[發(fā)明專利]一種泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710800445.1
• 申請(qǐng)日: 2017-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN107622505B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 紀(jì)剛;于騰;周粉粉;安帥;周萌萌;商勝楠;李慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 青島聯(lián)合創(chuàng)智科技有限公司
• 主分類號(hào): G06T7/207
• 分類號(hào): G06T7/207;G06T5/00;G06T7/155;G06T7/181;G06T7/187;G06T7/223
• 代理公司: 青島高曉專利事務(wù)所(普通合伙) 37104
• 代理人: 張世功

1.一種泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)方法，其特征在于所涉及的泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)方法具體的工藝步驟為：

(1)監(jiān)控與匹配目標(biāo)：

先在游泳池上方和水底分別設(shè)置水上攝像機(jī)、水下攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)視游泳者的活動(dòng)，水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)能夠進(jìn)行目標(biāo)匹配：游泳者在水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)前表現(xiàn)出來的特征區(qū)別明顯，游泳者的皮膚顏色變化或者衣服顏色變化的紋理特征會(huì)影響匹配，通過對(duì)水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)標(biāo)定后的位置信息和游泳者速度信息進(jìn)行匹配，水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)相毗鄰且沒有重疊視域部分；當(dāng)水下攝像機(jī)涉及的游泳者的外部橢圓輪廓到達(dá)邊界線時(shí),記錄幀數(shù),并在水下攝像機(jī)中觀察是否有新目標(biāo)的出現(xiàn),若有,計(jì)算機(jī)處理單元計(jì)算其橢圓輪廓的邊緣是否在邊界線,然后進(jìn)行目標(biāo)匹配；水下攝像機(jī)能屏蔽水面上擁擠的游泳者，有效減小系統(tǒng)的誤報(bào)率，通過分析監(jiān)控視頻序列檢測(cè)溺水者軌跡；通過在水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)前添加偏光鏡來減少水面反射以及光照帶來的影響，提高視頻圖像畫質(zhì)，方便圖像處理；水上攝像機(jī)通過監(jiān)控游泳池狀態(tài)，并經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理單元中的視頻處理軟件處理標(biāo)記游泳者的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)游泳者軌跡推斷下沉的游泳者并將其加到監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警名單里，再調(diào)動(dòng)水下攝像機(jī)，使其成為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的預(yù)警目標(biāo)；

(2)前景檢測(cè)與跟蹤目標(biāo)：

先由安裝在游泳池上方的水上攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集游泳者視頻圖像序列，視頻幀率是每秒24幀圖像，根據(jù)輸入視頻序列的前I₀幀圖像采用基于混合高斯模型背景減除的方法建立背景圖像B，其中，B滿足下式：

其中，B表示背景圖像，T表示背景所占的比例，w_k表示當(dāng)前k個(gè)模型的權(quán)值，b為高斯分布的個(gè)數(shù)，k為模型個(gè)數(shù)；

在水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)前添加偏光鏡用于獲取視頻圖像序列，效果好于直接記錄的圖像，偏光鏡會(huì)減少水面的反射造成的影響；

再對(duì)輸入視頻的每一幀圖像按照逐個(gè)像素與背景圖像B匹配，如果匹配，則為背景圖像并更新背景模型參數(shù)，如果不匹配判斷為前景點(diǎn)；在前景檢測(cè)過程中，波紋噪聲對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)造成很大的影響，水面波紋符合高斯噪聲分布，采用高斯模糊操作去除噪聲，設(shè)定波紋濾除的閾值24幀圖像，如果波紋檢測(cè)小于連續(xù)的24幀圖像，或者檢測(cè)波紋的面積區(qū)域小于設(shè)定的閾值，將會(huì)濾掉波紋噪聲帶來的干擾；

將輸入的視頻圖像經(jīng)過去噪處理后轉(zhuǎn)化為二值圖像，對(duì)得到的二值圖像采用閾值處理和中值濾波得到含有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的前景圖像，再進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理得到新的二值圖像，提取邊緣信息，找到前景的連通區(qū)域，用外接矩形進(jìn)行標(biāo)記，顯示結(jié)果；確定矩形的中心位置，并判斷前景像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)p，如果p＞p₀，其中p₀為設(shè)置的閾值，確定為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，對(duì)游泳者運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行輪廓標(biāo)記，并加入到跟蹤記錄表中，若p≤p₀，則忽略不進(jìn)行標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)確定游泳者的位置信息；

前景檢測(cè)分為禁止區(qū)域檢測(cè)和非開放時(shí)間落水檢測(cè)，其具體分為：

禁止區(qū)域檢測(cè)：當(dāng)游泳者游入禁止區(qū)域時(shí)，在輸入的視頻幀序列中用紅色標(biāo)記出游泳者的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，通過游泳者隨身攜帶的檢測(cè)器發(fā)出報(bào)警；

非開放時(shí)間落水檢測(cè)：在游泳池的非開放時(shí)間，如果監(jiān)控檢測(cè)到的信息中發(fā)現(xiàn)有人、動(dòng)物或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入水中，水上攝像機(jī)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警；

(3)目標(biāo)跟蹤定位：

通過前景檢測(cè)與匹配目標(biāo)后，計(jì)算機(jī)處理單元中的視頻處理軟件的定位功能對(duì)確定的目標(biāo)進(jìn)行軌跡跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)游泳者的位置，并根據(jù)游泳者運(yùn)動(dòng)軌跡推斷下沉的游泳者，將其加到監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警名單中；

計(jì)算機(jī)處理單元中的視頻處理軟件的定位功能采用卡爾曼濾波方法與匈牙利算法進(jìn)行匹配軌跡，先根據(jù)前景檢測(cè)的結(jié)果確定每一幀圖像的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，再將檢測(cè)到的軌跡記錄在變量表中，變量表中記錄每幀圖像檢測(cè)的不同軌跡track1，track2，track3···，卡爾曼濾波方法根據(jù)變量表中記錄的歷史軌跡預(yù)測(cè)不同軌跡下一幀的中心位置；

中心位置的預(yù)測(cè)計(jì)算公式為：其中，(x,y)為中心位置的坐標(biāo)，x₁為外接矩形的左邊框位置，x₂為外接矩形的右邊框位置，y₁為外接矩形的上邊框位置，y₂為外接矩形的下邊框位置；

每一幀圖像與背景模型相減后得到前景目標(biāo)，并存放在記錄表object中，記錄表object中含有不同的目標(biāo)object1，object2，object3···，記錄表object中不同的目標(biāo)與采用卡爾曼濾波方法預(yù)測(cè)的軌跡位置進(jìn)行匹配，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)的距離d與閾值d₀比較結(jié)果，或者根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)與預(yù)測(cè)點(diǎn)位置的代價(jià)、周長(zhǎng)的估計(jì)代價(jià)F、面積估計(jì)代價(jià)S或者輪廓估計(jì)代價(jià)C與預(yù)設(shè)值比較，并采用匈牙利算法對(duì)記錄表object中的軌跡進(jìn)行最優(yōu)匹配，判斷當(dāng)前幀的運(yùn)動(dòng)軌跡是否與上一幀記錄中的運(yùn)動(dòng)軌跡相匹配，如果匹配，則更新跟蹤記錄表中的數(shù)據(jù)；若匹配未成功，則判斷為新增目標(biāo)，將當(dāng)前新的運(yùn)動(dòng)軌跡添加歷史記錄表中；若連續(xù)數(shù)幀圖像未檢測(cè)到與歷史記錄表中的軌跡相聯(lián)系的目標(biāo)，則刪除消失的軌跡記錄；

(4)溺水判定：

通過溺水監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)裝置拍攝的視頻中游泳者的特征數(shù)值判定游泳者是否溺水，其具體判斷工藝過程如下：

①速度變化：溺水者的游泳速度變慢，最終低于設(shè)置的速度值，游泳者的速度計(jì)算公式為：

其中，M為連續(xù)采集的圖像幀數(shù)，(Xc_i,Yc_i)和(Xc_i+1,Yc_i+1)分別是第i幀與第i+1幀圖像中人的中心點(diǎn)坐標(biāo)，是連續(xù)兩幀人的中心點(diǎn)距離，為連續(xù)M幀人的中心點(diǎn)距離均值，再乘以得到速度，其中t＝aT，其中a為整數(shù)，a＝0,1,2,3···，T為采樣時(shí)間，t為視頻播放的時(shí)間，X,Y分別表示中心點(diǎn)坐標(biāo)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

②確定輪廓形狀變化：正常游泳時(shí)，視頻中人的輪廓形狀隨時(shí)間變化不明顯，溺水時(shí)，形狀變化明顯劇烈，其形狀變化率為：

其中，S_i和S_i+1為第i幀與第i+1幀圖像中人的輪廓形狀大小，S_v為連續(xù)M幀形狀變化率，M為連續(xù)采集的圖像幀數(shù)，t為視頻播放的時(shí)間，a為整數(shù)，a＝0,1,2,3···；

③確定高度位置變化：溺水時(shí)，游泳者靠近池底，其距離池底的高度變小，低于設(shè)置的閾值，LED監(jiān)控器7的顯示屏上會(huì)用紅框顯示游泳者的位置；其位置高度h＜h₀，其中h為游泳者距離水底的高度，h₀為設(shè)置的閾值；

④溺水參數(shù)檢測(cè)：游泳者隨身攜帶的體態(tài)檢測(cè)器檢測(cè)游泳者心率、潛入水下時(shí)間、手臂揮動(dòng)次數(shù)和頻率的信息數(shù)據(jù)，如果超過設(shè)置數(shù)值，將溺水信號(hào)經(jīng)信號(hào)發(fā)送器傳輸?shù)骄壬鷨T的信號(hào)接收器并發(fā)出報(bào)警；

⑤動(dòng)態(tài)變化：水下攝像機(jī)檢測(cè)到游泳池底部目標(biāo)靜止不動(dòng)超過15秒鐘則被認(rèn)定是有溺水者，計(jì)算機(jī)處理單元立即向LED監(jiān)控器和救生員的信號(hào)接收器發(fā)出報(bào)警信號(hào)；

(5)溺水報(bào)警：

計(jì)算機(jī)處理單元通過步驟(4)中的方法預(yù)判到有溺水者，水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)將視頻傳輸給計(jì)算機(jī)處理單元，被檢測(cè)到的溺水者狀態(tài)會(huì)通過LED監(jiān)控器實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)經(jīng)過裝載于計(jì)算機(jī)處理單元中的視頻處理軟件進(jìn)行計(jì)算定位，并在LED監(jiān)控器上用紅色標(biāo)記溺水者的位置，計(jì)算機(jī)處理單元發(fā)出蜂鳴報(bào)警，并將溺水者的位置發(fā)送到救生員攜帶的信號(hào)接收器，救生員通過呼叫器通知其他工作人員，第一時(shí)間開展施救，實(shí)現(xiàn)泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)功能。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)方法，其特征在于所述的泳池溺水監(jiān)控檢測(cè)方法在溺水監(jiān)控檢測(cè)裝置中實(shí)現(xiàn)，所涉及的溺水監(jiān)控檢測(cè)裝置的主體結(jié)構(gòu)包括：電源、防水電纜、水上攝像機(jī)、水下攝像機(jī)、偏光鏡、計(jì)算機(jī)處理單元、LED監(jiān)控器、體態(tài)檢測(cè)器、信號(hào)發(fā)送器、信號(hào)接收器和呼叫器，各部件按照電學(xué)原理和現(xiàn)場(chǎng)布局，電信息連通組合成監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)裝置；電源采用輸出直流24V電壓的市售穩(wěn)壓電源；水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，含有網(wǎng)絡(luò)輸出接口，能夠直接將攝像機(jī)接入本地局域網(wǎng)并傳遞信息，防水電纜用于連接電源和水上攝像機(jī)、水下攝像機(jī)；安裝有偏光鏡的水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)的輸出端分別連接計(jì)算機(jī)處理單元的串口端，計(jì)算機(jī)處理單元中安裝有視頻處理軟件，能夠準(zhǔn)確處理水上攝像機(jī)和水下攝像機(jī)錄制的視頻，顯示游泳者的狀態(tài)，檢測(cè)并處理分析出游泳者的溺水情況；計(jì)算機(jī)處理單元的輸出端連接LED監(jiān)控器的輸入端，LED監(jiān)控器具有高清晰度分辨率，能夠?qū)崟r(shí)顯示溺水者的清晰狀態(tài)；溺水者攜帶的體態(tài)檢測(cè)器內(nèi)部設(shè)置具有信息傳感、信息處理和自供電功能，信息傳感器采用的器件包括壓力傳感器、溫度傳感器和心率傳感器，能夠檢測(cè)游泳者心率、潛入水下時(shí)間、手臂揮動(dòng)次數(shù)和頻率，傳感功能實(shí)時(shí)采集游泳者狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過具有信息處理功能的單片機(jī)處理后，將檢測(cè)到的溺水信息經(jīng)信號(hào)發(fā)送器發(fā)射出去，體態(tài)檢測(cè)器的電源采用可充電形式紐扣電池，供電電壓為3V；計(jì)算機(jī)處理單元的輸出端和體態(tài)檢測(cè)器的輸出端分別連接有信號(hào)發(fā)送器，將溺水報(bào)警信號(hào)以無線電磁波的形式發(fā)送給救生員攜帶的信號(hào)接收器，救生員再通過呼叫器通知其他工作人員，開展施救；整體式系統(tǒng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的自動(dòng)檢測(cè)監(jiān)控功能，對(duì)所監(jiān)控區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效的監(jiān)控與檢測(cè)及其報(bào)警。