一种基于双目视觉的泳池监控系统及方法与流程

本发明属于安全监视技术领域，具体涉及一种基于双目视觉的泳池监控系统及方法。

背景技术：

游泳是一项传统热门的体育运动，由于游泳者本身游泳技术或身体情况等原因，时常出现溺水事件。目前泳池的安全监控措施主要有以下几种：一是常见的救生员监控，救生员在泳池瞭望椅上扫视责任区内游泳者或通过水上摄像机监控整个泳池的状况，发现有疑似溺水者时，立即下水营救，此方法成本较低，应用广泛，但救生员需要保持注意力高度集中，要忍受长时间的精神紧张，易产生工作疲劳；二是游泳者身上携带监测器，让游泳者携带类似裤带、手环等监控装置，当游泳者所处位置低于预设的安全深度，或超过一定的设定时间，监控装置就会发出警报，另外也有使用麦克风系统监测游泳者的呼吸和心跳声音，并进一步测量这些声音消失和出现的间隔，从而判断游泳者是否溺水，但该方法存在误报率高，系统安装、使用、维护费用高的缺陷，因此未被广泛采用；三是采用简单的摄像机监控报警系统，把摄像头置于泳池底部或者安装在水池四壁，计算机对视频简单处理计算，判断是否有溺水发生，由于在室内游泳池场景，水面波动也会对计算机的计算处理判断造成影响，如果采用摄像机监控处理，对数据采集以及数据处理有较高要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明目的在于提出一种基于双目视觉的泳池监控系统及方法，通过利用双目视觉进行泳池监控的技术手段，有效对泳池数据采集、处理进行优化，提高泳池监控的精确度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于双目视觉的泳池监控系统，包括：双目摄像机、图像处理单元、中央处理器、警报装置、连接线、电源；

所述双目摄像机设置于泳池监控区域上方或墙壁，用于摄取监控区域图像；

所述图像处理单元通过连接线与双目摄像机连接，用于对摄取的监控区域图像进行分析得到视频分析结果；

所述中央处理器与图像处理单元、警报装置通过连接线连接，用于对图像处理单元得到的视频分析结果判断是否有溺水发生并将结果传输至警报装置，下达溺水警报指令；

所述警报装置包括图像显示装置及蜂鸣器，图像显示装置用于显示溺水者位置信息，蜂鸣器用于发出警报声提示溺水情况；

所述电源用于为泳池监控系统提供能源，可以为蓄电池，也可以为外接电源。

进一步地，所述双目摄像机镜头前可以加装偏光镜，用于减少泳池水面反射光对拍摄造成的影响。

本发明还提出一种基于双目视觉的泳池监控方法，包括：对双目摄像机进行立体标定；双目摄像机拍摄监控区域图像，获取监控区域左图像及右图像；图像处理单元利用立体认知方法提取左右图像中游泳者图像并根据双目立体成像原理对左右图像进行立体匹配，得到游泳者三维坐标空间；图像处理单元对确定三维坐标空间的游泳者进行轨迹跟踪，实时监控游泳者位置；中央处理器根据游泳者运动轨迹推断游泳者是否溺水；中央处理器判定为溺水发生时，下达溺水警报指令并将相关数据发送至警报装置；警报装置显示溺水者位置信息并发出警报声。

进一步地，所述利用立体认知方法提取左右图像中游泳者图像并根据双目立体成像原理对左右图像进行立体匹配，得到游泳者空间三维坐标包括：对所述监控区域左图像及右图像进行预处理；对经过预处理的监控区域左图像及右图像进行智能认知，确定立体匹配前的泛化认知特征，并建立所述监控区域左图像及右图像之间的匹配关系，以辨认游泳者的认知属性；根据游泳者的认知属性，确认与该认知属性相对应的一个或多个特定认知特征；根据双目立体成像原理进行立体匹配；结合所述特定认知特征，建立游泳者的三维坐标空间。

进一步地，所述对所述监控区域左图像及右图像进行预处理包括滤波、降噪、白平衡、扭曲处理、放射变化。

进一步地，所述泛化认知特征包括纹理、轮廓、颜色中的一种或几种；所述特定认知特征包含在所述泛化认知特征之内；所述认知属性的具体种类包括颜色、轮廓、表面纹理以及轮廓的几何结构。

进一步地，所述对确定三维坐标空间的游泳者进行轨迹跟踪，实时监控游泳者位置采用卡尔曼滤波方法与匈牙利算法进行匹配轨迹，判断当前帧的运动轨迹是否与上一帧记录中的运动轨迹相匹配，如果匹配则继续跟踪记录；如果匹配失败则判断为新增目标，将当前新的运动轨迹添加到历史跟踪记录；如果连续数帧都未检测到与历史跟踪记录中的轨迹相联系的目标，则删除消失的轨迹记录。

进一步地，中央处理器根据游泳者运动轨迹推断游泳者是否溺水的方法为根据游泳者的游泳速度以及提取的游泳者图像轮廓是否剧烈变化来判断，当游泳者的游泳速度变低且出现轮廓剧烈变化时，判定为游泳者溺水。

本发明的有益效果是：本发明采用的设备简单，成本低，易于安装维护；采用双目视觉加立体认知方法确定游泳者实时位置，精确度高；添加多维度警报装置，快捷、直观地为溺水救援提供便利。

附图说明

图1为本发明的一种基于双目视觉的泳池监控方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本发明的主要目的是提供一种泳池监控的系统及方法，通过检测泳池内目标的移动速度、位置来实时监控游泳人员的行为动作并进行分析，确保泳池内游泳人员处于安全处境，并在检测到危险发生时及时发出警报，通知救生员有人溺水并提供溺水人员位置信息，方便救生员营救。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于双目视觉的泳池监控系统及方法，通过在泳池上方或侧方安置双目摄像机，摄取泳池区域图像，图像处理单元利用立体认知方法从摄取的泳池区域图像中提取游泳者图像并根据双目立体成像原理对左右图像进行立体匹配，得到游泳者三维坐标空间，对已确定三维坐标空间的游泳者进行轨迹跟踪，实时监控游泳者位置，再根据游泳者的运动轨迹就能实时判断游泳者是否溺水，确定游泳者的安全。

参见图1，本发明实施例在实施时具体包括以下步骤：

(1)对双目相机进行立体标定，利用已完成标定的双目摄像机拍摄监控区域图像，获取监控区域左图像及右图像；

(2)对监控区域左图像及右图像进行预处理；

(3)对经过预处理的监控区域左图像及右图像进行智能认知，确定立体匹配前的泛化认知特征，并建立所述监控区域左图像及右图像之间的匹配关系，以辨认游泳者的认知属性；

(4)根据游泳者的认知属性，确认与该认知属性相对应的一个或多个特定认知特征；

(5)根据双目立体成像原理进行立体匹配；

(6)结合所述特定认知特征，建立游泳者的三维坐标空间；

(7)图像处理单元对确定三维坐标空间的游泳者进行轨迹跟踪，实时监控游泳者位置；

(8)中央处理器根据游泳者运动轨迹推断游泳者是否溺水；

(9)中央处理器判定为溺水发生时，下达溺水警报指令并将相关数据发送至警报装置；

(10)警报装置显示溺水者位置信息并发出警报声。

上述步骤(1)中所述双目摄像机拍摄监控区域图像，获取监控区域左图像及右图像包括：由于每组双目摄像机拍摄视野范围有限，当泳池面积较大时，为了确保对泳池全方位的监控，在泳池区域上方或室内泳池周围的墙壁上安装多组双目摄像机，多组双目摄像机同时对泳池不同区域进行拍摄以确保双目摄像机能完整摄取到泳池图像。

双目相机的立体标定包括：

对双目相机的左摄像头和右摄像头分别进行标定，得到所述双目相机的内参矩阵a、所述左摄像头的旋转矩阵r1和所述右摄像头的旋转矩阵r2，以及所述左摄像头的平移向量t1和所述右摄像头的平移向量t2；

通过如下公式计算得到所述左摄像头和所述右摄像头之间的旋转矩阵r和平移向量t：

上述步骤(2)所述对监控区域左图像及右图像进行预处理包括：在双目摄像机镜头前加装偏光镜，减少泳池水面反射光对拍摄造成的影响；对双目摄像机拍摄到的左图像及右图像进行滤波、降噪、白平衡、扭曲处理、放射变化。

上述步骤(3)、(4)所述泛化认知特征包括纹理、轮廓、颜色中的一种或几种；所述特定认知特征包含在所述泛化认知特征之内；所述认知属性的具体种类包括颜色、轮廓、表面纹理以及轮廓的几何结构。

上述步骤(5)、(6)所述根据双目立体成像原理进行立体匹配；结合所述特定认知特征，建立游泳者的三维坐标空间包括：基于上述泛化认知特征进行立体匹配，结合极限约束，寻找左右图像中对应点，利用双目立体成像原理求得视差，恢复图像深度信息，进而得到游泳者的三维坐标，再结合所述特定认知特征，对匹配结果进行验证，创建游泳者的三维坐标空间。

上述步骤(7)中对确定三维坐标空间的游泳者进行轨迹跟踪，实时监控游泳者位置包括：采用卡尔曼滤波方法与匈牙利算法进行匹配轨迹，在创建游泳者的三维坐标空间后，确定每一帧图像中的运动目标，将检测到的轨迹记录在变量表中，卡尔曼滤波方法根据变量表中记录的历史轨迹预测不同轨迹下一帧的位置；

另一方面记录表中不同目标，将不同目标与采用卡尔曼滤波方法预测的轨迹位置进行匹配，根据检测点与预测点的距离与阀值的比较结果，采用匈牙利算法对记录表中的轨迹进行最优匹配，判断当前帧的运动轨迹是否与上一帧记录中的运动轨迹相匹配，如果匹配则继续跟踪记录；如果匹配失败则判断为新增目标，将当前新的运动轨迹添加到历史跟踪记录；如果连续数帧都未检测到与历史跟踪记录中的轨迹相联系的目标，则删除消失的轨迹记录。

上述步骤(8)中中央处理器根据游泳者运动轨迹推断游泳者是否溺水的方法为根据游泳者的游泳速度以及提取的游泳者图像轮廓是否剧烈变化来判断，具体包括：①当游泳者的游泳速度突然变慢，低于常规游泳速度时，可以判定游泳者有溺水的可能；②正常游泳时，游泳者在图像中的轮廓形状随时间变化不明显，当游泳者轮廓出现剧烈变化时，判定为游泳者溺水。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换、改变、材料替换、改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。