[发明专利]一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法

说明书

本发明公开一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，具体如下：步骤一、建立视觉传感网络模型，所述的模型包括感知模型、空间模型、覆盖模型和重建误差模型；步骤二、定义覆盖率和重建品质；步骤三、总体设计多目标优化。本发明提出的一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，该方法能够在给定的二维空间中，根据覆盖范围大和重建误差小的目标要求，设计多目标优化算法，提供一种合理的摄像机布局方案，指导摄像机实际安装调试，能够大大节省人力物力、加快网络部署，降维搜索的方法可以解决任意形状空间的传感器布局问题，也能减少优化变量个数，提高优化速度。

技术领域

本发明涉及一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，属于视觉传感器布局优化领域。

背景技术

基于视觉传感器的三维视觉跟踪技术在很多领域有着广泛应用，如自主导航、人机交互、空中加油、增强/虚拟现实等。以视觉导航为例：与全球定位系统GPS、惯性导航系统等传统方法相比，基于视觉的定位方式精度高、信息丰富、抗干扰能力强、适用于室内环境，近年来受到国内外广泛关注。如何部署视觉传感器是视觉传感器网络应用中的重要问题之一，它直接影响着网络的覆盖范围、连通性和能源利用效率。目前的实践中，大多数摄像机布局问题都是通过人工反复试验得到解决，即不断地调整布局然后试验判断结果。相比之下，摄像机布局的自动决策问题会更有意义，一方面可以节约摄像机反复布局安装的时间和人力物力成本，一方面通过数值计算可以获得更加鲁棒的解决方法。同时，针对视觉定位任务，摄像机布局不仅需要满足覆盖范围要求，而且需要满足目标至少被两个摄像机同时覆盖的约束条件，从而实现三维重建。因此，本发明提出了一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，该方法能够在给定的二维空间中，根据覆盖范围大和重建误差小的目标要求，设计多目标优化算法，提供一种合理的摄像机布局方案(包括摄像机位置和方位角)。该方法直接在视觉传感网络布置之前给出摄像机部署方案，指导摄像机实际安装调试，能够大大节省人力物力、加快网络部署。

发明内容

本发明提供了一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，它同时考虑了视觉传感网络覆盖范围大和定位误差小的要求，解决了广域空间中视觉传感器部署困难的问题。该方法以简单的二维空间出发，适用于大多数方向传感器的布局优化问题，它能够解决大范围的布局问题，不需要额外增加复杂的测量工具，方便快捷，对实际工程部署有很强的指导意义。

本发明中的问题可以简单描述为：给定规则的二维矩形空间、摄像机模型和摄像机总数，优化摄像机布局方案(包括摄像机位置和方位角)使得目标空间覆盖率大的同时满足重建误差小。将上述问题抽象为一个优化问题。令为任意连通的局部二维区域。为给定任务，为包含所需的所有约束的集合。这些约束可能包括二维空间(即覆盖范围)的位置约束，传感器的约束(传感器类型数目等)。传感器布局优化问题可以定义：给定区域找到一组满足约束条件的传感器位置，并最大化给定的目标函数G(或者最小化损失函数)。用数学的形式表示为：

其中，Π＝{π₁,π₂,…,π_N}为所有摄像机的布局方式，N为优化后的总摄像机数目。

注意到上述定义(1)只是一个抽象的表达方式，在具体问题面前，需要具体化每一部分，即具体确定优化的空间区域不同的任务不同的约束条件以及最终的目标函数G，在本方法中，给出了一种具体的模型建立以及多目标优化问题解决方法，将最大化覆盖范围和最小化重建误差作为目标函数，提出一种加权的目标函数综合考虑它们。

一种基于多目标约束的二维空间视觉传感器布局优化方法，为离线方法，在视觉传感器实际部署之前，对整个视觉网络的传感器进行布局设计，具体如下：

步骤一、建立视觉传感网络模型，所述的模型包括感知模型、空间模型、覆盖模型和重建误差模型；