一种基于视频中运动目标识别的流水速度监测方法

摘要

基于视频中运动目标识别的流水速度监测方法，采用基于视频的运动目标检测与跟踪、摄像机定标、求解流水速度的步骤来测量洪水的流速，其特点是减少了工作人员参与，使得设备简单，测验历时短，同时大大的提高了安全性，并保证不会漏测洪峰，使得自动化程度更高，降低成本，实际应用性强。

主权项

一种基于视频中运动目标识别的流水速度监测方法，特征在于包括如下步骤： (1)、基于视频的运动目标检测与跟踪 通过帧间差分法来检测出运动目标，通过对视频图像序列中相邻的两幅或三幅图像进行差分运算来获得运动物体的轮廓，在帧差法的实现过程中，令I_k‑1(x，y)，I_k(x，y)，分别表示视频图像序列中的第k‑1，k帧，可得到相邻两帧的差为： 在基于视频的洪水流速测量实验过程中，由于在很短的时间范围内，环境变化亮度不大，相邻居两帧之间像素强度的相差小于10，则认为是背景中的像素造成的，如果像素区域强度变化大于100，则可以认为是由运动造成的；(2)、摄像机定标，摄像机定标具体分为求解摄像机内部参数和外部参数； (a)、外部参数求解：图像上像素值(u，v)与坐标(x，y)之间的关系是u＝x/dx+u0，v＝v/dy+v0用齐次坐标与矩阵表示为： 摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可用旋转矩阵R与平移向量t来描述，空中一点P的位置在摄像机坐标系下可表示为其中R是3*3正交旋转矩阵，T是3*1平移矩阵： 其中r1，1‑r3，3是9个实数参数为摄像机外参数； (b)、内部参数求解：空间中任意一点P在图像上的成像位置可用针孔模型近似表示，即任何点P在图像上的投影位置P，为光心O与P点的连线OP与图像平面的交点，这种关系称为中心投影或透视投影，比例关系如下式： 其中，(x，y)为点P的图像坐标；(Xc，Yc，Zc)为空间点P在摄像机坐标系下的坐标；用其次坐标与矩阵表示这种投影的关系，有如下式： 将上面两式代入上式，得到由世界坐标系表示的P点坐标与投影点P点坐标(u，v)的关系： 令：A是内部参数矩阵，内部参数包括镜头焦距，镜头畸变参数，坐标扭曲因子，图像坐标原点，D＝[R T]为外部参数矩阵；(3)、求解流水速度 摄像机标定得到摄像机内外参数，目标跟踪可以得到浮标在每一帧图像中的图像坐标，根据摄像机标定的参数以及图像坐标与世界坐标系中点的转换公式，可以得到点在世界坐标系中的坐标(x_n，y_n)，根据下式可以得出浮标在世界坐标系中移动的实际距离为： 其中，(x₁，y₁)表示物体在监控视场内运动的起始位置坐标；(x_n，y_n)表示物体离开监控视场的终止像素坐标，根据公式求得河流的表面水流速度V等于： 其中，F为视频的帧速率。