CN100547285C - 具有全方位计算机视觉功能的警灯 - Google Patents

Abstract

一种具有全方位计算机视觉功能的警灯，包括警灯本体、基座、摄像装置、微处理器及显示器，摄像装置为全方位视觉传感器，其包括垂直向下的外凸折反射镜面、黑色圆锥体、透明外罩、摄像单元以及固定支架，外凸折反射镜面位于透明外罩的上方，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在折反射镜面外凸部的中心，摄像单元对着外凸反射镜面朝上，摄像单元位于外凸反射镜面的虚焦点位置，摄像单元安装在固定支架内；固定支架安装在基座上。本发明使得执法现场监控的范围更宽广，获取现场全景视频图像的手段更便捷，监控多媒体传输手段更方便、更迅速。适用于装备执行侦查、警卫、治安、交通管理的巡逻车、勘察车、护卫车、囚车以及其他执行职务的车辆。

Description

具有全方位计算机视觉功能的警灯

技术领域

本发明涉及警车领域，尤其是一种结合全方位视觉传感器、嵌入式系统、无线通信等技术的警灯。

背景技术

2006年11月8日中华人民共和国公安部发布了《警车管理规定》，规定中明确规定了警车的使用范围以及标志。警车是指公安机关、国家安全机关、监狱、劳动教养管理机关和人民法院、人民检察院用于执行紧急职务的机动车辆。警车包括：(一)公安机关用于执行侦查、警卫、治安、交通管理的巡逻车、勘察车、护卫车、囚车以及其他执行职务的车辆；(二)国家安全机关用于执行侦查任务和其他特殊职务的车辆；(三)监狱、劳动教养管理机关用于押解罪犯、运送劳教人员的囚车和追缉逃犯的车辆；(四)人民法院用于押解犯罪嫌疑人和罪犯的囚车、刑场指挥车、法医勘察车和死刑执行车；(五)人民检察院用于侦查刑事犯罪案件的现场勘察车和押解犯罪嫌疑人的囚车。警车应当安装固定式警用标志灯具。汽车的标志灯具安装在驾驶室顶部。

警车在执行上述任务时，需要赶赴现场进行侦查、警卫、治安、执法等工作，有时现场情况千变万化，指挥中心的指挥人员需要根据现场情况及时调整警力，警车与警车之间也需要协作、协调进行执法工作，这些工作的顺利进行都是建立在及时把握现场第一手信息的基础之上的；另外警员在执行任务过程中，会出现一些危及生命安全的事件，需要及时的得到增援，要实现这些功能实时获取现场第一手信息是非常重要的。目前一些场合，执法部门会指派专门人员携带摄像机进行现场摄像，为执法或者破案提供音像资料。然而在一些紧急情况下，摄像人员一般不能随车前往，可能会漏掉一些现场证据和现场情况的资料，影响执法或者破案的及时进行，对一些现场突发事件的摄像要仅仅靠摄像人员是远远不能满足需求的。

中国实用新型(公开号CN 2780554Y)公开了一种车载云台警灯，其主要技术特征是在警灯中部位置的警灯基座上固装一摄像机，该摄像机的底座通过螺钉与一连接板固装，该连接板通过螺钉与警灯基座固装。该实用新型可以方便地解决警车执行任务时摄录现场不方便的问题，而且该智能云台摄像机可以在360°的水平角度和一定的仰角范围内进行现场摄像，提高了警车的工作效率，增加了警车的功能。

从上述实用新型专利来看，由于采用的是云台摄像机，那么必定存在着以下几个方面的问题：1)需要不断地转动云台来进行监控，因而有机械磨损，维护工作量大；2)监视对象变动的情况，实现自动跟踪等智能化困难；3)在监控端会产生较大的等待时间，难以实现对多目标情况的跟踪与监控；4)由于有较大的计算量，采用嵌入式系统实现十分困难。

近年发展起来的全方位视觉传感器ODVS(OmniDirectionalVision Sensors)为实时获取场景的全景图像提供了一种新的解决方案。ODVS的特点是视野广(360度)，能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像，一幅图像的信息量更大；获取一个场景图像时，ODVS由于安放位置自由，可与警灯设计成一体化；监视环境时ODVS不用瞄准目标；检测和跟踪监视范围内的运动目标时算法更加简单；可以获得车内外场景的实时图像。这种ODVS摄像机主要由一个CCD(或者CMOS)摄像机和正对着摄像单元的一个反光镜组成。反光镜面将水平方向一周的图像反射给CCD(或者CMOS)摄像机成像，这样，就可以在一幅图像中获取水平方向360°的环境信息。这种全方位摄像机有着非常突出的优点，特别在对全景实时处理要求下，是一种快速、可靠的视觉信息采集途径。

因而需要一种采用全方位视觉传感器能同时监控全方位信息，进行动态图像处理和智能计算，可在一个很小的单元中集成传感、嵌入式和无线通信技术，成为智能节点。

远距离无线通信技术给警车与指挥中心、警车与警车之间的通信提供了一种新的解决方案。数字化无线视频传输系统与传统的有线、模拟传输系统相比，具有如下特点：①便于进行压缩、分析、存储和显示；②数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响等。正是由于数字视频传输具有传统模拟传输无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频传输正在逐步取代模拟传输，为提高警车设备科技含量提供了一种新的通信手段。

发明内容

为了克服已有的警车警灯的摄像机维护工作量大、不能实现自动跟踪、难以实现多目标跟踪和监控、不适用于嵌入式系统的不足，本发明采用一个全方位视觉传感器，提供一种能有效减少维护工作量、便于实现自动跟踪、多目标跟踪和监控、适用于嵌入式系统的具有全方位计算机视觉功能的警灯。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有全方位计算机视觉功能的警灯，包括警灯本体、基座、摄像装置、微处理器以及显示器，所述警灯本体、摄像装置安装在基座上，所述摄像装置位于警灯本体的上方，所述摄像装置连接微处理器，所述微处理器连接显示器，所述的微处理器包括：图像数据读取模块，用于读取从摄像装置传过来的视频图像信息；图像数据文件存储模块，用于将从摄像装置读进来的视频图像信息进行保存；图像显示模块，用于将从摄像装置读进来的视频图像在显示器上显示；所述摄像装置为全方位视觉传感器，所述的全方位视觉传感器包括垂直向下的外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明外罩、摄像单元以及固定支架，所述的外凸折反射镜面位于透明外罩的上方，所述透明外罩安装在固定支架上，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在外凸折反射镜面外凸部的中心，摄像单元对着外凸折反射镜面朝上，所述的摄像单元位于外凸折反射镜面的虚焦点位置，所述摄像单元安装在固定支架内；所述的固定支架安装在基座上，所述的外凸折反射镜面采用双曲面镜；所述的微处理器还包括：

图像展开处理模块，用于将从全方位视觉传感器读进来的圆形视频图像展开为前方视角、后方视角、左方视角以及右方视角分割的透视视频图像，透视投影平面是从双曲面的实焦点Om到透视投影平面坐标原点G引一条距离为D的直线Om-G，与这条Om-G相垂直的平面，通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ      (9)

(R＝D*cosγ+j*sinγ)

上式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)计算与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的p(x，y)点：

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right);$

其中，c表示双曲面镜的焦点，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度。

所述的透明外罩为透明圆柱体。

或者是：所述的透明外罩呈碗状，由半圆球和圆锥构成，半圆球的球心与双曲面镜的焦点重合，所述半圆球位于圆锥的下方，在半圆球部分的半径处与圆锥部分过渡。

作为优选的一种方案：所述的微处理器还包括：网络传输模块，用于将所获得的现场视频图像、加工后的透视图像以视频流的方式通过无线通信单元播放出去，传输到指挥中心或者其他警车。

作为优选的另一种方案：所述固定支架的下部设有一个外螺纹的下座，基座中部位置的上部开有一个与所述下座相同大小的内螺纹，所述的下座安装到所述内螺纹，摄像单元的中心心位置处在全方位视觉传感器的双曲面镜的虚焦点位置。

所述的微处理器为采用嵌入式Linux系统的处理器。

所述摄像单元通过USB接口与微处理器连接，所述微处理器通过USB接口与无线网卡连接。

所述的无线通信单元中的通信标准协议采用IEEE802.16e标准，采用WiMAX通信技术。

本发明的技术构思为：将全方位计算机视觉传感器与警灯一体化设计，通过采用一个全方位视觉传感器来获取现场360°场景的视频图像，嵌入式系统将采集到的全景视频图像进行加工处理后的数字化无线视频信息传输单元发送给指挥中心或者其他警车，为实现协同、协调、协作执法工作提供先进的技术手段。

首先是ODVS摄像装置的光学部分的制造技术方案，全方位视觉传感器包括直垂向下的折反射镜、透明外罩、摄像单元、固定支架，所述的折反射镜为双曲面镜，所述的摄像单元包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的虚焦点位置；所述双曲面镜构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-(Z²/b²)＝-1  (Z＞0)           (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                             (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/b(²+c²)cosγ   (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(X^2+Y^2)}]---\left(5\right)$

上式中，X，Y，Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角-方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角-俯角，f表示成像平面到双曲面镜的需焦点的距离。

进一步，为了使得透明外罩不会产生内壁的反射干扰光，如图4所示。具体做法是将透明外罩设计成碗状，即半圆球和圆锥构成，半圆球的球心与双曲面镜的焦点重合，这样能避免在透明外罩发生反射干扰光，在半圆球部分的半径处与圆锥部分进行过渡，圆锥部分的倾斜角度为2～3°，主要是考虑在模具生产时的脱模斜度；ODVS的结构如图4所示。

进一步，来说明360全方位进行摄像的原理，空间上的一个点A(X，Y，Z)经折反射镜面反射到透镜上对应有一个投影点p(x，y)，通过透镜的光线变成平行光投射到CCD(CMOS)摄像单元，微处理器通过视频接口读入该环状图像，然后通过软件算法对该环状图像进行透视图展开得到前后方视角、左右方视角分割的透视的视频图像，如图6所示。

为了对透视图有一个较好的理解，如图5所示，这里我们从双曲面的实焦点Om到透视投影坐标原点G引一条距离为D的直线Om-G，与这条Om-G相垂直的平面作为透视投影平面，从点A(X，Y，Z)向着焦点Om的光线在透视投影平面上有一个交点P(X，Y，Z)，如果将该交点P(X，Y，Z)代入到公式(6)、(7)中就能容易地求的在成像平面上的p(x，y)点，因此可以通过从上述关系求得在透视投影平面上的各个点。

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

如图5所示，双曲面镜的光轴为Z轴，摄像单元向着Z轴的正方向设置，成像平面是摄像单元的输入图像，我们将双曲面镜的光轴与成像平面的交点g作为成像平面的原点，其坐标系为x、y，x轴、y轴分别与摄像单元中的感光芯片的长短边相一致，因此Om-XYZ坐标系的X轴与成像平面坐标系的xy平面平行。

透视投影平面是与Om-G连接线相垂直的平面，将G点作为原点的二元平面坐标系i，j，其中i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，将从透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离作为D，定义透视投影平面的横幅为W，纵幅为H。由于i轴是与XY平面平行，又是与Z轴垂直的，因此所得到的透视投影平面是以G点为坐标中心与XY平面(水平面)上旋转一个角度，该角度就是Om-G连接线与Z轴的夹角。

这里我们将Om-G作为变换中心轴，点G作为变换中心点，用β(入射光线在XY平面上的夹角-方位角)、γ(入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角)以及距离D(透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离)来表示变换中心轴，β角度在0°～360°范围内，可以由式(3)计算得到，同样也可以用式(8)来表示：

β＝tan^-1(Y/X)＝tan^-1(y/x)                (8)

这里β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，以Z轴为原点(极坐标系的原点)逆时针方向，在0°～360°范围内(这是全方位视觉的水平视场范围)；γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，由式(5)所示，该角度与空间坐标与双曲面焦点位置有关，如果在双曲面焦点上作一个水平面的话，那么就是给水平面与Om-G轴的夹角，这里将空间坐标Z点在双曲面焦点以上的作为[+]，称为仰角，Z点在双曲面焦点以下的作为[-]，称为俯角；γ角度范围在-90°～+90°之间，根据不同的镜面设计就会有不同的γ角度范围(这是全方位视觉的垂直视场范围)；

距离D根据透视投影平面与双曲面焦点的直线距离来确定，一般来说，距离D越长景物越小，距离D越短景物越大；透视投影平面的横幅W、纵幅H可以由需要来确定，在确定横幅W、纵幅H大小时首先要确定显示窗的横纵比，由于在计算机中是用像素来表示横幅W、纵幅H的大小，因此要确定横幅W、纵幅H的像素值。

通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，这样就能得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ          (9)

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ

(R＝D*cosγ+j*sinγ)

式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，i轴与j轴的方向由附图5所示；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)就能求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点。这样就可以通过在成像平面上得到的图像信息求得全方位透视图，也就是说建立了成像平面上的坐标系与透视投影平面的坐标系的对应关系。有了这样的对应关系，我们就能从成像平面上得到的某个点的图像信息；通过两个坐标系的对应关系，将该点的图像信息正确地显示在透视投影平面相对应的位置上。

本发明的有益效果主要表现在：1、能有效减少维护工作量、便于实现自动跟踪、多目标跟踪和监控、适用于嵌入式系统；2、视频数据的无线传输速度足够快、传输距离足够远且时延也特别短，使得指挥中心的指挥人员能如亲临现场一样自如地指挥、协调各种执法任务的顺利进行。

附图说明

图1为具有全方位计算机视觉功能的警车示意图；

图2为警灯示意图；

图3为全方位视觉传感器的折反射成像的原理图；

图4为全方位视觉传感器的结构图；

图5为全方位视觉传感器的透视原理图；

图6为按警车的前方、后方、左侧方和右侧方展开的透视图；

图7为嵌入式系统与全方位视觉传感器以及车内LCD的连接示意图；

图8为警车与指挥中心、警车与警车之间的无线通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图8，一种具有全方位计算机视觉功能的警灯，用于装备执行侦查、警卫、治安、交通管理的巡逻车、勘察车、护卫车、囚车以及其他执行职务的车辆；采用一个全方位视觉传感器来获取现场360°场景的视频图像，嵌入式系统将采集到的全景视频图像进行加工处理后的数字化无线视频信息传输单元发送给指挥中心或者其他警车，为实现协同、协调、协作执法工作提供先进的技术手段。所述的警灯主要完成两个功能，第一是实时获取现场的全方位图像；第二是实现全方位图像的采集、加工与无线远程传输。

所述的实时获取现场的全方位图像是通过全方位视觉传感器来实现的，因此首先是ODVS摄像装置的光学部分的制造技术方案，如图4所示，全方位视觉传感器包括直垂向下的外凸折反射镜11、透明外罩1、摄像单元2、固定支架3，所述的外凸折反射镜为双曲面镜，所述的摄像单元包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的虚焦点位置，如图3所示；所述双曲面镜构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-(Z²/b²)＝-1  (Z＞0)          (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                            (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ  (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(X^2+Y^2)}]---\left(5\right)$

上式中，X，Y，Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角-方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角-俯角，f表示成像平面到双曲面镜的需焦点的距离。

进一步，透明外罩可以为圆柱形或碗形；为了使得透明外罩1不会产生内壁的反射干扰光，如图4所示。具体做法是将透明外罩设计成碗状，即半圆球和圆锥构成，半圆球的球心与双曲面镜的焦点重合，这样能避免在透明外罩发生反射干扰光，在半圆球部分的半径处与圆锥部分进行过渡，圆锥部分的倾斜角度为2～3°，主要是考虑在模具生产时的脱模斜度；ODVS的结构如图4所示。

进一步，来说明360全方位进行摄像的原理，空间上的一个点A(X，Y，Z)经折反射镜面反射到透镜上对应有一个投影点P(x，y)，通过透镜的光线变成平行光投射到CCD(CMOS)摄像单元，微处理器通过视频接口读入该环状图像，然后通过软件算法对该环状图像进行透视图展开得到前后方视角、左右方视角分割的透视的视频图像，如图6所示。

为了对透视图有一个较好的理解，如附图5所示，这里我们从双曲面的实焦点Om到透视投影坐标原点G引一条距离为D的直线Om-G，与这条Om-G相垂直的平面作为透视投影平面，从点A(X，Y，Z)向着焦点Om的光线在透视投影平面上有一个交点P(X，Y，Z)，如果将该交点P(X，Y，Z)代入到公式(6)、(7)中就能容易地求的在成像平面上的P(x，y)点，因此可以通过从上述关系求得在透视投影平面上的各个点。

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

如图5所示，双曲面镜的光轴为Z轴，摄像单元向着Z轴的正方向设置，成像平面是摄像单元的输入图像，我们将双曲面镜的光轴与成像平面的交点g作为成像平面的原点，其坐标系为x、y，x轴、y轴分别与摄像单元中的感光芯片的长短边相一致，因此Om-XYZ坐标系的X轴与成像平面坐标系的xy平面平行。

透视投影平面是与Om-G连接线相垂直的平面，将G点作为原点的二元平面坐标系i，j，其中i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，将从透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离作为D，定义透视投影平面的横幅为W，纵幅为H。由于i轴是与XY平面平行，又是与Z轴垂直的，因此所得到的透视投影平面是以G点为坐标中心与XY平面(水平面)上旋转一个角度，该角度就是Om-G连接线与Z轴的夹角。

这里我们将Om-G作为变换中心轴，点G作为变换中心点，用β(入射光线在XY平面上的夹角-方位角)、γ(入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角)以及距离D(透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离)来表示变换中心轴，β角度在0°～360°范围内，可以由式(3)计算得到，同样也可以用式(8)来表示：

β＝tan^-1(Y/X)＝tan^-1(y/x)                (8)

这里β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，以Z轴为原点(极坐标系的原点)逆时针方向，在0°～360°范围内(这是全方位视觉的水平视场范围)；γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，由式(5)所示，该角度与空间坐标与双曲面焦点位置有关，如果在双曲面焦点上作一个水平面的话，那么就是给水平面与Om-G轴的夹角，这里将空间坐标Z点在双曲面焦点以上的作为[+]，称为仰角，Z点在双曲面焦点以下的作为[-]，称为俯角；γ角度范围在-90°～+90°之间，根据不同的镜面设计就会有不同的γ角度范围(这是全方位视觉的垂直视场范围)；

距离D根据透视投影平面与双曲面焦点的直线距离来确定，一般来说，距离D越长景物越小，距离D越短景物越大；透视投影平面的横幅W、纵幅H可以由需要来确定，在确定横幅W、纵幅H大小时首先要确定显示窗的横纵比，由于在计算机中是用像素来表示横幅W、纵幅H的大小，因此要确定横幅W、纵幅H的像素值。

通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，这样就能得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ

(R＝D*cosγ+j*sinγ)     (9)

式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，i轴与j轴的方向由图5所示；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)就能求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的p(x，y)点。这样就可以通过在成像平面上得到的图像信息求得全方位透视图，也就是说建立了成像平面上的坐标系与透视投影平面的坐标系的对应关系。有了这样的对应关系，我们就能从成像平面上得到的某个点的图像信息；通过两个坐标系的对应关系，将该点的图像信息正确地显示在透视投影平面相对应的位置上。

进一步是警灯与全方位视觉传感器一体化的连接方案，其特征在于：在警灯中部位置的警灯底部基座上固装一个数字式摄像单元(其属于全方位视觉传感器的一部分)，该摄像单元2的视角向上正对着全方位视觉传感器的折反射镜面11(双曲面镜)，摄像单元2的轴心与全方位视觉传感器6的轴心保持一致；全方位视觉传感器6的下部有一个具有外螺纹的下部底座4，警灯中部位置的上部开有一个与全方位视觉传感器的下部底座相同大小的内螺纹5，装配时将全方位视觉传感器的下座4旋入警灯中部位置的内螺纹5的孔内固定，如图2所固定后的摄像单元2的中心位置正好处在全方位视觉传感器的双曲面镜的虚焦点位置上。警灯通过螺纹固定在警车的顶部，如图1所示；

所述的全方位图像的采集、加工与无线远程传输，完成这个功能的核心部件是嵌入式系统，如图8所示；所述的嵌入式系统，本发明中选择嵌入式Linux系统，主要达到集视频传感、通信、移动为一体的目的，具体选择三星S3C2410X为嵌入式微处理器，结合无线通信技术，实现全方位视频数据采集和无线传输。嵌入式系统中包括了软件与硬件技术，其中嵌入式Linux软件是核心技术，它能实现视频服务器的功能。

更进一步，一种全方位计算机视觉一体化设计的警灯中需要有两个USB接口，如图8所示；一个USB接口是将摄像装置与S3C2410X进行连接，另一个USB接口是将无线网卡与S3C2410X进行连接，由于S3C2410X自带USB主从接口，不需要专门的USB芯片支持，只要对其安装驱动程序即可进行USB传输数据。

所述的嵌入式微处理器S3C2410X是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，该处理器是为手持设备以及高性价比、低功耗微控制器而设计的。它采用了一种叫做AMBA(AdvancedMicrocontroller Bus Architecture)的新总线架构。S3C2410X内部的主要资源有内存管理单元MMU、系统管理器、各为16KB的指令和数据缓存、LCD控制器(STN& TFT)、NAND FLASH Boot Loader、3通道UART、4通道DMA、4个PWM时钟、1个内部时钟、8通道10为ADC、触摸屏接口、多媒体卡接口、I2C和I2S总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、SD主接口、2SPI接口、PLL时钟发生器以及通用I/O端口等。

所述的嵌入式微处理器S3C2410X内部包含一个叫MMU的内存管理单元，可以实现虚拟存储空间到物理存储空间的映射。通常嵌入式系统的程序存放在ROM/FLASH中，系统断电后程序能够得到保存，但ROM/FLASH与SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系统中通常把异常中断向量表存放在RAM中，利用内存映射机构可以解决这种需要。

所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208VOM。它可进行10万次的编程/擦除，数据保存长达10年，被用来装载操作系统镜像和大容量的数据。

所述的SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用来运行操作系统和存储程序运行过程中所需要的数据，它是4M*16bit*4bank的同步DRAM，容量为32MB。用两片K4S561632C实现位扩展，使数据总线宽度为32bit。

所述的嵌入式软件系统主要包括操作系统、TCP/IP协议的移植、驱动程序的安装以及用户应用程序的编写等。

本发明中采用了Linux作为嵌入式操作系统，Linux是从UNIX发展而来，继承了UNIX大多数的优点，Linux公开的内核源代码使得它成为目前最流行的操作系统，并且Linux可以从应用出发裁剪其硬件软件，这对面向全方位计算机视觉一体化设计的警灯这种特殊需要来说十分必要，这里我们将其称为定制操作系统，定制步骤如下：(1)编写板基支持包BSP；(2)裁剪和配置操作系统的各个部件，并修改相应的配置文件；(3)编译Kernel、组件和BSP，生成操作系统镜像文件；(4)将镜像文件下载到目标板上，进行调试。

更进一步，是全方位视觉传感器6与嵌入式系统7、TFT LCD液晶显示器与嵌入式系统7的连接方案，其特征在于：全方位视觉传感器6与嵌入式系统7的USB接口进行连接，如图7所示；一种方案是嵌入式系统7可以安置在警灯的中部位置；另一种方案是嵌入式系统7与TFT LCD液晶显示器8集成在一起安置在警车内驾驶座位的前方；

更进一步，要实现警车与指挥中心、警车与警车之间的通信，本发明中采用无线通信技术，如图8所示；无线通信单元通过嵌入式系统7的USB接口进行连接；

所述的无线通信技术，本发明中采用WiMAX通信技术，是微波存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access)，它是一种新兴的无线城域网技术，它能够为用户提供百兆的传输速率以及能够解决宽带无线通信的移动性问题。其通信标准协议采用IEEE802.16e标准，它是WiMAX系列标准中唯一个支持移动性和非视距传输的宽带系统，能满足无线通信中高传输速率和移动性的要求，能为警车与指挥中心之间的无线通信高速传输视频图像的需求提供解决方案。采用该方案的最大优点是视频数据的无线传输速度足够快、传输距离足够远且时延也特别短，使得指挥中心的指挥人员能如亲临现场一样自如地指挥、协调各种执法任务的顺利进行。

实施例2

考虑到目前市场上销售的警灯，存在着各种形状，比如圆杯型的警灯，实现技术与实施例1相类似，也可以将全方位视觉传感器集成到警灯的上部，将全方位视觉传感器6通过USB接口与车内的嵌入式系统7进行连接，嵌入式系统7与TFT LCD液晶显示器8集成在一起安置在警车内驾驶座位的前方。

上述的实施例1～2所产生的发明效果是通过全方位视觉传感器使得执法现场安全监控的范围更宽广，获取现场全景视频图像的手段更便捷，通过无线通信网络使得监控多媒体传输手段更方便、更迅速，本发明实现的全方位计算机视觉一体化设计的警灯能为侦查、警卫、治安、交通管理的巡逻车、勘察车、护卫车、囚车以及其他执行职务的车辆提供一种能实现警车之间协同工作的、指挥中心能通过远程进行指挥的先进监控设备和装置。

Claims (7)

1、一种具有全方位计算机视觉功能的警灯，包括警灯本体、基座、摄像装置、微处理器以及显示器，所述警灯本体、摄像装置安装在基座上，所述摄像装置位于警灯本体的上方，所述摄像装置连接微处理器，所述微处理器连接显示器，所述的微处理器包括：

图像数据读取模块，用于读取从摄像装置传过来的视频图像信息；

图像数据文件存储模块，用于将从摄像装置读进来的视频图像信息进行保存；

图像显示模块，用于将从摄像装置读进来的视频图像在显示器上显示；其特征在于：所述摄像装置为全方位视觉传感器，所述的全方位视觉传感器包括垂直向下的外凸折反射镜面、用以防止光折射和光饱和的黑色圆锥体、透明外罩、摄像单元以及固定支架，所述的外凸折反射镜面位于透明外罩的上方，所述透明外罩安装在固定支架上，外凸折反射镜面朝下，黑色圆锥体固定在外凸折反射镜面外凸部的中心，摄像单元对着外凸折反射镜面朝上，所述的摄像单元位于外凸折反射镜面的虚焦点位置，所述摄像单元安装在固定支架内；所述的固定支架安装在基座上，所述的外凸折反射镜面采用双曲面折反射镜面；所述的微处理器还包括：

图像展开处理模块，用于将从全方位视觉传感器读进来的圆形视频图像展开为前方视角、后方视角、左方视角以及右方视角分割的透视视频图像，从双曲面的实焦点Om到透视投影平面坐标原点G引一条距离为D的线段Om-G，与这条Om-G相垂直的平面作为透视投影平面，通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ    (9)

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ

(R＝D*cosγ+j*sinγ)

上式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴；

将上述用公式(9)求得的A(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)计算与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的p(x，y)点：

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right);$

其中，c表示双曲面镜的焦点，b是双曲面镜的虚轴的长度。

2、如权利要求1所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述的透明外罩为透明圆柱体。

3、如权利要求1或2所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述的微处理器还包括：

网络传输模块，用于将所获得的现场视频图像、加工后的透视图像以视频流的方式通过无线通信单元播放出去，传输到指挥中心或者其他警车。

4、如权利要求3所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述固定支架的下部设有一个具有外螺纹的下座，基座中部位置的上部开有一个与所述下座相同大小的内螺纹，所述的下座安装到所述内螺纹，摄像单元的中心位置处在全方位视觉传感器的双曲面镜的虚焦点位置。

5、如权利要求4所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述的微处理器为采用嵌入式Linux系统的处理器。

6、如权利要求5所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述摄像单元通过USB接口与微处理器连接，所述微处理器通过USB接口与无线网卡连接。

7、如权利要求3所述的具有全方位计算机视觉功能的警灯，其特征在于：所述的无线通信单元中的通信标准协议采用IEEE802.16e标准，采用WiMAX通信技术。

Images