[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Intrudern mit einer
Einbruchmeldeanlage für den Perimeterschutz mittels einer Video-Kamera und einer Video-Bild-Verarbeitungseinheit,
wobei durch ein Differenzbildverfahren zweier zeitlich versetzter Videobilder Objekte
erkannt werden, die sich innerhalb eines vorgegebenen Überwachungsbereichs bewegen.
[0002] Zur Überwachung eines Freigeländes, insbesondere von Hochsicherheitsbereichen (Flughäfen,
Kraftwerke oder ähnliches), werden heute verschiedenartige Perimeterschutz-Systeme
eingesetzt. Bei derartigen Systemen bzw. Einbruchmeldeanlagen soll einerseits eine
hohe Ansprechempfindlichkeit (entsprechend einer geringen Durchdringwahrscheinlichkeit
von typisch kleiner als 10⁻² erreicht werden, andererseits wird im Hinblick auf ein
großes zu überwachendes Areal eine extrem niedrige Fehlalarmquote von typisch einem
falschen Alarm pro Tag und Kilometer gefordert. Wegen der Vielzahl der für ein Freigelände
charakteristischen Umwelteinflüsse ist die zweite Forderung nur schwer zu erfüllen.
In der Praxis werden deshalb zusätzlich Fernseh-Überwachungskameras installiert, wobei
solche Anlagen mit mehr als 20 Kameras keine Seltenheit sind. Meldet die Einbruchmeldeanlage
für den Perimeterschutz einen Alarm, so wird das entsprechende Kamerabild auf einen
zentralen Monitor geschaltet, wo das wachhabende Personal zu entscheiden hat, ob nun
ein echter oder ein falscher Alarm vorliegt.
[0003] Dabei stellt sich das Problem, das Wachpersonal vom monotonen und daher ermündenden
Aufpassen zu entlasten und eine objektive Alarm/Fehlalarmentscheidung zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck werden heute verschiedene sogenannte Video-Bewegungssensoren eingesetzt.
Bei den bekannten Video-Bewegungsmeldern, die mit jeweils einer Kamera arbeiten, ist
im allgemeinen ein Objektiv mit einer festen Brennweite vorgesehen. Dabei werden im
Szenenbild Reihen von Sensorfeldern definiert, in denen der Grautonmittelwert bzw.
der Farbton im Vergleich zu einem Referenzfeld bzw. mehreren Referenzfeldern gemessen
wird. Ein Intruder löst Alarm aus, sobald die Grau- bzw. Farbtonänderung eines Sensorfeldes
größer ist als ein vorgegebener Sollwert. Über bestimmte Logikbedingungen sind die
unterschiedlichen Sensorfelder bzw. Sensorreihen miteinander verknüpft, so daß ein
endgültiger Alarm erst abgegeben wird, wenn für mehrere Sensorfelder eine Alarmbedingung
erfüllt war.
[0004] Bei einem derartigen Verfahren ist es jedoch von Nachteil, daß die Anlage kein räumliches
Auflösungsvermögen aufweist und daher keine Information über den exakten Ort (Spur)
und das Volumen des Intruders liefern kann. Daher können Ereignisse dicht vor der
Kamera, z.B. Regen, Schnee, ein Insekt oder ähnliches, zu unerwünscht hohen Fehlalarmquoten
führen. Ein weiterer Nachteil ist dadurch gegeben, daß sich bei fester Brennweite
die niedrigen Duchdringwahrscheinlichkeiten nur über einen sehr eingeschränkten Entfernungsbereich
realisieren lassen, in der Praxis beispielsweise weniger als 40 m.
[0005] Es sind auch Verfahren bekannt, die die eben geschilderten Nachteile vermeiden, indem
mindestens zwei Videokameras für einen Überwachungsbereich vorgesehen sind, um ein
räumliches Bild zu erhalten, wie dies in der Patentanmeldung P 38 26 264 beschrieben
ist. Eine derartige Einbruchmeldeanlage bzw. Videoüberwachungseinrichtung erfordert
jedoch einen Systemmehraufwand bei Kameras, Montage und bei der Videosignalübertragung.
[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die oben geschilderten Nachteile
zu vermeiden und ein Verfahren für den Perimeterschutz zur Überwachung eines bestimmten
Bereiches anzugeben, bei dem die zugehörige Einbruchmeldeanlage mit lediglich einer
Videokamera eine räumliche Auflösung liefert und bei dem die Fehlalarmrate deutlich
gesenkt werden kann.
[0007] Diese Aufgabe wird bei einem eingangs beschriebenen Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0008] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fehlalarmrate erheblich erniedrigt.
Die Ortskoordinaten für ein detektiertes Objekt sind eindeutig aus den Kamera-Parametern
herleitbar, so daß eine Entfernungsmessung zur Positionsbestimmung des eindringenden
Objekts genügt und eine Spurenanalyse ermöglicht. Erfindungsgemäß wird mit der Regelvorrichtung
am Objektiv das eindringende Objekt genügend scharf eingestellt, so daß die Entfernung
zum Objekt aus der Lage der Scharfeinstellung bzw. der ermittelbaren Objektiv-Brennweite
bestimmt werden kann. Durch Ausmessung des Objektquerschnitts des Eindringlings auf
dem Videobild wird mit Hilfe der bekannten bzw. ermittelten Kamera-Parameter der wahre
Querschnitt des Objekts berechnet. Gleichzeitig wird die zurückgelegte Intruderspur
erfaßt, so daß bei einem anschließenden Vergleich mit möglichen bzw. vorgegebenen
Intruder-Querschnitten und aus der Intruderspur zuverlässig ein Alarmkriterium abgeleitet
werden kann.
[0009] Zweckmäßigerweise kann die Video-Kamera auf einem feststehenden Montageblock montiert
sein, so daß bei einer starren Kamera aufgrund der Positionswinkel (Azimut- und Polarwinkel)
in einfacher Weise die Lage des Objektmittelpunkts auf dem Videobild ermittelt werden
kann.
[0010] In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Kamera sowohl horizontal
als auch vertikal schwenkbar angeordnet sein, wobei das detektierte Objekt automatisch
anvisiert und verfolgt wird und die Positionswinkel der Video-Kamera über Sensoren
(z.B. Drehmelder) im Schwenkantrieb vom Mikrocomputer ständig erfaßt werden.
[0011] Für das erfindungsgemäße Verfahren kann die Einbruchmeldeanlage für die Raumüberwachung
und -auswertung eine Kamera entweder mit einem Objektiv, z.B. Teleobjektiv, mit einer
festen Brennweite oder aber auch ein Zoom-Objektiv mit motorisch veränderbarer Brennweite,
aufweisen. Bei der Verwendung eines Objektivs mit fester Brennweite wird aus der Lage
für die Scharfeinstellung mittels entsprechender gespeicherter Eichkurven die Entfernung
zum detektierten Objekt ermittelt. Weist die Kamera ein Zoom-Objektiv auf, so wird
das detektierte Objekt angezoomt und scharfgestellt, wobei aus der Brennweite und
der Scharfeinstellung die Entfernung zum detektierten Objekt abgeleitet wird.
[0012] In jedem Fall liegt der Vorteil der Erfindung bei dem oben beschriebenen Verfahren
darin, daß nur eine Video-Kamera zur ortsauflösenden Detektion notwendig ist. In einer
Weiterbildung der Erfindung kann aus einer zusätzlichen Intruder-Modellannahme aus
den Kamera- und Objektivparametern das wahrscheinliche Intrudervolumen abgeleitet
werden.
[0013] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist wesentlich, daß die Spurverfolgung über eine
gewisse Zeitspanne hinweg vorgenommen wird, dafür können typisch 10 bis 20 Sekunden
sein. Dabei wird nach einer Detektion eines tatsächlichen Intruders nicht sofort ein
Alarm gegeben, vielmehr wird über eine bestimmte Zeit der Intruder bzw. dessen Spur
verfolgt und dann erst ein Alarm abgeleitet. Aus der Spurverfolgung kann auch die
Geschwindigkeit des Intruders ermittelt und hieraus ein Alarm abgeleitet werden.
[0014] Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand
der Zeichnung. Dabei zeigen
Fig. 1 eine bekannte Einbruchmeldeanlage mit einer Videokamera mit fester Brennweite,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Einbruchmeldeanlage für das erfindungsgemäße
Verfahren einer evtl. schwenkbaren Videokamera und einer Scharfstelleinrichtung, und
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel in einem Blockschaltbild.
[0015] In einer bekannten Einbruchmeldeanlage (Fig.1) wird eine einzige Kamera mit einem
Objektiv fester Brennweite eingesetzt. Im zu überwachenden Bereich (Umfriedung SZ),
bzw. im Szenenbild, werden dann mehrere Reihen von Sensorfeldern SFR1, SFR2, mit jeweils
einzelnen Sensorfeldern SF definiert, in denen der Grauton-Mittelwert bzw. Farbton
im Vergleich zu Referenzfeldern RF gemessen wird. Passiert ein Intruder IN beispielsweise
die Sensorfelder-Reihe SFR1, so wird ein Voralarm ausgelöst, wenn die Grau- bzw. Farbtonänderung
eines Sensorfeldes SF größer als ein vorgegebener Schwellwert ist. Über entsprechende
Logikbedingungen sind sogenannte Voralarme unterschiedlicher Sensorfelder SF bzw.
Sensorfelder bzw. -reihen SFR1,2 verknüpft. Eine endgültige Alarmmeldung wird dann
gegeben, wenn alle Voralarme eine ebenfalls fest vorgegebene Triggerbedingung erfüllen.
[0016] In Fig.2 ist für das erfindungsgemäße Verfahren ein Überwachungsbereich angedeutet,
der von einem Schutzzaun SZ umfriedet ist. Für die Überwachung ist eine einzige Videokamera
VK vorgesehen, die in einer bestimmten Position (Xo,Yo, ZO) angeordnet ist. Die Ortskoordinaten
x,y,z eines Objektes O bzw.
[0017] Intruders (IN) sind eindeutig durch eine Koordinatentransformation mit dem Azimutwinkel
φ, dem Polarwinkel ϑ, den Kamerakoordinaten (Xo, Yo, Zo) und dem Objektabstand R festgelegt.
Ist beispielsweise die Videokamera VK starr montiert, so ergeben sich Azimut- und
Polarwinkel direkt aus der Lage des Objektmittelpunktes auf dem Videobild. Für den
Fall, daß die Videokamera VK schwenkbar montiert ist, wird das Objekt O vom System
automatisch anvisiert, wobei der Azimut- und Polarwinkel (φ,ϑ ) über Sensoren im Schwenkantrieb
SW ermittelt werden können. Mit Hilfe dieser bekannten Kamera-Parameter kann eine
Entfernungsmessung für die Entfernung R von der Kamera VK zum Objekt O durchgeführt
werden, so daß daraus die Position (x,y,z) des Objekts O bestimmt werden kann. Dazu
wird das Objektiv (OV) der Kamera (VK) mittels einer Regelvorrichtung (RV) scharf
eingestellt, so daß die Entfernung R aus der Lage der Scharfstellvorrichtung (S) mit
Hilfe einer Eichkurve hinreichend genau bestimmt werden kann. Durch Ausmessen des
Videobildes für den Querschnitt Q' des Objekts O bei bekannter Brennweite f des Objektivs
(OV) wird der tatsächliche Objektquerschnitt Q nach folgender Beziehung berechnet:
Q = Q'. R/f, wobei R >> f ist.
[0018] Es erfolgen also folgende Schritte. Wird aufgrund einer Grauton- oder Farbänderung
ein Objekt detektiert, so erfolgt selbsttätig eine Scharfstellung (S) auf das Objekt
O und unter Zuhilfenahme der bekannten Brennweite f oder im Falle einer variablen
Brennweite unter Ermittlung dieser Brennweite f erfolgt anschließend eine Entfernungsmessung.
Wie in Fig.3 angedeutet, wird dies mit einem rechnergesteuerten Objektiv OV und einer
Echtzeitbildverarbeitung realisiert. Die Videokamera VK kann sowohl in der Horizontal-
als auch Vertikalebene schwenkbar sein. Der Videoverstärker VER kann von einer Videobild-Verarbeitungseinheit
VVE angesteuert werden. Die Objektiv-Parameter der Videokamera VK, nämlich Brennweite
f, Schärfe S der Schärfeneinstelleinrichtung, Objektivblende B und ein Vorsatzfilter
F sind von einer Regelvorrichtung RV ansteuerbar, ebenso wie die eingestellten Werte
der Objektivparameter von der Regelvorrichtung RV erfaßt werden können. Ein Mikrocomputer
µC ist sowohl mit der Regelvorrichtung RV als auch mit der Videobild-Verarbeitungseinheit
VVE, sowie mit dem Kameraschwenkantrieb (SW) verbunden. Ist die Videokamera VK auf
eine mittlere Entfernung e eingestellt (Fig.2), so ist es zweckmäßig, die Objektivblende
B bis auf einen Minimalwert geschlossen zu halten, um eine maximale Schärfentiefe
zu erreichen. Das Vorsatzfilter F und bzw. oder der Videoverstärker VER ist vom Mikrocomputer
uC über die Regelvorrichtung RV so geregelt, daß die Bildverarbeitungseinheit VVE
optimal ausgesteuert ist. Wird nun von der Einbruchmeldeanlage ein Objekt O bzw. ein
Intruder (IN) detektiert, so wird für einen bestimmten Sektor ein Alarm gemeldet.
Sind beispielsweise die Sektoren genau definiert, so kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Kamera auf diesen Sektor gerichtet werden. Dabei kann die Suchrichtung
für die Kamerawinkel einer look-up-Tabelle entnommen und die Kamera entsprechend ausgerichtet
werden. Dann wird ein Videobild aufgenommen und dieses erfaßte Videobild (Masterbild)
abgespeichert.
[0019] Das erfindungsgemäße Verfahren mit nur einer einzigen Kamera hat den Vorteil einer
wesentlich höheren Empfindlichkeit bei gleicher, maxial überwachbarer Sektorlänge
oder aber eine gleiche Empfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Systemen bei einer
höheren, maximal überwachbaren Sektorlänge. Da mit diesem beschriebenen Verfahren
eine eindeutige Entfernungsinformation gewonnen wird, ist die Fehleralarmquote wesentlich
reduziert. Es werden also Störeffekte, die dicht vor der Kamera, beispielsweise durch
Regen, Schnee, Insekten, Spinnweben o.ä. auftreten können, völlig eliminiert.
[0020] Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, die Intruderschwerpunktskoordinaten aus
dem Schwerpunkt des Intruder-Umrißquerschnitts und aus dem ermittelten Abstand zu
bestimmen. Ferner ist es möglich, aus den Schwerpunktskoordinaten und aus der Kantenverschiebung
des Intruder-Umrisses zweier zeitig versetzter Videobilder die Intrudergeschwindigkeit
sowohl nach dem Betrag als auch nach der Richtung zu ermitteln. Auf diese Weise ist
es möglich, eine Intruderspur für die Intruderschwerpunktskoordinaten als Funktion
der Zeit und für die Intrudergeschwindigkeit nach Betrag und Richtung als Funktion
der Zeit anzulegen, um aus diesen im Speicher hinterlegten Daten einen Alarm abzuleiten.
Dazu kann zweckmäßigerweise der Intruderquerschnitt selbsttätig von der Videobildverarbeitungseinheit
mit Unterstützung des Mikrocomputers vermessen werden. Darüberhinaus kann das Intrudervolumen
durch Zuhilfenahme eines Modells, das sich durch Verfolgung der Intruderspur stufenweise
verfeinern läßt, mit einer hohen Zuverlässigkeit geschätzt werden.
[0021] Im folgenden wird kurz noch einmal die zeitliche Abfolge für die Detektion eines
Intruders beschrieben.
[0022] Die Kamera überwacht einen vorgegebenen Raum auf Grauwertsänderungen. Überschreitet
die integrale Grauwertsänderung in einem Teilabschnitt einen vorgegebenen Grenzwert,
so werden die Kantenstrukturen ermittelt. Erst dann, wenn die Kantenstrukturen eine
Figur mit einem Querschnitt ergeben, der größer als ein zweiter vorgegebener Grenzwert
ist, wird der Zoom-Prozeß ausgelöst und das suspekte Objekt scharf eingestellt. Nun
hat das Objektivsystem eine geringe Schärfentiefe, das Objekt hingegen ist optimal
vergrößert. Der Objektabstand und der Objektumriß können nun mit dem Mikrocomputer
und der Videobild-Verarbeitungseinheit genau vermessen werden.
[0023] Ist der ermittelte Objektquerschnitt kleiner als ein weiterer vorgegebener Grenzwert,
so wird auf einen Nichtintruder erkannt und die Einbruchmeldeanlage stellt sich wieder
auf ihren Ausgangszustand ein. Ist der ermittelte Objektquerschnitt größer als der
vorgegebene dritte Grenzwert, so wird ein kritischer Querschnitt erkannt und dies
als Voralarm gewertet.
[0024] Nun werden die Schwerpunktskoordinaten und die Intruderspur sowie der Objektquerschnitt
ermittelt. Daraus wird dann gemäß angenommener Modelle das Intrudervolumen geschätzt,
d.h. annähernd berechnet, und die Intruderspur angelegt. Erst aus dem geschätzten
Intrudervolumen und aus der zurückgelegten Intruderspur wird ein echter Alarm abgeleitet.
[0025] Mit diesem intelligenten optischen Perimeterschutzsystem ist eine ortsauflösende
Detektion kritischer Intrudervolumen mit einer einzigen Videokamera möglich. Diese
im Vergleich zu Systemen mit jeweils mehreren Videokameras erheblich kostengünstigere
Systemeigenschaft wird durch den Einsatz eines computergesteuerten Objektivs erzielt.
Hat dieses Objektiv zusätzlich eine variable Brennweite (Zoom), so kann das maximal
überwachte Areal gegenüber herkömmlichen Videosensoren, die lediglich eine konstante
Brennweite aufweisen, erheblich gesteigert werden.
[0026] Ist andererseits der zu überwachende Raum vorgegeben, so läßt sich mit der Zoomfunktion
des hier beschriebenen Videosensors die Systemempfindlichkeit im Vergleich zu bekannten
Anlagen steigern. Eine Abschätzung des wahrscheinlichen Intrudervolumens wird durch
die Anwendung eines Modells ermöglicht, daß sich durch die Intruderspuranalyse schrittweise
verfeinern läßt. Die Information über Objektort und Objektvolumen und die von der
Anlage durchgeführte Analyse der Intruderspur führt daher zu einer wesentlich geringeren
Fehlalarmrate als bei herkömmlichen Einbruchmeldeanlagen mit den bekannten Videobewegungssensoren.
1. Verfahren zur Detektion von Intrudern mit einer Einbruchmeldeanlage für den Perimeterschutz
mittels einer Video-Kamera (VK) und einer Video-Bild-Verarbeitungseinheit (VVE), wobei
durch ein Differenzbildverfahren zweier zeitlich versetzter Videobilder Objekte (O)
erkannt werden, die sich innerhalb eines vorgegebenen Überwachungsbereichs bewegen,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) Ein Überwachungsbereich wird jeweils nur mit einer einzigen Video-Kamera (VK),
die ein Objektiv (OV) mit einer von einem Computer (µC) gesteuerten Regelvorrichtung
(RV) aufweist, überwacht;
b) mit der Regelvorrichtung (RV) werden die Objektiv-Parameter-Brennweite (f), Schärfentiefe
(S), Blende (B) und Vorsatzfilter (F) gesteuert bzw. ermittelt;
c) die Zielrichtung der Videokamera (VK) wird durch die Kamera-Parameter: Azimutwinkel
(φ), Polarwinkel (ϑ) und Kamera-Koordinaten (HZ, Xo,Yo) vom Mikrocomputer (µC) erfaßt;
d) sobald die Videobild-Verarbeitungseinheit (VVE) ein sich bewegendes Objekt (O)
detektiert, wird mittels des Mikrocomputers (µC) und der Regelvorrichtung (RV) das
Objekt (O) scharf eingestellt und der Umrißquerschnitt (UQ) ermittelt;
e) aus der Lage der Scharfeinstellung (S) am Objektiv (OV) wird die Entfernung (R)
zum Objekt (O) bestimmt;
f) im Mikrocomputer (µC) werden mit Hilfe der Kamera-Parameter (φ,ϑ HZ, Xo,Yo) und
der Objektiv-Parameter (f,S,B) sowie der Entfernung (R) zunächst die Schwerpunktskoordinaten
(x,y,z) des Objekts bestimmt und dann wird der Objektquerschnitt (OQ) berechnet und
mit vorgebbaren typischen Intruderquerschnitten (IQ) verglichen;
g) gleichzeitig wird über eine bestimmte Zeitspanne der Intruder bzw. dessen Spur
verfolgt;
h) aus dem Vergleich des Objektquerschnitts (OQ) mit möglichen vorgegebenen Intruderquerschnitten
(IQ) und aus der Spurverfolgung wird ein Alarmkriterium abgeleitet (AL).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (VK) auf einem festen Montageblock montiert ist, wobei die Positionswinkel
(φ und ϑ ) der Videokamera (VK) aus der Lage des Objektmittelpunkts auf dem Videobild
abgeleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (VK) auf einem horizontal und vertikal verschwenkbaren Montageblock
montiert ist, wobei das Objekt (O) automatisch anvisiert wird und die Positionswinkel
(φ und ϑ ) der Videokamera (VK) über Sensoren im Schwenkantrieb (SW) erfaßt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kameraobjektiv (OV) von einem Teleobjektiv mit fester Brennweite (f) gebildet
ist, wobei aus der Lage für die Scharfeinstellung (S) mittels einer entsprechenden,
gespeicherten Eichkurve die Entfernung (R) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kameraobjektiv (OV) von einem Zoom-Objektiv mit veränderbarer Brennweite
(f) gebildet ist, daß ein detektiertes Objekt (O) angezoomt und scharfgestellt wird,
wobei aus der ermittelten Brennweite (f) die Entfernung (R) abgeleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (VK) horizontal und vertikal verschwenkbar angeordnet ist, daß
der Überwachungsbereich in mehrere definierte Sektoren eingeteilt ist, und daß aufgrund
einer Detektion eines Objekts (O) in einem bestimmten Sektor die Videokamera (VK)
mit dem dafür zutreffenden Azimut- und Polarwinkel (φ, ϑ) auf das Objekt (O) ausgerichtet
wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zoomprozeß bei geöffneter Blende (B) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß aus den ermittelten und berechneten Daten die Richtung und die Geschwindigkeit
des Intruders ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Intrudervolumen durch Zuhilfenahme eines Modells aus dem Intruderquerschnitt
und aus der Intruderspur mit einem Näherungsverfahren berechnet wird.