A method for designing a monitoring system with multiple cameras is proposed in order to supervise and recognize the progress of wide work area. First, a wide view camera is deveeloped by combining several usual cameras so that its visual angle could cover more than π/2. Secondly, A method for determining the number and location points of cameras is proposed by considering the shape of monitored area and the installation cost of cameras. The monitored area is divided into three kinds of basic shape (rectangular form, L form and convex form). For every basic shape area, the camera is located at the vertex pasition, so that the whole area can be monitored by the camera

Kajihara, Yasuhiro

Li, Sen

Munesawa, Yosiomi

Osaki, Hirokazu

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A Method for Designing an Automatic Monitoring System for Unmanned Rooms

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Memoirs　of　the　Faculty　of　Engineering，　Okayama　University，　Vol．　33；　No．1，　pp．　53－57，　November　1998A　11fe　thod　for　Designing　an　A　u　tomatie　lufoniioring　Systein　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　for　Unmanhed　RoomsSen　LI＊　　　　　　　’ Hirokazu　OSAKI““．　Yasuhiro　KAJIHARA＊＊　　　　　　　　　　　　　　　　　7　　and　Yoshi6mi．　MUNESAWA““（Received　October　9　，　1998）　　A　method　for　designing　a　monitoring　system　with　multiple．cameras　is　proposed　inorder　to　supervise　．and　recognize　the　progress　of　wide　work　area．　First，　a　wide　viewcamera　is　developed　by　combining　several　usual　cameras　so　that　its　visual　angle　couldcover　more　than　z／2．　Secondly，　A　method　for’@determining　the　number　and　locationpoints　of　cameras　is　proposed　by　considering　the　shape　of　mQnitoted　area　arid　theinstallation　cost　of　cameras．　The　monitored　area　is　divided　into　three　kinds　of　basicshape　（rectangular　forrn，　L　form　and　convex　form）．　For　every　basic　shape　area，　the．camera　is　located　at　the　vertex　position，　so　that　the　whole　area　．can　be　monitored　by　the．camera．1．　INTRODUCTION　　Recently，　unmanned　rooms　are　increasing　to　correspond　tQ　high　acouracy，　such　as　in　FA　factories，．cleanrooms，　nuclear　power　stations　and　so　on．　Once　an　accident　occurs　in　an　unmanned　room，　the　state　will　becomeseriously　and　dangerously．　So　the　monitoring．system　is　very　important　not　only　for　worker　but　also　to　assurg　thesafety．，　Many　studies　on　monitoring　system　have　been　reported　［1］．・　But　most　of　them　can・　onlY　monitor　aspecific　area．　For　a　wide　area，　a　mo’獅奄狽盾窒奄獅〟@method　has　been　presented　to　recognize　the　moving　object　by　manycameras　［2］　．　But　it　is　supposed　that　there　are　no　machines　and　materiq！s　which　disturb　the　sight　of．the　camerqsin　the　monitored　areas．　For　a　wide　area　with　many　obstacles　like　in．　a　factory，　it　i．s　necessary　tQ　diyide　themonitored　area　into　some　smali　areas　in　which　．there　are　no　obstacles．　The　number　and’　the　location　of　camerasare　also　very　．important　to　monitor　all　area．　For　this　problem，　the　shadow　area　of　the　obstacle’is　calculatgd　byusing　CAD　layout　figure　［3］　．　　In　this　paper，　we　propose　a　automatic　monitoring　system　using　rriany　wide　view，　cameras．　Firstly，　we　developthe　carnera　whose　visual　angle　is　greater　than　z　f2．　Secondly，　we　propose　a　method’to　determine　the　numbe．rand　the　location　of　the　wide　view　cameras　・by　dividing　all　area　into　rectangul．ar，　L－forrri　and　gonvex　’areas　whiQhcan　be　monitored　by　a　wide　view　camera．2．　PROPOSED　METHOD＊　The　Graduate　School　of　Natural　Science　and　Technology＊＊　Department　of　Sy　stems　Engineering5354 Sen　LI，　Hirokazu　OSAKI，　Yasuhiro　KAJIHARA　and　Yoshiomi　MUNESAWA　　In　this　paPer，　first　we　develop　the　wide　view　camera　whose　visual　angle　is　greater　than　ff　f2　by　combiningsome　usual　cameras．　Secondly　we　propose　the　method　to　determine　the　watching　area　and　position　of　carneras　inthe　monitored　area．2．1　Develepment　of　a　Wide　View　Ctimera　’　　As　the　visual　angle　（B）　of　a　usual　camera　is　less　than　a　／2，many　cameras　are　required　to　monitor　ail　areaand　it　is　very　difficult　to　d’?唐奄№氏@ he　monitored　area，　So　we　develop　the　．camera　whose　visual　angle　（　or）　isgreater　than　z　／2　by　combining　the　usual　cameras．　The　number　of　cameras　is　given　as　follows．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　［　a／　B’］＋1　　Numbers　（　［a／B］＋1）　of　cameras　are　set　at　the　center　of　visual　point　in　Fig．1．　And　the　switching　unit　isused　to　select　and　change　the　images　from　combi’ned　cameras．　This　camera　is　called　as　the　wide　view　camerawh6se　viSual　angle　（a）　is　put　as　z／2　in　the　later．2．2　Determination　of　Number　and　Location　of　Cameras2．2．1　Assumption　　（1）　The　wide　view　camera’s　visual　angle　i　s　set　as　n　／2．　　（2）　The　wide　view　camera　can　monitor　the　object　in　a　range　of　distance　from　O．30m　to　LD　m　in　front　of　thecamera，　　（3）　The　monitored　area　is　divided　into　small　areas，　The　small　area　can　be　monitored　by　one　wide　viewcamera．　The　dividing　method　is　proposed　in　the　later．　　（4）　The　factory　layout　is　shown’by　2D　CAD　figure，’In　this　figure，　the　areas　of　obstacles　are　shown　by　theshadowed　portion　in　Fig．2．　The　blank　area　．should　be　monitored，　　（5）　The　cameras　are　set　at　the　surrounding　wall　or　contour　line　ef　obstacles．???・am・・a　1鼻ca甲・・a　2Fig．f．　’A　wide　view　camera　by　using　　　　　two　usual　camerasy 9，（x，y，）（O’O）　ZZ　Machine　or　material　’X　Fig．2．　2D　CAD　figure　of　a　factdry2．22　Basic　shape　of　divided　area　　The　divided　area　takes　a　rectangular　form，　L　form　or．convex　form　to　be　monitored　by　one　camera．（’1）　ln　the　rectangular　forrri，　the　camera　is　set　at　one　vertex　as　’shown　in　Fig．3　（a）．　And　the　direction　of　thecamera　is　set　as　n．　／4　from　the．contour　line．　The　rectangular　area　is　contained　in　the　circle　whose　radius　is　equalto　LD．（2）　ln　the　L－form，’　the　camera　i　s　set　at　the　corner　of　L　character　in　Fig．3　（b）．　　The　vertex　of　L－form　is　put　as　Pi　（　〉“，　yi　），’　i＝1，　2，　’”，6．（a）　The　condition　that　x3　：一｛　x4　and　y4　）一　ys　　As　this　condition　is　satisfied，　thg　monitored　area　can　be　monitored．　by　the　camera　set　at　point　Pi．（b）　The　condition　that　’us　lil・x4　and　y4　：1　ys　　　　As　the　point　P4　is　located　in　the　area　between　the　line　through　Pi　to　Ps　and　that　through　Pi　to　P3，　themonitored　area　of　L－form　can　be　monitored　from　Pi．A　Method　for　Designing　an’A”tomatic　Monitoring　System　for　Unmanned　Roems55（3）In　the　convex盒）rrn，　the　vertex　points　aエe　shown　as　Pi，　i；1．2，一・，n．　And　the　other　points　except　fbr　onepoint（Pi。）can　be　seen　from　point　Pi。（Fig，3（c））．As　the　visual　angle　at　Pi。　is　less　thanπ／2，　the．　camera　is　set　ロ　　　　　コ　　コ　ハaτpoln兀「iO・Position　of　cameranitoring　areaFig．3．　（a）　Rectangular　formP，一．． C　　　　1＝1POSitiOn　of　camera［＼＼　　　　　　　3　　＼　　　　　！　　　　〉　　　　　〆　　　　　　　　ノ　　　＼　　　　〆　　　　　　／　　　　　＼　　　　！　　　　　　∠　　　　　　　　　、／e・・／／il］1；＞1，　M・・it・ri・g・・ea　　　　／　　　　〆　〆　　　　　　　　　　　、　　ノ　　　　　！　　　　　　　　　　　　　　　　　　L　　　／　　　〆　ノ　　ノ　　　ノ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　し、2！π／4　　　　　・Pi　P6　　Fig．3．　（b）　L－form?　　　　　o　Position　of　camera－　s　s　X　　　　N　N　　　　　＞x　　　　－　　　　　　　sLD　．　i　　／f一　一πノ4Z　Monitoripg　area　XN　　x　　l　　IPioFig．3．　（c）　Convex　form　　y　　．C7（O，Lv）　　Cs　　C9C6 C5 9i（x，yi）　　　　　　1　C，2C楓　　［　　　　CiiiGoC4C3　　　　a（α0）．囮。、、亀。e（岳。）xFig．4．　DMding　method　（　rectangular　obstade　）2．2．3　Allocation　method　of　camera　in　monitored　area（1）　As　thg　monitored　area　is　so　large，　firstly，　it　is　divided　into　same　square　areas　in　two　dimension　that　the．length　of　the，　side　is　equal　to　LDfJ’　2．　Secondly　the　camera　allocation　is　determined　in　each　square　area　asfollows．（2）　Allocation　method（a）　The　case　that　the　area　of　obstacles　are　all　rectangular　form（i）　・Dividing　monitored　area　into　smali　rectangular　area　　The　contour　lines　of　the　area　of　obstacle　are　extended　to　the　nearest　line　of　surrounding　wall，　the　contour　lineof　other　obstacle　or　the　extended　line　of　other　obstacle　as　shown　in　Fig．’4．（ii）　Combining　method　　We　combine　some　divided　areas　into　rectangular　form，　L－form　or　convex　fOrm．　As　two　adj　acent　divided　4reasare　combined，　a　rectangular　form　or　a　L－form　will　be　formed．　Further　as　this　combining　procedure　is　continued，the　combined　area　will　become　a　rectangular，　a　L　or　a　convex　form，　　As　the　area　becomes　a　L－form　or　a　oonvex　form．　we　should　examine　whether　the　area　can　be　monitored　or　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，not　by　one　camera．　lf　the　area　of　L－form　or　convex　one　can　be　monitored　by　one　camera，　the　combiningprocedure　can　be　continued．　But　if　it　can　not　be　monitored，　the　combining　procedure　should　be　stopped．（iii）　The　criteria　for　exc．lusive　monitored　area　　The　monitored　area　is　divided　into　some　exclusive　areas　by　the　combing　method．　　The　number　and　the　square　measure　of　the　exclusive　areas　are　different　for　different　combining　order．　So　thetwo　criteria　are　determined　as　follows．　　NEi　i　number　of　exclusive　areas　by　1－th　combining　order　（　1＝1，　2，’”，ND　）　　ADie　：　Square　measure　of　（1－th　exclusive　area56 Sep　LI，　Hirokazu　OSAKI，　Yasuhiro　KAJIHARA　and　Yoshiomi　MUNESAWA　　　　　　　　　　（　g　＝＝1，　2，．・・，NEi　）O　Criterion　of　miriimum　number　of　camera．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NE1。篇．　m加N耳，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1Sl＄NDThe　number　of　cameras　becomes　minimum　at　lo－th　cornbining　order．＠　Crite．rion　of　minimum　difference　amopg．square　measure．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　AD1詰1豊｛離△D粥、△D・：｝（1）（2）　　The　number　of　cameta　and　its　position　is　determined　by　these　criteria．（b）　The　case　that　the　area　of　obstacle　i　s　any　form　　The　straight　lihe　is　drawrt　from　the　vertex　of　the　area　of　obstacle　perpendicularly　to　the　surrounding　wall　asshown　iri　Fig．5．　The　line　can　be　drawn　one　side　or　two　or　three　sides　at　the　vertex　of　the　obstacle．　And　themonitored　area　is　divided　into　the　small　areas　of　the　rectangular　form　or　convex　form．　For　these　small　areas，　thecombining　procedure　is　applied　to　make　the　exclusive　area．　And　the　number　and　the　location　of　camera　isdeterm’ined　by　these　exQlusiive’≠窒?≠刀DCanreraCameraCame旧囮ObstadeCanreraFig．5．　Any　shape　of　obstaqle〈（i）1））．ZtCamera　　　　　　δ：Irdna㎞σf（㎜　　　　　　　　　　　　P1：V6縄ex（ゴareaR・・　、　＼　θ＼＼δ＼　　　　＼＼　　　＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　、　　　＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　、　　　　　　　　　　　　　　　　　へ　　 ま　 　 　 　 　　 　　 　　 　　　　へ　　　　　、　　　LD　　　　　、　　　　　へ／＼、　HoO国cal　a幻s＼、　　　　　　　　　　＼＼　　　　　　　　　　　　、Pt　d（Pl，Pi　i）　Pi　i　　　　Fig．6．　Height　of　Camera2，2．4　Determination　of　height　of　wide　view　camera　　As　the　exclusive　area　is　monitored　in　three　dimension，　the　height　and　the　angle　of　inelinatibn　of　the　camerashould　be　determined　as　follows．（1）　ln　one　exclusive　area，　the　vertex　is　shown　as　Pf　（k，　yi）　（i＝＝1，　2，　’”　NV）It’is　assiumed　that　the　camera　is　set　at　（　Zi　）　height　from　Pi　as　shown　in　Fig．6．’（2）　The　distance．from　Pi　to　Pi　is　put　as　d（　Pi，　Pi　）　　As　the　distance　d（　Pi，　Pi　）　be60mes　maximum，　the　farthest　point　Pii　from　camera　is　determined．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　d（PiPii）＝max　d（Pi，t’i）　．　，　（3）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2　S’i　suV　　And　the　height　of　carnera　（　Zi）　can　be　calculated　by　the　following　equation．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　zl＋d（P、p，、）2＝＝LD2　　　　　　　　．　　　　　　　．　　　　（4）（3）　lt　is　assumed　that　the　・angle　of　inclination　of　the　camera　is　6　and　the　height　of　the　monitored　object　is　lessA　Method　for　Designing　an　Automatic　Monitoring　System　for　Unma’nned　RooMs57than　HD．　For　monitoring　the　o切ect　at　Pi，，　the　equation　tan（δ＋θ）＝d（P1，　Pの／（ZpHo）the　angle　of　inclination　of　the　camera　（　6　）　can　be　derived　from　it．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＆＝［tan［’W（PiliP：‘）j）一emust　be　satisfied．　So（5）Where，　2　e　is　the　vertical　visual　angle　of　the　camera．2．3Cost　of　Monitori．ng　System　　The　determined　exclusive　area　is　shown　as　EAm．（mこ1，2，…NEA）．And　the　location　point　of　wide　viewcam6ra　is　done　as　CPm（）⊆。，　ym，　zm）．The　construction　cost（TC）of　the．monitoring　system　is　estimated　as．fbllows．（1）Cost　factorsCC：cost　of　a　wide　view　camera　　CL：cost　of　setting　wire　from　camera　to　control　syste’m　　CFC：f玉xed　cost　of　control　system（include串the　software　cost）　　CVC：variable　cost　of　control　system　f士om　number　of　camera（2）　Total　construction　cost（TC）　　The　distance　from　the　position　of　con重rol　room　to　the　position　of　camera（CPm）is　put　as　LCPm．　Total　cost　iscalculated　by　equatiofl　（6）．　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　り　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　TC・・＝CC・NEA＋CL・Σ二LCPI。＋CFC＋CVC・NEA　．　　　　　　　　（6）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　i■＝；1（3）　The　eonstruction　cost　using　other　monitoring　method　is　calculated　and　compared　with　TC．　If　TC　is　less　than　that　of　other　method，　the　proposed　monitoring　system　is　adopted．3．　CONCLUSIONS　　A　monitoring　system　has　been　proposed　to　monitor　the　three　dimensiop　area．　For　this　purposg，　the　wide　viewcamera　whose　visual　angle　is　greater　than　z／2　was　developed　by　’モ盾高b奄獅奄獅〟@som 　usual　cameras．　Themonitored　area　was　divided　into　some　small　areas　by　three　kinds　of　basic　sh．ape　（rectangular　form，　L－form　andconvex　form）　．　Every　small　area　was　monitored　by　one　camera．　The　nuMber　and　the　three　dimensional　positionof　camera　were・　determined　by　’the’divjded　areas　based　on　the　criterja．　And　the　construction　cost　was　alsoestimated　by　the　various　cost　factors．REFERENCES［1］　R．　Holben，　”Multisensor　Change　Detection　for　Surveillance　Applications”，　Proceedings　of　the　NATO　　　Advanced　Research　Workshop　on　Multisensor　for　Computer　Vision，　J．K，　Aggatwal　（Ed．），　Springer－Verlag　　　Publishers，　Berlin，　（1993），　345，　365，［2］　S．　Li，　H．　Osaki，　Y．　Kajihara　and　Y．　Munesawa，　”The　Re’cognition　Method　of　Moving　Obj　ect　by　Many　　　Car；ieras”，　Proceedings．of　The　Third　China－Japan　lnternational　Symposium　on　lndustrial　Management，　　　Y．C．Feng　and　H．　Osaki　（Ed．），　lnternational　Academic　Publishers，　Beijing，　（1996），　86，　91．［3］　H．　Freeman，　Machine　Vision　for　Three　Dimensional　Scenes，　Academic　Press　Limited，　Lon’р盾氏C　（1990），　　　　116．　Ii9．　　　　　　　，

A Method for Designing an Automatic Monitoring System for Unmanned Rooms

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