專利名稱：一種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于視頻監(jiān)控技術領域，特別涉及一種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，游泳這種適合大眾進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，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1.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鋪設高壓電纜，安全性能差。4.游泳者攜帶監(jiān)測裝置該方法通過游泳者攜帶的監(jiān)測裝置，如手帶，腰帶等，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，另一方面存在裝備保養(yǎng)、維護、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行視頻監(jiān)控或監(jiān)測。這種方法能夠實現(xiàn)溺水報警，但實現(xiàn)報警的時間長，通常是在溺水后期，風險性較大，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
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題是解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，而提供一種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(tǒng)，能夠全方位、多角度對泳池進行預警覆蓋，當游泳者出現(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。本實用新型采用的技術方案是這種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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電機，步進電機控制云臺旋轉；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機進行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進電機，步進電機控制云臺旋轉。[0012]上述技術方案中，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1個水上攝像頭和1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米處的轉動云臺上，云臺轉動的角度范圍為0至180度。本實用新型的基于攝像網絡的泳池防溺水預警方法，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)同攝像網絡，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行預判別，協(xié)同控制模塊根據預判別結果引導水下攝像頭捕獲水花產生處的水下圖像，并通過水下溺水判別模塊對溺水事故進行確認和報警定位。上述技術方案中，所述的水花檢測模塊對游泳者的水面溺水情況進行預判別，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生的水花進行檢測，根據檢測結果進行是否正在發(fā)生溺水進行預判別；(3)預判別結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，對水面預判別結果進行確認。上述的水花檢測模塊通過基于聚類的紋理特征分割來進行水花檢測，聚類方法采用模糊C均值聚類方法；模糊C均值聚類法中，采用的特征參數為灰度共生矩陣的11個紋理參數和顏色空間HSL中亮度值L的組合。水花檢測模塊對游泳者產生的水花進行檢測，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；(2)對連續(xù)多幀圖像中各個水花進行跟蹤，水花塊跟蹤采用卡爾曼濾波運動目標跟蹤方法，得到各個水花外接矩陣位移；(3)若某水花面積大于某一閾值，矩形長寬比變化率大于某一閾值，并且水花外接矩形位移小于某一閾值，則判定可能有溺水情況發(fā)生。上述技術方案中，所述的協(xié)同控制模塊根據預判別結果引導水下攝像頭捕獲水花產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動的角度，以此控制攝像頭轉動捕捉目標。上述技術方案中，所述水下溺水判別模塊對溺水事故進行確認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合的溺水判別方法，該方法包括[0027](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；(4)動作識別子模塊對捕獲目標正在發(fā)生的動作進行識別，并根據識別結果判斷是否正在發(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行水下人物提取，并且在進行膚色提取的同時，使用迭代的方法進行邊界值的更新；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的外接矩形框，根據該矩形框的長、寬及其質心在二維圖像中的坐標定義動作參數，該動作參數值可根據實測數據通過最小二乘法獲得，也能根據一般常識或應用場地的實際情況自行設定；動作識別子模塊根據動作參數值所呈現(xiàn)的大小，對目標所做的動作進行識別，若檢測到同一目標在若干幀圖像或一段時間內連續(xù)被預測為正在發(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，再根據目標成像大小推算其距離攝像頭的遠近，從而計算得到目標的近似位置。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，進行溺水識別和報警。本實用新型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警方法及系統(tǒng)，能夠從全方位、多角度對泳池進行預警復蓋，當游泳者出現(xiàn)溺水狀況時，系統(tǒng)能智能判斷，發(fā)出報警，并提供目標位置，警示救生員第一時間進行救援，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1為本實用新型系統(tǒng)實施例1結構圖；圖2為本實用新型系統(tǒng)實施例2結構圖；圖3為本實用新型系統(tǒng)模塊圖；圖4為本實用新型安裝平面示意圖；圖5為本實用新型安裝立面示意圖；圖6為水面水花檢測流程圖；圖7為水下溺水檢測流程圖。
具體實施方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，本實用新型的基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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電機，步進電機控制云臺旋轉，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機進行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進電機，步進電機控制云臺旋轉。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1個水上攝像頭如圖中31、53、55、57，和1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米處的轉動云臺上，云臺轉動的角度范圍為0至180度。參見圖1、圖2，其信號流程及信號處理過程如下1、某區(qū)域內的水上攝像頭采集該區(qū)域泳池水面的圖像信息，經過視頻采集卡將圖像的模擬信號轉換為可編程處理的數字信號并經過壓縮編碼傳輸到到PC機。2、PC機對輸入的水上圖像進行顯示、存儲和處理(1)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的視頻窗口，以便對水面進行實時監(jiān)控；(2)存儲將水上圖像信息進行緩存，以便水上圖像處理程序調用；(3)處理通過處理水上圖像的程序(水花聚類檢測)對圖像信息進行識別判斷， 一旦邏輯判斷結果為水面正在發(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動的角度，并將之轉換為相應數目的電脈沖發(fā)送給步進電機。3、步進電機接收到來自PC機輸出的一定數目的電脈沖，根據脈沖數帶動云臺從初始位置轉動一定的角度，同時云臺所馱載的水下攝像頭也隨之轉動相應的角度，使攝像頭轉動到水花產生方向。4、轉動后的水下攝像頭采集觀測區(qū)域內的水下圖像信息，經過視頻采集卡將模擬信號轉換為數字信號到PC機。5、PC機對輸入的水下圖像進行顯示、存儲和處理(1)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的視頻窗口，以便對水下情況進行實時監(jiān)控；(2)存儲將水下圖像信息進行緩存，以便水下圖像處理程序調用；(3)處理通過處理水下圖像的程序對接收的圖像信息進行人物提取和動作識別，一旦邏輯判斷結果為水下正在發(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)送一定數目的電脈沖給步進電機，該脈沖恰好使云臺轉回初始位置。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視頻采集卡傳輸到PC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1類似，不同之處是1、來自水上和水下的圖像信息不進入PC機而直接進入DSP，DSP的功能同實例1 中PC機的處理過程；2、PC機負責對圖像信息進行顯示和儲存，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行分類管理，協(xié)同控制DSP對不同圖像信號進行相應處理，發(fā)送不同的脈沖信號到相應的步進電機。[0061]
以下結合附圖對本實用新型技術方案的具體實施方式
作進一步詳細說明。(一 )系統(tǒng)總體結構本實用新型的軟件模塊和硬件構成如圖3所示，水花檢測模塊對水上攝像頭采集的圖像信息進行識別檢測，若檢測到大面積水花，則觸發(fā)協(xié)調控制模塊，后者通過控制信號調整水下攝像頭轉向水花產生處；水下溺水檢測模塊對水下攝像頭采集的圖像信息進行識別檢測，首先由人物識別子模塊對圖像中的人物目標進行提取，然后由動作識別子模塊對目標的行為進行判別，若判定目標出現(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，給出溺水目標的位置信息。(二)攝像網絡構建攝像網絡的構建如圖4、5所示，將50mX 25m的標準泳池劃分為4個大小相同的矩形區(qū)域，每個區(qū)域中布置1個水上攝像頭和1個水下攝像頭，根據所處區(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；初始位置時，攝像頭的光軸垂直于池壁，云臺轉動的角度范圍為-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行預判別，該方法包括以下步驟(1)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，采用模糊C均值聚類，經過圖像后處理操作對對游泳者產生的水花進行檢測，對檢測到的水花用參數進行描述并跟蹤，根據規(guī)則判斷是否正在發(fā)生溺水進行預判別；(3)預判別結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，對水面預判別結果進行確認。泳池中游泳者產生的水花具有與泳池水面波紋不一樣的紋理特征，本實用新型利用基于模糊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)分不同的游泳者產生的水花。水花聚類檢測的步驟可以分為以下幾步1.提取紋理特征參數選取基于灰度共生矩陣的11個紋理參數和顏色空間HSL中亮度值L作為紋理特征參數。分為以下子步驟(1)將彩色視頻監(jiān)控圖像轉換為灰度圖像。(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的二維矩陣。(3)取10X10的領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。提取窗口內四個灰度共生矩陣的11個紋理特征參數角二階矩陣、對比度、相關、熵、方差、均值和、方差和、逆差距、差方差、和熵、差熵，取平均值作為窗口中心點的紋理特征參數。窗口重疊遍歷整幅圖像。(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。這樣，共產生12個紋理特征參數。2.利用模糊C均值聚類法進行水花聚類檢測[0080]假設X = {xi; X2,K, xn}為ρ維實數空間中給定的一個有限樣本子集，& e Rp為第 k個樣本的特征矢量。對于任意給定的類別數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學規(guī)劃問題
min Jm(U,V) = ±±^； Xi-X7I2^I^Tt丨丨
s.t. U GMfc
η其中，Wi為每個樣本的加權系數，其滿足概率約束條件ΣΜ =1 ;U = [UijJnxc為模
i=l
糊劃分矩陣。V= {vi; V2, K, VcI為C個模糊類的聚類中心矢量集；I Igl I為某種范數，用來定義樣本與聚類中心的相似性測度；m為模糊加權指數，控制聚類的模糊程度。樣本集X的模糊C劃分空間為M/c ={f/ei "xc|M,<n,Vj}
；=1^=I模糊C均值聚類算法通過迭代
2
_〒[網rv
η
ZwKx1Vj =— -
Στη
i=l當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 uU = ，則樣本\屬于第、類。本實用新型中，水花紋理分割流程為(1)利用上一步中提取的12個紋理特征參數進行模糊聚類。(2)在采用模糊C均值聚類算法的初始化過程中，設迭代誤差ε = 10_4，最大迭代次數Tmax = 200，聚類類別C = 4，按模糊C均值聚類算法進行紋理特征分割。(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，所產生的水花面積較小或者位置發(fā)生變化。根據以上分析，溺水預判別分為以下幾步1、確定各個水花外接矩形，得到描述參數。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(1)矩形質心 0(x，y)。(2)矩形面積S = ab, a, b分別為矩形的長和寬。(3)矩形變化程度廠=永Ci1 -Ci1J2 +汝-V1)2，在連續(xù)兩幀圖像中，^1, Iv1分別表示前一幀圖像中矩形的長和寬，ai; bi分別表示后一幀圖像中矩形的長和寬。(4)矩形移動參數=^iX1-Xj)2+ {y^yjf，在兩幀圖像中，ο(Xi，Yi)，ο(Xj, yj)分別為兩幀圖像中矩形的質心。[0099]2、對各個水花進行跟蹤。采用卡爾曼濾波方法對水花進行跟蹤。3、按以下規(guī)則進行溺水預判別。同時滿足以下條件時，可以初步判斷為發(fā)生溺水(1)在連續(xù)η幀圖像中，S1 > s, S2 > s, K Sn > s, s為衡量面積大小的閾值。(2)在連續(xù)η幀圖像中，[>￥，“>[!( Yn^1 > Y , Y為衡量矩形變化程度的閾值。(3)在連續(xù)η幀圖像中，
權利要求1.一種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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電機，步進電機控制云臺旋轉；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 機進行通信連接，DSP輸出控制信號連接報警器和步進電機，步進電機控制云臺旋轉。
2.根據權利要求1所述的基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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.根據權利要求1所述的基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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1個水上攝像頭和1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米處的轉動云臺上，云臺轉動的角度范圍為0至180度。
專利摘要一種基于攝像網絡的泳池防溺水預警系統(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電機，步進電機控制云臺旋轉；本實用新型的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。本實用新型能夠全方位、多角度對泳池進行預警覆蓋，當游泳者出現(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G08B21/08GK202033875SQ201120080648
公開日2011年11月9日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權日2011年3月24日
發(fā)明者代祥, 唐國明, 袁鵬, 雷軍 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學