CN102497507A - 基于图像分析的云台预置位控制方法 - Google Patents

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张游杰
马俊明
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Abstract

本发明涉及一种基于图像分析的云台预置位控制方法。本发明主要是解决现有云台预置位精度不准确和预置位点数少的技术问题。本发明的技术方案是：基于图像分析的云台预置位控制方法，其包括下列步骤：1）设置硬预置位；2）设定软预置位；3）当云台摄像机离开软预置位并需要再次回到该软预置位时，按照以下步骤进行：a.首先回到步骤1）中设置的硬预置位，b.记录云台摄像机当前位置的图片，c.对刚记录的当前图片与软预置位的模板图片进行图像分析与比较，确定这两幅图片的位置偏差；d.根据记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，分别计算出云台摄像机的水平转动时间和垂直转动时间，直到两幅图片的位置偏差x=0、y=0即云台摄像机准确回到该软预置位。

Description

基于图像分析的云台预置位控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于图像分析的云台预置位控制方法，它属于一种视频监控系统自动控制的方法。
背景技术
在视频监控系统中为了快速准确地定位到目标点需要对云台摄像系统采取预置位定位的方法。监控人员预先将云台摄像机对准目标位置，并将此位置设置为预置位。监控人员在需要定位到此目标位置时，只需要向云台控制系统发送定位到预置位的命令就可以快速定位到目标位置，准确地找到目标。但是，传统视频监控系统所用的中型、重型云台预置位精度都不太高，并且预置位点数一般小于256个，不能满足一些特殊场合精确控制的要求。
发明内容
本发明的目的是解决现有的云台预置位精度不准确和预置位点数少的技术问题，提供一种云台预置位精度准确、预置位点数多和成本低的基于图像分析的云台预置位控制方法。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：基于图像分析的云台预置位控制方法，其包括下列步骤：
1）设置硬预置位：将云台摄像机本身自带的预置位设为硬预置位，并在硬预置位中圈定的若干个目标里选定要观测的对象；
2）设定软预置位：移动云台摄像机，使要观测的对象位于云台摄像机视频图片的中心，并将该图片作为软预置位的模板图片信息储存在计算机上；
3）当云台摄像机离开软预置位并需要再次回到该软预置位时，按照以下步骤进行：
a.首先回到步骤1）中设置的硬预置位，
b.记录云台摄像机当前位置的图片，
c.对刚记录的当前图片与软预置位的模板图片进行图像分析与比较，确定这两幅图片的位置偏差，以(x,y)记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，偏差以像素为单位；
d.根据记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，按照下列公式：
分别计算出云台摄像机的水平转动时间和垂直转动时间，并控制云台摄像机水平和垂直运动，直到两幅图片的位置偏差x=0、y=0即云台摄像机准确回到该软预置位；
公式中：
Figure 711848DEST_PATH_IMAGE002
是云台摄像机从启动到停止所用的总时间；
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE003
为启停时间即启动阶段和停止阶段所用的时间之和；
Figure 823024DEST_PATH_IMAGE004
是两幅图片在水平或垂直方向的偏差，以像素为单位；
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE005
为启停像素即启动阶段和停止阶段图像移动的距离之和,以像素为单位；
Figure 771388DEST_PATH_IMAGE006
为云台匀速转动阶段中转速，单位为 
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE007
。
所述当前图片与模板图片的位置偏差是指在模板图片中选取位于中心部位的一小块作为模板，并在当前图片中搜索与该模板最相似的同样大小的图片的位置，该图片的中心与当前图片的中心的偏差就是当前图片与模板图片的位置偏差。
由于本发明采用了上述技术方案，极大的提高了预置位的个数和精度。因此，与背景技术相比，本发明具有下列优点：
1、定位精度高：由于每次云台快速定位到预置位都可以保证当前图片与模板图片完全重合，因此具有非常高的定位精度,并且不会出现累计误差。
2、预置位数量多：由于云台摄像系统所拍摄的任意图片均可作为一个预置位进行保存，因此，理论上可达无穷多预置位。
3、性能价格比高：本方法对云台设备本身性能及精度要求不高，可适用于普通带预置位的云台摄像机系统，可以用低成本的设备实现高精度的控制。
附图说明
图1是本发明定位到软预置位流程图；
图2是本发明模板图片与当前图片位置偏差计算示意图。
具体实施方式
本实施例中的基于图像分析的云台预置位控制方法，其包括下列步骤：
1）设置硬预置位：将云台摄像机本身自带的预置位设为硬预置位，并在硬预置位中圈定的若干个目标里选定要观测的对象；
2）设定软预置位：移动云台摄像机，使要观测的对象位于云台摄像机视频图片的中心，并将该图片作为软预置位的模板图片信息储存在计算机上；
3）当云台摄像机离开软预置位并需要再次回到该软预置位时，按照以下步骤进行：
a.首先回到步骤1）中设置的硬预置位，
b.记录云台摄像机当前位置的图片，
c.对刚记录的当前图片与软预置位的模板图片进行图像分析与比较，确定这两幅图片的位置偏差，以(x,y)记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，偏差以像素为单位；
d.根据记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，按照下列公式：
Figure 674098DEST_PATH_IMAGE001
分别计算出云台摄像机的水平转动时间和垂直转动时间，并控制云台摄像机水平和垂直运动，直到两幅图片的位置偏差x=0、y=0即云台摄像机准确回到该软预置位；
公式中：
Figure 770230DEST_PATH_IMAGE002
是云台摄像机从启动到停止所用的总时间；
Figure 419517DEST_PATH_IMAGE003
为启停时间即启动阶段和停止阶段所用的时间之和；是两幅图片在水平或垂直方向的偏差（图像移动的总像素），以像素为单位；
Figure 361245DEST_PATH_IMAGE005
为启停像素即启动阶段和停止阶段图像移动的距离之和,以像素为单位；
Figure 944673DEST_PATH_IMAGE006
为云台匀速转动阶段中转速，单位为 
Figure 132072DEST_PATH_IMAGE007
。
所述当前图片与模板图片的位置偏差是指在模板图片中选取位于中心部位的一小块作为模板，并在当前图片中搜索与该模板最相似的同样大小的图片的位置，该图片的中心与当前图片的中心的偏差就是当前图片与模板图片的位置偏差。
下面对上述步骤中的关键步骤作进一步的详细描述：
一、软预置位和硬预置位的关系
本发明软预置位与硬预置位的关系为：
预置位指的是预先设定好的云台摄像机的位置。硬预置位指的是云台本身所带的预置位。云台可以设置多个硬预置位。云台摄像机在每个硬预置位所拍摄的视频图片中，任意一点均可作为一个要观测的对象。当控制云台摄像机将要观测的对象移动至视频图片的中心时，此云台摄像机所处的位置就可以设定为一个软预置位。
二、设定软预置位
软预置位的设定步骤为：
1)控制云台摄像机转到圈定有要观测的对象的硬预置位；
2)控制云台摄像机转动，使要观测的对象位于云台摄像机视频图片的中心； 
3)将当前位置设为软预置位，保存其信息,其信息包括以下内容:
  模板图片：将步骤2)中所述的视频图片作为模板图片；
  软预置位标识：用于唯一标识当前软预置位；
  硬预置位标识：用于标识当前软预置位对应的硬预置位，此硬预置位是步骤1)中所到达的硬预置位。
三、定位到软预置位
定位到软预置位的流程如图1,其步骤为：
1)根据软预置位信息中存储的硬预置位标识控制云台摄像机转到对应的硬预置位；
2)记录此时的视频图片，并存放到一个临时文件中，称为当前图片；
3)计算当前图片与模板图片的位置偏差，如果水平方向与垂直方向偏差均为0 (或小于给定值)则认为到达了软预置位，直接退出；否则进入步骤4）；
4)根据水平偏差和云台水平转动速度计算出需要转动的方向（左转或右转）和时间；
5)根据计算出的转动方向和时间控制云台水平转动；
6)再记录此时的视频图片，并存放到当前图片中；
7)计算当前图片与模板图片的位置偏差, 如果水平方向与垂直方向偏差均为0 (或小于给定值)则认为到达了软预置位，直接退出；否则进入步骤8）；
8)根据垂直偏差和云台转动垂直速度计算出需要转动的方向（上转或下转）和时间；
9) 根据计算出的转动方向和时间控制云台垂直转动；
10) 转到步骤2),进入下一个控制循环。
四、计算图像偏差的方法
在定位到软预置位的步骤中，步骤3)和步骤7)需要计算当前图片和模板图片的位置偏差。
本发明中采用了最大互相关匹配法进行图像分析来计算当前图片与模板图片的位置偏差。
最大互相关匹配法模型如下：设
Figure 117346DEST_PATH_IMAGE008
为一幅大小为
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE009
的图像(记为
Figure 364787DEST_PATH_IMAGE010
)，是一幅的模板图像(记为
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE013
)，系统根据相关匹配在
Figure 364284DEST_PATH_IMAGE014
中找出与
Figure 204064DEST_PATH_IMAGE013
相匹配的子块。
用
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 622407DEST_PATH_IMAGE010
中以为左上角点与大小相同的
Figure 400986DEST_PATH_IMAGE010
的子块同时也表示该子块对应的矩阵，即
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE017
Figure 990230DEST_PATH_IMAGE018
  
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE019
    公式(4.1)
表示
Figure 243805DEST_PATH_IMAGE015
与
Figure 792598DEST_PATH_IMAGE013
的相关系数，具体定义如下：
           
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE021
                             公式(4.2)
     其中
Figure 818323DEST_PATH_IMAGE022
为的方差，
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE023
为的方差，
Figure 562922DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 780056DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 534386DEST_PATH_IMAGE013
的协方差：从而
            
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE025
                     公式(4.3)
            
Figure 209080DEST_PATH_IMAGE026
                         公式(4.4)
            
Figure DEST_PATH_IMAGE027
        公式(4.5)
其中，
Figure 670149DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure DEST_PATH_IMAGE029
分别表示图像
Figure 975359DEST_PATH_IMAGE015
和的灰度均值，
Figure 429791DEST_PATH_IMAGE030
是中第i行j列像素的灰度值，是
Figure 346112DEST_PATH_IMAGE013
中第i行j列像素的灰度值。
如果很大或接近1，则表明图像
Figure 91531DEST_PATH_IMAGE013
在
Figure 524262DEST_PATH_IMAGE016
点与图像
Figure 30330DEST_PATH_IMAGE014
匹配。
 对于一幅给定的图象,需要从左上角开始扫描，一直到右下角，共需要记录
Figure 66736DEST_PATH_IMAGE032
个
Figure 356903DEST_PATH_IMAGE020
,其最大值对应的
Figure 299451DEST_PATH_IMAGE016
点就是与图像
Figure 737386DEST_PATH_IMAGE014
匹配的点。
本发明中，最终需要得到的结果是两幅图片分别在水平和垂直方向的偏差值。其方法如下：
如图2所示的两幅图片中，
Figure 95686DEST_PATH_IMAGE010
为当前图片，B为模板图片中心的小部分区域，
Figure 568255DEST_PATH_IMAGE015
是
Figure 353809DEST_PATH_IMAGE010
中任意一个大小与B完全相同的一块区域。按上述方法对图像
Figure 279039DEST_PATH_IMAGE014
进行扫描，确定最大的
Figure 441031DEST_PATH_IMAGE020
对应的
Figure 768107DEST_PATH_IMAGE015
的中心坐标，此中心坐标与图像的中心坐标相减，就可得出当前图片与模板图片的偏差(cx,cy)。
五、计算云台转动速度与转动时间的方法
在定位到软预置位的步骤中，步骤4)和步骤8)需要根据像素偏差计算出云台水平或垂直转动的时间，这就需要首先计算出云台转动的速度。速度分为水平转速和垂直转速。本发明中，云台转速以像素/毫秒（pixel/ms）为单位。
云台转速的计算方法如下：
   首先假设云台转动分为三个阶段，启动、匀速转动、停止。
再假设启停时间（启动阶段和停止阶段所用的时间之和）为
Figure 402667DEST_PATH_IMAGE003
,启停像素(启动阶段和停止阶段图像移动的距离之和,以像素为单位)为
Figure 102770DEST_PATH_IMAGE005
，云台匀速转动阶段中转速为
Figure 284353DEST_PATH_IMAGE006
 (单位为 
Figure 674358DEST_PATH_IMAGE007
)。由此，可得到以下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
                   公式(5.1)
其中:
Figure 511864DEST_PATH_IMAGE002
是云台从启动到停止所用的总时间；
Figure 77975DEST_PATH_IMAGE034
为匀速转动阶段所占用的时间；
      
Figure 114064DEST_PATH_IMAGE004
是图像移动的总像素；
为匀速转动阶段中图像移动的像素。
假设两次实验云台转动的时间分别为
Figure 677900DEST_PATH_IMAGE036
,
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，图像移动的像素分别为
Figure 2703DEST_PATH_IMAGE038
,
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。将这两次实验的值分别代入公式(5.1)，则可得出公式(5.2)与公式(5.3)：
   
Figure 44608DEST_PATH_IMAGE040
               公式(5.2)
               公式(5.3)
由公式(5.2)变换后可得：
           公式(5.4)
由公式(5.3)变换后可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
           公式(5.5)
公式(5.5)与公式(5.4)等号左右分别相减，可得：
Figure 873204DEST_PATH_IMAGE044
           公式(5.6)
公式(5.6)变换后可得到云台匀速转动过程中的转速
Figure 419723DEST_PATH_IMAGE006
,见公式(5.7)：
Figure DEST_PATH_IMAGE045
               公式(5.7)
公式(5.4)变换后可得:
Figure 527968DEST_PATH_IMAGE046
              公式(5.8)
设
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，可得出公式(5.9)
               公式(5.9)
当需要转动到预置位时，只需判断当前图片与模板图片的像素偏差（假设为
Figure 444289DEST_PATH_IMAGE004
），就可用以下公式计算出云台需要转动的时间
Figure 478104DEST_PATH_IMAGE002
。
由公式(5.1)变换可得：
    
Figure 2011104109654100002DEST_PATH_IMAGE049
    公式(5.10)
以某云台、镜头、摄像机转动为例，在最小变倍情况下，转动的像素值为
Figure DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 992579DEST_PATH_IMAGE052
转动像素值为
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，代入公式(5.7)可得出云台匀速转动过程中转速：
Figure 69119DEST_PATH_IMAGE054
代入公式(5.9)可得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE055
如果当前图片与模板图片的像素差为51,则根据公式(5.10)可得出云台需要转动的时间:
   
Figure 590231DEST_PATH_IMAGE056
此时，只需要向云台发命令水平转动即可达指定位置。
在实际操作中,
Figure 777629DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 762903DEST_PATH_IMAGE058
可多次测量取均值,这样可提高精度。
本发明可适用于任何带预置位的普通云台，不需要增加额外的硬件；控制端可以采用普通的计算机。 

Claims (2)

1.一种基于图像分析的云台预置位控制方法，其特征是：它包括下列步骤：
1）设置硬预置位：将云台摄像机本身自带的预置位设为硬预置位，并在硬预置位中圈定的若干个目标里选定要观测的对象；
2）设定软预置位：移动云台摄像机，使要观测的对象位于云台摄像机视频图片的中心，并将该图片作为软预置位的模板图片信息储存在计算机上；
3）当云台摄像机离开软预置位并需要再次回到该软预置位时，按照以下步骤进行：
a.首先回到步骤1）中设置的硬预置位，
b.记录云台摄像机当前位置的图片，
c.对刚记录的当前图片与软预置位的模板图片进行图像分析与比较，确定这两幅图片的位置偏差，以(x,y)记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，偏差以像素为单位；
d.根据记录两幅图片的水平和垂直方向的偏差，按照下列公式：
Figure 848284DEST_PATH_IMAGE001
分别计算出云台摄像机的水平转动时间和垂直转动时间，并控制云台摄像机水平和垂直运动，直到两幅图片的位置偏差x=0、y=0即云台摄像机准确回到该软预置位；
公式中：
Figure 909781DEST_PATH_IMAGE002
是云台摄像机从启动到停止所用的总时间；
Figure 131815DEST_PATH_IMAGE003
为启停时间即启动阶段和停止阶段所用的时间之和；
Figure 544341DEST_PATH_IMAGE004
是两幅图片在水平或垂直方向的偏差，以像素为单位；
Figure 510023DEST_PATH_IMAGE005
为启停像素即启动阶段和停止阶段图像移动的距离之和,以像素为单位；为云台匀速转动阶段中转速，单位为 。
2.根据权利要求1所述的基于图像分析的云台预置位控制方法，其特征是：所述当前图片与模板图片的位置偏差是指在模板图片中选取位于中心部位的一小块作为模板，并在当前图片中搜索与该模板最相似的同样大小的图片的位置，该图片的中心与当前图片的中心的偏差就是当前图片与模板图片的位置偏差。
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