本發(fā)明涉及計算機圖像與視頻處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟發(fā)展、科技水平不斷提高，以民用消費級無人機為代表的小型航空器和空飄物消費市場正快速增長。與此同時，因其“黑飛”、“亂飛”所引發(fā)的一系列因墜落造成人員傷亡的事故，或干擾軍民飛機正常起降等問題卻日益嚴重。作為反制這些“黑飛”航空器的第一步，就是需要在管制空域內(nèi)實現(xiàn)全方位不間斷地監(jiān)測。目前，監(jiān)測手段大致可以分為三種：依靠人力巡邏、對管制區(qū)域內(nèi)無線電進行監(jiān)測、雷達掃描，但是均存在不足，具體如下：

依靠人力巡邏，是現(xiàn)在最常采用的方法。此方法需要消耗大量的人力和財力，并且由于人體本身的限制，很難對管制空域?qū)崿F(xiàn)全方位不間斷地監(jiān)測。

對管制區(qū)域內(nèi)無線電進行監(jiān)測，也是一種比較常用的方法，主要是對遙控頻段的無線電進行監(jiān)測。但是，此方法對于預(yù)編程無人機、滑翔傘和熱氣球等無需進行無線電通信的航空器或空飄物，無法實現(xiàn)監(jiān)測。另外，如果無人機駕駛員刻意躲避檢查，將其遙控頻率更改到其他民用波段，該方法也不能實現(xiàn)有效監(jiān)測。

雷達掃描，通過雷達掃描來監(jiān)測“黑飛”小型航空器和空飄物的方法運用面較窄，一般只在機場等特別重要的部門周圍使用。由于其成本高昂，且輻射較大，并不適合部署在人群密集場所，且雷達探測對低空飛行的小型飛行器無能為力。

如上所述，對小型航空器和空飄物進行有效的監(jiān)測，是當前急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中對小型航空器和空飄物進行監(jiān)測所存在的問題。本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法及系統(tǒng)，能夠可視化全方位不間斷地對管制空域內(nèi)的所有小型航空器和空飄物進行監(jiān)測，對其實時空間位置及軌跡進行跟蹤與預(yù)判，并能發(fā)出報警信息，以便管理人員采取相關(guān)反制措施，具有良好的應(yīng)用前景。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：包括以下步驟，

步驟（a），實時獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有攝像機所拍攝的視頻圖像信息；

步驟（b），對所獲取的每臺攝像機的視頻圖像信息進行單獨分析處理，識別出其中所有的小型航空器和空飄物；

步驟（c），對存在小型航空器和空飄物的視頻圖像信息進行三維空間重構(gòu)，定位出所有的小型航空器和空飄物的三維坐標，并記錄所有小型航空器和空飄物的運行軌跡；

步驟（d），分析單個小型航空器或空飄物的運行軌跡，并預(yù)測其的未來運行軌跡，若存在單個小型航空器或空飄物的預(yù)計軌跡會經(jīng)過管制區(qū)域，則發(fā)出報警信息。

前述的一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟（a），實時獲取管制區(qū)域內(nèi)所有攝像機所拍攝的視頻圖像信息，包括以下步驟，

（a1）部署攝像機

根據(jù)當前管制區(qū)域的地理位置信息，確定周邊警戒區(qū)域，計算得出所需部署攝像機的數(shù)量以及位置，并根據(jù)計算結(jié)果在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場進行攝像機的部署；

（a2）實時獲取視頻圖像信息

采用無線傳輸方式，實時獲取在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場部署的攝像機攝拍攝的視頻圖像信息；

前述的一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟（b），對所獲取的每臺攝像機的視頻圖像信息進行單獨分析處理，識別出其中所有的小型航空器和空飄物，包括以下步驟，

（b1）背景建模

分別對單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息進行處理，對視頻圖像信息的背景進行建模；

（b2）前景提取

分別對各視頻圖像信息進行前景提??；

（b3）外觀特征比對

將提取的前景的外觀特征在已知的小型航空器和空飄物數(shù)據(jù)庫中進行比對，用于判定該前景對應(yīng)的目標是否為小型航空器或者空飄物；

（b4）識別小型航空器和空飄物

識別出管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場部署的攝像機攝拍攝的視頻圖像信息對應(yīng)的小型航空器和空飄物。

前述的一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟（c），對存在小型航空器和空飄物的視頻圖像信息進行三維空間重構(gòu)，定位出所有的小型航空器和空飄物的三維坐標，并記錄所有小型航空器和空飄物的運行軌跡，包括以下步驟，

（c1）構(gòu)建三維空間模型

對每臺攝像機進行標定，建立攝像機模型，通過圖像矯正方法在原有視頻圖像基礎(chǔ)上生成新的視頻圖像，使得其中的極線與x軸平行，根據(jù)各臺攝像機的位置信息進行圖像立體匹配與場景重建，構(gòu)建三維空間模型；

（c2）定位三維坐標

提取視頻圖像信息中的特征點，還原在對應(yīng)的攝像機坐標系下的所有特征點坐標，并最終計算得出世界坐標系下的所有特征點坐標，標定出被識別的小型航空器和空飄物在各視頻圖像信息下對應(yīng)的三維坐標，并實時記錄在三維坐標數(shù)據(jù)庫內(nèi)；

（c3）得到運行軌跡

根據(jù)被識別的小型航空器和空飄物在各視頻圖像信息下對應(yīng)的三維坐標，得到該小型航空器和空飄物對應(yīng)的運行軌跡。

4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟（d），分析單個小型航空器或空飄物的運行軌跡，并預(yù)測其未來的運行軌跡，包括以下步驟，

（d1）記錄歷史運行軌跡

跟蹤單個小型航空器或空飄物，實時計算其當前的三維坐標并存儲在三維坐標數(shù)據(jù)庫中，組成該單個小型航空器或空飄物目標的歷史運行軌跡，并計算其的當前速度；

（d2）預(yù)測未來運行軌跡

對于單個小型航空器或空飄物，設(shè)當前幀為第n幀，從第n-1幀中的三維坐標指向第n幀中的三維坐標的向量，即為該小型航空器或空飄物的當前瞬時速度為矢量vn，當前加速度矢量為an=vn-vn-1，vn-1為該小型航空器或空飄物的前一時刻瞬時速度矢量，保持當前瞬時速度與加速度不變，從該小型航空器或空飄物當前三維坐標點開始，以每一幀的間隔時間△t為步長，分別計算新的60/△t個位移點，將所有新的位移點連接，便預(yù)測了該小型航空器或空飄物的未來運行軌跡。

前述的一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，其特征在于：步驟（d），若不存在單個小型航空器或空飄物的預(yù)計軌跡會經(jīng)過管制區(qū)域，則返回步驟（a）。

一種用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：為用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法的運行載體，包括

視頻圖像采集模塊，用于實時獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有攝像機所拍攝的視頻圖像信息；

視頻圖像處理模塊，用于識別視頻圖像信息中所有的小型航空器和空飄物，構(gòu)建三維空間模型，并標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標；

目標軌跡分析模塊，用于記錄單個小型航空器或空飄物的歷史運行軌跡，并計算預(yù)測其未來運行軌跡；

報警模塊，用于單個小型航空器或空飄物的未來運行軌跡經(jīng)過管制區(qū)域時，進行報警，

所述視頻圖像采集模塊的數(shù)量與部署攝像機的數(shù)量一致，并通過無線傳輸方式與視頻圖像處理模塊進行通信，所述視頻圖像處理模塊與目標軌跡分析模塊相連接，所述報警模塊與目標軌跡分析模塊相連接。

前述的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：還包括顯示模塊，用于將所述視頻圖像處理模塊計算的三維空間模型、標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標；所述目標軌跡分析模塊記錄的單個小型航空器或空飄物的歷史運行軌跡、未來運行軌跡，進行可視化顯示，所述顯示模塊分別與視頻圖像處理模塊、目標軌跡分析模塊相連接。

前述的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：各視頻圖像采集模塊均包括無線傳輸單元和攝像機，

所述攝像機被部署在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場，采用大廣角攝像機以便實現(xiàn)空間的全覆蓋；

所述無線傳輸單元，用于將與其連接的攝像機所拍攝的視頻圖像信息實時傳輸給所述視頻圖像處理模塊。

前述的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述視頻圖像處理模塊，包括

背景建模與前景提取單元，用于分別對單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息進行處理，對視頻圖像信息的背景進行建模，并對各視頻圖像信息進行前景提?。?/p>

外觀特征比對數(shù)據(jù)庫單元，用于提取的前景的外觀特征在已知的小型航空器和空飄物數(shù)據(jù)庫中進行比對，判定該前景特征對應(yīng)的目標是否為小型航空器或者空飄物；

三維空間重構(gòu)單元，根據(jù)部署的所有攝像機的位置信息，與各攝像機拍攝的視頻圖像信息進行計算，構(gòu)建三維空間模型，并標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標。

前述的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述目標軌跡分析模塊，包括

目標軌跡記錄單元，用于記錄單個小型航空器或空飄物從進入監(jiān)測區(qū)域開始的歷史軌跡線路；

目標軌跡預(yù)測單元，根據(jù)單個小型航空器或空飄物的歷史軌跡線路及當前的位置信息，預(yù)測該單個小型航空器或空飄物的未來運行軌跡。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法及系統(tǒng)，能夠可視化全方位不間斷地對管制空域內(nèi)的所有小型航空器和空飄物進行監(jiān)測，對其實時空間位置及軌跡進行跟蹤與預(yù)判，并能發(fā)出報警信息，以便管理人員采取相關(guān)反制措施，保證管制區(qū)域的安全，大大降低了安保方面的人力、物力和財力的投入，提高了對整個管制區(qū)域及周邊警戒區(qū)域內(nèi)小型航空器和空飄物監(jiān)測的有效性，為實現(xiàn)相關(guān)部門對“黑飛”采取反制措施提供了必要的前提條件，保證了大型集會或活動慶典區(qū)域人員的安全，具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖3是本發(fā)明的視頻圖像采集模塊的系統(tǒng)框圖。

圖4是本發(fā)明的視頻圖像處理模塊的系統(tǒng)框圖。

圖5是本發(fā)明的目標軌跡分析模塊的系統(tǒng)框圖。

圖6是本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法一實施例的流程圖。

圖7是本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法一實施例識別小型航空器和空飄物的流程圖。

圖8是本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法一實施例分析運行軌跡的流程圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。

本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法，如圖1所示，包括以下步驟，

步驟（a），實時獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有攝像機所拍攝的視頻圖像信息，包括以下步驟，

（a1）部署攝像機

根據(jù)當前管制區(qū)域的地理位置信息，確定周邊警戒區(qū)域，計算得出所需部署攝像機的數(shù)量以及位置，并根據(jù)計算結(jié)果在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場進行攝像機的部署；

（a2）實時獲取視頻圖像信息

采用無線傳輸方式，實時獲取在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場部署的攝像機攝拍攝的視頻圖像信息；

步驟（b），對所獲取的每臺攝像機的視頻圖像信息進行單獨分析處理，識別出其中所有的小型航空器和空飄物，包括以下步驟，

（b1）背景建模

分別對單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息進行處理，對視頻圖像信息的背景進行建模；

（b2）前景提取

分別對各視頻圖像信息進行前景提??；

（b3）外觀特征比對

將提取的前景的外觀特征在已知的小型航空器和空飄物數(shù)據(jù)庫中進行比對，用于判定該前景對應(yīng)的目標是否為小型航空器或者空飄物；

（b4）識別小型航空器和空飄物

識別出管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場部署的攝像機攝拍攝的視頻圖像信息對應(yīng)的小型航空器和空飄物；

步驟（c），對存在小型航空器和空飄物的視頻圖像信息進行三維空間重構(gòu)，定位出所有的小型航空器和空飄物的三維坐標，并記錄所有小型航空器和空飄物的運行軌跡，包括以下步驟，

c1）構(gòu)建三維空間模型

對每臺攝像機進行標定，建立攝像機模型，通過圖像矯正方法在原有視頻圖像基礎(chǔ)上生成新的視頻圖像，使得其中的極線與x軸平行，根據(jù)各臺攝像機的位置信息進行圖像立體匹配與場景重建，構(gòu)建三維空間模型，此構(gòu)建三維空間模型的過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員的常規(guī)手段，這里就不做詳細介紹了；

（c2）定位三維坐標

提取視頻圖像信息中的特征點，還原在對應(yīng)的攝像機坐標系下的所有特征點坐標，并最終計算得出世界坐標系下的所有特征點坐標，標定出被識別的小型航空器和空飄物在各視頻圖像信息下對應(yīng)的三維坐標，并實時記錄在三維坐標數(shù)據(jù)庫內(nèi)；

（c3）得到運行軌跡

根據(jù)被識別的小型航空器和空飄物在各視頻圖像信息下對應(yīng)的三維坐標，得到該小型航空器和空飄物對應(yīng)的運行軌跡；

步驟（d），分析單個小型航空器或空飄物的運行軌跡，并預(yù)測其的未來運行軌跡，若存在單個小型航空器或空飄物的預(yù)計軌跡會經(jīng)過管制區(qū)域，則發(fā)出報警信息，若不存在單個小型航空器或空飄物的預(yù)計軌跡會經(jīng)過管制區(qū)域，則返回步驟（a），包括以下步驟，

（d1）記錄歷史運行軌跡

跟蹤單個小型航空器或空飄物，實時計算其當前的三維坐標并存儲在三維坐標數(shù)據(jù)庫中，組成該單個小型航空器或空飄物目標的歷史運行軌跡，并計算其的當前速度；

（d2）預(yù)測未來運行軌跡

對于單個小型航空器或空飄物，設(shè)當前幀為第n幀，從第n-1幀中的三維坐標指向第n幀中的三維坐標的向量，即為該小型航空器或空飄物的當前瞬時速度為矢量vn，當前加速度矢量為an=vn-vn-1，vn-1為該小型航空器或空飄物的前一時刻瞬時速度矢量，保持當前瞬時速度與加速度不變，從該小型航空器或空飄物當前三維坐標點開始，以每一幀的間隔時間△t為步長，分別計算新的60/△t個位移點，將所有新的位移點連接，便預(yù)測了該小型航空器或空飄物的未來運行軌跡。

如圖2所示，本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，為用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法的運行載體，包括

視頻圖像采集模塊1，用于實時獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)所有攝像機所拍攝的視頻圖像信息；

視頻圖像處理模塊2，用于識別視頻圖像信息中所有的小型航空器和空飄物，構(gòu)建三維空間模型，并標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標；

目標軌跡分析模塊3，用于記錄單個小型航空器或空飄物的歷史運行軌跡，并計算預(yù)測其未來運行軌跡；

報警模塊4，用于單個小型航空器或空飄物的未來運行軌跡經(jīng)過管制區(qū)域時，進行報警，

所述視頻圖像采集模塊1的數(shù)量與部署攝像機的數(shù)量一致，并通過無線傳輸方式與視頻圖像處理模塊2進行通信，所述視頻圖像處理模塊2與目標軌跡分析模塊3相連接，所述報警模塊4與目標軌跡分析模塊3相連接。

本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測系統(tǒng)，還包括顯示模塊5，用于將所述視頻圖像處理模塊2計算的三維空間模型、標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標；所述目標軌跡分析模塊3記錄的單個小型航空器或空飄物的歷史運行軌跡、未來運行軌跡，進行可視化顯示，所述顯示模塊5分別與視頻圖像處理模塊2、目標軌跡分析模塊3相連接。

如圖3所示，各視頻圖像采集模塊1均包括無線傳輸單元101和攝像機102，

所述多臺攝像機102被部署在管制區(qū)域的周邊警戒區(qū)域現(xiàn)場，采用大廣角攝像機以便實現(xiàn)空間的全覆蓋；

所述無線傳輸單元101，用于將與其連接的攝像機所拍攝的視頻圖像信息實時傳輸給所述視頻圖像處理模塊2。

如圖4所示，所述視頻圖像處理模塊2，包括

背景建模與前景提取單元201，用于分別對單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息進行處理，對視頻圖像信息的背景進行建模，并對各視頻圖像信息進行前景提取；

外觀特征比對數(shù)據(jù)庫單元202，用于提取的前景的外觀特征在已知的小型航空器和空飄物數(shù)據(jù)庫中進行比對，判定該前景對應(yīng)的目標是否為小型航空器或者空飄物；

三維空間重構(gòu)單元203，根據(jù)部署的所有攝像機的位置信息，與各攝像機拍攝的視頻圖像信息進行計算，構(gòu)建三維空間模型，并標定識別各小型航空器和空飄物的三維空間坐標。

如圖5所示，所述目標軌跡分析模塊3，包括

目標軌跡記錄單元301，用于記錄單個小型航空器或空飄物從進入監(jiān)測區(qū)域開始的歷史軌跡線路；

目標軌跡預(yù)測單元302，根據(jù)單個小型航空器或空飄物的歷史軌跡線路及當前的位置信息，預(yù)測該單個小型航空器或空飄物的未來運行軌跡。

下面根據(jù)圖6-圖8，具體介紹本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法的一實施例的具體過程，如圖6所示，

s100：部署攝像機，

根據(jù)臨時管制區(qū)域的地理位置信息，確定周邊警戒區(qū)域，計算得出所需部署的攝像機的數(shù)量以及位置，并根據(jù)計算結(jié)果在現(xiàn)場部署攝像機；

s200：實時獲取視頻圖像

采用無線傳輸方式，實時獲取現(xiàn)場部署的所有攝像機拍攝的視頻圖像信息；

s300：識別小型航空器和空飄物；如圖7所示，該步驟具體包括：

s301：背景建模

對單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息進行處理，對其背景進行建模；

s302：前景提取

在背景建模的基礎(chǔ)上，將單臺攝像機拍攝的視頻圖像信息的前景進行提取；

s303：外觀特征比對

將提取出的前景在數(shù)據(jù)庫中進行比對，已判定該目標是否為所需監(jiān)測的小型航空器和空飄物；

s400：標定三維坐標

根據(jù)所有攝像機的位置信息，將其拍攝的二維視頻圖像進計算，構(gòu)建出整個監(jiān)測區(qū)域的三維空間模型，并標定出識別小型航空器和空飄物對應(yīng)的各三維坐標；

s500：分析運行軌跡，如圖8所示，該步驟具體包括：

s501：記錄歷史運行軌跡

跟蹤目標，實時計算單個小型航空器和空飄物當前的三維坐標并存儲在數(shù)據(jù)庫中，組成該目標的歷史運行軌跡，并計算其當前速度；

s502：預(yù)測未來運行軌跡

根據(jù)單個小型航空器和空飄物的歷史運行軌跡、當前坐標、當前瞬時速度和當前加速度信息，計算該單個小型航空器和空飄物的未來運行軌跡；

s600：判斷該單個小型航空器和空飄物的未來運行軌跡是否經(jīng)過管制區(qū)域，若經(jīng)過，則進入步驟s700；若不經(jīng)過，則回到步驟s200；

s700：報警輸出，以便提醒管理人員采取進一步反制措施。

綜上所述，本發(fā)明的用于小型航空器和空飄物的監(jiān)測方法及系統(tǒng)，能夠可視化全方位不間斷地對管制空域內(nèi)的所有小型航空器和空飄物進行監(jiān)測，對其實時空間位置及軌跡進行跟蹤與預(yù)判，并能發(fā)出報警信息，以便管理人員采取相關(guān)反制措施，保證管制區(qū)域的安全，大大降低了安保方面的人力、物力和財力的投入，提高了對整個管制區(qū)域及周邊警戒區(qū)域內(nèi)小型航空器和空飄物監(jiān)測的有效性，為實現(xiàn)相關(guān)部門對“黑飛”采取反制措施提供了必要的前提條件，保證了大型集會或活動慶典區(qū)域人員的安全，具有良好的應(yīng)用前景。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。