CN102256109A - 多目标自动跟踪摄像系统及该系统的聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多目标自动跟踪摄像系统，该系统包括摄像机、云台、中央控制单元和云台运动服务器单元，摄像机固定于云台，中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，摄像机聚焦控制子单元连接摄像机，云台姿态控制子单元通过所述的云台运动服务器单元连接云台，中央控制单元还连接外部目标获取系统。本发明还涉及该系统的聚焦方法，在该方法中，摄像机聚焦控制子单元根据云台姿态控制子单元的云台角度控制值确定摄像机聚焦值，并将该摄像机聚焦值发送至摄像机以控制焦距，保证该系统在所跟踪的对象具有前景遮挡物或者光线较弱不足以让摄像机自动聚焦时，仍能准确聚焦到被跟踪物体，保证目标图像清晰。

Description

多目标自动跟踪摄像系统及该系统的聚焦方法

技术领域

本发明涉及自动监控系统领域，特别涉及自动跟踪摄像系统技术领域。

背景技术

现有技术中，具有多种采用传统自动聚焦技术的摄像机，此类摄像机的缺点在于，在前景出现遮挡，如电线、树枝等物体时，往往摄像机会自动聚焦在前景的遮挡物上，造成需要聚焦的目标模糊不清。因此，在自动跟踪摄像系统技术领域中急需提供一种能在具有前景遮挡物或者光线较弱不足以让摄像机自动聚焦的情况下，仍能准确聚焦到被跟踪物体，保证目标图像清晰的摄像系统及聚焦方法。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种在具有前景遮挡物或者光线较弱不足以让摄像机自动聚焦的情况下，仍能准确聚焦到被跟踪物体，保证目标图像清晰，且结构简单，成本低廉，应用范围较为广泛的多目标自动跟踪摄像系统及该系统的聚焦方法。

为了实现上述的目的，本发明的多目标自动跟踪摄像系统包括摄像机、云台、中央控制单元和云台运动服务器单元，所述的摄像机固定于所述的云台，所述的中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，所述的摄像机聚焦控制子单元连接所述的摄像机，所述的云台姿态控制子单元通过所述的云台运动服务器单元连接所述的云台，所述的中央控制单元还连接外部目标获取系统。

该多目标自动跟踪摄像系统中，所述的云台运动服务器单元包括云台控制服务器、云台垂直运动控制电路和云台水平运动控制电路，所述的云台包括垂直运动驱动电机和水平运动驱动电机，所述的云台控制服务器连接所述的云台姿态控制子单元，所述的云台控制服务器还通过所述的云台垂直运动控制电路连接所述的云台的垂直运动驱动电机，并通过所述的云台水平运动控制电路连接所述的云台的水平运动驱动电机。

该多目标自动跟踪摄像系统中，所述的摄像机聚焦控制子单元包括焦距计算处理器，所述的焦距计算处理器分别连接所述的云台姿态控制子单元和摄像机。

该多目标自动跟踪摄像系统中，所述的焦距计算处理器包括云台水平和垂直角度读取端口，所述的焦距计算处理器通过该云台水平和垂直角度读取端口连接所述的云台姿态控制子单元。

该多目标自动跟踪摄像系统中，所述的摄像机为PTZ摄像机，所述的PTZ摄像机具有光学镜头控制器，所述的焦距计算处理器连接所述的光学镜头控制器。

本发明还提供一种所述的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法，该方法包括以下步骤：

(1)所述的中央控制单元从所述外部目标获取系统获得目标位置信息；

(2)所述的云台姿态控制子单元根据所述的目标位置信息确定所述的云台角度控制值；

(3)所述的云台姿态控制子单元将所述的云台角度控制值发送至所述的摄像机聚焦控制子单元和云台运动服务器单元；

(4)所述的云台运动服务器单元根据所述的云台角度控制值进行云台角度控制；

(5)所述的摄像机聚焦控制子单元根据所述的云台角度控制值确定摄像机聚焦值，并将该摄像机聚焦值发送至所述的摄像机；

(6)所述的摄像机根据所述的摄像机聚焦值对焦。

其中，所述的云台角度控制值包括云台水平角度α和云台垂直角度β。

该多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法中，所述的云台运动服务器单元包括云台控制服务器、云台垂直运动控制电路和云台水平运动控制电路，所述的云台包括垂直运动驱动电机和水平运动驱动电机，所述的云台控制服务器连接所述的云台姿态控制子单元，所述的云台控制服务器还通过所述的云台垂直运动控制电路连接所述的云台的垂直运动驱动电机，并通过所述的云台水平运动控制电路连接所述的云台的水平运动驱动电机，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(41)所述的云台运动服务器单元将所述的云台水平角度α发送至所述的云台水平运动控制电路，所述的云台水平运动控制电路根据所述的水平角度α控制所述的水平运动驱动电机；

(42)所述的云台运动服务器单元将所述的云台垂直角度β发送至所述的云台垂直运动控制电路，所述的云台垂直运动控制电路根据所述的云台垂直角度β控制所述的垂直运动驱动电机。

该多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法中，所述的摄像机聚焦控制子单元包括焦距计算处理器，所述的焦距计算处理器包括云台垂直角度读取端口，所述的焦距计算处理器通过该云台垂直角度读取端口连接所述的云台姿态控制子单元，所述的焦距计算处理器还连接所述的摄像机，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(51)所述的焦距计算处理器通过所述的垂直角度读取端口从所述的云台姿态控制子单元获取所述的云台垂直角度β；

(52)所述的焦距计算处理器将所述的物距L确定为：

$L=\frac{h}{\cos \mathrm{\β}},$

其中h为摄像机设置高度；

(53)所述的焦距计算处理器根据所述的物距L，计算摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{L}+\frac{1}{q},$

其中，f为摄像机镜头焦距；

(54)所述的焦距计算处理器根据下式将所述的摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q转换成摄像机聚焦值x，

q＝kx+a，

其中，k和a均为常数；

(55)所述的焦距计算处理器将聚焦值x发送至所述的摄像机。

采用了本发明的多目标自动跟踪摄像系统，其中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，所述的摄像机聚焦控制子单元连接所述的摄像机，从而所述的摄像机聚焦控制子单元得以根据所述的云台姿态控制子单元的云台角度控制值确定摄像机聚焦值，并将该聚焦值发送至所述的摄像机，以控制焦距，保证该系统在所跟踪的对象具有前景遮挡物或者光线较弱不足以让摄像机自动聚焦时，仍能准确聚焦到被跟踪物体，保证目标图像清晰，且多目标自动跟踪摄像系统的结构简单，成本低廉，该系统的聚焦方法应用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的多目标自动跟踪摄像系统的结构示意图。

图2为本发明的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法的流程示意图。

图3为本发明的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法的几何示意图。

图4为摄像机成像原理简化模型图。

图5为N组物距L与聚焦值x的测量值(L，x)在坐标中的位置示意图。

图6为本发明的多目标自动跟踪摄像系统中拟合后的聚焦曲线与测量值x的比较示意图。

图7为本发明的多目标自动跟踪摄像系统中摄像机聚焦值与拍摄距离的关系曲线图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的多目标自动跟踪摄像系统的结构示意图。

在一种实施方式中，该多目标自动跟踪摄像系统包括摄像机、云台、中央控制单元和云台运动服务器单元，所述的摄像机固定于所述的云台，所述的中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，所述的摄像机聚焦控制子单元连接所述的摄像机，所述的云台姿态控制子单元通过所述的云台运动服务器单元连接所述的云台，所述的中央控制单元还连接外部目标获取系统。

采用该实施方式的系统的聚焦方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)所述的中央控制单元从所述外部目标获取系统获得目标位置信息；

(2)所述的云台姿态控制子单元根据所述的目标位置信息确定所述的云台角度控制值；

(3)所述的云台姿态控制子单元将所述的云台角度控制值发送至所述的摄像机聚焦控制子单元和云台运动服务器单元；

(4)所述的云台运动服务器单元根据所述的云台角度控制值进行云台角度控制；

(5)所述的摄像机聚焦控制子单元根据所述的云台角度控制值确定焦距值，并将该焦距值发送至所述的摄像机；

(6)所述的摄像机根据所述的焦距值对焦。

其中，所述的云台角度控制值包括云台水平角度α和云台垂直角度β。

在一种较优选的实施方式中，所述的云台运动服务器单元包括云台控制服务器、云台垂直运动控制电路和云台水平运动控制电路，所述的云台包括垂直运动驱动电机和水平运动驱动电机，所述的云台控制服务器连接所述的云台姿态控制子单元，所述的云台控制服务器还通过所述的云台垂直运动控制电路连接所述的云台的垂直运动驱动电机，并通过所述的云台水平运动控制电路连接所述的云台的水平运动驱动电机。

在采用该实施方式的系统的聚焦方法中，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(41)所述的云台运动服务器单元将所述的云台水平角度α发送至所述的云台水平运动控制电路，所述的云台水平运动控制电路根据所述的水平角度α控制所述的水平运动驱动电机；

(42)所述的云台运动服务器单元将所述的云台垂直角度β发送至所述的云台垂直运动控制电路，所述的云台垂直运动控制电路根据所述的云台垂直角度β控制所述的垂直运动驱动电机。

在更优选的实施方式中，所述的摄像机聚焦控制子单元包括焦距计算处理器，所述的焦距计算处理器包括云台水平和垂直角度读取端口，所述的焦距计算处理器通过该云台水平和垂直角度读取端口连接所述的云台姿态控制子单元，所述的焦距计算处理器还连接所述的摄像机，所述的摄像机为PTZ摄像机，所述的PTZ摄像机具有光学镜头控制器，所述的焦距计算处理器连接所述的光学镜头控制器。

在采用该实施方式的系统的聚焦方法中，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(51)所述的焦距计算处理器通过所述的垂直角度读取端口从所述的云台姿态控制子单元获取所述的云台垂直角度β；

(52)所述的焦距计算处理器将所述的物距L确定为：

$L=\frac{h}{\cos \mathrm{\β}},$

其中h为摄像机设置高度；

(53)所述的焦距计算处理器根据所述的物距L，计算摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{L}+\frac{1}{q},$

其中，f为摄像机镜头焦距；

(54)所述的焦距计算处理器根据下式将所述的摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q转换成摄像机聚焦值x，

q＝kx+a，

其中，k和a均为常数；

(55)所述的焦距计算处理器将聚焦值x发送至所述的摄像机。

在本发明的应用中，本发明的多目标自动跟踪摄像系统包括以下组成部分：

1、一台配有光学变焦镜头的PTZ摄像机(Pan/Tilt/Zoom，云台全方位移动、镜头变倍、变焦控制摄像机)，其光学镜头组经由内部的螺杆和步进电机驱动可以进行光学放大倍数的调节以及聚焦焦距的调节。内部光学镜头组的相对位置经由摄像机外部通讯端口对摄像机内部控制寄存器的读写来实现。

2、分别由一个水平步进电机驱动和另一个垂直步进电机驱动的用于装载光学变焦摄像机的云台结构。该结构可以在水平方向进行360度无障碍旋转，同时可以在垂直方向与水平方向之间90度来回转动。

3、水平运动电机和垂直运动电机经由运动控制伺服处理器进行控制，并分别通过水平方向电机控制电路和垂直方向电机控制电路进行驱动。通过细分控制电路，可以实现水平方向和垂直方向0.01度的分辨率。

4、摄像机的镜头位置及云台运动姿态经由中央处理单元计算并控制。

5、对运动目标的控制及捕获由前置处理机通过通讯控制模块下达到中央处理单元。

6、中央处理单元建立并维护一个水平360度，垂直90度，分辨率为0.01度的空间坐标系统，使摄像机的镜头可以对准空间36000×9000，即3亿2千4百万个方向，实现对画面中任何目标的精确定位和跟踪。

在实际应用中，如图3所示，PTZ摄像机架设在距地面G点高度为h的位置O，多目标跟踪和摄像机姿态控制经由中央处理单元发出指令，由水平电机和垂直电机驱动云台运动到水平角度为α，垂直角度为β的位置。

由于OG垂直于GT，h和β已知，可以很方便地通过三角关系求出物距L，

$L=\frac{h}{\cos \mathrm{\β}}.$

在如图4所示的摄像机成像原理简化模型图中，物距L为拍摄对象到摄像机镜头A的距离。而q为外部镜头A到成像元件CCD的距离；f为内部镜头B到CCD焦点的距离，即焦距。根据透镜原理，L、q和f满足关系：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{L}+\frac{1}{q}---\left(1\right)$

通过镜头A的移动使L改变而实现光学变焦，假设L与摄像机内部聚焦值x成线性关系，即：

q＝kx+a    (2)

根据(1)式和(2)式，可以得到物距L与聚焦值x的关系式：

$\frac{1}{L}+\frac{1}{\mathrm{kx}+a}=\frac{1}{f}---\left(3\right)$

对于某一摄像机而言，k、a、f为常数，因此物距L与聚焦值x呈双曲线函数关系。实际中，k、a、f为未知量，L和x为可测量。理论上只需要3组测量值(L，x)即可计算得到(k，a，f)，从而得到式(3)的显式解析式。但由于测量误差的存在，需要采用多组测量值，通过最小二乘拟合得到最优的(k，a，f)值。

在实际测量物距L与聚焦值x时，利用摄像机拍摄某一距离L下的拍摄对象，调整摄像机聚焦值x使得图像在某一稳定值下显示最为清晰，得到一组测量值(L，x)。由近及远改变物距L，反复上述步骤，可以得到N组测量值(L₁，x₁)，(L₂，x₂)，......，(L_N，x_N)。N组测量值在坐标中的位置如图5所示。

然后，将N组测量值代入式(3)，可以得到N个方程：

$\frac{1}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_1+a}=\frac{1}{f}$

$\frac{1}{L_2}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_2+a}=\frac{1}{f}---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}$

$\frac{1}{L_N}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_N+a}=\frac{1}{f}$

取N为偶数，将上述方程两两合并，得到：

$(\frac{1}{L_1}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_1+a})-(\frac{1}{L_N}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_N+a})=0$

$(\frac{1}{L_2}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_2+a})-(\frac{1}{L_{N-1}}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_{N-1}+a})=0---\left(5\right)$

$(\frac{1}{L_{N/2}}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_{N/2}+a})-(\frac{1}{L_{N/2+1}}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_{N/2+1}+a})=0$

以构建最小二乘函数：

$y=\underset{n=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{((\frac{1}{L_n}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_n+a})-(\frac{1}{L_{N+1-n}}+\frac{1}{{\mathrm{kx}}_{N+1-n}+a}))}^2---\left(6\right)$

在给定的N组测量值(L₁，x₁)，(L₂，x₂)，......，(L_N，x_N)下，求出使得函数y取得最小值的(k，a)值，即为最优解(k_opt，a_opt)。

将(k_opt，a_opt)依次代入式(4)的方程中，得到N个f值：f₁，f₂，......，f_N，取平均得到最优解：

$f_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{f}_n---\left(7\right)$

由此得到物距L与聚焦值x的显式解析式：

$\frac{1}{L}+\frac{1}{k_{\mathrm{opt}}x+a_{\mathrm{opt}}}=\frac{1}{f_{\mathrm{opt}}}---\left(8\right)$

拟合后的聚焦曲线与测量值x的比较如图6所示，在实际应用中，对于某特定物距L₀，根据解析式(8)，可以计算得到使得成像最为清晰的聚焦参数值x₀，从而实现变焦控制算法。

经过数据拟合，摄像机聚焦值(纵坐标)与拍摄距离(横坐标)的关系曲线如图7所示，其中上方的曲线为彩色模式，下方的曲线为灰度模式，最下方线条为所述两个模式的差值。镜头的控制参数由中央处理单元向摄像机发出指令，将16位聚集控制数据写入摄像机内部伺服马达控制寄存器中，以实现对摄像机焦距的控制，以直接聚焦于图3中所示的，距离摄像机L的T点上。

采用了本发明的多目标自动跟踪摄像系统，其中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，所述的摄像机聚焦控制子单元连接所述的摄像机，从而所述的摄像机聚焦控制子单元得以根据所述的云台姿态控制子单元的云台角度控制值确定摄像机聚焦值，并将该摄像机聚焦值发送至所述的摄像机，以控制焦距，保证该系统在持续跟踪时能始终聚焦于被跟踪的对象，在有前景遮挡物或者光线较弱不足以让摄像机自动聚焦时，仍能准确聚焦到被跟踪物体，保证目标图像清晰，且多目标自动跟踪摄像系统的结构简单，成本低廉，该系统的聚焦方法应用范围较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种多目标自动跟踪摄像系统，其特征在于，所述的系统包括摄像机、云台、中央控制单元和云台运动服务器单元，所述的摄像机固定于所述的云台，所述的中央控制单元包括相互连接的云台姿态控制子单元和摄像机聚焦控制子单元，所述的摄像机聚焦控制子单元连接所述的摄像机，所述的云台姿态控制子单元通过所述的云台运动服务器单元连接所述的云台，所述的中央控制单元还连接外部目标获取系统。

2.根据权利要求1所述的多目标自动跟踪摄像系统，其特征在于，所述的云台运动服务器单元包括云台控制服务器、云台垂直运动控制电路和云台水平运动控制电路，所述的云台包括垂直运动驱动电机和水平运动驱动电机，所述的云台控制服务器连接所述的云台姿态控制子单元，所述的云台控制服务器还通过所述的云台垂直运动控制电路连接所述的云台的垂直运动驱动电机，并通过所述的云台水平运动控制电路连接所述的云台的水平运动驱动电机。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的多目标自动跟踪摄像系统，其特征在于，所述的摄像机聚焦控制子单元包括焦距计算处理器，所述的焦距计算处理器分别连接所述的云台姿态控制子单元和摄像机。

4.根据权利要求3所述的多目标自动跟踪摄像系统，其特征在于，所述的焦距计算处理器包括云台水平和垂直角度读取端口，所述的焦距计算处理器通过该云台水平和垂直角度读取端口连接所述的云台姿态控制子单元。

5.根据权利要求3所述的多目标自动跟踪摄像系统，其特征在于，所述的摄像机为PTZ摄像机，所述的PTZ摄像机具有光学镜头控制器，所述的焦距计算处理器连接所述的光学镜头控制器。

6.一种权利要求1所述的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的中央控制单元从所述外部目标获取系统获得目标位置信息；

(2)所述的云台姿态控制子单元根据所述的目标位置信息确定所述的云台角度控制值；

(3)所述的云台姿态控制子单元将所述的云台角度控制值发送至所述的摄像机聚焦控制子单元和云台运动服务器单元；

(4)所述的云台运动服务器单元根据所述的云台角度控制值进行云台角度控制；

(5)所述的摄像机聚焦控制子单元根据所述的云台角度控制值确定摄像机聚焦值，并将该摄像机聚焦值发送至所述的摄像机；

(6)所述的摄像机根据所述的摄像机聚焦值对焦。

7.根据权利要求6所述的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法，其特征在于，所述的云台角度控制值包括云台水平角度α和云台垂直角度β。

8.根据权利要求7所述的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法，其特征在于，所述的云台运动服务器单元包括云台控制服务器、云台垂直运动控制电路和云台水平运动控制电路，所述的云台包括垂直运动驱动电机和水平运动驱动电机，所述的云台控制服务器连接所述的云台姿态控制子单元，所述的云台控制服务器还通过所述的云台垂直运动控制电路连接所述的云台的垂直运动驱动电机，并通过所述的云台水平运动控制电路连接所述的云台的水平运动驱动电机，所述的步骤(4)具体包括以下步骤：

(41)所述的云台运动服务器单元将所述的云台水平角度α发送至所述的云台水平运动控制电路，所述的云台水平运动控制电路根据所述的水平角度α控制所述的水平运动驱动电机；

(42)所述的云台运动服务器单元将所述的云台垂直角度β发送至所述的云台垂直运动控制电路，所述的云台垂直运动控制电路根据所述的云台垂直角度β控制所述的垂直运动驱动电机。

9.根据权利要求7或8所述的多目标自动跟踪摄像系统的聚焦方法，其特征在于，所述的摄像机聚焦控制子单元包括焦距计算处理器，所述的焦距计算处理器包括云台垂直角度读取端口，所述的焦距计算处理器通过该云台垂直角度读取端口连接所述的云台姿态控制子单元，所述的焦距计算处理器还连接所述的摄像机，所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(51)所述的焦距计算处理器通过所述的垂直角度读取端口从所述的云台姿态控制子单元获取所述的云台垂直角度β；

(52)所述的焦距计算处理器将所述的物距L确定为：

$L=\frac{h}{\cos \mathrm{\β}},$

其中h为摄像机设置高度；

(53)所述的焦距计算处理器根据所述的物距L，计算摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{L}+\frac{1}{q},$

其中，f为摄像机镜头焦距；

(54)所述的焦距计算处理器根据下式将所述的摄像机镜头到摄像机成像元件的距离q转换成摄像机聚焦值x，

q＝kx+a，

其中，k和a均为常数；

(55)所述的焦距计算处理器将聚焦值x发送至所述的摄像机。

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