CN102045548A - 一种控制云台摄像机自动变倍的方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于安全监控领域，提供了一种控制云台摄像机自动变倍的方法，包括：建立包括云台吊装高度、云台摄像机信息的档案信息；接收指令，开启所述云台摄像机自动变倍功能，实时获取所述云台的垂直旋转角度；依据所述云台当前的垂直旋转角度及档案信息，计算所述云台摄像机的焦距；根据计算所得的所述云台摄像机的焦距将所述云台摄像机变倍到所述焦距下，或者将所述云台摄像机变倍到与所述焦距最接近的整数倍下。本发明提供的自动变倍的方法可以根据监控场景的实际需要自动设置变倍参数，应用更加灵活，无需通过检测目标的实际大小进行变倍控制，简化了目标跟踪算法的复杂度，使目标跟踪更易于实现，提高了监控人员的工作效率。

Description

一种控制云台摄像机自动变倍的方法

技术领域

本发明属于视频监控领域，尤其涉及一种控制云台摄像机自动变倍的方法。

背景技术

目前，云台摄像机，是当今监控领域中，最为普遍使用的监控前端设备之一。云台摄像机能够通过云台的转动，带动摄像机转动朝向不同的方向，并可以通过调整摄像机变倍，观察不同距离范围内的目标或场景，从而能够监控非常大的范围。当云台摄像机拍摄动态目标时，如果摄像机的焦距固定，那么随着与目标距离的远近，目标在屏幕上的大小也会变化，要保持一定的观测精度，需要保持目标的成像大小在一个合适的尺寸范围内，目前的云台摄像机支持手动变焦，通过人工调节变焦把目标的成像大小控制在合适的尺寸。

随着监控领域发展，具有智能行为的监控设备越来越受到用户的青睐，监控需求不仅局限于清晰观察监控区域，还希望带有智能行为的监控设备能够帮助人完成一些行为操作，例如当发现有目标闯进非法区域时，监控人员往往需要通过控制键盘等方式控制云台摄像机转动及变倍以清晰记录目标在非法区域的行为。在跟踪拍摄高速移动目标时，目标会连续的发生距离的快速变化，要保持目标清晰呈现在监控画面上不仅要保持云台摄像机转动使目标始终呈现在监控视野中心范围内，而且需要云台摄像机变倍，让呈现在监控画面上目标大小合适。在实际控制中，监控人员不但需要控制云台转动以保证目标在监控视野中心范围内，而且需要控制云台摄像机变倍以保证目标清晰可见、易于操纵键盘跟踪目标。同时进行这两项工作给监控人员带来很大的麻烦，并且控制云台摄像机变倍的量不好掌握，过量的控制会导致目标太小不易看清或直接导致目标跑出监控视野，因而需要监控人员不断熟悉，才能较好的控制。如果能在控制过程中云台摄像机自动变倍，使监控人员精力更集中在控制云台摄像机转动上，就会很大程度上减轻监控人员的负担，使跟踪更加容易、准确的进行。常见的变倍方式有以下两种，一是使用手动调节，二是检测目标大小，根据图像上目标的大小来控制变焦，这两种方式都有效率低，精度不高的缺点，难以保证实时自动变焦。另外，在控制云台自动跟踪目标的应用下，最常见的方式是通过云台摄像机输入进来的图像进行运动目标检测和匹配得到目标的位置和大小信息，利用检测到的目标位置信息控制云台转动保持目标始终在监控画面的中心范围内，利用检测到的目标大小信息控制云台摄像机变倍以保证目标处于大小合适的状态。如果在无需检测目标大小状态下可以让云台摄像机自动变倍就可以大大减轻目标跟踪算法的复杂度，使跟踪更加容易实现。

发明内容

本发明提供一种控制云台摄像机自动变倍的方法，旨在在无需检测目标大小状态下可以让云台摄像机自动变倍就可以大大减轻目标跟踪算法的复杂度，使跟踪更加容易实现的问题。

本发明是这样实现的，一种控制云台摄像机自动变倍的方法，包括：

建立包括云台吊装高度、云台摄像机信息的档案信息；

接收指令，开启所述云台摄像机自动变倍功能，实时获取所述云台的垂直旋转角度；

依据所述云台当前的垂直旋转角度及档案信息，计算所述云台摄像机的焦距；

根据计算所得的所述云台摄像机的焦距将所述云台摄像机变倍到所述焦距下，或者将所述云台摄像机变倍到与所述焦距最接近的整数倍下。

本发明提供的自动变倍的方法可以根据监控场景的实际需要自动设置变倍参数，应用更加灵活，在控制云台自动跟踪目标的应用下，用此方法控制云台摄像机自动变倍，无需通过检测目标的实际大小进行变倍控制，大大简化了目标跟踪算法的复杂度，使目标跟踪更易于实现；可以自动调节云台摄像机变倍参数，大大的提高了监控人员的工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的控制云台摄像机自动变倍的方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的控制云台摄像机自动变倍的方法的原理示意图；

图3是本发明实施例提供的3维空间的场景物体与摄像机的空间关系示意图；

图4是本发明实施例提供的3维空间的场景物体与摄像机在X轴方向成像的几何关系示意图；

图5是本发明实施例提供的3维空间的场景物体与摄像机在Y轴方向成像的几何关系示意图；

图6是本发明实施例提供的3维空间的场景物体与摄像机在Z轴方向成像的几何关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的控制云台摄像机自动变倍的方法的流程图。详述如下：

一种控制云台摄像机自动变倍的方法，包括：

在步骤S101中，建立包括云台吊装高度、云台摄像机信息的档案信息；

在步骤S102中，接收指令，开启所述云台摄像机自动变倍功能，实时获取所述云台的垂直旋转角度；

在步骤S103中，依据所述云台当前的垂直旋转角度及档案信息，计算所述云台摄像机的焦距；

在步骤S104中，根据计算所得的所述云台摄像机的焦距将所述云台摄像机变倍到所述焦距下，或者将所述云台摄像机变倍到与所述焦距最接近的整数倍下。

作为本发明实施例的一优选方案，档案信息包括云台摄像机信息包括云台摄像机的焦距变化范围及云台摄像机在整数变倍下的焦距值、用长、宽、高表示的待跟踪对象的大小以及待跟踪对象在云台摄像机所摄取的图像上的理想成像大小。

作为本发明实施例的一优选方案，获取云台的垂直旋转角度的方法采用定时向云台控制系统查询，云台控制系统给予应答或云台控制系统自动反馈云台的垂直旋转角度的方式。

作为本发明实施例的一优选方案，跟踪对象的大小用长方体表示即用长、宽和高来表示。

作为本发明实施例的一优选方案，根据云台当前垂直旋转角度调整所述云台摄像机变倍所需的焦距通过摄像机成像的几何关系推导计算得来的。

以下结合具体实现方案对本发明作进一步的说明。

根据云台摄像机垂直旋转角度来调整云台摄像机变倍，主要目的是为了解决监控人员控制云台摄像机跟踪某运动目标时，随着目标距离云台摄像机远近的不同必须调整云台摄像机变倍，以保证目标在监控视野里呈现出大小合适的状态，以便于监控人员观察及跟踪运动目标。云台伺服监控系统通过控制云台水平方向360度旋转、垂直方向90度旋转和云台摄像机的变倍实现对监控场景的观察。在云台摄像机变倍保持不变的情况下，同一运动目标距离摄像机越远，呈现在监控画面上的影像就越小，反之则呈现在监控画面上的影像就越大。监控人员通过控制云台转动可以保持运动目标在监控画面上的中心范围内。当运动目标因远离云台摄像机而呈现的影像变小时，监控人员在控制云台转动的同时还需要控制云台摄像机变倍，使目标在监控画面上的影像变大以便于清晰观察运动目标；当运动目标逐渐靠近云台摄像机时，在监控画面上呈现的影像就越来越大，这时运动目标非常容易跑出监控画面或者观察到的运动目标不完整，这时就需要控制云台摄像机变倍，使目标在监控画面上的影像变小以便于控制云台跟踪及观察运动目标。如图2所示，当监控人员控制云台摄像机转动跟踪运动目标时，通过控制云台摄像机水平360度旋转可以观察距离云台摄像机一定半径的圆周范围内的运动目标，通过控制云台摄像机垂直90度旋转可以改变观察范围的远近。控制云台摄像机水平360度旋转时可以使以云台摄像机为中心的一定半径的圆周上的景物呈现在监控画面上。控制云台摄像机垂直方向旋转时可以使距离云台摄像机不同远近的景物呈现的监控画面上。通过图2所示，很显然，当目标远离云台摄像机时，云台摄像机垂直方向的旋转角度越大，β大于α。因而当监控人员控制云台摄像机转动保持目标在监控画面的中心范围内时，云台摄像机垂直方向的旋转角度代表了运动目标距离云台摄像机的远近。通过这一特性，我们控制云台摄像机自动变倍，使监控人员在控制云台摄像机跟踪运动目标时，只需控制云台摄像机转动，无需考虑变倍问题，极大地方便了监控人员对运动目标的跟踪控制。

为较准确计算出控制云台摄像机变倍的参考值即摄像机的焦距，需要已知云台摄像机的吊装高度、跟踪目标对象的尺寸、云台摄像机的类型和目标理想成像的尺寸，在一般监控场景环境下即监控场地比较平坦，没有出现坡、坑、高岗等特殊场地的情况下，根据小孔成像模型，可将云台摄像机的成像简化为摄像机投影模型，通过几何关系的推导可以得到目标尺寸、目标成像尺寸，摄像机焦距和云台垂直旋转角度的关系。因而在目标尺寸和目标成像尺寸事先预知的情况下，根据云台垂直旋转角度就可以得到云台摄像机的焦距，进而选择适宜的摄像机变倍倍数，从而达到控制云台摄像机自动变倍的目的。

第一、首先需要对云台摄像机的垂直旋转角度进行查询，获取云台摄像机当前的垂直旋转角度。观察某目标时，由监控人员控制云台摄像机转动保持运动目标中心在监控画面的中心范围内。

第二、根据云台摄像机的垂直旋转角度调整云台摄像机变倍。

如图3所示，3维空间的场景物体与云台的摄像机的空间关系示意图。我们把3维空间的物体用长方体表示，L、S、h代表了物体的长宽高。当监控人员控制云台摄像机跟踪运动目标时，在理想情况下可以保持跟踪对象的中心在图像的中心。当跟踪目标对象的高度大于长和宽时，例如跟踪人时，一般保持目标高度方向的中心即O2在监控画面的中心，反之当目标对象的高度小于长和宽时，例如跟踪汽车时，一般保持目标顶部的中心即O1在监控画面的中心。为达到观测目标的完整性，我们以跟踪目标对象的尺寸即长、宽和高的最大值作为度量摄像机变倍的标准。摄像机拍摄到的场景图像是3维空间的场景在2维空间的投影，假设摄像机光轴中心与图像中心的重合，通过2维空间的几何关系得到当跟踪目标的长、宽、高分别为最大时，跟踪目标对象的长、宽、高在摄像机视场里成像的2维图像的投影关系，如图4、图5、图6所示。

如图4所示，云台摄像机系统中高度为h，长度为L的目标且长度大于宽度和高度的目标，当控制云台跟踪目标保持目标的长度的方向在屏幕的中心时，目标在X轴方向的投影关系及在投影平面上的投影。云台吊装高度为h。，云台摄像机吊装的倾斜角度是γ，云台摄像机的视场角是2α，云台摄像机的光轴是AJ，即A为云台摄像机的光心，J为摄像机光轴与路平面的交点。目标前端与摄像机光心的连线与路平面相较于点K，目标后端与摄像机光心的连线与路平面相交于点F。假设目标在投影平面上X轴方向成像的中心在投影平面的中心o，那么

KI＝h₀×tg(γ+β)                    (1-1)

FI＝h₀×tg(γ-β)                    (1-2)

KF＝L

(1-3)

KF＝KI-FI

(1-4)

oA＝oh/tgβ

(1-6)

由公式(1-1)(1-2)(1-3)(1-4)可得

L＝h₀×tg(γ+β)-h₀×tg(γ-β)

(1-7)

由公式(1-5)可的：

$(1-8)---\mathrm{tg\β}=\frac{-({\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+2)\±\sqrt{{({\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+2)}^2+4\mathrm{tg\γ}{k}_1(1+k_1\mathrm{tg\γ})}}{2\mathrm{tg\γ}(1+k_1\mathrm{tg\γ})}$

其中k₁＝L/h₀，考虑目标具有一定的高度，可得k₁＝L/(h₀-h)

由公式(1-7)(1-9)可得目标成像大小：

gh＝2×oA×tgβ

(1-9)

代入(1-9)式可得：

$(1-10)---\mathrm{oA}=\frac{\mathrm{tg\γ}(1+k_1\mathrm{tg\γ})}{-({\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+2)+\sqrt{{({\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+2)}^2+{4k}_1(1+k_1\mathrm{tg\γ})\mathrm{tg\γ}}}$

如图5所示。云台摄像机系统中高度为h，宽度为S的目标且宽度大于长度和高度的目标，当控制云台跟踪目标保持目标的宽度的方向在屏幕的中心时，目标在Y轴方向的投影关系及在投影平面上的投影。云台吊装高度为h。，云台摄像机吊装的倾斜角度是γ，云台摄像机的视场角是2α，云台摄像机的光轴是AJ，即A为云台摄像机的光心，J为摄像机光轴与路平面的交点。目标前端与摄像机光心的连线与路平面相较于点K，目标后端与摄像机光心的连线与路平面相交于点F。假设目标在投影平面上X轴方向成像的中心在投影平面的中心o，那么

KF＝S                                (2-1)

KJ＝KF/2                             (2-2)

AJ＝h₀/cosγ

(2-3)

tgβ＝KJ/AJ

(2-4)

oh＝oA×tgβ                        (2-5)

og＝oh                               (2-6)

gh＝2oh                              (2-7)

由此可得：

$\mathrm{gh}=\frac{\mathrm{oA}\×S}{h_0\cos \mathrm{\γ}}---(2-8)$

考虑目标高度的影响可得：

$\mathrm{oA}=\frac{\mathrm{gh}\×(h_0-h)\×\cos \mathrm{\γ}}{S}---(2-9)$

如图6所示。云台摄像机系统中高度为h的目标且高度大于长度和宽度的目标在Z轴方向的投影关系及在投影平面上的投影。云台吊装高度为h。，云台摄像机吊装的倾斜角度是γ，云台摄像机的视场角是2α，云台摄像机的光轴是AJ，即A为云台摄像机的光心，J为摄像机光轴与路平面的交点。目标顶部与摄像机光心的连线与路平面相较于点K，目标底部与摄像机光心的连线与路平面相交于点F。假设目标在投影平面上Y轴方向成像的中心在投影平面的中心O，那么

og＝oh                               (3-1)

因而

∠KAJ＝∠JAF＝β                     (3-2)

FI＝h₀×tg(γ-∠JAF)            (3-3)

KI＝h₀×tg(γ+∠KAJ)            (3-4)

KF＝h×tg(γ+∠KAJ)             (3-5)

KI＝KF+FI                       (3-6)

oA＝oh/tgβ

(3-7)

由公式(1)(2)(3)(4)(5)(6)可得

k₀＝tg(γ+β)/tg(γ-β)         (3-8)

其中k₀＝h₀/(h₀-h)。由此可得

由公式(7)(9)可得目标成像大小：

gh＝2×oA×tgβ

(3-10)

代入(9)式可得：

$(3-11)---\mathrm{oA}=\frac{\mathrm{gh}\×\mathrm{tg\γ}(k_0-1)}{(k_0+k_0{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+1)-\sqrt{{{(k_0+1)}^2({\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}+1)}^2-4{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\γ}{(k_0-1)}^2}}$

公式(1-10)、(2-9)、(3-11)中的γ代表了云台的垂直旋转角度，h₀代表云台吊装高度，L、S、h分别代表了目标的长宽高，在h₀和L、S、h单位一致的情况下课算出各公式中的比例系数k₀、k₁。gh代表了目标在图像传感器上成像大小，实际计算中可指定目标成像大小占据整个图像大小的比例，并认为目标占图像的大小与目标在云台摄像机的图像传感器上感光的大小等比例，因而在已知云台摄像机的图像传感器尺寸的情况下可得目标在图像传感器上感光面的大小，因而可得目标成像大小gh，单位与图像传感器一致。在上述参数已知的情况下通过公式(1-10)、(2-9)、(3-11)可计算得各种目标类型在一定云台垂直方向旋转角度下的摄像机焦距oA。摄像机变倍是通过改变摄像机的焦距来实现的，摄像机在各整数倍下都有与之对应的摄像机焦距。通过计算所得焦距oA和摄像机类型选取摄像机各整数倍下对应的摄像机焦距中与oA最接近的摄像机变倍作为变倍参数或者直接控制云台摄像机变倍到此焦距下，就可以达到自动控制云台摄像机自动变倍的目的。

第三、等待新的转动指令，重复第一步骤。

在本发明中认为镜头是理想的光学器件，云台摄像机光轴与图像中心重合，另外云台摄像机高度，垂直旋转角度及监控人员控制目标成像中心在图像中心的操作都可能存在一定的误差，因而在实际应用中不可能在每一时刻都达到目标成像尺寸在规定值上，但存在的误差对保持目标大小在合适范围内这一要求来说还是可以满足的，因而可以得到实际的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种控制云台摄像机自动变倍的方法，其特征在于，包括：

建立包括云台吊装高度、云台摄像机信息的档案信息；

接收指令，开启所述云台摄像机自动变倍功能，实时获取所述云台的垂直旋转角度；

依据所述云台当前的垂直旋转角度及档案信息，计算所述云台摄像机的焦距；

根据计算所得的所述云台摄像机的焦距将所述云台摄像机变倍到所述焦距下，或者将所述云台摄像机变倍到与所述焦距最接近的整数倍下。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述档案信息，包括云台摄像机信息包括云台摄像机的焦距变化范围及云台摄像机在整数变倍下的焦距值、用长、宽、高表示的待跟踪对象的大小以及待跟踪对象在云台摄像机所摄取的图像上的理想成像大小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取云台的垂直旋转角度的方法采用定时向云台控制系统查询，云台控制系统给予应答或云台控制系统自动反馈云台的垂直旋转角度的方式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述跟踪对象的大小用长方体表示即用长、宽和高来表示。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据云台当前垂直旋转角度调整所述云台摄像机变倍所需的焦距通过摄像机成像的几何关系推导计算得来的。

Images