專利名稱：一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于視頻監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，游泳這種適合大眾進(jìn)行的全身型體育運動越來越受到人們的喜愛，但是游泳者可能由于初學(xué)，或者抽筋、疾病發(fā)作等原因發(fā)生溺水，因而安全救生是開展游泳運動的最為重要的前提條件?，F(xiàn)有的泳池防溺水措施還很不完善，主要有以下幾種方式 I.救生員現(xiàn)場觀察由于人自身的生理條件限制，監(jiān)控人員會因疲勞精力不集中而疏忽，并且救生員肉眼也不容易觀察到深水中的情況，因此，救援效率低。雖然如此，目前絕大多數(shù)游泳館仍采取這種方法。2.紅外線探測利用紅外對管探測落水情況，這種設(shè)備只能判斷是否有人落水，而不適用于泳池救生。3.聲納探測這種裝置的安裝、使用費用較高，而且存在明顯的缺陷，即當(dāng)溺水者肺部充滿水的情況下，聲納無法探測到，系統(tǒng)可靠性較差。此外，這種方法需在泳池內(nèi)鋪設(shè)高壓電纜，安全性能差。4.游泳者攜帯監(jiān)測裝置該方法通過游泳者攜帯的監(jiān)測裝置，如手帶，腰帯等，來確定游泳者的狀態(tài)。這種方法一方面影響了游泳者的舒適程度，另ー方面存在裝備保養(yǎng)、維護(hù)、維修等一系列問題。5.水下視頻監(jiān)控該方法只通過安裝在池底的攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控或監(jiān)測。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)溺水報警，但實現(xiàn)報警的時間長，通常是在溺水后期，風(fēng)險性較大，仍不安全?；谏鲜霈F(xiàn)狀，急需開發(fā)一種造價低廉、安全高效的新型泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)，作為救生員的輔助裝置以確保游泳愛好者的人身安全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，而提供一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)，能夠全方位、多角度對泳池進(jìn)行預(yù)警覆蓋，當(dāng)游泳者出現(xiàn)溺水狀況時，系統(tǒng)智能判斷，發(fā)出報警，井能提供目標(biāo)位置，警示救生員第一時間實施救援，確保游泳者的人身安全。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警系統(tǒng)，在泳池水面上方安裝固定水上攝像頭，在泳池水面下安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭；水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過各路視頻采集卡連接PC機，PC機輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)；或者水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過多路視頻采集卡連接DSP，DSP與PC機進(jìn)行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)。
上述技術(shù)方案中，所述的PC機或者PC機與DSP包括有水花檢測模塊、協(xié)同控制模塊、水下溺水判別模塊和報警定位模塊，水上攝像頭輸出圖像信號連接水花檢測模塊，水花檢測模塊輸出連接協(xié)同控制模塊，協(xié)同控制模塊輸出控制信號連接云臺步進(jìn)電機，協(xié)同控制模塊還輸出連接水下溺水判別模塊，水下溺水判別模塊輸出連接報警定位模塊，報警定位模塊輸出報警信號連接報警器。上述技術(shù)方案中，所述的水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊。上述技術(shù)方案中，所述的水上攝像頭和水下攝像頭的安裝位置是泳池按“田”字劃分為4個大小相同的矩形區(qū)域，每個區(qū)域中布置I個水上攝像頭和I個水下攝像頭，水上攝像頭安裝在區(qū)域中心位置上方6米處，正向下拍攝，水下攝像頭安裝在泳池較長邊池壁水下3米處的轉(zhuǎn)動云臺上，云臺轉(zhuǎn)動的角度范圍為O至180度。本發(fā)明的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，在泳池水面上方固定水上攝像 頭，在泳池水面下安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭，兩者通過PC機或PC機與DSP的協(xié)同控制模塊相聯(lián)，形成可協(xié)同攝像網(wǎng)絡(luò)，水上攝像頭通過水花檢測模塊對游泳者的水面溺水情況進(jìn)行預(yù)判別，協(xié)同控制模塊根據(jù)預(yù)判別結(jié)果引導(dǎo)水下攝像頭捕獲水花產(chǎn)生處的水下圖像，并通過水下溺水判別模塊對溺水事故進(jìn)行確認(rèn)和報警定位。上述技術(shù)方案中，所述的水花檢測模塊對游泳者的水面溺水情況進(jìn)行預(yù)判別，該方法包括以下步驟(I)PC機或PC機與DSP獲取由水上攝像頭拍攝的游泳池水面圖像；(2)水花檢測模塊對游泳者產(chǎn)生的水花進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行是否正在發(fā)生溺水進(jìn)行預(yù)判別；(3)預(yù)判別結(jié)果為可能存在溺水發(fā)生時，測算所檢測到的水花塊在泳池中的位置，同時觸發(fā)協(xié)同控制模塊，后者將觸發(fā)水下溺水判別模塊，對水面預(yù)判別結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。上述的水花檢測模塊通過基于聚類的紋理特征分割來進(jìn)行水花檢測，聚類方法采用模糊C均值聚類方法；模糊C均值聚類法中，采用的特征參數(shù)為灰度共生矩陣的11個紋理參數(shù)和顏色空間HSL中亮度值L的組合。水花檢測模塊對游泳者產(chǎn)生的水花進(jìn)行檢測，具體檢測方法是(I)確定水花的外接矩形，得到矩形面積、矩形變化程度等參數(shù)；(2)對連續(xù)多幀圖像中各個水花進(jìn)行跟蹤，水花塊跟蹤采用卡爾曼濾波運動目標(biāo)跟蹤方法，得到各個水花外接矩陣位移；(3)若某水花面積大于某ー閾值，矩形長寬比變化率大于某ー閾值，并且水花外接矩形位移小于某ー閾值，則判定可能有溺水情況發(fā)生。上述技術(shù)方案中，所述的協(xié)同控制模塊根據(jù)預(yù)判別結(jié)果引導(dǎo)水下攝像頭捕獲水花產(chǎn)生處的水下圖像的具體過程為協(xié)同控制模塊通過水花檢測模塊獲取水花塊的位置信息，換算得到與之互聯(lián)的水下攝像頭所在云臺所需轉(zhuǎn)動的角度，以此控制攝像頭轉(zhuǎn)動捕捉目標(biāo)。上述技術(shù)方案中，所述水下溺水判別模塊對溺水事故進(jìn)行確認(rèn)和報警定位具體方法為水下溺水判別模塊使用基于視頻圖像處理與動作識別相結(jié)合的溺水判別方法，該方法包括
(I)PC機獲取由水下攝像頭拍攝的游泳池水下圖像；(2)水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊；(3)人物識別子模塊提取并捕獲圖像中包含的人體目標(biāo)；(4)動作識別子模塊對捕獲目標(biāo)正在發(fā)生的動作進(jìn)行識別，井根據(jù)識別結(jié)果判斷是否正在發(fā)生溺水，若是，則觸發(fā)報警定位模塊。上述技術(shù)方案中，人物識別子模塊依次通過建立膚色模型、計算邊界值、膚色提取和降噪處理四個步驟進(jìn)行水下人物提取，并且在進(jìn)行膚色提取的同時，使用迭代的方法進(jìn)行邊界值的更新；對提取出的膚色采用深度優(yōu)先搜索聚類方法得到單個目標(biāo)的外接矩形框，根據(jù)該矩形框的長、寬及其質(zhì)心在ニ維圖像中的坐標(biāo)定義動作參數(shù)，該動作參數(shù)值可根據(jù)實測數(shù)據(jù)通過最小二乗法獲得，也能根據(jù)一般常識或應(yīng)用場地的實際情況自行設(shè)定；動作識別子模塊根據(jù)動作參數(shù)值所呈現(xiàn)的大小，對目標(biāo)所做的動作進(jìn)行識別，若檢測到同一 目標(biāo)在若干幀圖像或一段時間內(nèi)連續(xù)被預(yù)測為正在發(fā)生溺水，則觸發(fā)報警定位模塊；報警定位模塊根據(jù)水下攝像頭的編號確定水下溺水者所處的子區(qū)域，再根據(jù)目標(biāo)成像大小推算其距離攝像頭的遠(yuǎn)近，從而計算得到目標(biāo)的近似位置。另外，在沒有協(xié)同控制模塊觸發(fā)的情況下，水下溺水檢測模塊仍然工作，進(jìn)行溺水識別和報警。本發(fā)明成功的研制了一種造價低廉、安全高效、智能化程度高的新型泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)，能夠從全方位、多角度對泳池進(jìn)行預(yù)警復(fù)蓋，當(dāng)游泳者出現(xiàn)溺水狀況時，系統(tǒng)能智能判斷，發(fā)出報警，并提供目標(biāo)位置，警示救生員第一時間進(jìn)行救援，確保游泳愛好者的人身安全，極大地提升了游泳池的安全性能。


圖I為本發(fā)明系統(tǒng)實施例I結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明系統(tǒng)實施例2結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明系統(tǒng)模塊圖；圖4為本發(fā)明安裝平面示意圖；圖5為本發(fā)明安裝立面示意圖；圖6為水面水花檢測流程圖；圖7為水下溺水檢測流程圖。
具體實施例方式參見圖I、圖2、圖3、圖4、圖5，本發(fā)明的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警系統(tǒng)，在泳池水面上方安裝固定水上攝像頭，在泳池水面下方安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭；水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過各路視頻采集卡連接PC機，PC機輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)，或者水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過多路視頻采集卡連接DSP，DSP與PC機進(jìn)行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)。上述的PC機或者PC機與DSP包括有水花檢測模塊、協(xié)同控制模塊、水下溺水判別模塊和報警定位模塊，水上攝像頭輸出圖像信號連接水花檢測模塊，水花檢測模塊輸出連接協(xié)同控制模塊，協(xié)同控制模塊輸出控制信號連接云臺步進(jìn)電機、協(xié)同控制模塊的輸出還連接水下溺水判別模塊，水下溺水判別模塊輸出連接報警定位模塊，報警定位模塊輸出報警信號連接報警器。上述的水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊。所述的水上攝像頭和水下攝像頭的安裝位置是泳池按“田”字劃分為4個大小相同的矩形區(qū)域，每個區(qū)域中布置I個水上攝像頭如圖中S1、S3、S5、S7，和I個水下攝像頭如圖中S2、S4、S6、S8。水上攝像頭安裝在區(qū)域中心位置上方6米處，正向下拍攝，水下攝像頭安裝在泳池較長邊池壁水下3米處的轉(zhuǎn)動云臺上，云臺轉(zhuǎn)動的角度范圍為O至180度。參見圖I、圖2，其信號流程及信號處理過程如下I、某區(qū)域內(nèi)的水上攝像頭采集該區(qū)域泳池水面的圖像信息，經(jīng)過視頻采集卡將圖像的模擬信號轉(zhuǎn)換為可編程處理的數(shù)字信號并經(jīng)過壓縮編碼傳輸?shù)降絇C機。
2、PC機對輸入的水上圖像進(jìn)行顯示、存儲和處理(I)顯示將來自不同區(qū)域水上攝像頭的視頻信號顯示到相應(yīng)的視頻窗ロ，以便對水面進(jìn)行實時監(jiān)控；(2)存儲將水上圖像信息進(jìn)行緩存，以便水上圖像處理程序調(diào)用；(3)處理通過處理水上圖像的程序(水花聚類檢測)對圖像信息進(jìn)行識別判斷，一旦邏輯判斷結(jié)果為水面正在發(fā)生溺水，即刻通過水花塊的位置信息換算得到水下攝像頭需要轉(zhuǎn)動的角度，并將之轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)目的電脈沖發(fā)送給步進(jìn)電機。3、步進(jìn)電機接收到來自PC機輸出的一定數(shù)目的電脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)帶動云臺從初始位置轉(zhuǎn)動一定的角度，同時云臺所馱載的水下攝像頭也隨之轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使攝像頭轉(zhuǎn)動到水花產(chǎn)生方向。4、轉(zhuǎn)動后的水下攝像頭采集觀測區(qū)域內(nèi)的水下圖像信息，經(jīng)過視頻采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號到PC機。5、PC機對輸入的水下圖像進(jìn)行顯示、存儲和處理(I)顯示將來自不同區(qū)域水下攝像頭的視頻信號顯示到相應(yīng)的視頻窗ロ，以便對水下情況進(jìn)行實時監(jiān)控；(2)存儲將水下圖像信息進(jìn)行緩存，以便水下圖像處理程序調(diào)用；(3)處理通過處理水下圖像的程序?qū)邮盏膱D像信息進(jìn)行人物提取和動作識另IJ，一旦邏輯判斷結(jié)果為水下正在發(fā)生溺水，則發(fā)送電脈沖給報警器；若一定時間后仍未檢測到有溺水情況，則發(fā)送一定數(shù)目的電脈沖給步進(jìn)電機，該脈沖恰好使云臺轉(zhuǎn)回初始位置。6、報警器接受到來自PC機的電脈沖，發(fā)出救援報警信息。7、在步進(jìn)電機沒有接收到PC機的脈沖信號時，云臺與其馱載的水下攝像頭處于初始位置，即攝像頭的光軸垂直于泳池側(cè)壁。在該情況下，靜止的水下攝像頭仍然工作，將采集的水下圖像經(jīng)視頻采集卡傳輸?shù)絇C機，之后PC機的處理過程同步驟5。圖2所示的實施例2的信號流程和處理過程與實施例I類似，不同之處是I、來自水上和水下的圖像信息不進(jìn)入PC機而直接進(jìn)入DSP，DSP的功能同實例I中PC機的處理過程；2、PC機負(fù)責(zé)對圖像信息進(jìn)行顯示和儲存，而處理過程則由DSP實現(xiàn)；3、PC機還對來自不同區(qū)域攝像頭的視頻信息進(jìn)行分類管理，協(xié)同控制DSP對不同圖像信號進(jìn)行相應(yīng)處理，發(fā)送不同的脈沖信號到相應(yīng)的步進(jìn)電機。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的具體實施方式
作進(jìn)ー步詳細(xì)說明。(一 )系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本發(fā)明的軟件模塊和硬件構(gòu)成如圖3所示，水花檢測模塊對水上攝像頭采集的圖像信息進(jìn)行識別檢測，若檢測到大面積水花，則觸發(fā)協(xié)調(diào)控制模塊，后者通過控制信號調(diào)整水下攝像頭轉(zhuǎn)向水花產(chǎn)生處；水下溺水檢測模塊對水下攝像頭采集的圖像信息進(jìn)行識別檢測，首先由人物識別子模塊對圖像中的人物目標(biāo)進(jìn)行提取，然后由動作識別子模塊對目標(biāo)的行為進(jìn)行判別，若判定目標(biāo)出現(xiàn)了溺水動作，則觸發(fā)報警定位模塊；報警定位模塊在觸發(fā)報警器的同時，給出溺水目標(biāo)的位置信息。(ニ)攝像網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建攝像網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建如圖4、5所示，將50mX25m的標(biāo)準(zhǔn)泳池劃分為4個大小相同的矩形區(qū)域，每個區(qū)域中布置I個水上攝像頭和I個水下攝像頭，根據(jù)所處區(qū)域給攝像頭分別編號S1到S8 ;水上攝像頭安裝在區(qū)域中心上方6m處，正向下拍攝，水下攝像頭安裝于泳池較 長邊池壁水下3米處的云臺上；初始位置吋，攝像頭的光軸垂直于池壁，云臺轉(zhuǎn)動的角度范圍為-90至90°。(三)水面水花檢測如圖6所示，水花檢測模塊對水面溺水情況進(jìn)行預(yù)判別，該方法包括以下步驟(I)處理機獲取由水上攝像頭拍攝的游泳池水面圖像；(2)通過提取紋理特征參數(shù)，采用模糊C均值聚類，經(jīng)過圖像后處理操作對對游泳者產(chǎn)生的水花進(jìn)行檢測，對檢測到的水花用參數(shù)進(jìn)行描述并跟蹤，根據(jù)規(guī)則判斷是否正在發(fā)生溺水進(jìn)行預(yù)判別；(3)預(yù)判別結(jié)果為可能存在溺水發(fā)生時，測算所檢測到的水花塊在泳池中的位置，同時觸發(fā)協(xié)同控制模塊，后者將觸發(fā)水下溺水檢測模塊，對水面預(yù)判別結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。泳池中游泳者產(chǎn)生的水花具有與泳池水面波紋不一樣的紋理特征，本發(fā)明利用基于模糊C均值聚類的紋理特征分割方法，可以將水花從泳池中檢測提取出來，并區(qū)分不同的游泳者產(chǎn)生的水花。水花聚類檢測的步驟可以分為以下幾步I.提取紋理特征參數(shù)選取基于灰度共生矩陣的11個紋理參數(shù)和顔色空間HSL中亮度值L作為紋理特征參數(shù)。分為以下子步驟(I)將彩色視頻監(jiān)控圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。(2)將灰度圖像從256級量化到16級，因此每個共生矩陣是16X 16的ニ維矩陣。(3)取IOX 10的領(lǐng)域特征提取窗來計算灰度共生矩陣。取像素對的距離為d =1，取四個角度Θ = 0°、90°、180°、270°，由此得到四個方向上的灰度共生矩陣。提取窗口內(nèi)四個灰度共生矩陣的11個紋理特征參數(shù)角ニ階矩陣、對比度、相關(guān)、熵、方差、均值和、方差和、逆差距、差方差、和熵、差熵，取平均值作為窗ロ中心點的紋理特征參數(shù)。窗口重置遍歷整幅圖像。(4)利用原彩色視頻監(jiān)控圖像，提取HSL空間中亮度值L作為紋理特征參數(shù)。這樣,共產(chǎn)生12個紋理特征參數(shù)。2.利用模糊C均值聚類法進(jìn)行水花聚類檢測
假設(shè)X = {Xl，X2，K，Xn}為ρ維實數(shù)空間中給定的ー個有限樣本子集，xk e Rp為第k個樣本的特征矢量。對于任意給定的類別數(shù)c，2 < c < n，樣本集X的模糊C均值聚類問題可以表示成如下的數(shù)學(xué)規(guī)劃問題
min Jm(U7V) = YYjWrU^ X1-X^f<I=I J=I
SL U G Mfc
η其中，Wi為每個樣本的加權(quán)系數(shù)，其滿足概率約束條件=1 ;U = [UijJnxc為模
糊劃分矩陣。V= {Vl，v2，K，V。}為c個模糊類的聚類中心矢量集；I |g| I為某種范數(shù)，用來定義樣本與聚類中心的相似性測度邱為模糊加權(quán)指數(shù)，控制聚類的模糊程度。樣本集X的 模糊C劃分空間為Mfc ={U G Rnxc \ut] e [O,I]，V/，j;^Uij = 1，V/;^Uij < n,/j}
；=1^=I模糊C均值聚類算法通過迭代 =[1 拓亨—v
η
XwKx1Vj =氣-
i=l當(dāng)算法收斂時就得到了 c個聚類中心和各個樣本屬于各類的隸屬值。若\j = ，則樣本ち屬于第io類。本發(fā)明中，水花紋理分割流程為(I)利用上一步中提取的12個紋理特征參數(shù)進(jìn)行模糊聚類。(2)在采用模糊C均值聚類算法的初始化過程中，設(shè)迭代誤差ε = 10_4，最大迭代次數(shù)Tmax = 200，聚類類別C = 4，按模糊C均值聚類算法進(jìn)行紋理特征分割。(3)通過填充、濾波、掩模操作等一系列圖像后處理操作，檢測提取各個水花塊。溺水者發(fā)生掙扎時，會產(chǎn)生較大面積的水花，并且由于溺水者一般在原地掙扎，所以產(chǎn)生的水花位置不會發(fā)生較大變化。而正常游泳者可能在原地踩水，或者游動，所產(chǎn)生的水花面積較小或者位置發(fā)生變化。根據(jù)以上分析，溺水預(yù)判別分為以下幾步I、確定各個水花外接矩形，得到描述參數(shù)。得到各個水花塊的最小外接矩形，對各個外接矩形，定義以下參數(shù)(I)矩形質(zhì)心 0(x，y)。(2)矩形面積S = ab，a, b分別為矩形的長和寬。(3)矩形變化程度ハ=^aj -f + -br_x f，在連續(xù)兩幀圖像中,Iv1分別表示前一幀圖像中矩形的長和寬，a,, h分別表示后一幀圖像中矩形的長和寬。(4)矩形移動參數(shù)4 = ^jix1 -Xj)2 + (y, -y})2，在兩幀圖像中，O(Xi，Yi)，O(Xj，yj)分別為兩幀圖像中矩形的質(zhì)心。
2、對各個水花進(jìn)行跟蹤。采用卡爾曼濾波方法對水花進(jìn)行跟蹤。3、按以下規(guī)則進(jìn)行溺水預(yù)判別。同時滿足以下條件時，可以初步判斷為發(fā) 生溺水(I)在連續(xù)η幀圖像中，S1 > s，S2 > s, KSn > s，s為衡量面積大小的閾值。(2)在連續(xù)η幀圖像中，ん> Y , Y2 > Y , K Y > Y , Y為衡量矩形變化程度的閾值。(3)在連續(xù)η幀圖像中,dm =」(xn -xnf + (只-J1)2 >ゴ，d為衡量矩形移動大小的閾值。這里，η取為10，即每連續(xù)觀察10幀圖像做一次判別。檢測到游泳者發(fā)生溺水吋，對游泳者位置進(jìn)行測算。攝像頭正對水面向下拍攝，溺水者的水面坐標(biāo)(X，Y)與溺水者的成像平面坐標(biāo)(X’，Y’ )具有如下關(guān)系
「 ^ v Ihv YhX= — ,Y=—其中，h為攝像頭距離水面的高度，f為攝像頭焦距。坐標(biāo)原點在攝像頭所在鉛垂線上。這樣，獲得溺水者在成像平面的坐標(biāo)后就可以求得其在實際泳池中的坐標(biāo)。(四)協(xié)同控制協(xié)同控制模塊通過水花檢測模塊獲取水花塊的位置信息，換算得到與之互聯(lián)的水下攝像頭所在云臺所需轉(zhuǎn)動的角度，以此控制攝像頭轉(zhuǎn)動捕捉目標(biāo)，具體實現(xiàn)過程如下協(xié)同控制模塊從水花檢測模塊獲取溺水者在泳池中的水面坐標(biāo)(X，Y)，求得溺水
者位置偏移角度W = arctan(|)。與水下攝像頭偏移角度Θ'相比較，得到水下攝像頭需要轉(zhuǎn)動的角度Θ-Θ '根據(jù)計算得到的水下攝像頭需要轉(zhuǎn)動的角度，協(xié)同控制模塊向云臺步進(jìn)電機發(fā)出相應(yīng)的數(shù)目的電脈沖，控制其轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，并且觸發(fā)水下溺水檢測模塊，對溺水者溺水行為做進(jìn)一步觀察判斷。(五)水下溺水檢測水下溺水檢測過程如圖7所示，該過程包括以下步驟(I)處理機獲取由水下攝像頭拍攝的游泳池水下圖像；(2)人物提取子模塊提取并捕獲圖像中包含的人體目標(biāo)；(3)動作識別子模塊對捕獲目標(biāo)正在發(fā)生的動作進(jìn)行識別，井根據(jù)識別結(jié)果判斷是否正在發(fā)生溺水，若是，則觸發(fā)報警定位模塊。I.人物提取子模塊通過以下步驟進(jìn)行水下人物提取(I)建立膚色模型在YrUrVr和YES顏色空間內(nèi)使用直接定義膚色區(qū)域模型，采用Yr、Ur和S分量構(gòu)建膚色提取模型如下MapJ255 WYA WUA S'く S く S2
Ootherwise其中U^S1和S2為邊界值;
(2)計算邊界值在包含人物的視頻圖像中，選取人物的若干膚色像素進(jìn)行顏色空間投影，以此得到小U、U1' u2、S1和S2的初始值；(3)膚色提取將計算所得的邊界值代入(I)中的膚色模型，進(jìn)行膚色像素點，即人物的提取，并對邊界值進(jìn)行更新；(4)降噪處理使用ニ值形態(tài)學(xué)中的開運算和閉運算對處理后的每ー幀圖像進(jìn)行降噪處理。在進(jìn)行膚色提取的過程中，使用迭代的方法進(jìn)行邊界值的更新對前ー幀圖像進(jìn)行人物提取后，對提取后的人物膚色像素再次使用顔色空間投影，得到バ
r 2、U' i、u, 2、s' i和s' 2，將其分別與原邊界值相加取平均，得到新的邊界值S、F2、U1, U2,瓦和炙，之后每處理ー幀圖像按此方法做一次邊界值的更新。
2.對提取出的膚色采用深度優(yōu)先搜索聚類方法得到單個目標(biāo)的外接矩形框，根據(jù)該矩形框的長a、寬b及其質(zhì)心在ニ維圖像中的坐標(biāo)O (X，y)定義如下動作參數(shù)(I) γ = ^-a.f + ib.-b,)2 :每兩幀圖像之間矩形框的形狀變化程度；(2) d = ^x1-X2)2+(yi-y2)2 :每兩幀圖像之間矩形框的位移；(3)h = y2 :當(dāng)前幀圖像中矩形框的高度。3.動作識別子模塊根據(jù)動作參數(shù)值的大小，對溺水時可能發(fā)生的三種動作進(jìn)行定義和識別(I) Y > Ytl，表示出現(xiàn)非正常的、很快的肢體運動，其中Ytl代表正常肢體運動下，連續(xù)兩幀圖像中目標(biāo)矩形框形狀變化程度的最高值；(2) CKdtl，表示身體的移動范圍很小，其中Cltl代表正常游泳時，連續(xù)兩幀圖像中目標(biāo)矩形框位移的最小值；(3) h> Iv表示身體下沉到較深的水域，其中ん代表正常活動范圍內(nèi)，目標(biāo)矩形框質(zhì)心在垂直方向上的最大值。其中，對于YいCltl和ん的值可根據(jù)實測數(shù)據(jù)通過最小二乗法獲得，也可根據(jù)一般常識或應(yīng)用場地的實際情況自行設(shè)定。4.動作識別子模塊根據(jù)以下動作組合對目標(biāo)所處狀態(tài)做出預(yù)測(I) (Y > Y0) n (d < d0) n (h < h0):可能正在水面發(fā)生動態(tài)溺水；(2) (Y > Y 0) n (d < d0) n (h > h0):可能正在水下發(fā)生動態(tài)溺水；(3) (Y < Y0) n (d< d0) n (h > h0):可能正在水下發(fā)生靜態(tài)溺水； (4) (y > y 0) n (d < d。)n (h < h。)可能正在踩水；(5) (d > d0) n (h > h0):可能正在潛水；(6)其他動作組合可能正處在正常游泳狀態(tài)；其中，動態(tài)溺水是指伴隨有掙扎或其他劇烈肢體動作的溺水，如意外落水或游泳過程中突然抽筋；靜態(tài)溺水是指沒有任何征兆的無知覺溺水，如突發(fā)疾病或重創(chuàng)導(dǎo)致的暫時性休克。5.當(dāng)動作識別子模塊檢測到同一目標(biāo)在若干幀圖像或一段時間內(nèi)連續(xù)被預(yù)測為可能正在發(fā)生溺水，則判定該目標(biāo)正在發(fā)生溺水，觸發(fā)報警定位模塊。報警定位模塊根據(jù)水下攝像頭的編號確定水下溺水者所處的子區(qū)域，再根據(jù)目標(biāo)成像大小推算其距離攝像頭的遠(yuǎn)近，從而計算得到目標(biāo)的近似位置。
權(quán)利要求
1.一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于在泳池水面上方安裝固定水上攝像頭，在泳池水面下安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭；水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過各路視頻采集卡連接PC機，PC機輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)；或者水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過多路視頻采集卡連接DSP，DSP與PC機進(jìn)行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的PC機或者PC機與DSP包括有水花檢測模塊、協(xié)同控制模塊、水下溺水判別模塊和報警定位模塊，水上攝像頭輸出圖像信號連接水花檢測模塊，水花檢測模塊輸出連接協(xié)同控制模塊，協(xié)同控制模塊輸出控制信號連接云臺步進(jìn)電機，協(xié)同控制模塊的輸出還連接水下溺水判別模塊，水下溺水判別模塊輸出連接報警定位模塊，報警定位模塊輸出報警信號連接報警器；上述的水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的水上攝像頭和水下攝像頭的安裝位置是泳池按“田”字劃分為4個大小相同的矩形區(qū)域，每個區(qū)域中布置I個水上攝像頭和I個水下攝像頭，水上攝像頭安裝在區(qū)域中心位置上方6米處，正向下拍攝，水下攝像頭安裝在泳池較長邊池壁水下3米處的轉(zhuǎn)動云臺上,云臺轉(zhuǎn)動的角度范圍為O至180度。
4.一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于在泳池水面上方固定水上攝像頭，在泳池水面下安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭，兩者通過PC機或PC機與DSP的協(xié)同控制模塊相聯(lián)，形成可協(xié)同攝像網(wǎng)絡(luò)，水上攝像頭通過水花檢測模塊對游泳者的水面溺水情況進(jìn)行預(yù)判別，協(xié)同控制模塊根據(jù)預(yù)判別結(jié)果引導(dǎo)水下攝像頭捕獲水花產(chǎn)生處的水下圖像，并通過水下溺水判別模塊對溺水事故進(jìn)行確認(rèn)和報警定位。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于所述的水上攝像頭通過水花檢測模塊對游泳者的水面溺水情況進(jìn)行預(yù)判別，該方法包括以下步驟 (1)PC機或PC機與DSP獲取由水上攝像頭拍攝的游泳池水面圖像； (2)水花檢測模塊對游泳者產(chǎn)生的水花進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行是否正在發(fā)生溺水進(jìn)行預(yù)判別； (3)預(yù)判別結(jié)果為可能存在溺水發(fā)生時，測算所檢測到的水花塊在泳池中的位置，同時觸發(fā)協(xié)同控制模塊，后者將觸發(fā)水下溺水判別模塊，對水面預(yù)判別結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)；上述的水花檢測模塊通過基于聚類的紋理特征分割來進(jìn)行水花檢測，聚類方法采用模糊C均值聚類方法；模糊C均值聚類法中，采用的特征參數(shù)為灰度共生矩陣的11個紋理參數(shù)和顔色空間HSL中亮度值L的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于水花檢測模塊對游泳者產(chǎn)生的水花進(jìn)行檢測，具體檢測方法是 (1)確定水花的外接矩形，得到矩形面積、矩形變化程度等參數(shù)； (2)對連續(xù)多幀圖像中各個水花進(jìn)行跟蹤，水花塊跟蹤采用卡爾曼濾波運動目標(biāo)跟蹤方法，得到各個水花外接矩陣位移； (3)若某水花面積大于某ー閾值，矩形長寬比變化率大于某ー閾值，并且水花外接矩形位移小于某ー閾值，則判定可能有溺水情況發(fā)生。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于所述的協(xié)同控制模塊根據(jù)預(yù)判別結(jié)果引導(dǎo)水下攝像頭捕獲水花產(chǎn)生處的水下圖像的具體過程為協(xié)同控制模塊通過水花檢測模塊獲取水花塊的位置信息，換算得到與之互聯(lián)的水下攝像頭所在云臺所需轉(zhuǎn)動的角度，以此控制攝像頭轉(zhuǎn)動捕捉目標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于所述水下溺水判別模塊對溺水事故進(jìn)行確認(rèn)和報警定位，具體方法為水下溺水判別模塊使用基于視頻圖像處理與動作識別相結(jié)合的溺水判別方法，該方法包括 (1)PC機獲取由水下攝像頭拍攝的游泳池水下圖像； (2)水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊； (3)人物識別子模塊提取并捕獲圖像中包含的人體目標(biāo)； (4)動作識別子模塊對捕獲目標(biāo)正在發(fā)生的動作進(jìn)行識別，井根據(jù)識別結(jié)果判斷是否正在發(fā)生溺水，若是，則觸發(fā)報警定位模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法，其特征在于水下溺水判別模塊包括人物識別子模塊和動作識別子模塊，人物識別子模塊依次通過建立膚色模型、計算邊界值、膚色提取和降噪處理四個步驟進(jìn)行水下人物提取，并且在進(jìn)行膚色提取的同時，使用迭代的方法進(jìn)行邊界值的更新；對提取出的膚色采用深度優(yōu)先搜索聚類方法得到單個目標(biāo)的外接矩形框，根據(jù)該矩形框的長、寬及其質(zhì)心在ニ維圖像中的坐標(biāo)定義動作參數(shù)，該動作參數(shù)值可根據(jù)實測數(shù)據(jù)通過最小二乗法獲得，也能根據(jù)一般常識或應(yīng)用場地的實際情況自行設(shè)定；動作識別子模塊根據(jù)動作參數(shù)值所呈現(xiàn)的大小，對目標(biāo)所做的動作進(jìn)行識別，若檢測到同一目標(biāo)在若干幀圖像或一段時間內(nèi)連續(xù)被預(yù)測為正在發(fā)生溺水，則觸發(fā)報警定位模塊；報警定位模塊根據(jù)水下攝像頭的編號確定水下溺水者所處的子區(qū)域，再根據(jù)目標(biāo)成像大小推算其距離攝像頭的遠(yuǎn)近，從而計算得到目標(biāo)的近似位置。
全文摘要
一種基于攝像網(wǎng)絡(luò)的泳池防溺水預(yù)警方法及系統(tǒng)，在泳池水面上方安裝固定水上攝像頭，在泳池水面下安裝可旋轉(zhuǎn)的水下攝像頭；水上攝像頭和水下攝像頭信號輸出通過各路視頻采集卡連接PC機或DSP與PC機，PC機或DSP輸出控制信號連接報警器和步進(jìn)電機，步進(jìn)電機控制云臺旋轉(zhuǎn)；本發(fā)明的PC機或PC機與DSP包括水花檢測模塊、協(xié)同控制模塊、水下溺水判別模塊和報警定位模塊。本發(fā)明能夠全方位、多角度對泳池進(jìn)行預(yù)警覆蓋，當(dāng)游泳者出現(xiàn)溺水狀況時，系統(tǒng)智能判斷，發(fā)出報警，并能提供目標(biāo)位置，警示救生員第一時間實施救援確保游泳者的人身安全。
文檔編號H04N7/18GK102693606SQ201110072238
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者代祥, 唐國明, 涂丹, 袁鵬, 雷軍 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)