三维智能全景监控系统研究及应用

周月娥

(钟山职业技术学院工业与信息化学院，江苏 南京 210049)



三维智能全景监控系统研究及应用

周月娥

(钟山职业技术学院工业与信息化学院，江苏 南京 210049)

指出了现有智能监控系统存在的问题，叙述了三维智能全景监控系统的实现原理、各子系统包含的内容，介绍了三维智能全景监控系统采用的多种关键技术。将三维智能全景监控系统应用于车辆监控领域，获得了满意的效果。

三维成像技术；三维智能全景监控；车辆监控

目前，智能监控系统已经在车辆监控等领域应用，但是该系统普遍存在着一些不足，例如只能记录平面信息，不能全面反映物体周围环境的具体情况等。将三维成像技术应用到现有的智能监控系统，可以提供全面的、立体的监控应用[1]。

本文所研究的三维智能全景监控系统是对现有车辆全景监控系统的改进和优化。本系统采用三维成像技术和语声混合算法，可以实现对周围物体的三维建模和尺度测量，将全部观测点的声音信息记录下来，使得记录的资料更加生动、形象和全面。

1 三维智能全景监控系统方案

1.1 系统的组成

三维智能全景监控系统主要由中央处理单元和专用摄像头(分布式安装)组成。

本系统的主体为中央处理单元，主要包括：

1)视频采集部件，采集系统所需视频，并将采集到的视频传送到视频合成部件。

2)视频防抖部件，最大程度地预防视频采集过程中的抖动，同时进行相应的视频补偿操作。

3)视频合成部件，将采集到的视频内容进行无缝合成，形成全景视频，并输送到投影与映射单元。

4)投影与映射部件，将合成的视频内容进行投影与映射，输出到相应的终端。

5)目标检测部件，对周边的目标体进行智能检测，按照预先设定的规则进行智能控制操作、综合障碍预警和多元导航等。

6)地理信息系统(geographic information sys-tem，GIS)部件，对移动主体进行GIS定位。

三维智能全景监控系统框架如图1所示。

图1 系统方案框架图

1.2 各子系统介绍

1.2.1 无盲区全景图像输入子系统

无盲区全景图像输入子系统采用专用的广角摄像头，摄像头视角在120°及以上，一般用4～6个摄像头。小型设备一般采用4个摄像头，特殊设备需要增加到6～8个摄像头。该子系统实现全景监控的视频采集功能，可以确保每个摄像头拍摄的单路监控视频的视角超过90°，从而确保视频监控可以覆盖物体周边的所有区域而不存在盲区。在实际施工过程中，需要对各个摄像头的安装位置和角度进行微调。

1.2.2 可变全景视场显示子系统

本子系统是中央处理单元的重要组成部分，主要包含投影变换部件、二次投影处理部件和图像合成部件。该子系统的处理流程大致如下：

1)系统利用专用摄像头对周边的监控视频进行采集。

2)视频采集单元对监控视频进行汇总，并传给中央处理单元。

3)投影变换部件将采集到的监控内容进行投影变换(在同一个坐标系下)。

4)图像合成部件进行后续的全景内容合成。

5)二次投影处理部件对传递过来的全景内容进行二次投影处理，从而得到全景图像；监控系统视场的大小和视距的远近是可以调整的，其调整幅度由其中的畸变参数决定，如果畸变参数较大，则对应的图像视场角度就较大，同时可视的距离也就较大。

6)显示设备显示全景图像。

可变全景视场显示子系统的组成结构如图2所示。

图2 可变全景视场显示子系统组成结构图

该子系统可以提供的主要显示场景包括前视场景、后视场景、无失真近景场景、全景场景等，可以按照相应的模型对上述各种场景进行投影，从而实现多种显示效果。

1.2.3 数字语音混合的数据交织子系统

将多路视频进行混合和叠加时，语音信号噪声的叠加是一个主要的技术难题。该子系统采用先进的数字语音智能混合技术，能够在混合多路语音信号的时候，噪声的功率不再受到语音通道数目的关联影响，从而方便地进行视频监控中语音信号的采集、混合和记录等，全面地记录监控语音。

该子系统对于抑制语音噪声起到极其关键的作用，子系统的关键部件为可编程器件、存储器等。

1.2.4 智能视觉分析子系统

该子系统采用先进的智能视觉分析技术，改变了传统的基于像素的探测方法，基于目标对其坐标位置和被测物体特征进行详细分析。系统采用先进的算法与视觉识别技术，具有智能适应、自我调节和深度探测的能力。系统对监控视频内容进行精确计算，获取目标物体的对应位置和相关特征，在二维目标识别信息的基础上，进行精确的三维定位[2]。

1.3 关键技术应用

三维智能全景监控系统主要运用了以下一些先进的前沿技术。

1)可变的全景视场显示技术。

系统对全景图进行相应的模型投影，提供多种视场显示效果和模式给设备操作人员。系统可以同时对多种场景效果进行叠加，从而提供不同的显示模式。设备操作人员可以根据现场的实际环境、个人对不同效果模式图像的适应程度，选择切换不同的显示效果和应用模式[3]。

2)数字语音混合智能交织技术。

系统采用了数字语音混合智能交织技术，其主要工作原理是：将输入到终端的多路语音，按照任意选择的顺序交织排列，并保证随后各帧的排列次序不发生变化，从而生成一个混合的数字码流；数模转换模块在接收到混合的数字码流之后，会以标准取样速率的N倍作为帧触发频率，进行解码操作，获得包含各路输入语音的混合模拟信号。该技术提供了复杂度低、音质优良、适用于分布式多点系统的数字语音混合方法。

3)3D虚拟现实技术。

系统采用3D虚拟现实技术(virtual reality)，通过计算机系统提供虚拟体验场景。该技术充分利用计算机软件模拟真实的三维环境，对多传感器技术、计算机图形学、多媒体技术、仿真技术、并行处理技术、人工智能技术和计算机网络技术等进行综合利用，生成多维虚拟监控场景。用户可以通过虚拟现实的系统感受到“身临其境”的逼真性，同时也可以突破时间、空间等客观条件的限制，感受到现实生活中所无法亲身经历的完美体验[4]。

4)智能视觉分析技术。

系统采用智能视觉分析技术，超越了现有的视频运动侦测技术，采用简洁的探测运动方式，具有自学习、自适应和自调节的能力。智能视觉分析技术基于平面监控画面，通过先进算法和视觉逻辑来获取被测物体的坐标和特征，完成平面识别、空间识别之后，精确地进行三维定位。

5)融合物联网技术。

系统对物联网架构体系下的多种先进技术进行融合：①移动信息智能处理技术，系统支持物体的不断移动和各种环境的变化，从而可以自动处理移动物体的变化信息等。②间断性通信连接技术。支持物体的快速移动、无线链路的动态变化，分布式缓存和信息系统融合等。③高速率的信息处理技术，主要包含高速的抗干扰传感器技术和高速信号的高效处理技术[5]。

6)无盲区全景视频输入技术。

系统采用专用摄像头，能够保证每个摄像头拍摄的单路实时图像在水平和垂直范围内都有超过90°的视角，保证可以完全覆盖目标周边所有区域。系统获得的全景图像在水平方向是360°视角，在垂直方向是180°视角，也就是其视场范围为一个半球，因此目标周边的视线距离是无穷远。在实际使用中受摄像头效果的影响，其视线理论距离也就是摄像头的实际视距。

2 三维智能全景监控系统实践应用

将三维智能全景监控系统应用在车辆监控领域，通过对监控视频进行虚拟合成，形成了有效监控区域的全景视图，并显示其三维图像，从而提供形象逼真的立体虚拟场景。本系统还可以自动完成关键部位的尺度测量，在必要时发出报警信号。系统演示效果如图3所示。

3 结束语

三维智能全景监控系统可广泛应用于停车场、港口船闸、水库大坝、重要构筑物、金融场所等重要场合，为人们的生产生活带来方便。此外还可以在相关领域作进一步的应用研究，比如：用于生产监控，采用数据融合技术生成三维全景影像，可以实时生动地反映整个生产区域的整体情况；通过选择多种视场图像切换、主动目标检测警告、GIS信息警告等，实现全景智能辅助导航；实时获取现场的三维全景影像，并实时检测运动物体和周边物体之间的实际距离，系统根据设置进行实时控制与智能处理，可实现三维智能测距和自动化遥控驾驶[6]等。

图3 三维智能全景监控系统在车辆监控上的应用效果图

[1] 张旭，宋文爱．浅析三维立体成像技术[J]．电源技术应用，2014(2)：38-41.

[2] 李少华．智能视频分析技术应用及发展[J]．中国公共安全，2014(2)：22-25.

[3] 龚小林，田向阳．全景视觉还原算法分析与应用[J]．计算机技术与发展，2014(6)：46-48.

[4] 陈刚，曾杨，蒲鹏飞，等．虚拟现实技术在工程机械中的应用综述[J]．建设机械技术与管理，2013(5)：35-38.

[5] 张明会，孟印．物联网关键技术融合体系[J]．物流科技，2012(2)：29-32.

[6] 吴勇，罗腾元．全景三维虚拟系统构建方法研究[J]．计算机工程与设计，2014(5)：53-56.

Research and application of three-dimensional panorama intelligent monitoring system

ZHOU Yuee

(Institute of Industry and Information, Zhongshan Vocational College, Jiangsu Nanjing, 210049, China)

It analyzes the existing problems about intelligent monitoring system, proposes the realization of this system and the contents of the subsystems, describes some key techniques used in the system. It shows that the application of this system in the field of vehicle monitoring is successful.

three-dimensional imaging techniques;three-dimensional panorama intelligent monitoring system; application of vehicle monitoring

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.016

2015-04-07

江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目(201412922002Y)；江苏省2014年度高校“青蓝工程”项目

周月娥(1980—)，女，江苏阜宁人，钟山职业技术学院副教授，硕士，主要从事高等教育信息化、自动化控制技术相关的教学、科研工作。

TP399

A

2095-509X(2015)09-0063-03