一种基于多视觉信息的目标定位方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多视觉信息的目标定位方法和系统。所述方法，包括下列步骤：部署多个摄像机节点，每个摄像机节点在待定位平面上建立以各自位置坐标为原点的投影平面坐标系；各个摄像机节点在图像平面上提取目标区域并用最小包围矩形将目标所在区域框出，并计算出矩形框的垂直中线与上边缘、下边缘的交点在投影平面坐标系下的坐标；摄像机节点将计算所得到的两个坐标通过坐标变换转换为世界坐标系下的同一坐标；摄像机节点建立直线方程，并且将直线方程的参数以及分辨率、高度信息按照预定协议打包并发送到簇头节点；簇头节点建立代价函数，令其最小从而实现对目标的精确定位，簇头节点将计算所得的目标位置信息广播返回到各个摄像机节点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线多媒体传感器网络、视频处理
，特别是涉及一种基于多 视觉信息的目标定位方法和系统。
技术介绍
近些年来，由于理论研究以及实践应用的推动，无线传感器网络技术已经得到了 迅速发展，逐渐被广泛应用于军事、交通、环境和工业生产等领域，实现对周围环境许多物 理量的测量与信息的交换。然而随着监测环境的日趋复杂多变，由传统传感器网络所获取 的简单数据愈加不能满足人们对环境监测的全面需求；另一方面随着如CMOS摄像头和麦 克风等硬件体积小型化以及成本的大幅降低，使得将其集成在小型无线传感器网络节点上 成为可能。故近几年人们开始将研究的焦点集中到基于音频、图像、视频等大数据量、大 信息量媒体的无线传感器网络上，无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSN)应运而生。无线传感器网络的实际应用中很重要的一个信息则是位置信息，主要是指对目标 进行定位。无线传感器网络的定位研究已有多年，已经设计出了许多的测量方案与定位方 法。由于现有的卫星定位系统，如美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS) 和我国的北斗卫星定位系统等，不仅成本很高，在室内环境或高大建筑物密集城区，卫星定 位信号受到建筑物的阻隔，难以有效定位；目前室内定位一般采用射频、无线局域网、超声 波等传感信号，其中基于射频信号测距的方法较为简单，但是定位精度比较低，无法满足高 精度定位要求；基于无线局域网的指纹匹配方法精度相对较高，但是需要大量的训练过程； 基于超声波的定位技术精度相对较高，不过需要使用专门的硬件设施，定位范围相对受限， 难以大规模部署；此外上述几种定位方法均是对主动目标进行定位，即需要被定位目标与 信标节点之间进行交互。近年来，随着无线多媒体传感器网络的研究兴起与发展，基于计算 机视觉的定位方法受到广泛关注。其主要原因是基于计算机视觉的定位不仅观测范围大、 定位精度高、部署相对容易、成本正大幅下降，与其它针对主动目标定位技术相比，基于视 觉的定位技术可以完全对被动目标进行定位。目前基于计算机视觉的定位已成为传感器网 络定位技术的研究热点。基于计算机视觉的定位方法主要采用计算机视觉技术，如透视投影模型、极线约 束模型、平行线消失点测量等方法，利用单摄像机或多摄像机节点的视觉观测信息，对进入 观测视野的被动目标进行目标提取、目标描述、目标分类、目标定位、数据关联、目标跟踪等 过程，从而实现全面的优化的高精度的被动目标定位跟踪的目的。现有的基于摄像机测量 的定位方法是一种基于计算机视觉的方法，只需要提前标定各个摄像机节点所在位置信息 和传感方向。但是已有的这类定位方法研究才刚刚处于起步阶段，并不完善，而且有均有一定 的部署限制，图1是在某些场景下无法得到精确的目标位置示意图，如图1所示1、在实际应用中摄像机的部署一般并不是理想的使其光轴平行于定位平面，而是7有一定的向下的倾角，以使其观测范围更大，如图1(a)所示；2、由于目标的高度原因，当其处于摄像机观测范围内的某些位置时，摄像机节点 可能并不能直接观测到其在定位平面所处的位置，如图1(b) Q点所示，故不能直接对其定 位；同样，当目标处于某些位置时，不能观测到其顶部位置，如图l(b)P点所示；3、由于目标本身的外形不规则或体积很大时或长宽比例很大时，用一般的定位算 法所得到的并不准确，如图1(c)所示，通过单个摄像机所获得的目标位置为Q点或Q'点， 而目标的真正的位置则为P点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于多视觉信息的目标定位方法和系统。其实现了基 于异构无线多媒体传感器网络中具有倾角的多摄像机节点通过分布式协作模式对被动目 标的精确定位。为实现本专利技术的目的而提供的一种基于多视觉信息的目标定位方法，包括下列步 骤步骤100.在待检测区域中部署多个摄像机节点，每个摄像机节点在待定位平面 上建立以各自位置坐标为原点的投影平面坐标系；步骤200.各个所述摄像机节点发现目标后，在图像平面上提取目标区域并用最 小包围矩形将目标所在区域框出，寻求矩形框的垂直中线与上边缘、下边缘的交点，并计算 出这两个交点在投影平面坐标系下的坐标；步骤300.每个所述摄像机节点将计算所得到在各自的投影平面坐标系下的两个 坐标通过坐标变换转换为世界坐标系下的同一坐标；步骤400.各个所述摄像机节点通过两点的世界坐标系坐标建立直线方程，并且 将所述直线方程的参数以及分辨率、高度等信息按照预定协议打包并发送到簇头节点；步骤500.所述簇头节点融合各摄像机节点的信息建立代价函数，令其最小从而 实现对目标的精确定位，依应用需求，所述簇头节点将计算所得的目标位置信息广播返回 到各个摄像机节点。所述步骤100，包括下列步骤步骤110.所述摄像机节点获得自己所处的位置坐标和光轴方向；步骤120.所述摄像机节点采集一张无任何目标的背景图像存储在自己的内存 中；步骤130.所述摄像机节点以自己的位置坐标为原点建立投影平面坐标系。所述步骤200，包括下列步骤步骤210.所述目标出现后，观测到目标的摄像机节点组织形成一个簇；步骤220.所述簇内的每个摄像机节点通过将当前场景与存储的背景图象做背景 差算法，提取目标所在区域；步骤230.每个所述摄像机节点将目标所在区域用最小包围矩形框出，计算所述 矩形的垂直中线的上端点与下端点在图像平面上的坐标；步骤240.每个所述摄像机节点将上述两个点在图像平面坐标系下的坐标转换为 其所对应的在投影平面坐标系下的坐标。 所述步骤200中，所述两个交点在投影平面坐标系下的坐标为 其中，M为摄像机在水平方向上的像素总数，Φ VCT为摄像机垂直方向最大视角的一 半，H为摄像机距离定位平面的高度，θ为摄像机在垂直方向的倾斜角，f为摄像机焦距，N 为摄像机垂直方向的像素总数，Pver为每个像素在垂直方向的实际物理大小。所述步骤300中，摄像机节点i在世界坐标系下的坐标记为/Tifc，围绕y轴的旋转 免为φ,，则投影点位置P转换为世界坐标系下为 其中，旋转矩阵为 ，平移向量为 步骤400中，对于第i个摄像机节点，可以由目标在投影平面坐标系下的两个投影 点Zfra与/T确定一条直线Li 其中，当 所述步骤500，包括下列步骤步骤510.所述簇头节点接收到簇内所有摄像机节点发来的数据后，联立所有直 线方程，建立最小二乘代价函数； 其中，为目标到直线的距离。步骤520.所述簇头节点对所述最小二乘代价函数进行求解，求得最/J· 下的最优解，即为目标所处位置坐标(X，Z)；目标定位的问题即转化为寻求一点(X，Z)，使得J最小 令J对X，ζ分别求偏导数并令其分别等于0 ‘dJ 步骤530.所述簇头节点将计算所得的目标位置以广播的形式发送到簇内的每个 摄像机节点。所述步骤500，包括下列步骤 步骤510’ .通过对簇内各个摄像机节点的分辨率与高度信息进行分析，对每条直线赋予相应的权值，摄像机节点的分辨率越高则权值越大，所处高度H越高则权值越小，定第i个节点的权值为 加权最小二乘代价函数为 步骤520’ .所述簇头节点对所述加权最小二乘代价函数进行求解，求得最小二乘 意义下的最优解，即为目标所处位置坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多视觉信息的目标定位方法，其特征在于，所述方法，包括下列步骤：步骤１００．在待检测区域中部署多个摄像机节点，每个摄像机节点在待定位平面上建立以各自位置坐标为原点的投影平面坐标系；步骤２００．各个所述摄像机节点发现目标后，在图像平面上提取目标区域并用最小包围矩形将目标所在区域框出，寻求矩形框的垂直中线与上边缘、下边缘的交点，并计算出这两个交点在投影平面坐标系下的坐标；步骤３００．每个所述摄像机节点将计算所得到在各自的投影平面坐标系下的两个坐标通过坐标变换转换为世界坐标系下的同一坐标；步骤４００．各个所述摄像机节点通过两点的世界坐标系坐标建立直线方程，并且将所述直线方程的参数以及分辨率、高度等信息按照预定协议打包并发送到簇头节点；步骤５００．所述簇头节点融合各摄像机节点的信息建立代价函数，令其最小从而实现对目标的精确定位，依应用需求，所述簇头节点将计算所得的目标位置信息广播返回到各个摄像机节点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗海勇，张波，赵方，朱珍民，何哲，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]