重疊畸變區(qū)域下PTZ主從攝像機(jī)定標(biāo)方法研究

胡 瑋，潘 林

（福州大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形圖像研究所，福州350100）

重疊畸變區(qū)域下PTZ主從攝像機(jī)定標(biāo)方法研究

胡 瑋，潘 林

（福州大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形圖像研究所，福州350100）

針對(duì)傳統(tǒng)攝像機(jī)覆蓋面不足、鏡頭成像畸變等問(wèn)題，結(jié)合PTZ攝像機(jī)可靈活控制的特性，采用鏡頭畸變處理算法，提出一種重疊畸變區(qū)域下PTZ主從攝像機(jī)系統(tǒng)的定標(biāo)方法。利用PTZ攝像機(jī)的預(yù)置位點(diǎn)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行分區(qū)域采集，提取區(qū)域視圖中的特征點(diǎn)進(jìn)行重構(gòu)處理，使用鏡頭的徑向校正算法完成區(qū)域視圖的校正，將主攝像機(jī)視圖與重構(gòu)視圖依據(jù)映射關(guān)系函數(shù)進(jìn)行定標(biāo)，通過(guò)預(yù)置位點(diǎn)調(diào)整來(lái)提高精度，并引入混淆矩陣的概念驗(yàn)證定標(biāo)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不用考慮攝像機(jī)中心偏差等問(wèn)題，與傳統(tǒng)定標(biāo)方法相比速度快、精度高，適合應(yīng)用于居民小區(qū)等監(jiān)控環(huán)境。

重疊區(qū)域；PTZ攝像機(jī)；畸變；定標(biāo)；預(yù)置位；混淆矩陣

1 概述

近年來(lái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，被廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、工業(yè)控制、智能交通等領(lǐng)域［1］。隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的不斷拓展，對(duì)視頻圖像的監(jiān)控范圍和分辨率提出了更高的要求。受到攝像機(jī)有限視野和分辨能力的限制，當(dāng)監(jiān)測(cè)一個(gè)較大的場(chǎng)景時(shí)，需要布置多個(gè)攝像機(jī)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以避免目標(biāo)漏檢并保證較高的分辨率。主從攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是多攝像機(jī)方案中的一種，該系統(tǒng)利用固定攝像機(jī)作為引導(dǎo)者，控制PTZ（Pan Tilt Zoom）攝像機(jī)去聚焦跟蹤感興趣的目標(biāo)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是主從攝像機(jī)坐標(biāo)關(guān)系的建立。目前的定標(biāo)方法大致分為2類，一類利用攝像機(jī)間的內(nèi)外硬件參數(shù)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，文獻(xiàn)［2］采用的方法是將外界顯示的三維場(chǎng)景坐標(biāo)直接轉(zhuǎn)換為攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)控制參數(shù)和變換焦距來(lái)實(shí)現(xiàn)定標(biāo)過(guò)程；文獻(xiàn)［3］在硬件參數(shù)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合2幅圖之間的對(duì)極幾何關(guān)系完成坐標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)。但上述2種方法采取的定標(biāo)參數(shù)較為復(fù)雜，過(guò)程繁瑣，容易受到安裝條件、溫度和與光照等因素的變化，不同程度上影響到參數(shù)的計(jì)算。另一類方法是利用靜態(tài)場(chǎng)景的圖片與PTZ攝像機(jī)的場(chǎng)景圖片進(jìn)行弱定標(biāo)操作，結(jié)合插值算法獲取2個(gè)場(chǎng)景之間的坐標(biāo)映射關(guān)系，如文獻(xiàn)［4］中提到的方法，該定標(biāo)方法優(yōu)點(diǎn)在于方法簡(jiǎn)便，但需要長(zhǎng)時(shí)間的人工操作，且精度較低，適用范圍較窄；文獻(xiàn)［5］在基于兩攝像機(jī)的光心重合的假定前提下，利用特定情況計(jì)算主從攝像機(jī)的坐標(biāo)變換公式來(lái)進(jìn)行定標(biāo)，但該方法的缺點(diǎn)是光心位置誤差與假定條件相差較大，容易導(dǎo)致定標(biāo)公式不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響定標(biāo)的準(zhǔn)度。

本文提出一種重疊畸變區(qū)域下的PTZ主從攝像機(jī)系統(tǒng)定標(biāo)方法，結(jié)合PTZ攝像機(jī)的預(yù)置位點(diǎn)、SURF［6］、圖像特征點(diǎn)拼接［7］和攝像機(jī)鏡頭畸變校正［8］算法，在提高系統(tǒng)適用性的同時(shí)縮短攝像機(jī)定標(biāo)過(guò)程中需要人工耗費(fèi)的時(shí)間。系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，利用廣角攝像機(jī)與PTZ攝像機(jī)有機(jī)結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)，不僅解決了傳統(tǒng)攝像機(jī)定標(biāo)時(shí)可能產(chǎn)生的鏡頭畸變問(wèn)題，而且通過(guò)靈活調(diào)節(jié)PTZ攝像機(jī)的預(yù)置位點(diǎn)數(shù)，使該方法可以兼容不同條件下的場(chǎng)景監(jiān)控。

2 方法描述

本文中定標(biāo)攝像機(jī)分為2種：（1）靜態(tài)廣角攝像機(jī)，負(fù)責(zé)大范圍的場(chǎng)景監(jiān)控；（2）動(dòng)態(tài)PTZ云臺(tái)攝像機(jī)，用于捕獲廣角場(chǎng)景區(qū)域中的細(xì)節(jié)。首先，系統(tǒng)通過(guò)PTZ攝像機(jī)對(duì)監(jiān)控場(chǎng)景采集視圖信息，然后對(duì)采集得到的視圖進(jìn)行畸變校正處理，再一步利用特征點(diǎn)提取算法得到場(chǎng)景的特征數(shù)據(jù)，結(jié)合處理得到的視圖進(jìn)行場(chǎng)景的拼接重構(gòu)工作，之后根據(jù)重構(gòu)得到的場(chǎng)景和廣角攝像機(jī)得到的場(chǎng)景進(jìn)行配準(zhǔn)，最后進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)。廣角攝像機(jī)根據(jù)之前的靜態(tài)定標(biāo)結(jié)果對(duì)鏡頭中的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行特征提取，利用特征點(diǎn)對(duì)的映射關(guān)系控制PTZ攝像機(jī)移動(dòng)至合適預(yù)置位點(diǎn)，捕獲場(chǎng)景目標(biāo)并完成定標(biāo)。

3 定標(biāo)框架

3.1 主從攝像機(jī)模型的建立

空間中某一點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系與攝像機(jī)坐標(biāo)系下的齊次坐標(biāo)分別為χw=（Xw，Yw，Zw，1）T與χc=（Xc，Yc，Zc，1）T，則有：

其中，R為3×3正交單位矩陣；t=［tχtytz］T為三維平移向量；0T=［0 0 0］T。本文中，設(shè)χw為靜態(tài)攝像機(jī)坐標(biāo)系，χc為動(dòng)態(tài)攝像機(jī)坐標(biāo)系，H為靜態(tài)攝像機(jī)坐標(biāo)系到動(dòng)態(tài)攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的映射，其定標(biāo)原理如圖1所示。其中，H'代表靜態(tài)廣角視圖與重構(gòu)場(chǎng)景視圖之間的映射關(guān)系；C代表廣角攝像機(jī)中心；C'代表PTZ攝像頭中心。

圖1 系統(tǒng)定標(biāo)原理示意圖

通常情況下，要直接準(zhǔn)確地得到映射關(guān)系H是比較困難的，因此，先利用廣角場(chǎng)景之間的映射關(guān)系（χ，y）～（χw，yw），再結(jié)合靜態(tài)視圖與重構(gòu)視圖的映射關(guān)系H'，即可間接得到廣角攝像機(jī)當(dāng)前場(chǎng)景視圖與重構(gòu)場(chǎng)景的映射關(guān)系H，從而計(jì)算出目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

3.2 預(yù)置位采集

在利用靜態(tài)場(chǎng)景視圖進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)時(shí)，文獻(xiàn)［4］提到的方法是利用人工方法將攝像機(jī)中心移動(dòng)到目標(biāo)所在區(qū)域，并通過(guò)反復(fù)移動(dòng)和記錄得到靜態(tài)攝像機(jī)和PTZ攝像機(jī)之間的映射關(guān)系。通過(guò)繁瑣的記錄得到一張主從攝像機(jī)之間的映射關(guān)系表，這樣PTZ攝像機(jī)就可以通過(guò)查詢這張表得到獲取相應(yīng)的控制參數(shù)，并通過(guò)插值計(jì)算得到其他位置的參數(shù)。

為提高系統(tǒng)效率，結(jié)合PTZ攝像機(jī)的置位靈活特性，將采集和主從攝像機(jī)定標(biāo)利用預(yù)先設(shè)置好的預(yù)置位點(diǎn)自動(dòng)完成，根據(jù)事先設(shè)置好的預(yù)置位點(diǎn)讓攝像機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)置預(yù)定角度采集場(chǎng)景信息，節(jié)省了人工控制轉(zhuǎn)動(dòng)鏡頭以及記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間。

3.3 特征點(diǎn)提取及處理

常用的特征點(diǎn)提取方法有Harris角點(diǎn)檢測(cè)、Hessian-Laplace、SUSAN［9］、強(qiáng)角點(diǎn)檢測(cè)等。SIFT算法［10］是一種魯棒性的特征檢測(cè)方法，然而其算法復(fù)雜度高、計(jì)算量大。而SURF算法同樣具有尺度不變性和旋轉(zhuǎn)不變性的特點(diǎn)，并且計(jì)算速度快，魯棒性好。SURF算法主要利用Hessian矩陣的行列式判斷圖像上是否為極值點(diǎn)來(lái)獲取感興趣信息。在圖像上，I（χ，y）代表圖像的像素值，利用尺度歸一化的二階高斯濾波器計(jì)算圖像的二階偏導(dǎo)，則尺度為σ的Hession矩陣表示為：

其中，Lχχ（χ，y，σ）是圖像在P（χ，y）處與高斯函數(shù)二階偏導(dǎo)的卷積。L（χ，y，σ）和L（χ，χyyyy，σ）與此類似。通過(guò)Hession矩陣的行列式即可計(jì)算出圖像中的特征信息。表1是實(shí)驗(yàn)中對(duì)SIFT與SURF算法的數(shù)據(jù)比較結(jié)果。

表1 SIFT與SURF算法結(jié)果比較

由于SURF算法提取出的特征點(diǎn)仍然可能有誤匹配點(diǎn)的產(chǎn)生，因此需要進(jìn)行錯(cuò)誤點(diǎn)的剔除。RANSAC（Random Sam ple Consensus）［11］是一種利用數(shù)學(xué)迭代的方式估計(jì)模型的參數(shù)，通過(guò)得到的參數(shù)模型對(duì)不能適應(yīng)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行排除的方法。實(shí)際測(cè)試中，對(duì)于100個(gè)樣本點(diǎn)平均約經(jīng)過(guò)5次～6次的迭代之后，即可得到較準(zhǔn)確的特征數(shù)據(jù)集。

3.4 畸變校正

本文基于鏡頭徑向畸變模型［12］的校正方法，通過(guò)構(gòu)建定標(biāo)模板，將畸變中特征點(diǎn)的排列構(gòu)造出理想特征點(diǎn)圖像，然后計(jì)算特征點(diǎn)的畸變和理想矢徑坐標(biāo)，建立方程組求解或多項(xiàng)式擬合求出理想矢徑ru與畸變矢徑rd之間的映射關(guān)系，最后取矢徑均方誤差最小的畸變中心和對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式系數(shù)作為校正函數(shù)，進(jìn)一步校正圖像。

文獻(xiàn)［13］中針對(duì)魚(yú)眼鏡頭并結(jié)合魚(yú)眼相機(jī)的成像函數(shù)，通過(guò)SIFT算子進(jìn)行全景匹配，將畸變的情況直接合并到坐標(biāo)變換中，繼而得到一個(gè)全局的旋轉(zhuǎn)變換矩陣T。本文出于一種弱定標(biāo)重構(gòu)方法的考慮，在特征提取（以及拼接）的過(guò)程中需要將PTZ的畸變考慮在內(nèi)，因此需要對(duì)畸變的場(chǎng)景圖像進(jìn)行校正。

若采用以畸變中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系，則徑向畸變模型表示為：

其中，ru是理想圖像點(diǎn)的矢徑坐標(biāo)；rd是對(duì)應(yīng)畸變圖像點(diǎn)的矢徑坐標(biāo)。多數(shù)鏡頭畸變函數(shù)的表示形式為：

圖2（a）是攝像機(jī)所獲取到的場(chǎng)景圖片，圖片邊緣附近可以看到鏡頭的畸變情況，實(shí)際測(cè)試中取70個(gè)～80個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)陣作為畸變柵格模板，依據(jù)柵格模板的畸變狀況計(jì)算各項(xiàng)多項(xiàng)式的畸變系數(shù)。校正后的圖像如圖2（b）所示。圖2（c）表示的是該場(chǎng)景中采用的多項(xiàng)式函數(shù)階數(shù)與均方誤差、中心誤差分別對(duì)應(yīng)的擬合曲線關(guān)系。從圖中可以看出，針對(duì)某種固定畸變程度的鏡頭，選取合適的階層的多項(xiàng)式即可擬合出高精度的圖像畸變模型，以本文為例，當(dāng)多項(xiàng)式階層取4時(shí)，中心誤差為0.06，矢徑均方誤差為0.5左右，即可得到結(jié)果較為準(zhǔn)確的校正圖。而且通過(guò)圖像校正，增加了一定條件下本來(lái)在畸變視圖下判定失效的匹配對(duì)，對(duì)后續(xù)的拼接以及定標(biāo)都有很大的幫助。

圖2 鏡頭校正模板與效果比較

3.5 場(chǎng)景拼接

本文圖像拼接的基本思路是通過(guò)利用n（n≥3）對(duì)特征匹配點(diǎn)對(duì)2幅圖之間進(jìn)行匹配，然后計(jì)算出2幅圖之間的仿射矩陣M，使2幅圖像融合。基本的仿射變換公式為：

為了使仿射變換得到的效果更佳，對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行雙線性插值，將原圖像目標(biāo)像素點(diǎn)附近的4個(gè)鄰近象素的值兩次加權(quán)平均后替換變換圖像中的新象素點(diǎn)，以確保不同圖像之間的平滑過(guò)渡。

3.6 定標(biāo)及偏差調(diào)整

定標(biāo)通過(guò)視圖與視圖之間的仿射變換關(guān)系實(shí)現(xiàn)。設(shè)定P（a′，b′）表示靜態(tài)場(chǎng)景的坐標(biāo)點(diǎn)，P（χ，y）表示重構(gòu)場(chǎng)景的預(yù)置位點(diǎn)，P（a，b）表示重構(gòu)場(chǎng)景的坐標(biāo)點(diǎn)。完成場(chǎng)景的拼接建模后，提取廣角場(chǎng)景和拼接場(chǎng)景之間的匹配關(guān)系，得到一系列特征點(diǎn)匹配對(duì)P（mK，nK）～P（mK′，nK′）。根據(jù)P（mK，nK）～P（mK′，nK′）之間的映射關(guān)系計(jì)算出仿射矩陣M，依此得到：

通過(guò)變換矩陣M，進(jìn)一步得到靜態(tài)攝像機(jī)到PTZ攝像機(jī)的映射關(guān)系P（χ，y）～P（a，b）。對(duì)于靜態(tài)場(chǎng)景中任意一點(diǎn)P（a，b），映射到重構(gòu)場(chǎng)景的每一個(gè)預(yù)置位點(diǎn)P（χ，y），有：

定標(biāo)過(guò)程中由于預(yù)置位點(diǎn)相對(duì)于整個(gè)場(chǎng)景的記憶位置是固定的，因此定標(biāo)結(jié)果可能把完整的目標(biāo)物體顯示在視圖中央（如圖3（a）所示），也可能會(huì)產(chǎn)生目標(biāo)物體不能完整顯示在攝像機(jī)視圖中（如圖3（b）所示）。通過(guò)設(shè)計(jì)2組不同的預(yù)置位點(diǎn)集合來(lái)分別應(yīng)用與采集和定標(biāo)2個(gè)過(guò)程，可以在不影響系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下提高定標(biāo)精度。

圖3 預(yù)置位定標(biāo)的偏差調(diào)整

如圖4（a）所示，深色預(yù)置位點(diǎn)為采集時(shí)所使用的部分預(yù)置位點(diǎn)集，淺色預(yù)置位點(diǎn)作為定標(biāo)時(shí)額外使用的預(yù)置位點(diǎn)集。在系統(tǒng)采集初始場(chǎng)景信息時(shí)，使用深色預(yù)置位點(diǎn)足以獲取到整個(gè)場(chǎng)景的各部分信息，但若僅以深色預(yù)置位點(diǎn)為中心進(jìn)行定標(biāo)，有可能使定標(biāo)視圖中的目標(biāo)無(wú)法完整顯示（虛線方框）。若在定標(biāo)時(shí)同時(shí)結(jié)合淺色預(yù)置位點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，就可能提高定標(biāo)結(jié)果的精度，使目標(biāo)更完整的出現(xiàn)在攝像機(jī)中央（實(shí)線方框）。圖4（b）說(shuō)明了該方法的主要流程，由于在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后可供分析的預(yù)置位點(diǎn)數(shù)增加了，PTZ攝像機(jī)在定標(biāo)空間時(shí)的可選擇點(diǎn)數(shù)也增多了，因此一定程度上增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 預(yù)置位調(diào)整原理及流程

由于本文定標(biāo)方法是借助預(yù)置位點(diǎn)進(jìn)行場(chǎng)景目標(biāo)中心的定位，如何將目標(biāo)中心歸類到正確的預(yù)置位點(diǎn)決定了場(chǎng)景定標(biāo)的精確度。若將空間點(diǎn)陣類比為聚類中心，對(duì)于大場(chǎng)景中的目標(biāo)定位，是否合理的歸類于最近的的置位點(diǎn)影響到定標(biāo)結(jié)果的有效性。以實(shí)驗(yàn)中的拼接模板為例，取前9個(gè)點(diǎn)作為聚類中心點(diǎn)，對(duì)于大場(chǎng)景中的任意一點(diǎn)，通過(guò)人工統(tǒng)計(jì)并結(jié)合實(shí)際定標(biāo)結(jié)果，若該點(diǎn)經(jīng)過(guò)映射并處于視圖的中心的3/4方格區(qū)域內(nèi)，則認(rèn)為該聚類是正確的，否則認(rèn)為是錯(cuò)誤的（如圖5所示）。利用混淆矩陣［14］（Confusion Matrix）的概念分類、統(tǒng)計(jì)和比較定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確度。混淆矩陣主要用于比較分類結(jié)果，可以把分類結(jié)果的精度顯示在一個(gè)矩陣之中。本文實(shí)驗(yàn)中將每張拼接模板（對(duì)應(yīng)一個(gè)置位中心）等價(jià)為一個(gè)類，每一列中的數(shù)值等于測(cè)得定標(biāo)位置在分類圖象中對(duì)應(yīng)于相應(yīng)預(yù)置位點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)概率，各矩陣單位中顏色的深淺程度代表了定標(biāo)到該置位點(diǎn)的概率的大小。

圖5 定標(biāo)分類決策

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文在基于VC++6.0的開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主監(jiān)控端為650TVL的CCD彩色攝像機(jī)，可清晰獲取場(chǎng)景圖像，從監(jiān)控端為紅外高速球PTZ云臺(tái)。實(shí)驗(yàn)中選取了32組預(yù)置位點(diǎn)，其中12個(gè)預(yù)置位點(diǎn)作為采集點(diǎn)使用，20個(gè)點(diǎn)作為定標(biāo)輔助點(diǎn)使用，并在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景下結(jié)合主從攝像機(jī)進(jìn)行小區(qū)域的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)，其中重構(gòu)場(chǎng)景效果如圖6所示，圖中的數(shù)字代表PTZ攝像機(jī)采集實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景時(shí)對(duì)各個(gè)視圖區(qū)域的編號(hào)。

圖6 場(chǎng)景定標(biāo)匹配效果

廣角場(chǎng)景視圖如圖7（a）和圖7（b）所示，圖7（a）根據(jù)廣角場(chǎng)景和拼接場(chǎng)景的坐標(biāo)映射關(guān)系在場(chǎng)景圖7（b）中進(jìn)行定位。在檢測(cè)到移動(dòng)的目標(biāo)物體后，將場(chǎng)景中的人物中心的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到拼接場(chǎng)景的坐標(biāo)系中，PTZ攝像機(jī)根據(jù)映射得到的目標(biāo)物體坐標(biāo)信息，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的預(yù)置位中心（見(jiàn)圖7（c）），完成目標(biāo)的捕獲。

圖7 場(chǎng)景追蹤視圖及中心偏離程度

本文中PTZ攝像機(jī)截取的圖像大小為352× 288，若該點(diǎn)落在264×216的視圖中心區(qū)域內(nèi)（75%），則判定該點(diǎn)在其對(duì)應(yīng)區(qū)域的定標(biāo)結(jié)果是合理的，在混淆矩陣中則表示為area_i映射到area_j中（其中i==j），相對(duì)應(yīng)的概率結(jié)果如圖8中深色對(duì)角線所表示的情況。

圖8 混淆矩陣偏差分類比對(duì)

從圖中矩陣可以看出，可能產(chǎn)生匹配錯(cuò)誤的視圖基本是離正確的視圖在空間距離上較為接近的視圖，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中也可得出，定標(biāo)視圖的重疊度對(duì)分類的結(jié)果也有一定影響，若拼接圖片之間的重疊區(qū)域較大，則點(diǎn)落在75%的區(qū)域內(nèi)的概率越高，則混淆矩陣的分類結(jié)果就越好。總體來(lái)說(shuō)，該矩陣在一定程度上準(zhǔn)確反映了定標(biāo)算法的準(zhǔn)確度。

表2統(tǒng)計(jì)的是若干個(gè)分散目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)獲得的數(shù)據(jù)。廣角攝像頭根據(jù)視圖確定目標(biāo)位置并計(jì)算出重構(gòu)場(chǎng)景的坐標(biāo)，再進(jìn)一步映射到最近的預(yù)置位點(diǎn)上，PTZ攝像頭根據(jù)預(yù)置位的坐標(biāo)即可調(diào)用對(duì)應(yīng)的預(yù)置位編號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中只有1組數(shù)據(jù)無(wú)法位于定標(biāo)視圖的75%區(qū)域內(nèi)，其他點(diǎn)均可映射到滿足要求的位置。

表2 隨機(jī)選取目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算出的定標(biāo)數(shù)據(jù)

圖9統(tǒng)計(jì)的是不同預(yù)置位點(diǎn)數(shù)與目標(biāo)顯示效果的統(tǒng)計(jì)示意圖。對(duì)于任一定標(biāo)視圖，令gi（0%～100%）表示每個(gè)視圖中目標(biāo)的顯示程度，則在預(yù)置位點(diǎn)數(shù)固定的情況下，定義gi的加權(quán)平均值G表示平均每個(gè)目標(biāo)的顯示程度。針對(duì)本文的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，當(dāng)預(yù)置位點(diǎn)數(shù)設(shè)置范圍處于30個(gè)～40個(gè)點(diǎn)的范圍內(nèi)時(shí)，平均每張視圖目標(biāo)的顯示程度在90%～95%；但是當(dāng)預(yù)置位數(shù)目較少時(shí)，平均每張視圖的顯示程度比較低，而且下降得比較快，只有40%～60%左右，說(shuō)明有一半左右的視圖無(wú)法包含目標(biāo)整體；而在40個(gè)點(diǎn)數(shù)以上時(shí)，曲線變化趨于平緩，即基本所有視圖都可以包含到目標(biāo)整體。

圖9 預(yù)置位點(diǎn)數(shù)對(duì)目標(biāo)顯示程度的影響

由于預(yù)置位點(diǎn)的數(shù)量可靈活調(diào)整，因此本文方法對(duì)于不同場(chǎng)景，都可通過(guò)控制預(yù)置位點(diǎn)數(shù)提升系統(tǒng)的可靠性，例如針對(duì)本文中的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景時(shí)，使用32個(gè)預(yù)置位點(diǎn)和定標(biāo)偏差調(diào)整方法基本可以滿足監(jiān)控需求，而對(duì)于更大視角的場(chǎng)景（遠(yuǎn)景）時(shí)，需要設(shè)置更多的預(yù)置位點(diǎn)提高定標(biāo)結(jié)果的精度。無(wú)論對(duì)于遠(yuǎn)景還是近景，只要設(shè)置好合適的預(yù)置位點(diǎn)個(gè)數(shù)，就可以在多種情況下滿足實(shí)際監(jiān)控應(yīng)用的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)重疊畸變的定標(biāo)場(chǎng)景，結(jié)合PTZ攝像機(jī)預(yù)置位功能實(shí)現(xiàn)了一種快速的主從攝像機(jī)定標(biāo)方法。相比于一般定標(biāo)方法，避免計(jì)算了計(jì)算坐標(biāo)角度以及PTZ攝像機(jī)移動(dòng)參數(shù)，且當(dāng)預(yù)置位點(diǎn)足夠多時(shí)，主從攝像機(jī)定標(biāo)結(jié)果的精度可以進(jìn)一步提高。該方法對(duì)場(chǎng)景以及攝像機(jī)擺放位置的要求不高，針對(duì)不同場(chǎng)景設(shè)置合適的預(yù)置位點(diǎn)數(shù)即可使用，具有很好的適用性和可靠性。但由于每幀計(jì)算預(yù)置位點(diǎn)坐標(biāo)及映射過(guò)程中存在位置信息的冗余，因此，下一步研究將主要對(duì)目標(biāo)的移動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)軌跡預(yù)測(cè)和計(jì)算出目標(biāo)的常用預(yù)置位點(diǎn)，對(duì)整個(gè)定位過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

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編輯金胡考

Research on M aster-slave Calibration Method by PTZ Camera Under OverlaPPing and Distorted Area

HU Wei，PAN Lin
（Institute of Image and Graphics，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350100，China）

In view of the questions of insufficient coverage and lens distortion，combining with the flexible features of Pan Tilt Zoom（PTZ）and distortion processing algorithms，this paper proposes amethod for calibration by the fast and flexible feature of PTZ camera.It collects the areas respectively by using preset points，then uses algorithms to extract the region feature to splice and reconstruct，and tries to correct the distorted view of regional，makes amapping between main view and reconstruction view.It improves the calibration accuracy by using the preset positions，With a statistical of confusion matrix. The method does not have to consider the center deviation with high speed and precision to living area.Experimental results show that the proposed method can be accurate to do calibratation，With good robustness and accuracy.

overlaping region；Pan TiltZoom（PTZ）camera；distortion；calibration；presetpositions；confusionmatrix

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.047

胡 瑋，潘 林.重疊畸變區(qū)域下PTZ主從攝像機(jī)定標(biāo)方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（9）：255-260.

英文引用格式：Hu Wei，Pan Lin.Research on Master-slave Calibration Method by PTZ Camera Under Overlapping Distortion Area［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：255-260.

1000-3428（2015）09-0255-06

A

TP391.41

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012105116）。

胡 瑋（1989-），男，碩士研究生，主研方向：圖像處理；潘 林，講師、博士。

2014-07-16

2014-10-26 E-m ail：670130115@qq.com