沿棋盘格长宽方向为x，y轴，垂直于棋盘格方向为z轴，世界坐标系中点设为[XWYWZW]T；世界坐标系与照相机坐标系及图像坐标系关系如下：1.4)计算照相机到棋盘格间旋转矩阵R与平移矩阵t获取对棋盘格中的所有角点在世界坐标系下的坐标，其第i个角点坐标为[XWiYWi0]T，同时找到图像坐标系下对应点坐标[XPiYPi]T，结合标定照相机内参数K，用下式对R和t进行求解：其中，λ为尺度因子，R为3×3的矩阵，表示世界坐标系到照相机坐标系的旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡钊政，游继安，穆孟超，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42