本發(fā)明涉及視頻GIS、視頻監(jiān)控和計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)，具體涉及一種基于SIFI匹配的云臺監(jiān)控相機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中圖像空間與地理場景自動映射方法。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來，人們對安全技術(shù)防范的要求越來越高。上個世紀(jì)八十年代末至今，隨著各種新型安保觀念的引入，數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會各行業(yè)、各部門的安全防范領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，視頻監(jiān)控技術(shù)在公共安全領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用(范建福.視頻監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].中國市場,2015,11:201-202.)。

目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由于各攝像機(jī)相互獨(dú)立、方位各異，單個攝像機(jī)的監(jiān)控范圍小，再加上視頻監(jiān)控系統(tǒng)中經(jīng)常釆用的“井”字窗格視圖難以提供大范圍的視頻視圖，不能為用戶呈現(xiàn)統(tǒng)一的宏觀視野，增加了用戶對監(jiān)控場景的理解難度，限制了監(jiān)控視頻的分析應(yīng)用。

視頻GIS將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)相結(jié)合，將視頻監(jiān)控系統(tǒng)攝像機(jī)統(tǒng)一納入地圖中管理、展示，能夠為用戶提供統(tǒng)一宏觀視野，提高監(jiān)控視頻的應(yīng)用。視頻GIS首先要實現(xiàn)視頻圖像到地理場景之間的投影問題。

視頻圖像與地理場景之間的投影問題，可以通過攝像機(jī)標(biāo)定，求解相機(jī)內(nèi)外參數(shù)，從而解決。目前的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)，主要有傳統(tǒng)標(biāo)定法方法和自標(biāo)定方法(孟曉橋,胡占義.攝像機(jī)自標(biāo)定方法的研究與進(jìn)展[J].自動化學(xué)報,2003,01:110-124.)。傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定方法需要利用特定的標(biāo)定塊，在實際使用過程中，常需要重復(fù)定標(biāo)，既不經(jīng)濟(jì)也費(fèi)時。自標(biāo)定方法不需要標(biāo)定塊，僅需要不同視角下的一系列圖像，但是要求這一系列圖像中具有相同的特征點(diǎn)，并構(gòu)建這些特征點(diǎn)在不同圖像中的對應(yīng)關(guān)系，要求極高的圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)困難。

單應(yīng)矩陣可以表征兩個平面之間相互映射的關(guān)系(劉學(xué)軍,王美珍,甄艷,盧玥.單幅圖像幾何量測研究進(jìn)展[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2011,08:941-947.)，可以實現(xiàn)視頻圖像與地理平面場景之間的投影。視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的區(qū)域一般是諸如機(jī)場、海關(guān)、廣場、火車站等公共活動場所，這些地方可以滿足地理平面場景的要求，所以可以利用單應(yīng)矩陣來實現(xiàn)視頻圖像與地理平面場景之間的投影。

總之，隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會公共安全領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，目前的視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能為用戶提供統(tǒng)一的宏觀視野，難以實現(xiàn)大范圍的監(jiān)控攝像頭關(guān)聯(lián)使用、統(tǒng)一調(diào)度，限制了監(jiān)控視頻的應(yīng)用。而視頻GIS突破了目前單純的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的限制，把監(jiān)控視頻納入了大范圍的地理場景，可以實現(xiàn)關(guān)聯(lián)使用、統(tǒng)一調(diào)度。在視頻GIS系統(tǒng)中如何高效地實現(xiàn)視頻圖像與地理場景的高效投影，是任何一個視頻GIS系統(tǒng)首先要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于SIFI匹配的圖像空間與地理場景自動映射方法，本發(fā)明只利用云臺相機(jī)在初始位對應(yīng)的地理場景中控制點(diǎn)坐標(biāo)，和計算機(jī)圖像學(xué)中SIFT匹配算法，實現(xiàn)視頻GIS和視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，云臺相機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中視頻圖像與地理場景的自動投影。具體涉及到SIFT匹配、透視幾何和視頻GIS等內(nèi)容。

技術(shù)方案：本發(fā)明一種基于SIFT匹配的圖像空間與地理場景自動映射方法，具體包括以下步驟：

(1)采集用于計算相機(jī)初始位單應(yīng)矩陣的數(shù)據(jù)：

采集相機(jī)初始位對應(yīng)的地理場景中的控制點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y)，至少采集4個點(diǎn)；測量相機(jī)初始位圖像上每一個控制點(diǎn)對應(yīng)的圖像坐標(biāo)(r，c)，其中，r為像點(diǎn)的行號，c為像點(diǎn)的列號；

(2)根據(jù)步驟(1)所采集的數(shù)據(jù)代入單應(yīng)矩陣的計算公式(1)中，計算云臺相機(jī)在初始位時，視頻圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣H1：

(3)SIFT匹配：

利用SIFT匹配算法，尋找云臺相機(jī)在初始位拍的圖像和下一幀圖像之間的對應(yīng)點(diǎn)p₁和p₂，以及及對應(yīng)點(diǎn)p₁、p₂的圖像坐標(biāo)p₁(r₁，c₁)，p₂(r₂，c₂)；其中對應(yīng)點(diǎn)p₁在第一張圖像上、p₂在第二張圖像上；

(4)匹配點(diǎn)投影到地理場景：

利用單應(yīng)矩陣H1和SIFT匹配結(jié)果，把匹配點(diǎn)在第一張圖像中的坐標(biāo)p₁(r₁，c₁)投影到地理場景，得到像點(diǎn)p₁和p₂對應(yīng)的地面點(diǎn)的地理坐標(biāo)P(X，Y)；

(5)計算下一張圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣H2：

利用匹配點(diǎn)在第二張圖像上的圖像坐標(biāo)p₂(r₂，c₂)和其對應(yīng)的地理坐標(biāo)P(X，Y)，計算第二張圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣H2；求得H2后，第二張圖像上任意像點(diǎn)p(r，c)都可以投影到地理空間，與實際地理點(diǎn)對應(yīng)起來，投影公式為：

公式中H2_ij表示H2矩陣的第i行第j列上的元素。

有益效果：本發(fā)明只需采集監(jiān)控相機(jī)在初始位置時，對應(yīng)的地理場景地面控制點(diǎn)坐標(biāo)，計算初始位的單應(yīng)矩陣，然后在云臺監(jiān)控相機(jī)旋轉(zhuǎn)的過程中，都可以實現(xiàn)自動計算視頻圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣，從而達(dá)到視頻圖像到地理場景的投影。

本發(fā)明簡單方便、自動計算，實現(xiàn)視頻圖像到地理場景的投影。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中實施例中的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的SIFT匹配結(jié)果圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實施例。

為便于更清楚的理解本發(fā)明，此處做以下說明：

單應(yīng)矩陣是指，在計算機(jī)視覺中，平面的單應(yīng)性被定義為從一個平面到另一個平面的投影映射，這種映射關(guān)系可以用一個3×3的矩陣表示，該矩陣就稱為兩個平面的單應(yīng)矩陣。計算出兩幅圖像之間的單應(yīng)矩陣H，那么應(yīng)用這個關(guān)系可以將一個視圖中的所有點(diǎn)變換到另一個視圖中。

SIFT(Scale-invariant feature transform，尺度不變特征轉(zhuǎn)換)匹配，是指David Lowe于1999年提出、2004年完善總結(jié)的一種計算機(jī)視覺的算法。SIFT特征匹配算法可以處理兩幅圖像之間發(fā)生平移、旋轉(zhuǎn)、仿射變換情況下的匹配問題，具有很強(qiáng)的匹配能力。該算法主要包括兩個階段：第一個階段是SIFT特征的生成，SIFT特征是基于物體上的一些局部外觀的興趣點(diǎn)而與影像的大小和旋轉(zhuǎn)無關(guān)；第二階段是SIFT特征向量的匹配，特征點(diǎn)向量相似的SIFT特征匹配到一起。

對應(yīng)點(diǎn)是指，因云臺相機(jī)姿態(tài)可能變化，拍攝的兩張圖像中，同一空間目標(biāo)點(diǎn)在圖像中的像點(diǎn)及像點(diǎn)位置(圖像坐標(biāo))不同，但它們對應(yīng)于同一個空間目標(biāo)，這樣的點(diǎn)就稱為對應(yīng)點(diǎn)。

本發(fā)明中的基于SIFT匹配的云臺監(jiān)控相機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中圖像空間與地理場景自動映射方法為：

采集監(jiān)控相機(jī)在初始位置對應(yīng)地理場景的控制點(diǎn)坐標(biāo)，并基于SIFT匹配算法，自動計算云臺監(jiān)控相機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中，不同時刻拍攝的圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣，并實現(xiàn)視頻圖像到地理場景的投影，可以提高視頻GIS系統(tǒng)中，視頻圖像到地理場景之間投影的效率。

實施例1：

如圖1所示，一種基于SIFT匹配的圖像空間與地理場景自動映射方法，具體包括以下步驟：

步驟1：采集用于計算相機(jī)初始位圖像空間與地理場景單應(yīng)矩陣的數(shù)據(jù)。利用Trimble VX空間測站儀測量本示例所用云臺監(jiān)控相機(jī)在初始位時，對應(yīng)的地理場景控制點(diǎn)坐標(biāo)(X，Y)，利用圖像處理軟件Photoshop CS6測量云臺相機(jī)在初始位拍攝的圖像中地理控制點(diǎn)對應(yīng)的像點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(r，c)，r為圖像行號，c為圖像列號，本實施例1中采集10組對應(yīng)點(diǎn)，具體數(shù)據(jù)如下表：

表1實施例1中十組對應(yīng)點(diǎn)

步驟2：計算相機(jī)初始位圖像空間與地理場景之間的單應(yīng)矩陣H1。將步驟1中采集的數(shù)據(jù)代入單應(yīng)矩陣的計算公式，計算云臺相機(jī)在初始位時拍攝的圖像與地理場景的單應(yīng)矩陣H1：

步驟3：SIFT匹配。利用計算機(jī)圖像學(xué)中的SIFT匹配算法，尋找云臺相機(jī)在初始位拍的圖像和下一張圖像之間的對應(yīng)點(diǎn)對，及對應(yīng)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)(r，c)，r為像點(diǎn)的行號，c為像點(diǎn)的列號。假設(shè)P1和P2是其中一組對應(yīng)點(diǎn)對，從匹配結(jié)果中可以得到P1(211,423)、P2(217,276)。匹配結(jié)果如圖2。

步驟4：匹配點(diǎn)投影到地理場景。利用單應(yīng)矩陣H1和SIFT匹配結(jié)果，把第一張圖像上像P1(r₁，c₁)這樣的匹配點(diǎn)都投影到地理場景，得到像點(diǎn)P1(r₁，c₁)對應(yīng)的地面點(diǎn)地理坐標(biāo)P(X，Y)。

步驟5：利用匹配點(diǎn)在第二張圖像上的圖像坐標(biāo)P2(r₂，c₂)和其對應(yīng)的地理坐標(biāo)P(X，Y)(由步驟4中投影到地理場景得到)，計算第二張圖像與地理場景之間的單應(yīng)矩陣H2，

當(dāng)求得H2后，第二張圖像上一像點(diǎn)p(189，321)代入如下計算公式，

求得其投影到地理空間的坐標(biāo)為P(3554386.7，679673.417)。