[发明专利]一种高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法

权利要求书

1.一种基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：该方法基于高维超定方程，通过少量参考点标定，构建摄像机视地空间映射模型，实现野外大范围的视频画面目标点位与地理空间坐标之间的高精度双向定位。包括如下步骤：

步骤1、构建视地参考点：调节摄像机姿态，将摄像机画面中心点对准边界清晰的地物，同时在地图上找到该地物，记录此时的地物的地理空间坐标和摄像机旋转角Pan、Tilt值，作为视地参考点，记为P(x,y,z,p,t)。

步骤2、构建单目相机视地空间双向映射模型：单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)之间对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：

步骤2.1、构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。

步骤2.2、构建从(p,t)到(x,y,z)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，代入视地参考点，求解高维超定方程未知数，得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型。

步骤3、误差评估与模型优化：将视地参考点的地理空间坐标带入模型中求得对应旋转角，计算地视转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。将视地参考点的旋转角代入模型中求得对应地理空间坐标，计算视地转换误差，对误差较大的点进行调整或删除，直到均方根误差满足定位需求。

步骤4、地视转换：在地图定位范围内任意选定点P，获取该点地理空间坐标(x,y,z)，将(x,y,z)代入选定的地视定位模型，解算出对应的摄像机旋转角(p',t)，由于地视转换模型存在一定的系统误差，需采用一种几何纠正方法优化，计算获取更高精度的摄像机旋转角(p,t)，然后通过网络连接远程控制摄像机姿态变换，使目标点位处于监控画面中心，实现地视转换。

步骤5、视地转换：在摄像机监控画面中任意选中目标点，通过透视投影模型，根据目标点像素坐标获取当目标处于画面中心时对应的摄像机旋转角参数(p,t)，将(p,t)代入单目相机视地空间双向映射模型，解得对应地理空间坐标(x,y,z)，并在地图上标识，实现视地转换。

2.根据权利要求1所述的基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：所述步骤1中，采集的视地参考点数量应不少于14组，以满足高维超定方程中未知数的解算需求。视地参考点应尽量均匀分布于摄像机的各个方向，以平衡定位范围内的定位精度。

3.根据权利要求1所述的基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：所述步骤2中，单目相机视地空间双向映射模型的实质是摄像机旋转角(p,t)和地理空间坐标(x,y,z)之间对应的函数关系，可拆解为地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型和摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，具体步骤如下：

步骤3.1、地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型，即构建从(x,y,z)到(p,t)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，见式(1)，

将式(1)转换为矩阵形式，见式(2)，

将步骤1中采集的任意13组地视参考点代入式(2)，采用最小二乘法求解矩阵，即可得到地理空间坐标到摄像机旋转角的地视映射模型。

步骤3.2、摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型，即构建从(p,t)到(x,y,z)的坐标转换关系，建立对应高维超定方程，见式(3)，

将上式转换为矩阵形式，见式(4)，

将步骤1中采集的任意14组地视参考点代入式(4)，采用最小二乘法求解矩阵，即可得到摄像机旋转角到地理空间坐标的视地映射模型。

4.根据权利要求1所述的基于高维超定方程的单目瞭望塔监控视频目标空间定位方法，其特征在于：所述步骤3中，视地转换误差以参考点地理空间坐标和预测坐标间距离度量。地视转换误差以参考点旋转角和预测旋转角偏差度量。