CN102376156A - 摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统，包括产生并发射红外信号的发射端和接收端，所述接收端包括摄像机固定架和镜头定位装置，所述镜头定位装置包括无线接收装置和位置调整装置，所述无线接收装置包括电控装置，以及接收所述发射端发出的红外信号并根据该信号对目标位置进行分析判定的目标信号拾取器，所述位置调整装置包括垂直调整装置和水平调整装置，所述位置调整装置和摄像机固定架固定连接并可带动摄像机固定架进行垂直方向及水平方向转动，可对目标进行精确和可靠的跟踪拍摄，增设服务器后，可通过服务器对不同的摄像机进行集中控制和切换，设备结构简单，造价较低。

Description

摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统

技术领域

本发明涉及一种摄像机目标跟踪装置，特别涉及摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统。

背景技术

目标跟踪技术在军事和民用方面都有着重大的应用价值。军事领域中，通过专门的红外摄像机获得目标区域的画面信息，并通过数字图像处理技术进行目标判别，适用于远距离、高精度和高成本场合。民品领域中，利用红外线不可见和无辐射的特点，在近距离和低成本场合，红外跟踪系统有着广泛的应用价值。红外主动跟踪系统一般是包括发射端和接收主机的自动控制设备，发射端发出一定红外信号，通过预先安装的红外传感器，接收主机能检测和识别该红外信号，进而判定目标方位。根据所利用的红外线特征，可分为两类：一类是利用目标辐射的红外光作介质，通过热释电传感器感应目标运动发出的斩波信号，通过判断传感器是否有响应来决定目标是否存在及其位置估计，这类系统对一切辐射红外光的有温度的物体运动都能感应，属于非配合式，适用于安防报警场合；另一类是配合式的，即目标物发出的红外信号是唯一的并被接收传感器预知，接收主机配有机械传动装置，并能根据目标运动状态来调整自身姿态，以始终定向于目标物，根据场合需要，接收主机还有摄像机装载平台，从而获得目标物的图像和视频，适用于机器人、自动摄像设备等。

针对上述民品领域中的第二类设备，专利号为200610104740.5的发明提出了一种系统模型：目标物携带红外发射装置，接收主机设备为圆形，且外表面水平方向360度范围内放置红外传感器，当收到目标发送的红外信号时，某一方向的红外传感器产生感应信号，该方向上的传感器的位置作为目标物的方向判断依据，传感器数量和感应信号强度作为目标物的距离判断依据。水平放置的传感器保证接收主机能在水平360o范围内感应目标信号。

该方案有很大的缺点，它的问题在于：

1.由于红外线的不可穿透性，在大多数应用场合，特别是室内场合，由于墙壁和物体反射等原因，造成信号传播过程中的多径干扰，传感器往往是同时接收到从多个角度反射过来的信号，并且信号发射强度越高，反射信号强度也越高，因此在多数时刻并不是只有一个方向的传感器接收到信号；

2.由于红外线的直线传播，在目标物和接收主机之间出现遮挡物时，真信号源的信号接收不到，若这时存在反射，则有可能反射后的信号被接收到，这就会导致目标方向和距离的误判断；

3.在对传感器状态的处理上，该方法忽略了传感器在前后时刻感应状态的相关性，当目标物以某点为中心来回移动时，会导致接收主机的反复抖动；

4.因为感应信号存在错误的可能，依靠传感器感应个数估计目标的距离信息，也就不可靠；

5.接收传感器采用光电二极管，对微弱红外光信号感应迟钝，限制了感应距离，同时要对传感器输出信号进行放大、整形、解码等处理，电路实现复杂，各元件参数依赖于手工调试；

因此，此方案的实际应用价值不高。

另外还缺少对多台装置进行自动控制和切换的功能。

同时，在该类设备中，除了上述专利外，还没有其他的技术手段的提出，没有更高可靠性的应用实例。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种实用性强，成本低，技术实现手段可靠，结构更合理的摄像机红外主动跟踪装置及采用该装置的摄像机控制系统。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种摄像机红外主动跟踪装置，包括产生并发射红外信号的发射端和接收端，所述接收端包括摄像机固定架和镜头定位装置，所述镜头定位装置包括无线接收装置和位置调整装置，所述无线接收装置包括电控装置，以及接收所述发射端发出的红外信号并根据该信号对目标位置进行分析判定的目标信号拾取器，所述位置调整装置包括垂直调整装置和水平调整装置，所述位置调整装置和摄像机固定架固定连接并可带动摄像机固定架进行垂直方向及水平方向转动，所述电控装置与所述目标位置分析器和位置调整装置电连接，其接收来自目标位置分析器的信号并向位置调整装置发出控制信号。

优选的，所述发射端包括MCU芯片和红外线发射管，所述MCU芯片产生间断的ID编码和38K-40KHZ载波进行调制后经所述红外发射管将该调制信号发出。

优选的，所述MCU芯片生成的I D编码为字节数和内容均可调的数字信号，其脉冲信号为100HZ以下的低频开关信号。

优选的，所述目标信号拾取器包括接收所述发射端发出的红外信号并聚焦为汇聚点的光学镜头和投影该红外信号汇聚点的成像面，所述成像面上设有红外传感器阵列，所述红外传感器阵列与所述电控装置电连接。

一种摄像机控制系统，包括服务器和至少一个所述的摄像机红外主动跟踪装置，所述服务器和所述摄像机红外主动跟踪装置电信号连接。

优选的，所述服务器和所述摄像机红外主动跟踪装置通过串行工业总线连接。

优选的，所述服务器设有无线接收装置，所述摄像机红外主动跟踪装置设有与所述无线接收装置匹配的无线发射装置。

优选的，所述摄像机红外主动跟踪装置还设有视频数据处理装置，所述视频处理数据装置的输入端与摄像机的视频信号输出端连接，其输出端与所述服务器电信号连接。

优选的，所述摄像机红外主动跟踪装置还设有调整摄像机镜头变焦的镜头调整装置，所述镜头调整装置设有与摄像机连接的控制接口，并与所述的服务器电信号连接。

优选的，所述服务器还设有切换来自于不同摄像机红外主动跟踪装置信号的镜头切换装置。

采用本技术方案的有益效果是：可对目标进行精确和可靠的跟踪拍摄，并可通过服务器对不同的摄像机进行集中控制和切换，设备结构简单，造价较低。

附图说明

图1为一种摄像机红外主动跟踪装置的示意图；

图2为一种摄像机红外主动跟踪装置发射端电路原理图；

图3为一种摄像机红外主动跟踪装置目标信号拾取器的结构图；

图4为一种摄像机红外主动跟踪装置红外光束投影原理图；

图5为目标方位和红外传感器状态对应关系示意图；

图6为一种摄像机红外主动跟踪装置的传感器信号检测电路原理图；

图7为一种摄像机红外主动跟踪装置系统功能模块逻辑关系图；

图8为一种摄像机红外主动跟踪装置接收端工作流程图；

图9为一种摄像机控制系统的示意图。

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1.发射端        2.接收端        21.摄像机    22.镜头定位装置

23.视频数据处理装置 24.镜头调整装置          25.摄像机固定架

220.目标信号拾取器  221.电控装置             222.垂直调整装置

223.水平调整装置    2211.传感器信号检测电路  3.服务器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1，

如图1所示，一种摄像机红外主动跟踪装置，包括产生并发射红外信号的发射端1和接收端2。

如图2所示，发射端1包括MCU芯片和红外线发射管，MCU芯片产生间断的ID编码和38K-40KHZ载波进行调制后经所述红外发射管将该调制信号发出，MCU芯片生成的ID编码为字节数和内容均可调的数字信号，其脉冲信号为100HZ以下的低频开关信号。

如图1所示，接收端包括摄像机固定架25和镜头定位装置22，镜头定位装置22包括无线接收装置和位置调整装置，其中，无线接收装置包括电控装置221，以及接收发射端1发出的红外信号并根据该信号对目标位置进行分析判定的目标信号拾取器220；位置调整装置包括垂直调整装置222和水平调整装置223，位置调整装置和摄像机固定架25固定连接并可带动摄像机固定架进行垂直方向及水平方向转动；电控装置221与目标位置分析器220和位置调整装置电连接，其接收来自目标位置分析器220的信号并向位置调整装置发出控制信号。摄像机固定安装于摄像机固定支架上。

目标信号拾取器220包括接收发射端1发出的红外信号并聚焦为汇聚点的光学镜头2201和投影该红外信号汇聚点的成像面2202，所述成像面上设有红外传感器阵列，红外传感器阵列与电控装置221电连接。

其工作原理是，发射端作为红外源固定在目标身上，其电路原理如图2示，安装电池后获得电压9V，打开开关J0，经过U2即电源管理芯片7805即可提供整个电路工作所需的稳定可靠的5V电压输出。采用微处理器U1作为信号发生器件，U1为可编程单片机，在内部RAM固化该芯片编号，编号为若干字节的数字编码，通过预先烧写到U1内部的程序，在U1内部生成模拟38KHZ载波，并输出以芯片编号经过38KHZ调制后的复合信号波形，从11脚TXD端输出。U1需要外部工作电路包括两部分，一是由C2C3和Y1组成的波形发生晶振电路，二是由C1和R1组成的提供U1起始复位信号的振荡电路。由U1生成的波形，送入驱动电路，即由输入电阻R5，NPN三极管Q1、限流电阻R6组成共射极放大电路，驱动红外发光二极管IRTX1。为获得更大的发射场角，采用多个红外发光管串联，并联电阻R10起分压作用。J0为电源输入接口，连接9V电池，U2为电源变换器件，提供稳定可靠的5V电压输出。

区别于一般红外编码信号，U1间断输出波形，每个发射端芯片有唯一的ID编码信息，以此来作为识别特征。发射端限流电阻R6可调，可变工作功率，实现了功率和发射距离的线性对应，从而实现能量的优化控制。

接收端包括摄像机固定架25和镜头定位装置22，镜头定位装置22包括无线接收装置和位置调整装置，其中，无线接收装置包括电控装置221，以及接收发射端1发出的红外信号并根据该信号对目标位置进行分析判定的目标信号拾取器220；位置调整装置包括垂直调整装置222和水平调整装置223，位置调整装置和摄像机固定架25固定连接并可带动摄像机固定架进行垂直方向及水平方向转动；电控装置221与目标位置分析器220和位置调整装置电连接，其接收来自目标位置分析器220的信号并向位置调整装置发出控制信号。摄像机固定安装于摄像机固定支架上。如图3所示，水平调整装置223包括下边作为整个系统支撑部分的底盘和水平步进电机，主轴及其支撑轴承安装在底座上面，主轴与水平电机通过传动皮带相连。摄像机和目标信号拾取器220位置相对固定，均安装在摄像机固定架25上，垂直调整装置222包括垂直步进电机，摄像机固定架25的安装轴连接垂直步进电机的输出轴，可以上下转动。电控装置的节点电路板置于摄像机固定支架设有的机壳内侧，用于调整摄像机视场，并通过连接线控制水平步进电机和垂直步进电机的转动。

目标位置分析器220采用了特制的视场分辨传感器，以接收，检测发射端1的红外信号，获得目标方位。结构如图3所示，目标信号拾取器220包括接收发射端1发出的红外信号并聚焦为汇聚点的光学镜头2201和投影该红外信号汇聚点的成像面2202，所述成像面上设有红外传感器阵列，红外传感器阵列与电控装置221电连接。发射端1发出的红外线，经过光学镜头2201射入镜筒，投影到成像面上设有的红外传感器阵列上，选取红外波长为940nm，此值远小于光孔直径，可以忽略红外光的衍射效应。传感器规则分布，光窗呈圆形，围绕中心传感器二维分布。

如图4所示，选用凸透镜作为光学镜头2201的物镜，将视场范围内的物体反射光线或光源，映射成光线系统内的实像，同时，凸透镜的会聚特性增强了后续传感器单位感应面积上的光强，提高了系统的光感能力。如图5所示，P为一个发光点，和凸透镜中轴的垂直距离为H，凸透镜焦距为f，直径为D，物距和像距分别为u，v。由凸透镜成像原理可得，位于2f以外的点光源的发射光束经过凸透镜后，会在f与2f之间成一个倒立缩小的实像P’。如果此时在透镜与像点之间插入一接收屏，则透镜的出射光束会在屏上投影成一个光斑，光束的横截面近似为圆形，直径d如图中NN’所示。

那么，当物距u与焦距f已知时，由透镜成像公式

$\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}$

可得像距为：

$v=\frac{\mathrm{fu}}{u-f}$

作透镜边缘光线构成出射光束剖面三角形P’MM’和P’NN’，显然有MM’//NN’，可得两个三角形相似关系，ΔPNN’≌ΔP’MM’，有

$\frac{{\mathrm{NN}}^{\′}}{{\mathrm{MM}}^{\′}}=\frac{d}{D}=\frac{v-L}{L}$

进一步推导出光斑直径：

$d=\frac{(v-L)D}{L}$

将像距计算代入上式，从而得：

$d=\frac{\mathrm{fu}-L(u-f)D}{\mathrm{fu}}$

设光斑中心坐标与凸透镜中轴垂直距离为a，则得到：

$a=\frac{\mathrm{HL}}{u}$

由透镜的绕圆不变形可知，此光路分析也具有三维空间的旋转不变性，因此可推广到整个视场。

图5所示，为目标方位与红外传感器阵列状态的映射关系。a、b、c、d为空间内的四个坐标点，经过透镜后，光路反向扭转，形成镜像，投影到红外传感器阵列面，分别对应A、B、C、D。光斑投影到中心传感器时，目标出现在视场中心，当红外传感器都没有感应信号时，目标不在视场范围内，边缘传感器的状态作为目标追踪向量的产生依据。

当有目标信号进入镜筒时，形成光斑，覆盖红外传感器阵列面上若干个红外传感器HS0038，HS0038将红外光电二极管、低噪音放大器、限幅器、带通滤波器、解调器，以及整形驱动电路等集成在一起，当载波为38KHz-40KHz的红外光信号进入该传感器光窗时，在其信号管脚便输出将载波解调后的调制信号，并送给电控装置设有的传感器信号检测电路2211。

传感器信号检测电路2211如图6所示。经过解调后的信号，即发射端1微控制器的编码信号，通过RXd管脚送入微处理器UM06，通过UM06内部的移位寄存器进行存储，以及比较电路进行比较运算，可以判断该编码信号是否属于既定目标，若是则将19脚电平置低，若不是，则将19脚电平置高。

红外传感器阵列面上的光斑信息，通过与红外传感器分别相连接的多路传感器信号检测电路2211而转换成反映目标的有无的高低电平信号输出，并送入电控装置的系统主处理器，运行于系统主处理器中的程序，按照既定算法，判断光斑的移动方向和速度。之后，产生运动控制信号，控制水平步进电机和/或垂直步进电机转动一定角度，使得光斑保持在阵列面中心位置，对应到视场空间中，就是目标始终定位在视场中心。

整个系统的功能模块如图7所示。摄像机将视频信号送入视频处理电路，按帧格式进行目标轮廓提取。计算轮廓大小在整个画面中的比例，按照已设定比例调整，获得对目标物的适当倍数对焦。

图8所示为系统的工作流程。系统上电，初始化系统参数，等待接收运行命令，确定是否运行跟踪模式，若选择自动跟踪，接收端开始检测传感器阵列输出的信号分布状态，通过时域滤波消除抖动，获得准确的的目标方向，并与自身运动方向进行比较。当目标处于正前方时，进入中断处理，保存当前状态值，否则修正运动轨道。

目标运动状态判断算法。定向的灵敏度和MCU的采样频率相关，定向的稳定度和传感器采样数据的平滑程度有关。所以，系统决策的关键在于对传感器状态向量L{S1，S2，S3…，ST}(ST为T时刻的传感器状态)的数字滤波。考虑到红外传播的无穿透性和遮挡的随机干扰，采用了中位值平均滤波法，即连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值。融合了平均滤波和中位置滤波的两种方法的优点，既有效防止了偶然出现的脉冲性干扰，又消除了向量状态突变时的采样值偏差。

实施例2，

如图9所示，一种摄像机控制系统，包括服务器3和至三个实施例1的摄像机红外主动跟踪装置，服务器3和摄像机红外主动跟踪装置电信号连接。

服务器3和三个摄像机红外主动跟踪装置分别通过串行工业总线连接。

摄像机红外主动跟踪装置还设有视频数据处理装置，视频处理数据装置的输入端与摄像机的视频信号输出端连接，其输出端与所述服务器电信号连接。

摄像机红外主动跟踪装置还设有调整摄像机镜头变焦的镜头调整装置，镜头调整装置设有与摄像机连接的控制接口，并与服务器3电信号连接。

服务器3还设有切换来自于不同摄像机红外主动跟踪装置信号的镜头切换装置。

工作原理是，服务器3由电脑系统和控制软件组成，可以实施监控每台摄像机红外主动跟踪装置上摄像机的工作状态，并接收和储存来自于视频数据处理装置发来的摄像机录制的视频信号，服务器3可以任意在播放窗口切换播出不同摄像机拍摄的画面，并可根据需要，通过镜头调整装置实时调整每台摄像机的镜头焦距等参数，以获得最佳的拍摄效果。这样可实现一个人同时控制不同视角的多个摄像机的跟踪拍摄工作，并能进行镜头切换和焦距调整等工作。

实施例3，

其余与实施例2相同，不同之处在于，服务器3设有无线接收装置，摄像机红外主动跟踪装置设有与无线接收装置匹配的无线发射装置。即摄像机红外主动跟踪装置和服务器3之间通过无线信号进行数据传输和控制。

采用本技术方案的有益效果是：可对目标进行精确和可靠的跟踪拍摄，并可通过服务器对不同的摄像机进行集中控制和切换，设备结构简单，造价较低。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种摄像机红外主动跟踪装置，包括产生并发射红外信号的发射端和接收端，其特征在于，

所述接收端包括摄像机固定架和镜头定位装置，所述镜头定位装置包括无线接收装置和位置调整装置，所述无线接收装置包括电控装置，以及接收所述发射端发出的红外信号并根据该信号对目标位置进行分析判定的目标信号拾取器，所述位置调整装置包括垂直调整装置和水平调整装置，所述位置调整装置和摄像机固定架固定连接并可带动摄像机固定架进行垂直方向及水平方向转动，所述电控装置与所述目标位置分析器和位置调整装置电连接，其接收来自目标位置分析器的信号并向位置调整装置发出控制信号。

2.根据权利要求1所述的摄像机红外主动跟踪装置，其特征在于，所述发射端包括MCU芯片和红外线发射管，所述MCU芯片产生间断的ID编码和38K-40KHZ载波进行调制后经所述红外发射管将该调制信号发出。

3.根据权利要求1所述的摄像机红外主动跟踪装置，其特征在于，所述MCU芯片生成的ID编码为字节数和内容均可调的数字信号，其脉冲信号为100HZ以下的低频开关信号。

4.根据权利要求1到3任一所述的摄像机红外主动跟踪装置，其特征在于，所述目标信号拾取器包括接收所述发射端发出的红外信号并聚焦为汇聚点的光学镜头和投影该红外信号汇聚点的成像面，所述成像面上设有红外传感器阵列，所述红外传感器阵列与所述电控装置电连接。

5.一种采用权利要求1所述的摄像机红外主动跟踪装置的摄像机控制系统，其特征在于，包括服务器和至少一个所述的摄像机红外主动跟踪装置，所述服务器和所述摄像机红外主动跟踪装置电信号连接。

6.根据权利要求5所述的摄像机控制系统，其特征在于，所述服务器和所述摄像机红外主动跟踪装置通过串行工业总线连接。

7.根据权利要求5所述的摄像机控制系统，其特征在于，所述服务器设有无线接收装置，所述摄像机红外主动跟踪装置设有与所述无线接收装置匹配的无线发射装置。

8.根据权利要求5到7任一所述的摄像机控制系统，其特征在于，所述摄像机红外主动跟踪装置还设有视频数据处理装置，所述视频处理数据装置的输入端与摄像机的视频信号输出端连接，其输出端与所述服务器电信号连接。

9.根据权利要求8所述的摄像机控制系统，其特征在于，所述摄像机红外主动跟踪装置还设有调整摄像机镜头变焦的镜头调整装置，所述镜头调整装置设有与摄像机连接的控制接口，并与所述的服务器电信号连接。

10.根据权利要求8所述的摄像机控制系统，其特征在于，所述服务器还设有切换来自于不同摄像机红外主动跟踪装置信号的镜头切换装置。

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