NVIDIA Metropolis通過簡化攝像頭校準(zhǔn) 增強AI驅(qū)動的多攝像頭追蹤
本文是構(gòu)建多攝像頭追蹤視覺AI應(yīng)用系列文章的第三篇。在第一和第二篇文章中，我們介紹了提高系統(tǒng)準(zhǔn)確性的整個端到端工作流和微調(diào)過程。
NVIDIA Metropolis 是一個利用AI實現(xiàn)各個行業(yè)視覺數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用框架和開發(fā)者工具套件。它所提供的多攝像頭追蹤參考 AI 工作流由云原生 NVIDIA Metropolis 微服務(wù)驅(qū)動，可實現(xiàn)跨多個攝像頭的高級物體追蹤和定位功能。本文將討論攝像頭校準(zhǔn)、如何使用 Metropolis 攝像頭校準(zhǔn)套件來校準(zhǔn)真實攝像頭，以及如何使用 NVIDIA Omniverse 擴展校準(zhǔn)合成攝像頭。
攝像頭校準(zhǔn)
攝像頭校準(zhǔn)是確定特定攝像頭參數(shù)或估計攝像頭特性的過程。攝像頭校準(zhǔn)可將攝像頭在 2D 世界中看到的景象轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實世界坐標(biāo)系，是許多基于視覺的應(yīng)用的基礎(chǔ)。例如在創(chuàng)建多攝像頭追蹤應(yīng)用時，需要先進行攝像頭校準(zhǔn)，才能完成主要涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的特定操作。
攝像頭參數(shù)由外在參數(shù)和內(nèi)在參數(shù)兩部分組成。外在參數(shù)定義了攝像頭相對于指定世界坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)攝像頭坐標(biāo)和世界坐標(biāo)之間的映射。內(nèi)在參數(shù)則實現(xiàn)了攝像頭坐標(biāo)與像素坐標(biāo)之間的映射。
多攝像頭追蹤中的攝像頭校準(zhǔn)
NVIDIA Metropolis 多攝像頭 AI 參考工作流主要使用攝像頭作為傳感器，并對檢測到的移動物體進行大量時空方面的處理。由于物體最初在攝像頭視圖內(nèi)的像素域中檢測到，因此為了在下游進行大量時空分析，一個必不可少的步驟就是將像素域與所需坐標(biāo)系相關(guān)聯(lián)。
在 Metropolis AI 工作流中，攝像頭定位對下游任務(wù)的整體準(zhǔn)確性有重大影響。詳細(xì)信息可參見攝像頭定位指南：
https://docs.nvidia.com/mms/text/MDX_Camera_Positioning_Guide.html
通過正確的攝像頭校準(zhǔn)，就能在所需坐標(biāo)系中定位檢測到的物體。這在許多核心能力中都起著至關(guān)重要的作用，包括但不限于：
將攝像頭用作傳感器的位置服務(wù)：檢測攝像頭內(nèi)的物體，并通過校準(zhǔn)后的攝像頭參數(shù)，計算出其在具有現(xiàn)實意義的坐標(biāo)系上的位置。例如，零售店可以在平面圖上定位攝像頭看到的店內(nèi)顧客。
多個攝像頭之間的活動關(guān)聯(lián)：當(dāng)根據(jù)同一坐標(biāo)系校準(zhǔn)多個攝像頭后，就可以關(guān)聯(lián)各個攝像頭并進行推理，從而提供綜合洞察。例如，共享坐標(biāo)系中的移動歷史記錄可以幫助確定攝像頭_1 檢測到的人_A 和攝像頭_2 檢測到的人_B 是否是同一個人；可以通過覆蓋不同區(qū)域的多個攝像頭，無縫追蹤一個人在倉庫中的行走軌跡等。
基于距離的度量計算：鑒于攝像頭的特性，直接在像素域進行距離計算并不可靠。例如 X 個像素覆蓋的實際距離（以米為單位）會因幀內(nèi)位置的不同而產(chǎn)生很大差異。根據(jù)直角坐標(biāo)系來校準(zhǔn)攝像頭可以使距離計算更加方便。
圖 1 是一個實時位置系統(tǒng)示例。在一個 100 個攝像頭覆蓋的 10 萬平方英尺倉庫空間內(nèi)，每個人的位置都可以在倉庫平面圖上進行追蹤。這樣的系統(tǒng)建立在上述通過正確攝像頭校準(zhǔn)來實現(xiàn)的核心能力基礎(chǔ)上。
圖 1. 通過多個攝像頭追蹤多個物體的實時位置系統(tǒng)
當(dāng)前的 Metropolis 參考AI工作流假定攝像頭沒有失真或失真很小，這樣就能確保像素坐標(biāo)系與指定的世界坐標(biāo)系之間的映射是線性的。這需要從兩個坐標(biāo)系中選擇參考點進行計算。
特別是需要一系列地標(biāo)，其中每個地標(biāo)的像素值（x, y）和世界坐標(biāo)（X, Y, Z）都是已知的。在我們的許多用例中，指定的世界坐標(biāo)系是一個 2D 笛卡爾平面，或者更具體地說，是一個平面圖的圖像。以平面圖的一角為原點，可以將該笛卡爾平面轉(zhuǎn)換為平面圖圖像的像素值。
在這個意義上，世界坐標(biāo)（X, Y, Z）變成了（X, Y），2D 轉(zhuǎn) 3D 的映射問題實際上變成了 2D 轉(zhuǎn) 3D 的透視變換問題。而作為該校準(zhǔn)過程的輸出結(jié)果，根據(jù)地標(biāo)計算出的 3 x 3 同構(gòu)矩陣可用于以后的位置變換。
圖 2 提供了兩個演示該過程的示例，考慮到任務(wù)是找到左側(cè)攝像頭像素與右側(cè)平面圖之間的映射關(guān)系，唯一需要的是一系列可同時位于左右兩側(cè)的地標(biāo) {1, 2, 3, 4, ...}。選定一系列地標(biāo)后，攝像頭位置（x, y）和世界位置（X, Y）會以相應(yīng)的像素坐標(biāo)形式給出，然后就可以通過現(xiàn)有的庫，輕松計算出同構(gòu)矩陣（例如 OpenCV）。
圖 2. 來自攝像頭視圖和平面圖的參考點
現(xiàn)在，解決像素轉(zhuǎn)世界的映射問題，可以歸結(jié)為選擇參考點并獲取其在攝像頭畫面和平面圖中的像素值。這項工作看似簡單，實則不易。設(shè)計得當(dāng)?shù)墓ぞ呖梢源蟠鬁p少工作量，簡化任務(wù)。
使用 Metropolis攝像頭校準(zhǔn)套件
簡化現(xiàn)實世界的校準(zhǔn)工作
您可以使用 Metropolis 攝像頭校準(zhǔn)套件來執(zhí)行攝像頭校準(zhǔn)任務(wù)，并以適當(dāng)?shù)母袷捷敵鑫募员闩c其他 Metropolis 服務(wù)無縫對接。
視頻 1. 通過簡化攝像頭校準(zhǔn)，增強AI驅(qū)動的多攝像頭追蹤
Metropolis 攝像頭校準(zhǔn)套件提供以下功能：
項目組織、導(dǎo)入和導(dǎo)出
通過 Metropolis 媒體服務(wù)輕松導(dǎo)入攝像頭
用于選定參考點的 GUI
用于自檢的即時重投影錯誤
支持更多 Metropolis 功能的附加組件，包括感興趣區(qū)域（ROI）和絆線
使用 API 插入文件
有三種校準(zhǔn)模式可供使用：
笛卡爾校準(zhǔn)：一種在沒有參考建筑地圖的情況下創(chuàng)建外部校準(zhǔn)的方法。用戶可以創(chuàng)建自己的全局坐標(biāo)系。
多攝像頭追蹤：該模式是使用校準(zhǔn)套件的最常見方式，也是本文的重點。采用該模式的用戶只需提供一個建筑地圖，每個攝像頭就能根據(jù)該地圖進行校準(zhǔn)。
圖像：在圖像上繪制絆線和 ROI 并獲取像素坐標(biāo)。對于某些下游任務(wù)，需要在攝像頭視圖中添加某些人為假象，以計算特定指標(biāo)，例如基于絆線穿越次數(shù)的物體計數(shù)等。
最簡單的方法是使用示例應(yīng)用中提供的資產(chǎn)來導(dǎo)入一個項目。通過 calibration.json、imageMetadata.json 和 Images.zip，用戶可以導(dǎo)入一個已經(jīng)設(shè)置好的項目。
如要從頭開始創(chuàng)建一個多攝像頭追蹤項目，需要一個平面圖以及一項媒體服務(wù)，或者多張來自攝像頭的圖像，還需要來自攝像頭的信息，來幫助 Metropolis UI 設(shè)置攝像頭。
在導(dǎo)入項目或創(chuàng)建新項目后，“項目”頁面將引導(dǎo)您完成創(chuàng)建必要人工假象的步驟。首先，上傳平面圖。平面圖可以是代表攝像頭所見空間的建筑地圖。
接下來，如果您使用的是媒體服務(wù)，可以使用與部署案例最相關(guān)的 URL 導(dǎo)入傳感器。這是將傳感器導(dǎo)入套件的最簡單方法，但并非唯一的方法。如果不使用媒體服務(wù)，則需要設(shè)置傳感器。
首先為每個傳感器創(chuàng)建一個新傳感器，并添加攝像頭詳細(xì)信息。這些詳細(xì)信息對于將攝像頭導(dǎo)入 Metropolis 工作流非常必要。關(guān)閉該模態(tài)后，您會看到網(wǎng)格中顯示了一個傳感器，您可以單擊攝像頭圖標(biāo)上傳圖像。如果您在上一步中發(fā)現(xiàn)了傳感器，則表示圖像應(yīng)該已經(jīng)從媒體服務(wù)中提取。對每個傳感器重復(fù)此步驟。
校準(zhǔn)時，在攝像頭圖像上為每個傳感器創(chuàng)建一個多邊形，并在平面圖上創(chuàng)建相應(yīng)的多邊形。然后，在平面圖空間中選擇在攝像頭圖像中可見的點或地標(biāo)。通過這些相應(yīng)的對，可以創(chuàng)建一個轉(zhuǎn)換矩陣，將攝像頭空間中的軌跡映射到平面圖上。
根據(jù)空間大小，最好選擇 8 到 15 個點。開始時至少需要 8 個點。圖 2 顯示了平面圖上已確認(rèn)的在攝像頭圖像中可見的地標(biāo)。如果在某一區(qū)域出現(xiàn)校準(zhǔn)偏差，可通過添加更多的點幫助改善軌跡。
創(chuàng)建兩個多邊形后，添加一個 ROI 多邊形以及絆線和方向線。校準(zhǔn)階段的示例見圖 3。
圖 3. 經(jīng)過 Metropolis 攝像頭校準(zhǔn)套件 的校準(zhǔn)階段后完全校準(zhǔn)的攝像頭示例
校準(zhǔn)設(shè)置完成后，單擊“校準(zhǔn)”查看重投影誤差并單擊“接受”（如果可以接受）。然后單擊“驗證”測試校準(zhǔn)，繪制軌跡或多邊形，查看攝像頭域中的點如何落在平面圖上。如果平面圖上的投影點可以接受，就能夠驗證校準(zhǔn)。如果不行，則在校準(zhǔn)階段調(diào)整多邊形，直到校準(zhǔn)合格為止。
接下來，設(shè)置平面圖并將攝像頭放置在平面圖上。這是在 Metropolis 工作流的用戶界面中顯示攝像頭所必不可少的一個步驟。有關(guān)如何放置傳感器的示例，請參見圖 4。
圖 4. 放置在 Metropolis攝像頭校準(zhǔn)套件中 的平面圖上的傳感器
最后，導(dǎo)出可用于 Metropolis 工作流的人為假象文件 calibration.json、imageMetadata.json 和 images.zip。
借助 Metropolis 攝像頭校準(zhǔn)套件，您可以輕松簡化真實攝像頭上的手動攝像頭校準(zhǔn)流程。它所提供的格式化文件可供下游 Metropolis 服務(wù)無縫使用。
NVIDIA Omniverse 中的
合成攝像頭自動校準(zhǔn)
Metropolis 參考應(yīng)用也可以使用合成數(shù)據(jù)。這些參考應(yīng)用提供在 NVIDIA Omniverse 平臺上創(chuàng)建的合成視頻數(shù)據(jù)。與現(xiàn)實世界中的攝像頭一樣，合成攝像頭也必須經(jīng)過校準(zhǔn)后，才能實現(xiàn)像素坐標(biāo)與平面圖之間的映射。
視頻 2. 通過簡化攝像頭校準(zhǔn)，增強 AI 驅(qū)動的多攝像頭追蹤
由于能夠完全控制 Omniverse 中的合成攝像頭，因此不需要手動選擇參考點。只需點擊一下按鈕，Omniverse 中的 omni.replicator.agent.camera_calibration 自動校準(zhǔn)擴展就能輸出所需的虛擬攝像頭映射。該自動校準(zhǔn)工具包含在 omni.replicator.agent 擴展中。
如要了解更多信息，請參見 Omniverse 攝像頭校準(zhǔn)文檔：https://docs.omniverse.nvidia.com/isaacsim/latest/replicator_tutorials/ext_replicator-agent/camera_calibration.html
如要使用 omni.replicator.agent.camera_calibration，首先創(chuàng)建一個俯視攝像頭以及待校準(zhǔn)的攝像頭。俯視攝像頭的精確攝像頭視圖將被用作平面圖。擴展將自動從攝像頭視圖中為每個待校準(zhǔn)的攝像頭選擇平面圖上的點，并計算它們在俯視攝像頭中的對應(yīng)點。
使用 omni.replicator.agent.camera_calibration 擴展的詳細(xì)情況如下：
通過從攝像頭視圖中隨機投射光線，來自動選擇參考點，記錄光線與平面圖相交的位置。
攝像頭的外在矩陣由攝像頭原型的變換矩陣導(dǎo)出，內(nèi)在矩陣則根據(jù)攝像頭原型的屬性計算得出。
將參考點的 3D 位置轉(zhuǎn)換為攝像頭圖像平面上的 2D 位置，并使用這些數(shù)據(jù)計算出攝像頭的投影矩陣。
計算參考點 3D 位置與俯視攝像頭圖像平面之間的平移參數(shù)和縮放因子，這能夠提供攝像頭視圖與平面圖之間的對應(yīng)關(guān)系。
通過向平面圖均勻投射光線來確定攝像頭的視野（FOV），收集命中點的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些命中點的坐標(biāo)生成視場多邊形。
最后，將攝像頭的內(nèi)在矩陣和外在矩陣以及投影矩陣和攝像頭視圖與平面圖之間的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)出到 JSON 文件，并在場景的俯視圖像上渲染 FOV 多邊形。
在 Omniverse 中創(chuàng)建合成攝像頭相對簡單，是一個生成合成視頻數(shù)據(jù)的好方法，所生成的數(shù)據(jù)可用于模型訓(xùn)練和仿真等各種下游任務(wù)。omni.replicator.agent.camera_calibration 為用戶提供了一個方便創(chuàng)建格式化攝像頭校準(zhǔn)文件的工具，這樣，Omniverse 中的合成攝像頭就能輕松用于各種 Metropolis 參考工作流或應(yīng)用。
結(jié)論
通過攝像頭校準(zhǔn)，NVIDIA Metropolis 參考應(yīng)用可以在提供的平面圖上定位檢測到的物體，并建立多個攝像頭之間的物體位置空間關(guān)聯(lián)。這是在智能視頻分析領(lǐng)域，構(gòu)建大規(guī)模實時位置服務(wù)和其他有意義的服務(wù)，所必不可少的一個步驟。