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数字地球科学平台中实时视频运动目标的智能模拟与分析

【摘要】:“下一代数字地球”概念的提出,要求数字地球系统不仅仅关注与之密切相关的遥感、GIS数据,还应该获取、解析更多实时的、动态的数据,例如物联网、传感器数据等,并在这些数据的挖掘与可视化基础上进行相应的分析。实时视频是与空间位置密切相关的、实时性强且内容丰富的数据之一,是传感器网络数据的重要组成部分,将其与数字地球相融合,既能够充分发挥数字地球空间定位与三维可视化的优势,将视频数据整合成为相互关联的、全景的动态场景,又能将视频处理算法、视频分析与理解结果进行广泛地扩展和应用,在交通、安防、社会安全、城市规划、导航定位等方面具有广阔的发展前景和应用价值。本研究以数字地球科学平台为依托,以实时监控视频为数据源,在视频目标跟踪和信息提取的基础上进行运动三维定位与可视化,同时结合三维路径分析方法,实现视频运动目标在三维场景中的智能运动感知、运动目标自动化跟踪与三维可视化、三维路径预测与最优路径规划,有效地将计算机视觉相关技术与数字地球相融合,推动数字地球理论与系统在实时性、真实性方面的发展,并力求在三维智能视频监控、突发事件应急响应等方面提供辅助决策支持和技术支撑。主要研究成果如下:1.研发了实时精确的视频运动目标跟踪方法。针对实时视频运动目标三维可视化、运动模拟与分析的需求,本研究对简单高效的混合高斯模型背景差分方法进行改进,提出了多阈值的高斯混合模型背景差分方法、基于HOG特征和SVM分类的前景优化方法,获取了较为精确的运动目标前景和像素坐标。算法测试表明,该算法处理每帧图像仅需58ms左右,能够为运动目标三维可视化、智能模拟与路径分析提供实时的、准确的基础数据。2.提出了一种新的基于精细三维场景与虚拟投影的运动目标三维可视化方法。结合运动目标跟踪结果、精细的三维场景、虚拟投影机和三维场景透视投影关系,提出了基于复杂、精细三维场景与虚拟投影的运动目标三维可视化方法,包括运动目标三维建模、运动目标三维模型精确定位、运动目标纹理映射与三维轨迹可视化,实现了运动目标与三维场景的融合。该方法可以使包含14.4万三角面的三维场景的渲染帧率保持在50fps左右,能够保证运动目标在复杂、精细三维虚拟场景中的流畅可视化。3.探究和发展了三维路径分析方法,并提出了一种新的基于四元数分段建模的三维路径模型自动生成算法。讨论了面向室内/外的三维路径建模方法,建立了抽象化的、具有拓扑结构的“节点-弧段”三维网络模型;阐述了Dijkstra、A*、双向Dijkstra、双向A*等路径分析方法,提出了基于高度启发的A*三维路径分析算法。算法测试结果表明,上述五种方法都能够快速、准确地找到最优路径,在包含500条路径的室内三维路网中搜索到最优路径所需时间不足2ms。提出了一种基于四元数分段建模的三维路径模型自动生成算法,实现了室内/外三维路径模型的快速、自动生成与高辨析度的三维可视化。4.提出了一整套三维环境中多摄像机协同的运动目标模拟与路径分析方法。面向三维室内场景的运动目标三维跟踪和室内应急疏散等应用,提出了多摄像机场景的运动目标感知与三维可视化方法,实现了多摄像机协同的运动目标感知、识别与三维可视化,并能够使包含29.5万三角面的三维场景的渲染帧率保持在35.7fps左右;提出了特定运动目标的多路径预测与连续跟踪方法,对运动目标的运动方向、运动路径进行预测和分级分颜色可视化,实现了多摄像机的智能调度与运动目标的连续跟踪;提出一种用于应急疏散的运动目标三维路径规划方法,实时地检测、跟踪室内的运动目标,快速、准确地搜索到最优的三维疏散路径。

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