CN101119478A - 双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法。该系统由二台摄像机、视频服务器、传输网络和监控设备组成，其中一台摄像机带有可供转动的云台，视频服务器把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，传输给传输网络，由监控设备接收并显示。本发明在服务器中将一台摄像机用作全景监视，并把全景画面划分成若干区域，将可转动摄像机的转角设计成能够直接对准其中一个区域的转角表，使得可转动摄像机可以快速转动到监控设备所要求的区域进行观测。本发明提供的方法和系统不预先设定两台摄像机的相对位置，可转动摄像机的转角由实地测量并自动配置。本发明特别适合在低速移动网络中有效地追踪运动目标。

Description

双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法

技术领域

本发明属于信息与通信技术领域，具体涉及一种双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，社会公共安全受到政府及其普通百姓的日益关注。社会公共安全包括人们在公共场合及私有场合中的生命财产安全。人们需要对这些场合中所发生的情况进行实时的了解。视频监控技术为人们提供了对所关注的场合进行远距离的实时图像监控。视频监控技术的具体实现称为视频监控系统。

最基本的视频监控系统由三部分组成：1、视频摄像机；2、传输网络；3、视频监视器。

如图1所示。视频监控的基本原理是：视频摄像机把拍摄到的场景，转换成电学视频信号，通过传输网络把视频信号传输到视频监视器，而视频监视器把视频信号还原成一连串的图像，呈现在视频监视器的显示屏上，在视觉上感觉到现场活动场景，从而达到在异地监视现场的目的。

视频监控系统的另一功能是控制，从监控设备发出指令，通过传输网络，指令到达摄像机，控制摄像机运动，从而获取所关心的场景，达到监控的目的。

随着电子及通讯技术的进步，视频监控技术从最初的模拟闭路电视逐步发展到目前的数字网络监控系统。数字网络监控系统如图2所示。数字网络视频监控系统的基本原理为：摄像机把场景转化为视频信号，并传输入视频数字编码器，数字编码器则把模拟的视频信号转换成数字信号，并以一种指定的编码方式进行编码，指定的编码方式通常为MPEG-4，H.264等，通过这种方式编码后，视频信号的数据量就大为压缩，被编码压缩后的数字信号通过网络接入设备以一定的方式接到传输网络，传输网络通常为互联网或无线网络或两者并用。与传输网络联结的监控设备通常为专用监视器、电脑或无线手持设备，监控设备则把编码压缩后的数字信号还原成视频信号并显示出来。

数字传输网络的速度通常受网络的带宽制约，当网络中的信息流量超过网络带宽时，信息流速度就要降低，造成视频信息流的延迟。在传输网络严重延迟的情况下，在监控端要追踪运动目标变得很困难。

发明专利“低速移动网络中追踪运动目标的视频监控系统和方法”提供了一种采用二个摄像机的方法，使得在传输网络延迟情况下能够有效地追踪运动目标。该方法采用双摄像机分区方法，使得一个摄像机监视全景，而另一个摄像机能够快速指向一个指定的区域，对目标进行清晰的监视。如何自动设置摄像机快速指向一个指定区域的转角及其参数，是本发明的内容。

本发明提供了一种对二个摄像机的视角进行自动配置的系统和方法。

发明内容

本发明提供了一种对二个摄像机的转角进行自动配置的系统和方法，技术实现方案如下：

如图3所示，本发明技术实现方案由以下部分组成。摄像机CAM1和摄像机CAM2，摄像机CAM1为带有云台的可以左右0-360°、上下0-90°运动，并且，摄像头具备一定倍数的放大/缩小(变焦)功能。摄像机CAM2为无运动功能的摄像机，CAM2最好具备广角镜头，广角镜头的作用是能够观察到视野更广的场景。

视频服务器VS可以是一个具备同时接入二路以上摄像机信号或二个一路的视频服务器的组合。视频服务器VS的功能是把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，并压缩编码成某种数据格式，然后传输入传输网络。视频服务器VS也能够直接从传输网络获取信息，即视频服务器VS可以接收监控端的控制信号。摄像机CAM1的视频信号接入视频服务器VS的端口C1，摄像机CAM1云台接入视频服务器VS的端口K1。端口K1用来输出信号控制云台的运动。摄像机CAM2的视频信号接入视频服务器VS的端口C2。

视频服务器VS的硬件和软件结构如图4所示。硬件结构中的CPU为中央处理单元，其功能与一般计算机中的CPU相同，存储单元用来存储计算机程序及CPU执行过程中的指令及数据；网络设备是用来连接网络的设备，即与网络进行信息通信的软件与硬件设备；其他设备包括数字音视频处理设备等，数字音视频处理设备接入摄像机CAM1及CAM2的音视频信号；视频服务器VS设有指令输出接口，此接口可以接入CAM1的云台YT控制输入，驱动云台按要求转动及变焦等功能；视频服务器的软件部分则由操作系统OS、设备驱动机程序、应用程序及本发明中的视角自动配置系统SFT组成。

传输网络NET用来传输信号，包括互联网和无线网，但不局限于此。

监控设备MTR为监控设备，一般指手机、电脑和监视器，但不局限与此。

如图3所示，场景中有物体s1，s2，s3，s4。双摄像机转角自动配置的实现方法如下：

1.数据采集方法：

1.1.调整摄像机CAM2的方向与角度，使之能够把场景的完整景象通过传输网络呈现在监控设备MTR，监控设备所呈现的景象如图5所示。

1.2.切换摄像头：监控设备发出指令给视频服务器VS，使之发送的视频信号为摄像机CAM2所拍摄的视频信号。

1.3.在场景中设置标记(LL)，如图6所示。标记(LL)的位置正好出现在监控设备显示屏中的左下角，如图7所示。

1.4.在场景中设置标记(UR)，如图8所示。标记(UR)的位置正好出现在监控设备显示屏中的右上角，如图9所示。

1.5.切换摄像头：监控设备MTR发出指令给视频服务器VS，使之发送的视频信号为摄像机CAM1所拍摄的视频信号。

1.6.设置摄像机CAM1放大倍数：监控设备MTR发出指令给视频服务器VS，调节摄像机CAM1镜头，使之处于最大的放大倍数。

1.7.置摄像机CAM1角度处其原点：监控设备MTR发出指令给视频服务器VS，调节摄像机CAM1的水平转角处于原点位置，或处于最左边的位置；调节摄像机CAM1的垂直转角处于原点度位置，或处于最下边的位置。

1.8.搜索标记(LL)：监控设备MTR发出指令给视频服务器VS，调节摄像机CAM1的水平转角与垂直转角，直到标记(LL)处于显示屏的中央，如图10所示。由视角自动配置系统SFT记录相对于原点(步骤1.7所操作而成的原点)的水平转角HLL和垂直转角VLL。

1.9.回归原点：重复步骤1.7，使得摄像机CAM1转角回归到原点。

1.10.搜索标记(UR)：监控设备MTR发出指令给视频服务器VS，调节摄像机CAM1的水平转角与垂直转角，直到标记(UR)处于显示屏的中央，如图11所示。由视角自动配置系统SFT记录相对于原点(步骤1.9所操作而成的原点)的水平转角HUR和垂直转角VUR。

2.区域转角的计算方法

图12和13所示为摄像机CAM1需要在M×N个区域定点运动，例如3×3个区域即在水平3个区和垂直3个区中运动，其中，在步骤1.1-1.10中获得左下角水平转角HLL和垂直转角VLL及右上角水平转角HUR和垂直转角VUR。区域转角的计算方法如下：

2.1.把水平方向划分M+1个区间，垂直方向划分N+1个区间。在3×3个区域情况下，水平方向划分成3+1＝4个区间，垂直方向划分成3+1＝4个区间，如图14和15所示。

2.2.摄像机CAM1在水平方向转动一个区域的转角由以下算式给出：

水平区域转角＝(HUR-HLL)÷M    (公式1)

2.3.摄像机CAM1在垂直方向转动一个区域的转角由以下算式给出：

垂直区域转角＝(VUR-VLL)÷N                           (公式2)

2.4.摄像机CAM1对准水平方向第m(1≤m≤M)个区间中心的水平角度(相对于原点或最左边)为以下算式给出：

水平转角＝HLL+(m-1)×水平区域转角+水平区域转角÷2    (公式3)

2.5.CAM1对准垂直方向第n(1≤n≤N)个区间中心的垂直角度(相对于原点或最下边)为以下算式给出：

垂直转角＝VLL+(n-1)×垂直区域转角+垂直区域转角÷2    (公式4)

2.6.图16所示为在3x3区域情况下，由(公式3)及(公式4)所给出的区域中心(图中园点)转角的操作示意图。

3.视角自动配置系统SFT的实现流程

视角自动配置系统SFT的实现分为两部分，一部分为双镜头转角的测量和配置，如图17和18所示；另一部分为双镜头自动对准控制过程，如图19所示。具体实现过程如下：

3.1.视角自动配置系统SFT开始并初始化；

3.2.判别视角自动配置系统是否进入双镜头自动对准过程，如果是，则进入3.9，如果否，则进入3.3的双镜头测量和配置过程；

3.3.判别是否需要切换摄像机，摄像机CAM2为观察全景及标记左下角和右上角所需，摄像机CAM1为配置区域转角所需。切换镜头到摄像机CAM1，等待进一步的指令；

3.4.是否需要置摄像机CAM1于原点，如果是，发指令给摄像机CAM1，驱动摄像机CAM1的转角回归至原点；如果不是，则进入3.5；

3.5.是否需要调节摄像机CAM1的放大倍数，如果是，则发指令给摄像机CAM1，调节其放大倍数至最大；如果不是，则进入3.6；

3.6.是否转动摄像机CAM1的角度，如果是，则发指令给摄像机CAM1，按要求左转、右转、上转及下转；如果不是，则进入3.7；

3.7.是否记录当前转角值，如果是，则分别记录相应的左下角、右上角的水平及垂直转角；如果不是，则进入3.8；

3.8.是否测量过程已结束，如果是，则计算每个区域中心的转角值，并以表格的形式储存于存储单元，然后退出配置状态，进入3.9；如果不是，则回到3.4，等待其他操作。

3.9.把存储单元中的区域转角表调到服务器VS存储单元；切换摄像机到摄像机CAM1；初始化摄像机CAM1的转角至原点；置当前区域为中心区域，并发指令驱动摄像机CAM1对准当前区域；切换摄像机到摄像机CAM2；进入3.10；

3.10.等待操作命令。如果操作命令为观察某个区域，则进入3.11；如果操作命令为观察全景，则进入3.12；如果操作命令为退出视角自动配置系统SFT，则结束视角自动配置系统SFT。

3.11.发指令切换摄像机到摄像机CAM1；算出新区域与摄像机CAM1当前水平与垂直转角的相对转角，发指令给摄像机CAM1，以水平和垂直分别转动以上的相对转角；记录当前位置水平和垂直转角值；进入等待命令状态3.10；

3.12.切换摄像机到摄像机CAM2；进入等待命令状态3.10。

4.视角自动配置系统SFT的运行

视角自动配置系统SFT存于图4所示的存储单元中。当服务器启动时，该视角自动配置系统SFT载入CPU及相应的存储单元，操作系统OS则分配所需的资源，如存储单元大小、接口设备及其他设备，并按视角自动配置系统SFT流程图17-19的步骤进行相关配置，配置完成后，让系统处于等待状态，即等待相关各种操作的状态。相关的操作如下：

4.1.摄像机区间转角自动配置

4.1.1.当视角自动配置系统SFT收到摄像机区间转角自动配置请求时，视角自动配置系统SFT进行初始化设置。

4.1.2.当视角自动配置系统SFT收到切换摄像机CAM2请求时，视角自动配置系统SFT向驱动设备发指令，让服务器接入摄像机CAM2的视频信号。

4.1.3.当视角自动配置系统SFT收到切换摄像机CAM1请求时，视角自动配置系统SFT向驱动设备发指令，让服务器接入摄像机CAM1的视频信号。

4.1.4.当视角自动配置系统SFT收到转动摄像机CAM1请求时，视角自动配置系统SFT向云台YT驱动接口发指令，驱使云台转动。

4.1.5.当视角自动配置系统SFT收到置摄像机CAM1于原点请求时，视角自动配置系统SFT向云台YT驱动接口发出以下指令：(1)转动水平角至原点；(2)转动垂直角至原点。对于没有原点设置的云台，视角自动配置系统SFT可发的指令为：(1)转动水平角至最左边；(2)转动垂直角至最下边。

4.1.6.当视角自动配置系统SFT收到水平转动摄像机CAM1时，视角自动配置系统SFT向云台YT驱动接口发出水平转动指令，驱使云台水平转动。

4.1.7.当视角自动配置系统SFT收到水平垂直摄像机CAM1时，视角自动配置系统SFT向云台YT驱动接口发出垂直转动指令，驱使云台垂直转动。

4.1.8.当视角自动配置系统SFT收到记录左下角转角值请求时，视角自动配置系统SFT记录左下角的水平转角值HLL及垂直转角值VLL。

4.1.9.当视角自动配置系统SFT收到记录右上角转角值请求时，视角自动配置系统SFT记录右上角的水平转角值HUR及垂直转角值VUR。

4.1.10.当视角自动配置系统SFT收到配置请求时，视角自动配置系统SFT进行配置操作，并把结果保存于存储单元，并退出摄像机区间视角自动配置系统SFT。

4.2.摄像机转角控制

4.2.1.当视角自动配置系统SFT收到转向一个指定的区域时，控制视角自动配置系统SFT从配置表中查找所指定区域的水平和垂直转角，并计算与当前所处区域的转角差距。

4.2.2.发指令给云台YT，驱动云台转动由以上计算所得的转角变化量。

附图说明

图1视频监控系统基本构成示意图。

图2数字网络视频监控系统基本构成示意图。

图3双摄像机系统配置示意图。

图4视频服务器结构示意图。

图5监视器中看到的摄像机CAM2获取的场景示意图。

图6场景中设置标记(LL)示意图。

图7监视器中标记(LL)正好落在显示屏的左下角示意图。

图8场景中设置标记(UR)示意图。

图9监视器中标记(UR)正好落在显示屏的左下角示意图。

图10寻找左下角转角示意图。示意图说明：调节CAM1的水平转角与垂直转角，直到标记LL处于显示屏的中央。服务器程序SFT记录相对于原点的水平转角HLL和垂直转角VLL。

图11寻找右上角转角示意图。示意图说明：调节CAM1的水平转角与垂直转角，直到标记UR处于显示屏的中央。服务器程序SFT记录相对于原的水平转角HUR和垂直转角VUR。

图12被划分的场景区域及左下角和右上角标记示意图。示意图说明：位置LL的水平转角＝HLL，垂直转角＝VLL；位置UR的水平转角＝HUR，垂直转角＝VUR。

图13被划分的场景区域及左下角和右上角标记示意图。

图14计算区域中心转角步骤1示意图。示意图说明：测量左下角(LL)及右上角(UR)所采用的区域数为水平区域＝M+1，垂直区域＝N+1。

图15计算区域中心转角步骤2示意图。示意图说明：测量中所得到的标记(LL)的转角即为左下角区域的中心位置值，(UR)为右上角区域中心位置值。

图16计算区域中心转角步骤3示意图。示意图说明：把水平转角和垂直转角各向右向上平移半个区域转角值，得到每个区域中心的转角值，如图中园点所示。

图17视角自动配置系统SFT设计流程(1)示意图。

图18视角自动配置系统SFT设计流程(2)示意图。

图19视角自动配置系统SFT设计流程(3)示意图。

图中标号：CAM1为摄像机，CAM2另一个摄像机，VS为视频服务器，NET为传输网络，MTR为监控设备，YT为云台。

具体实施方式

(1)选择摄像机CAM1：该摄像机必须为带有云台YT并具有一定倍数的放大/缩小功能。本示范中使用的为长春佶达实业有限公司生产的球机，型号为SK-12X520C6QZ。

(2)选择摄像机CAM2：该摄像机为带有广角镜头的普通摄像机。

(3)视频服务器VS：本服务器具有二个以上的视频输入接口，并带有一个信号输出端口，一个网络接入端口。本示范中使用上海天卫通信科技有限公司生产的视频服务器，型号为Skyewe v 0.1。该视频服务器采用Linux操作系统。

(4)监控设备：本示范中采用Dopod掌上电脑，采用Windows Mobile2003操作系统。

(5)服务器软件：为本发明中所述的视角自动配置系统SFT系统。

(6)安装：按图4所示，连接CAM1、CAM2、及视频服务器，装置本发明的视角自动配置系统SFT系统至视频服务器。

(7)使用：在Dopod掌上电脑上启动控制软件，即可演示本发明所述的全部功能。

Claims (8)

1.一种双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于由摄像机(CAM1)、另一摄像机(CAM2)、视频服务器(VS)、传输网络(NET)和监视设备(MTR)组成；其中，摄像机(CAM1)为带有可以水平0-360°、垂直0-90°转动的云台(YT)，摄像机(CAM2)带有广角镜头；视频服务器(VS)具有同时接入二路及以上摄像机信号，摄像机(CAM1)的视频信号接入视频服务器(VS)的端口(C1)，摄像机(CAM2)的视频信号接入视频服务器(VS)的端口(C2)，摄像机(CAM1)的云台(YT)接入视频服务器(VS)的端口(K1)，端口(K1)的输出信号控制云台(YT)的运动；视频服务器(VS)把摄像机传输来的模拟图像信号转化为数字信号，并压缩成某种数据格式，然后传输入传输网络(NET)，传输网络(NET)用于传输信号给监控设备(MTR)；视频服务器(VS)由硬件和软件组成，硬件包括中央处理单元CPU、存储单元、网络设备及其他设备，由其他设备接入摄像机(CAM1)及(CAM2)的视频信号(C1，C2)，输出接口(K1)控制CAM1的云台(YT)，视频服务器的软件部分则由操作系统OS、设备驱动软件、应用软件及视角自动配置系统(SFT)组成；摄像机(CAM2)所拍摄到的场景的左下角标记为(LL)，右上角标记为(UR)。

2.根据权利要求1所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述摄像机(CAM2)所拍摄到的场景的左下角标记为(LL)，右上角标记为(UR)，(LL)和(UR)为测量视角时所设的标记，设置标记的方法不限。

3.根据权利要求1所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述视角自动配置系统(SFT)为视频服务器的视角自动配置系统。

4.双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，使用如权利要求3所述的视角自动配置系统和方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)数据采集步骤：

(1.1)调整摄像机(CAM2)的方向与角度，使之能够把场景的完整景象通过传输网络(NET)呈现在监控设备(MTR)。

(1.2)从监控设备(MTR)发出指令给视频服务器(VS)，切换摄像机到(CAM2)，在监控设备(MTR)上看到摄像机(CAM2)所拍摄的场景。

(1.3)在场景中设置标记(LL)，使得标记(LL)的位置正好出现在监控设备(MTR)显示屏中的左下角。

(1.4)在场景中设置标记(UR)，使得标记(UR)的位置正好出现在监控设备(MTR)显示屏中的右上角。

(1.5)从监控设备(MTR)发出指令给视角自动配置系统(SFT)，切换摄像机到摄像机(CAM1)，在监控设备(MTR)上看到摄像机(CAM1)所拍摄的场景。

(1.6)从监控设备(MTR)发出指令给视角自动配置系统(SFT)，调节摄像机(CAM1)的放大倍数到最大的放大倍数。

(1.7)从监控设备(MTR)发出指令给视角自动配置系统(SFT)，转动摄像机(CAM1)转角使之处于原点。

(1.8)从监控设备发出指令给视角自动配置系统(SFT)，转动摄像机(CAM1)，搜索标记(LL)，直到标记(LL)处于监控设备(MTR)的中央。视角自动配置系统(SFT)记录摄像机(CAM1)该位置的水平转角度数(HLL)和垂直转角度数(VLL)。

(1.9)从监控设备(MTR)发出指令给视角自动配置系统(SFT)，转动摄像机(CAM1)转角使之处于原点。

(1.10)从监控设备发出指令给视角自动配置系统(SFT)，转动摄像机(CAM1)，搜索标记(UR)，直到标记(UR)处于监控设备(MTR)的中央。视角自动配置系统(SFT)记录摄像机(CAM1)该位置的水平转角度数(HUR)和垂直转角度数(VUR)。

(2)区域转角的计算方法：

(2.1)把监视设备(MTR)显示屏划分成水平M个区间，垂直N个区间，M≥1，N≥1，形成M×N个相邻的区域，将这些区域从左至右、从下至上依次编号。

(2.2)视角自动配置系统(SFT)计算摄像机(CAM1)在水平方向转动一个区域的转角为：

水平区域转角＝(HUR-HLL)÷M

(2.3)视角自动配置系统(SFT)计算摄像机(CAM1)垂直方向转动一个区域的转角为：

垂直区域转角＝(VUR-VLL)÷N

(2.4)视角自动配置系统(SFT)计算摄像机(CAM1)对准水平方向第m个区间(m从1到M)中心的水平角度为：

水平转角＝HLL+(m-1)×水平区域转角+水平区域转角÷2

(2.5)视角自动配置系统(SFT)计算摄像机(CAM1)对准垂直方向第n个区间(n从1到N)中心的垂直角度为：

垂直转角＝VLL+(n-1)×垂直区域转角+垂直区域转角÷2

(2.6)视角自动配置系统(SFT)把每个区域所对应的摄像机(CAM1)的水平转角和垂直转角制成一张矩阵表，使得给定区域编号，即可得到该区域的水平转角和垂直转角。

5.根据权利要求4所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述的M＝3，N＝3。

6.根据权利要求3所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述的视角自动配置系统(SFT)运行在视频服务器中。

7.根据权利要求6所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述的视角自动配置系统(SFT)在收到视角配置的指令时，执行权利要求4所述的转角测量和计算。

8.根据权利要求6所述的双镜头视频监控中的视角自动配置系统和方法，其特征在于所述的视角自动配置系统(SFT)在收到转动摄像机(CAM1)到指定区域的指令时，找出权利要求4所述的该区域的转角值，并转动摄像机(CAM1)到该区域。

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