基于BIM的鐵路站房攝像頭視場仿真與優(yōu)化

鐘青，劉立海，汪國良，王波麗，楊森

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.陜西心像信息科技有限公司，陜西 西安 710061）

0 引言

鐵路客運(yùn)組織以及安全生產(chǎn)、防火、防盜、反恐、治安、調(diào)度指揮、事故防范等對(duì)客運(yùn)站房視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了高要求。因此，只有完善的鐵路車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)才能對(duì)事件進(jìn)行準(zhǔn)確定位和快速響應(yīng)［1-2］，為鐵路安全運(yùn)營提供重要保障。

目前，隨著鐵路客運(yùn)站房業(yè)務(wù)的不斷提升，視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中存在迫切需要解決的問題。如攝像頭拍攝角度太大或者太小，導(dǎo)致監(jiān)控目標(biāo)的清晰度不夠；攝像頭安裝位置和數(shù)量不合理，導(dǎo)致監(jiān)控空間存在盲區(qū)，這些問題嚴(yán)重影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)在處理鐵路客運(yùn)站房突發(fā)異常事件中的有效應(yīng)用。

采用傳統(tǒng)二維施工圖無法對(duì)攝像頭監(jiān)控覆蓋區(qū)域、覆蓋效果進(jìn)行仿真。三維BIM技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等特點(diǎn)，因此有必要通過BIM技術(shù)中的三維建模應(yīng)用和模擬仿真應(yīng)用對(duì)攝像頭監(jiān)控覆蓋區(qū)域、覆蓋效果進(jìn)行仿真。通過運(yùn)算攝像頭監(jiān)控覆蓋區(qū)域、有效監(jiān)控區(qū)域等空間信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控空間可視化，減少監(jiān)控盲區(qū)，提高監(jiān)控清晰度。

先對(duì)單個(gè)攝像頭的視場覆蓋算法及仿真效果進(jìn)行介紹；再對(duì)攝像頭遇障礙物算法、攝像頭盲區(qū)檢測算法以及多個(gè)攝像頭重疊覆蓋區(qū)域檢測算法進(jìn)行介紹；然后以某鐵路站房為例，對(duì)攝像頭覆蓋效果進(jìn)行分析和優(yōu)化。

1 攝像頭視場仿真模型

攝像頭視場仿真模型可對(duì)鐵路站房中攝像頭監(jiān)控覆蓋區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確仿真。站房各項(xiàng)管理要求被監(jiān)控區(qū)域需要位于攝像頭視野范圍內(nèi)；攝像頭能夠識(shí)別監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的主要對(duì)象，如犯罪嫌疑人、可疑物品等；另外，還需識(shí)別主要對(duì)象的突出特征，如人臉特征、物品的主要特征等［3-7］；為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，需要建立準(zhǔn)確的攝像頭視場仿真模型。

攝像頭視場仿真模型見圖1，其中P為攝像頭坐標(biāo)，P’為視場范圍底面的交點(diǎn)，D為物距（以攝像頭能夠清晰進(jìn)行人臉識(shí)別［8］的最大距離作為攝像頭最大物距）。攝像頭成像模型見圖2，由于攝像頭CCD/CMOS靶面尺寸與視場底面范圍存在比例關(guān)系，可通過攝像頭P的坐標(biāo)得到CCD/CMOS靶面4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，再通過比例變換得到視場范圍底面4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，P點(diǎn)與視場范圍底面4個(gè)點(diǎn)形成的椎體即為攝像頭視場范圍。

圖1 攝像頭視場仿真模型

圖2 攝像頭成像模型

1.1 物距計(jì)算

攝像頭傳感器成像尺寸與實(shí)際成像尺寸存在比例關(guān)系：

式中：D為物距，H為物體高度或?qū)挾?，h為CCD/CMOS靶面高度或?qū)挾?，F(xiàn)為攝像頭焦距。

人臉識(shí)別最低分辨率與攝像頭分辨率存在比例關(guān)系：

人臉尺寸和人臉識(shí)別最低分辨率分別取1個(gè)固定值，再根據(jù)攝像頭靶面尺寸、攝像頭分辨率、攝像頭焦距范圍，可以計(jì)算出攝像頭至看清人臉的最大和最小距離，即攝像頭的最大和最小物距。

1.2 三維空間中點(diǎn)變換

根據(jù)攝像頭坐標(biāo)P、方向單位向量V以及焦距F，可以計(jì)算出攝像頭CCD/CMOS靶面的中心點(diǎn)坐標(biāo)P0=P+F×(-V)，然后根據(jù)攝像頭CCD/CMOS靶面尺寸計(jì)算出攝像頭CCD/CMOS靶面4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)攝像頭成像模型可知，視場范圍底面4個(gè)點(diǎn)是由攝像頭CCD/CMOS靶面的4個(gè)點(diǎn)經(jīng)過比例、旋轉(zhuǎn)、平移形成的。而三維空間中某點(diǎn)的變換可以用點(diǎn)的齊次坐標(biāo)與四階三維變換矩陣相乘實(shí)現(xiàn)。利用縮放系數(shù)（D/f）、旋轉(zhuǎn)角度、平移（D）構(gòu)造變換矩陣，通過變換矩陣將CCD/CMOS靶面4個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行變換，得到新的4個(gè)點(diǎn)即為視場范圍底面的4個(gè)點(diǎn)。根據(jù)攝像頭P點(diǎn)及計(jì)算出的視場范圍底面4個(gè)點(diǎn)生成視場范圍。

1.3 視場范圍生成

在Revit中建立攝像頭相關(guān)族庫，包括鐵路站房中常用的槍型攝像頭、球型攝像頭以及半球型攝像頭。在建立相關(guān)攝像頭視場仿真模型時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)攝像頭的仿真覆蓋效果，在攝像頭中添加了一些屬性，包括：攝像頭坐標(biāo)，攝像頭水平、垂直角度，CCD/CMOS靶面尺寸，焦距，人臉尺寸，攝像頭成像比例，攝像頭分辨率，人臉識(shí)別最低分辨率等［9-10］。然后根據(jù)上述算法，生成帶有視場范圍的攝像頭視場仿真模型。槍型攝像頭、球型攝像頭（帶云臺(tái)）視場仿真模型見圖3、圖4。攝像頭覆蓋區(qū)域可以根據(jù)需要進(jìn)行展示或者隱藏，還可以根據(jù)需要調(diào)整攝像頭水平、垂直旋轉(zhuǎn)角度及焦距，對(duì)攝像頭的覆蓋區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 槍型攝像頭視場仿真模型

圖4 球型攝像頭（帶云臺(tái)）視場仿真模型

2 覆蓋效果相關(guān)算法

2.1 視場遇障礙物算法

由于鐵路站房內(nèi)存在墻體、柱子、設(shè)備設(shè)施等物體，對(duì)于攝像頭視場會(huì)產(chǎn)生一定范圍的遮擋，因此需要考慮攝像頭視場遇到障礙物時(shí)的覆蓋效果。剪切算法示意見圖5，當(dāng)視場范圍遇到遮擋物時(shí)，應(yīng)該剪掉遮擋區(qū)域部分。實(shí)現(xiàn)這一算法需要經(jīng)過識(shí)別遮擋物、獲取遮擋區(qū)域、對(duì)遮擋區(qū)域進(jìn)行剪切3個(gè)步驟。

圖5 剪切算法示意圖

首先，采用相交過濾方法獲取與攝像頭視場范圍相交的所有元素，這些相交的元素即為遮擋物；然后計(jì)算出攝像頭的視場范圍與遮擋物的交點(diǎn)坐標(biāo)，交點(diǎn)坐標(biāo)依次為P1、P2、P3、P4。記攝像頭坐標(biāo)為P，再以PP1、PP2、PP3、PP4為向量向外延伸D個(gè)距離得出坐標(biāo)點(diǎn)P1’、P2’、P3’、P4’，以P1、P2、P3、P4圍成的平面為頂面，以P1’、P2’、P3’、P4’圍成的平面為底面，得到的區(qū)域即為遮擋區(qū)域。最后用攝像頭視場范圍剪掉遮擋區(qū)域，即可完成不含遮擋區(qū)域的攝像頭視場范圍。若遇到玻璃材質(zhì)，則不會(huì)對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行剪切。

2.2 攝像頭覆蓋區(qū)域檢測算法

在室內(nèi)空間布放多個(gè)攝像頭，2個(gè)或以上攝像頭共同覆蓋的區(qū)域?yàn)橹丿B覆蓋區(qū)域，沒有攝像頭覆蓋的區(qū)域?yàn)槊^(qū)。為明確攝像頭覆蓋區(qū)域、重疊覆蓋區(qū)域以及盲區(qū)范圍，采用不同顏色對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行區(qū)分。攝像頭覆蓋效果見圖6，綠色區(qū)域?yàn)閱蝹€(gè)攝像頭覆蓋區(qū)域，深綠色區(qū)域?yàn)閿z像頭重疊覆蓋區(qū)域，紅色區(qū)域?yàn)閿z像頭覆蓋區(qū)域以外的盲區(qū)。

圖6 攝像頭覆蓋效果圖

然而通過視覺感官并不能得出覆蓋效果是否良好的結(jié)論，還應(yīng)該對(duì)覆蓋效果進(jìn)行定量分析。通過截取不同高度的平面（如地面、人的高度等），將盲區(qū)比例（平面內(nèi)盲區(qū)面積與整個(gè)平面面積的比值）、重疊覆蓋區(qū)域比例（平面內(nèi)重疊覆蓋區(qū)域面積與整個(gè)平面面積的比值）作為評(píng)估監(jiān)控效果的參數(shù)，對(duì)監(jiān)控效果進(jìn)行評(píng)估。盲區(qū)范圍越大，說明攝像頭覆蓋效果越差，需要增加攝像頭個(gè)數(shù)或者調(diào)整攝像頭的參數(shù)、位置、角度來增加攝像頭覆蓋區(qū)域；重疊覆蓋區(qū)域比例越大，說明攝像頭利用效率不高，可以通過減少攝像頭數(shù)量或者調(diào)整攝像頭位置、角度對(duì)攝像頭的覆蓋區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

3 鐵路站房攝像頭覆蓋效果分析及優(yōu)化

以某鐵路站房為例，對(duì)攝像頭覆蓋效果進(jìn)行分析和優(yōu)化。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范在鐵路站房BIM模型內(nèi)布放帶有視場范圍的攝像頭，將多個(gè)攝像頭的有效覆蓋區(qū)域進(jìn)行疊加，站房內(nèi)攝像頭的覆蓋效果一目了然。

在未進(jìn)行優(yōu)化前，截取人的高度1.7 m，得到盲區(qū)比例為21.46%，重疊覆蓋區(qū)域比例為34.61%。此時(shí)盲區(qū)比例和重疊覆蓋區(qū)域比例較高，覆蓋效果不佳，因此需要對(duì)攝像頭的覆蓋效果進(jìn)行優(yōu)化。通過增加攝像頭數(shù)量，移動(dòng)攝像頭位置，改變攝像頭的水平、垂直角度，調(diào)整攝像頭的焦距來降低盲區(qū)、重疊覆蓋區(qū)域比例，使場景內(nèi)圖像高清、覆蓋效果良好。此過程需要不斷重復(fù)，最終確定攝像頭型號(hào)、數(shù)量、安裝位置以及擺放位置。優(yōu)化前后站房攝像頭覆蓋效果見圖7。優(yōu)化后截取人的高度1.7 m，盲區(qū)比例為12.15%，重疊覆蓋區(qū)域比例為30.76%。由于很多房間內(nèi)部未安裝攝像頭，所以不可能達(dá)到攝像頭全覆蓋狀態(tài)。通過盲區(qū)、重疊覆蓋區(qū)域比例優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比可知，優(yōu)化后攝像頭覆蓋效果良好。由效果圖可知，候車廳、售票廳、出站廳等公共區(qū)域均達(dá)到了全覆蓋。

圖7 站房攝像頭覆蓋效果圖

4 結(jié)束語

以往只能根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)在二維施工圖上對(duì)攝像頭進(jìn)行布放、施工單位按圖施工，在施工結(jié)束后才能檢驗(yàn)監(jiān)控效果，在調(diào)試過程或運(yùn)營使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)由于攝像頭安裝位置和數(shù)量不合理使監(jiān)控空間存在盲區(qū)或監(jiān)控目標(biāo)清晰度不夠。

基于BIM的視頻監(jiān)控覆蓋區(qū)域檢測方法相對(duì)于二維施工圖設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢：在設(shè)計(jì)階段可以看到鐵路站房攝像頭監(jiān)控覆蓋效果，并且可以通過BIM技術(shù)對(duì)覆蓋區(qū)域及盲區(qū)進(jìn)行檢測，減少人工布放攝像頭未能考慮的細(xì)節(jié)誤差；在設(shè)計(jì)審查階段，將視場優(yōu)化的BIM模型對(duì)建設(shè)單位、咨詢單位、審查單位以及運(yùn)營維護(hù)單位進(jìn)行展示，方便各單位提出修改意見；在施工階段，施工單位利用優(yōu)化后的攝像頭布放方案進(jìn)行施工，可以有效保證后期施工的順利進(jìn)行，避免拆改，減少返工，從而節(jié)省投資。由此可見，利用BIM技術(shù)進(jìn)行鐵路站房視場仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)效果良好。

基于BIM的視場仿真技術(shù)除了可應(yīng)用于鐵路站房外，還可用于飛機(jī)場、港口、地鐵站、汽車站、電影院等安全要求高的大型公共場所。采用BIM技術(shù)完善視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高這些場所的安全性。