泳池监控系统之子系统的研究与设计 第4页
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标信息，获得空间三文坐标与图像二文坐标之间的关系。主监控系统利用溺水识
别算法实时分析经摄像机拍摄获得的图像，当判断出存在溺水情况时，主监控系
统利用已获得的图像二文坐标与泳池三文坐标的关系，通过判断溺水人员在图像
上的位置就可获得其在泳池内的位置，并将该溺水位置显示在系统界面上并发出
报警。
报警信号产生以后，如何将报警信号及溺水地点及时通知给救生员直接关系
到能否及时救起溺水人员。这罩提到的无线报警传输系统就是采用无线传输方式
传输报警信号，信号发送端配备在PC机端，信号接收端配备在救生员身上。当
有报警信号时，主监控系统将报警信息通过串口传送给信号发送端，接收端根据
接收到的报警信息以声光形式向救生员报警，并指示出溺水人员的大致位置。
可见，“游泳池定标系统"和“无线报警传输系统”两个子系统在能否对溺水
人员进行准确的定位以及及时的施救起到至关重要的作用，这也是本课题研究的
两个重点，它们是围绕着泳池监控主系统进行的，是对泳池监控系统的完善。
1．2．1摄像机定标的研究现状
摄像机定标，是计算机视觉的基本任务之一，是从摄像机获取的图像信息出
发计算三文空间中物体的几何信息，并由此重建和识别物体，而空间物体表面某
点的三文几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模
型决定的。这些几何模型参数，就是摄像机参数，在大多数条件下，这些参数必
须通过试验和计算才能得到。求取这些摄像机参数的过程被称为摄像机定标pJ。
摄像机参数总是相对于某种几何成像模型的，这个模型是对光学成像过程的简化，
比如最常用的针孔模型，它是摄像机定标研究的基本模型。然而很多情况下这种
线性模型不能准确描述摄像机成像的几何关系，如在近距、广角时的情形，因此
在考虑线性或非线性的畸变补偿后，才能更合理地描述针孔成像过程。利用校正
后的模型进行三文重建才能得到更高的精度。因此成像模型和畸变补偿成为计算
机视觉中摄像机定标研究的重点15J。
上述这些内容构成了传统摄像机定标研究的主要问题。其基本方法是，在一
定的摄像机模型下，基于特定的实验条件如形状、尺寸己知的定标参照物经过对
第1章绪论
其图像进行处理，利用一系列数学变换和计算方法，求取摄像机模型的内部参数
和外部参数。大致有基于单帧图像的基本方法和基于多帧已知对应关系的立体视
觉方法。
在很多情况下，由于存在经常性调整摄像机的要求，而且设置己知的定标参
照物也不现实，这时就需要一种不依赖定标参照物的所谓摄像机自定标方法，成
为目前摄像机定标研究的重点。总的来看，现有的摄像机定标技术大体可以归结
为两类：传统的摄像机定标方法和摄像机自定标方法【5J。
从计算思路的角度上看，传统的摄像机定标方法可以分成四类【5J，即利用最
优化算法的定标方法，利用摄像机变换矩阵的定标方法，进一步考虑畸变补偿的
两步法和采用更为合理的摄像机成像模型的双平面定标方法。而按照求解算法的
特点将它分为直接非线性最小化方法(迭代法)、闭式求解方法和两步法，也不失
为一种好的划分方法【们。利用最优化算法的摄像机定标方法的优点是可假设摄像
机的光学成像模型非常复杂，包括成像过程中的各种因素；缺点是摄像机定标的
结果取决于摄像机的初始给定值，如果初始值给得不恰当，很难通过优化程序得
到正确的定标结果。优化程序非常费时，无法实时地得到定标结果．直接线性变换
方法是Abdel．Aziz和Karara首先于1971．年提出的【刀。通过求解线性方程的手段
就可以求得摄像机模型的参数，这是直接线性变换方法的吸引力之所在。然而这
种方法完全没有考虑摄像机拍摄过程中的非线性畸变问题，为了提高定标精度，
非线性最优化算法仍不可避免。Dainis和Jubcrts在文中给出了利用直接线性变换
方法进行摄像机定标的结果【8】’他们的系统是为了准确的测量机器人的运动轨迹。
该系统能够实时地测量出机器人的运动轨迹，但并不要求定标算法对系统的
定标是实时的。利用透视变换矩阵的摄像机定标方法的优点是不需要利用最优化
方法来求解摄像机的参数。从而运算速度快，能够实现摄像机参数的实时的计算；
缺点是定标过程中不考虑摄像机镜头的非线性畸变，定标精度受到影响，线性方
程中未知参数的个数大于要求解的独立的摄像机模型参数的个数，线性方程中未
知数不是相互独立的。Ganapathy给出了一个由透视变换矩阵求解摄像机内部参
数和外部参数的方法，并对分解过程作了详细的分析【引。摄影测量学中的传统方
法要使用最优化算法求解未知参数，求解的结果常常取决于给定的初始值。如果
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初始值给定不合适，就很难得到正确的结果。直接线性变换方法或者透视变换矩
阵方法可以利用线性方法求解摄像机参数，其缺点是没有考虑镜头的非线性畸变、
精度不高。如果先利用直接线性变换方法或者透视变换矩阵方法求解摄像机参数，
再以求得的参数为初始值，考虑畸变因素，并利用最优化算法进一步提高定标精
度，这就形成了所谓的两步法【10’n1。’rsa．i的方法只考虑了径向畸变，没有考虑切
向畸变。在文献【6】中同时考虑了切向畸变，并给出了相应的算法，是对两步发的
重要发展，此外，他还提出了定标精度的分析方法。为了寻求更合理的摄像机模
型，使之更全面、更有效的表示CCD摄像机实际成像过程，M~ins等首先提出
了双平面模型(俩o．plalle model)【挖l。该方法的优点是利用线性方法就可以解有关
参数：缺点是要求解大量的未知参数，存在过分参数化的倾向。马颂德和魏国庆
【Bd’】在利用双平面模型定标摄像机参数方面做了大量的研究工作，他们对成像过
程进行分析，并考虑了镜头畸变因素，提出了利用从图像到两个定标平面的回归
模型进行实验验证，该方法的优点是全部非线性模型参数可以用线性方法求解。
微软研究院的张正友提出了一种较为简单灵活的定标方法【16】，这种方法是用一个
具有精确定位的方格模板(或点阵模板)代替传统的定标监控块，只需从不同角
度对模板拍摄几幅图像，通过每幅图像的单应矩阵即可计算出摄像机内参数，并
可利用反投影法优化求精。
1．2．2无线射频技术的研究现状
近年来随着计算机技术、通信技术、集成电了技术的发展，国内射频(RF)技
术也趋于成熟，并开发出了种类齐全的无线射频数据传输芯片。这些射频芯片，
不仅传输速率快，而且失真度、灵敏度等指标较以前都有较大的改善n引。如今这
些芯片正在向集成化、小型化方向发展，使用成本也大大降低，采用射频芯片来
开发无线传输产品有非常广阔的应用前景。目前，国内外知名厂商都非常重视射
频芯片的开发研究以及应用。
在无线传输芯片制造方面，由于微电子技术的飞速发展，现在RF无线数据传
输的发射和接收电路已经实现了集成化，其组成电路也更趋向于简单。如现在应
用比较广泛的Nodic公司的NRF系列和MAXIM公司的MAX系列无线传输芯片，
第1章绪论
它们只需要较少的外围辅助元件就可以实现数据的无线传输。用于数据传输的芯
片按照数字调制方式主要包括振幅键控(ASK)'，频移键控(F'SK)，移相键控(PSK)
三种方式，而中短距离传输芯片常采用ASK／FSK调幅方式1181。
随着射频技术的发展，无线数字传输芯片尺寸越来越小，功能也越来越齐全，
再加上辅助元件后在性能上更加优越，传输距离更远，信号的稳定性更高，传输
速率更快，硬件实现简单，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合【均1。现在市场
上的无线数据传输芯片主要是ASK／FSK调制方式，其频率发生器种类繁多，但
基本上分为三种：第一种是采用LC振荡器，可靠性低，但价格便宜；第二种是采用
声表振荡器，频率稳定性高于LC振荡器：第三种采用锁相环技术，晶振稳频，性
能比较优良，价格也比较昂贵。
在国内，应用这些高集成度的芯片嵌入要开发的系统，被广泛应用到国民经
济的各个领域中：如无线数据采集传输系统，车辆监控，小型无线网络，无线抄表，
工业数据采集系统，无线遥控系统，生物信号采集，水文气象监控，机器人制造，
无线232数据通信等啪’。这些应用为国家和企业节省了大量人力物力，使我们现
代办公和生活更加方便安全。
1．3论文的研究重点及组织结构
本文中的主要研究与设计是围绕泳池监控系统进行的，因此，本文中首先对
泳池监控系统进行简单的介绍，包括组成泳池监控系统的各个子系统。在此基础
上，重点对泳池定标算法的研究及程序的设计、无线报警传输系统进行了设计和
分析。主要工作如下：
(1)总结和比较现在国内外的摄像机定标技术，介绍了一般的定标算法，并
针对游泳池这一特殊环境及使用的特殊摄像机，基于张正友提出的利用平面模板
的定标方法，讨论了一种更为简捷准确的泳池定标算法。论述了该算法的基本原
理和实现方法，并验证了算法的可行性。同时基于该算法设计了游泳池定标系统，
对系统的设计思路及系统的各模块也作了简单的介绍。
(2)设计无线报警传输系统，系统以2051单片机为控制芯片，并采用集成
度较高、性能稳定的MAX7044／7033设计了射频接收发射模块。并且在文中，对
无线报警传输系统的设计思路以及系统的各个模块进行了细致的剖析。
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