基于BIM的鐵路站房攝像頭視場仿真與優化

鐘青，劉立海，汪國良，王波麗，楊森

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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

鐵路客運組織以及安全生產、防火、防盜、反恐、治安、調度指揮、事故防范等對客運站房視頻監控系統提出了高要求。因此，只有完善的鐵路車站視頻監控系統才能對事件進行準確定位和快速響應［1-2］，為鐵路安全運營提供重要保障。

目前，隨著鐵路客運站房業務的不斷提升，視頻監控系統應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，導致監控目標的清晰度不夠；攝像頭安裝位置和數量不合理，導致監控空間存在盲區，這些問題嚴重影響視頻監控系統在處理鐵路客運站房突發異常事件中的有效應用。

采用傳統二維施工圖無法對攝像頭監控覆蓋區域、覆蓋效果進行仿真。三維BIM技術具有可視化、協調性、模擬性、優化性等特點，因此有必要通過BIM技術中的三維建模應用和模擬仿真應用對攝像頭監控覆蓋區域、覆蓋效果進行仿真。通過運算攝像頭監控覆蓋區域、有效監控區域等空間信息，實現監控空間可視化，減少監控盲區，提高監控清晰度。

先對單個攝像頭的視場覆蓋算法及仿真效果進行介紹；再對攝像頭遇障礙物算法、攝像頭盲區檢測算法以及多個攝像頭重疊覆蓋區域檢測算法進行介紹；然后以某鐵路站房為例，對攝像頭覆蓋效果進行分析和優化。

1 攝像頭視場仿真模型

攝像頭視場仿真模型可對鐵路站房中攝像頭監控覆蓋區域進行準確仿真。站房各項管理要求被監控區域需要位于攝像頭視野范圍內；攝像頭能夠識別監控區域內的主要對象，如犯罪嫌疑人、可疑物品等；另外，還需識別主要對象的突出特征，如人臉特征、物品的主要特征等［3-7］；為了實現這些目標，需要建立準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，P’為視場范圍底面的交點，D為物距（以攝像頭能夠清晰進行人臉識別［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系，可通過攝像頭P的坐標得到CCD/CMOS靶面4個點的坐標，再通過比例變換得到視場范圍底面4個點的坐標，P點與視場范圍底面4個點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 物距計算

攝像頭傳感器成像尺寸與實際成像尺寸存在比例關系：

式中：D為物距，H為物體高度或寬度，h為CCD/CMOS靶面高度或寬度，F為攝像頭焦距。

人臉識別最低分辨率與攝像頭分辨率存在比例關系：

人臉尺寸和人臉識別最低分辨率分別取1個固定值，再根據攝像頭靶面尺寸、攝像頭分辨率、攝像頭焦距范圍，可以計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 三維空間中點變換

根據攝像頭坐標P、方向單位向量V以及焦距F，可以計算出攝像頭CCD/CMOS靶面的中心點坐標P0=P+F×(-V)，然后根據攝像頭CCD/CMOS靶面尺寸計算出攝像頭CCD/CMOS靶面4個點的坐標。

根據攝像頭成像模型可知，視場范圍底面4個點是由攝像頭CCD/CMOS靶面的4個點經過比例、旋轉、平移形成的。而三維空間中某點的變換可以用點的齊次坐標與四階三維變換矩陣相乘實現。利用縮放系數（D/f）、旋轉角度、平移（D）構造變換矩陣，通過變換矩陣將CCD/CMOS靶面4個點的相對位置進行變換，得到新的4個點即為視場范圍底面的4個點。根據攝像頭P點及計算出的視場范圍底面4個點生成視場范圍。

1.3 視場范圍生成

在Revit中建立攝像頭相關族庫，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。在建立相關攝像頭視場仿真模型時，為了實現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，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，人臉識別最低分辨率等［9-10］。然后根據上述算法，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）視場仿真模型見圖3、圖4。攝像頭覆蓋區域可以根據需要進行展示或者隱藏，還可以根據需要調整攝像頭水平、垂直旋轉角度及焦距，對攝像頭的覆蓋區域進行優化。

圖3 槍型攝像頭視場仿真模型

圖4 球型攝像頭（帶云臺）視場仿真模型

2 覆蓋效果相關算法

2.1 視場遇障礙物算法

由于鐵路站房內存在墻體、柱子、設備設施等物體，對于攝像頭視場會產生一定范圍的遮擋，因此需要考慮攝像頭視場遇到障礙物時的覆蓋效果。剪切算法示意見圖5，當視場范圍遇到遮擋物時，應該剪掉遮擋區域部分。實現這一算法需要經過識別遮擋物、獲取遮擋區域、對遮擋區域進行剪切3個步驟。

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；然后計算出攝像頭的視場范圍與遮擋物的交點坐標，交點坐標依次為P1、P2、P3、P4。記攝像頭坐標為P，再以PP1、PP2、PP3、PP4為向量向外延伸D個距離得出坐標點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，得到的區域即為遮擋區域。最后用攝像頭視場范圍剪掉遮擋區域，即可完成不含遮擋區域的攝像頭視場范圍。若遇到玻璃材質，則不會對覆蓋區域進行剪切。

2.2 攝像頭覆蓋區域檢測算法

在室內空間布放多個攝像頭，2個或以上攝像頭共同覆蓋的區域為重疊覆蓋區域，沒有攝像頭覆蓋的區域為盲區。為明確攝像頭覆蓋區域、重疊覆蓋區域以及盲區范圍，采用不同顏色對不同區域進行區分。攝像頭覆蓋效果見圖6，綠色區域為單個攝像頭覆蓋區域，深綠色區域為攝像頭重疊覆蓋區域，紅色區域為攝像頭覆蓋區域以外的盲區。

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論，還應該對覆蓋效果進行定量分析。通過截取不同高度的平面（如地面、人的高度等），將盲區比例（平面內盲區面積與整個平面面積的比值）、重疊覆蓋區域比例（平面內重疊覆蓋區域面積與整個平面面積的比值）作為評估監控效果的參數，對監控效果進行評估。盲區范圍越大，說明攝像頭覆蓋效果越差，需要增加攝像頭個數或者調整攝像頭的參數、位置、角度來增加攝像頭覆蓋區域；重疊覆蓋區域比例越大，說明攝像頭利用效率不高，可以通過減少攝像頭數量或者調整攝像頭位置、角度對攝像頭的覆蓋區域進行優化。

3 鐵路站房攝像頭覆蓋效果分析及優化

以某鐵路站房為例，對攝像頭覆蓋效果進行分析和優化。根據相關設計規范在鐵路站房BIM模型內布放帶有視場范圍的攝像頭，將多個攝像頭的有效覆蓋區域進行疊加，站房內攝像頭的覆蓋效果一目了然。

在未進行優化前，截取人的高度1.7 m，得到盲區比例為21.46%，重疊覆蓋區域比例為34.61%。此時盲區比例和重疊覆蓋區域比例較高，覆蓋效果不佳，因此需要對攝像頭的覆蓋效果進行優化。通過增加攝像頭數量，移動攝像頭位置，改變攝像頭的水平、垂直角度，調整攝像頭的焦距來降低盲區、重疊覆蓋區域比例，使場景內圖像高清、覆蓋效果良好。此過程需要不斷重復，最終確定攝像頭型號、數量、安裝位置以及擺放位置。優化前后站房攝像頭覆蓋效果見圖7。優化后截取人的高度1.7 m，盲區比例為12.15%，重疊覆蓋區域比例為30.76%。由于很多房間內部未安裝攝像頭，所以不可能達到攝像頭全覆蓋狀態。通過盲區、重疊覆蓋區域比例優化前后數據對比可知，優化后攝像頭覆蓋效果良好。由效果圖可知，候車廳、售票廳、出站廳等公共區域均達到了全覆蓋。

圖7 站房攝像頭覆蓋效果圖

4 結束語

以往只能根據相關設計規范以及設計經驗在二維施工圖上對攝像頭進行布放、施工單位按圖施工，在施工結束后才能檢驗監控效果，在調試過程或運營使用中經常發現由于攝像頭安裝位置和數量不合理使監控空間存在盲區或監控目標清晰度不夠。

基于BIM的視頻監控覆蓋區域檢測方法相對于二維施工圖設計具有以下優勢：在設計階段可以看到鐵路站房攝像頭監控覆蓋效果，并且可以通過BIM技術對覆蓋區域及盲區進行檢測，減少人工布放攝像頭未能考慮的細節誤差；在設計審查階段，將視場優化的BIM模型對建設單位、咨詢單位、審查單位以及運營維護單位進行展示，方便各單位提出修改意見；在施工階段，施工單位利用優化后的攝像頭布放方案進行施工，可以有效保證后期施工的順利進行，避免拆改，減少返工，從而節省投資。由此可見，利用BIM技術進行鐵路站房視場仿真與優化設計效果良好。

基于BIM的視場仿真技術除了可應用于鐵路站房外，還可用于飛機場、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技術完善視頻監控系統，可以提高這些場所的安全性。