CN102801963A - 基于高清数字摄像头监控的电子ptz方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高清摄像头监控的电子PTZ方法及装置，通过获取高清数字视频流，然后对已获取的高清视频流解码得到高清数字视频流帧图像，而后对该高清数字视频流帧图像进行电子PTZ控制，获取预定活动窗口内的帧图像，即将传统中PTZ控制云台的方法运用到图像处理上，只要获得的图像足够大和分辨率足够多，就能保证获得大场景视频信号流，同时可选择大场景图像中的预定的小场景，并放大到预定的分辨率进行显示，保证小场景不失真，通过这种对获取的高清数字图像信息进行PTZ处理，可以同时获得任一时刻的大场景和小场景。

Description

基于高清数字摄像头监控的电子PTZ方法及装置

技术领域

本发明涉及到视频处理技术领域，具体是一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ方法及装置。

背景技术

近年来，随着电子产业尤其是新型传感器和大规模存储设备的迅猛发展，视频监控技术以其便利性、实时性和灵活性越来越受到人们的青睐，它通过架设摄像头，采集实时现场影像，并将影像通过链路传输至特定地点，使用人将该影像还原显示，从而能够在远端看到现场的实时状态。当不同的多个现场架设的摄像头将其采集的实时影像传输到某一固定的集中地点时，该地点即成为可以随时察看接入的任何一个地点实时影像的中心，这一特点成为所有行业（包括公共安全、交通等）建立指挥中心的基础。视频监控技术已成为人们视觉感知的延伸，使人们可以无需身处其境而能够随时了解某一地点的场景现状。

摄像头采集现场（也称“前端”）动态影像并传输到远端（也称“后端”）某一地点是通过帧图像序列来实现的。即摄像头以某一固定的间隔时间持续采集现场的图像（照片），形成一个连续的图像序列（一般称之为帧图像序列），并将该图像序列传输到远端后按原有的顺序依次显示出来，由于人眼的感光延迟效应，便能够感知到连续的、动态的变化，从而达到将现场动态影像传输到远端的效果。这种由摄像头在现场采集并传输到远端进行显示的帧图像序列一般称之为视频信号。因此，视频信号是由帧图像组成的。这里的视频信号仅指前端的帧图像采集和后端的帧图像显示这一机制，并不限定前端与后端之间的传输路线或方式，因此视频信号的传输可以采用各种不同的传输方式和传输形式，包括模拟信号传输、数字信号传输、编码传输、光纤传输等。

在视频监控技术解决了非现场视觉感知的问题之后，人们已不再满足于原有的标准模拟摄像头的视频清晰度了。标准模拟摄像头受其感光技术和信号标准的制约，只能获得约40万左右像素分辨率的视频质量，即一幅场景图像只包含约40万左右个像素点来展现其视觉信息。当需要从视频中查看具体细节时，由于需要更多的像素来展现所察看目标的细节特征，整个视频的视野范围将会局限在一个较小的范围。当需要获得较大场景的整体视频时，对于场景内的某一较小目标则由于所占到的像素数量少而无法展现出更为具体的细节。因此，传统的模拟摄像头视频无法兼顾“大场景”和“小细节”两方面的需求。为解决这一矛盾，高清数字监控技术得到迅速发展。

高清数字监控技术的基础是高清数字摄像头（以下简称为“高清摄像头”）。高清摄像头能够输出高分辨率的数字视频信息。与模拟摄像头输出模拟视频信号不同，高清摄像头输出的视频信息采用数字方式，具有传输远、抗干扰性强等特点。而与模拟摄像头最大的区别在于，高清摄像头输出的数字视频信息是高分辨率的，目前常见的高清摄像头分辨率已达到500万左右像素数，即由约500万个像素点组成一幅帧图像，通过这种摄像头看到的现场视频在覆盖较大的视野范围的情况下，对于视野内的某一较小的目标，也能够分配较多数量的像素来展现其细节特征，解决了“大场景”与“小细节”兼顾的问题。由于高清摄像头输出的视频信号有很高的分辨率，即每一帧图像所含的像素数很多，而随着技术的发展，其包含的像素数还会越来越多，目前已出现了亿级像素分辨率的高清摄像头。然而，虽然摄像头的分辨率不断上升，使视频画面的细节表现能力越来越强，但对于视频显示方面的技术现状却落后于视频采集技术。目前号称“全高清”的显示屏通常最高能够支持到1080P显示分辨率。1080P是一种视频显示格式，是美国电影电视工程师协会（SMPTE）制定的最高等级高清数字电视的格式标准，其有效显示格式为1920×1080，像素数约为200万左右（207.36万）。作为目前所制定的最高等级高清数字电视格式的标准，也就意味着对于单显示屏而言，其支持的最高显示分辨率即为200万左右，如果需要有更多像素的视频需要在单显示屏上进行显示，则需要将其分辨率降低至1080P的格式才能显示（当然，这种降低分辨率的过程属于长宽等比降低，以便于不会产生畸变）。例如，当需要在单显示屏上显示一路500万像素的视频时，必须将视频的分辨率降低至1080P才能显示，否则显示屏上无法提供这么多的像素点来一一对应显示500万像素视频的每一个分辨率点，这必然造成显示过程中的细节的损失。

解决这一问题的办法是采用多屏显示技术，即同时使用多个显示屏组合来同时显示一路高清视频。组合显示需要有一定的视频处理技术，本发明申请书不作涉及，而就组合显示的结果而言，一路高清视频显示在多个显示屏上，以便能够将高清视频中的每一个像素点都能有一个显示像素点与之对应显示。此时显示一路高清视频（指分辨率大于1080P的视频）需要多个显示屏，但一般来说人们所关注的却只是该视频场景中的一部分区域或一个较小的目标，而其他并不关心的区域却必须占据其他几个显示屏，这相当于显示资源的浪费。

中国专利文献CN101370128A公开了一种智能视频监控系统，包括现场监控装置和监控中心服务器，所述现场监控装置含有驱动监控摄像机转动的云台；所述监控中心服务器包括视频接收装置、视频存储装置和命令发送装置，而且，所述监控中心服务器还包括云台控制装置，该装置由目标时间分析器和云台路径生成器组成，所述目标事件分析器生成监控目标事件的频度和云台姿态的关系信息，所述云台路径生成器根据该关系信息规划云台路径。该专利文献公开的监控系统由于将云台控制装置引入视频监控系统，动态分析监控现场目标事件的实时分布，并据此生成云台运动路径，可以有效捕捉目标事件。该专利文献中的云台控制通常采用PTZ协议实现，进而控制监控摄像机获得预定图像，其中，PTZ是Pan/Tilt/Zoom简写，代表云台全方位（上下、左右）移动及镜头变倍、变焦控制，PTZ协议是指Pan/Tilt/Zoom控制的一系列协议的统称；实现普通监控控制PTZ，一般采用多芯连线，控制器以开关触点控制云台、镜头各个方向的连接供电，以达到云台移动、镜头变倍的目的。该专利文献中公开的监控系统在捕捉目标事件时，满足了小细节的要求，但是却不能捕捉到大场景，整个监控视频就可能存在遗漏，导致监控空白区；同样，如果只是获得了大场景视频，则显示出来后就会造成细节的缺失，不能兼顾大场景和小细节。而且，该专利文献中通过控制云台的机械调整摄像机的PTZ，在任一时刻只能获得预定PTZ的视频图像，当需要获取其它PTZ的视频图像时，因时过境迁已无法实现。

发明内容

为此，本发明所要解决的是现有监控系统无法兼顾大场景和小细节的带来的监控缺失技术问题的技术问题，提供一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ方法，包括如下步骤：

S01，获取高清数字视频流并输出；

S02，对所述高清数字视频流进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

S03，获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头的视频分辨率；

S04，根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

S05，获取输出视频流的分辨率大小并输出；

S06，根据输出视频流分辨率大小对活动窗口对应的图像进行缩放处理，获得符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列并输出；

S07，将符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列进行编码处理，输出视频码流。

所述步骤S04中输出视频流的分辨率等于显示区域的分辨率，当显示区域为显示器的全屏时，显示区域的分辨率等于显示器本身的分辨率。

所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率的列数和行数比相同。

所述PTZ包括Pelco-P协议、Pelco-D协议及其他通用的PTZ协议。

所述步骤S06之后，还包括接收视频码流并显示的步骤。

同时提供一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ装置，包括：

高清数字摄像头，用于获取预定空间的高清数字视频流并输出；

高清数字解码器，接收所述高清数字视频流并进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

活动窗口定位器，用于获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头的视频分辨率；

活动窗口取值器，接收并根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

输出视频流分辨率获取器，用于获取输出视频流的分辨率大小并输出；

帧图像缩放器，对活动窗口内的图像根据输出视频流的分辨率大小进行缩放，得到符合视频流分辨率大小的帧图像序列并输出；

视频编码器，接收所述帧图像序列并进行编码处理，得到编码后的视频码流并输出。

所述输出视频流的分辨率等于显示区域的分辨率，当显示区域为显示器的全屏时，显示区域的分辨率等于显示器本身的分辨率。

所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率的列数和行数比相同。

所述PTZ包括Pelco-P协议、Pelco-D协议及其他通用的PTZ协议。

还包括一个用于接收并显示所述视频码流的监控显示器。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明中通过获取高清数字视频流，然后对已获取的高清视频流解码得到高清数字视频流帧图像，而后对该高清数字视频流帧图像进行电子PTZ控制，获取预定活动窗口内的帧图像，即将传统中PTZ控制云台的方法运用到图像处理上，只要获得的图像足够大和分辨率足够多，就能保证获得大场景视频信号流，同时可选择大场景图像中的预定的小场景，并放大到预定的分辨率进行显示，保证小场景不失真，通过这种对获取的高清数字图像信息进行PTZ处理，可以同时获得任一时刻的大场景和小场景。

选取活动窗口的位置小于或者等于输入的高清数字摄像头的视频分辨率，能保证选择的范围落在高清数字摄像头的获取的高清数字视频流帧图像的范围内，活动窗口的选择具有实际意义。

鉴于现有显示器的均为矩形，将活动窗口限定为矩形且限定活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率矩形等比例，能保证活动窗口选择的图像等比例方法，避免变形失真。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1本发明一个实施例的基于高清数字摄像头监控的电子PTZ装置结构框图；

图2为图1所示装置的工作流程图；

图3对比例方案一显示效果图；

图4对比例方案二显示效果图；

图5本发明实施例显示效果图；

图中附图标记表示为：1-高清数字摄像头，2－高清数字解码器，3－活动窗口取值器，4－帧图像缩放器，5－视频编码器，6－监控显示器，7－活动窗口定位器，8－输出视频流分辨率获取器。

具体实施方式

参见图1所示，作为本发明一个具体实施例的基于高清数字摄像头监控的电子PTZ装置，具体包括：

高清数字摄像头1，用于获取预定空间的高清数字视频流并输出，本实施例中，所述高清摄像头一台500万像素的高清摄像头，其分辨率大小为2996×2048；其中，本发明中高清摄像头指像素大于40万的摄像头；采用高清数字摄像头，可以获得分辨率高的大场景高清图像，大场景由监控的范围确定，可以保证获取的图像的完整性；高分辨率可以不失细节，为后续放大处理奠定了基础。

高清数字解码器2，用于接收所述高清数字视频流并进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

活动窗口取值器3，用于获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头1的视频分辨率；并且，所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率矩形等比例；由于“全高清”的显示屏最大显示分辨率为1080P，因此假设监控显示器的分辨率为1080P，则需要的输出视频流的分辨率为1080P，即分辨率大小为1920×1080，这样能够充分利用“全高清”显示屏的显示分辨率；作为一个具体实施例，选取的活动窗口大小为2996×1685，该活动窗口大小的长宽比与1080P相同，以便进行缩放时能够等比例无畸变缩放；同时，初始的活动窗口的宽与原始输入视频分辨率的宽是相同的，因此活动窗口的变化既不能左右移动，也不能放大，但由于1685<2048，因此可以上下移动。因此，控制活动窗口取值器3只能接收Up/Down指令（即上移/下移指令）和Zoom In指令（即放大指令），其中Up/Down指令可以控制活动窗口上移或者下移，Zoom In指令则可以“拉近”目标，即放大目标，实际效果上是将活动窗口缩小的指令；在这一初始状态下，几乎整个原视频场景（500万像素大小）都已被缩小至1080P分辨率下，此时原始像素细节是被部分丢弃的。

当活动窗口取值器3接收到Zoom In指令时，其按比例缩小活动窗口，假设缩小至2304×1296大小，此时该模块可同时接受Up/Down和Left/Right控制指令，控制活动窗口在2996×2014的场景内自由移动，直至到达某一边界为止（如活动窗口到达右边界时已不再响应Right控制指令，以保证活动窗口保持在原始分辨率大小范围内），这种效果如同一个透视窗口在原视频场景中移动一样，除这一透视窗口之外的场景是看不见的，但可以通过发出Up/Down和Left/Right控制指令平移窗口去查看，类似于上下左右移动摄像头云台的。

当活动窗口被缩小至2304×1296时，帧图像缩放器4将其像素进行缩小运算，与活动窗口大小参数为2996×1685时相比，从视觉上来看，其场景中的目标大小是略大的，也即是说，通过Zoom In操作，场景中的目标“变大”了，而这也正是真实的PTZ云台控制操作后的效果。

当活动窗口取值器3继续接收到Zoom In指令，使活动窗口大小正好缩小至1080P大小，此时帧图像缩放器4已无需再做任何缩放操作，因为活动窗口大小与输出视频分辨率大小是完全一致的，其像素点是1：1完全一一对应的。

假设活动窗口取值器3继续接收到Zoom In指令，使活动窗口大小缩小至960×540大小，此时需要做放大操作，将活动窗口范围内的像素长宽各放大一倍，成为1080P分辨率输出。此时从视觉上查看输出视频，感觉场景内的目标大小比原始视频场景中的目标大小长宽各增大一倍，这种效果完全近似于数码相机中使用的“数字变焦”技术产生的效果。

在任何时候，活动窗口取值器3也可以接收Zoom Out操作指令，与上述描述的区别仅是将活动窗口的大小参数由小变大而已。

再来讨论输出分辨率参数的变化问题。当输出分辨率参数重新配置时（如改为720P分辨率输出），只需要将该参数传递给帧图像缩放器4和视频编码器5，用于改变视频编码输出的分辨率，同时再将该参数传递给活动窗口取值器3，对原有的活动窗口大小参数进行适当的调整（因为必须保证活动窗口参数中的长宽比必须与输出分辨率参数长宽比一致）即可。其他的运算机制完全没有变化。

活动窗口取值器3，接收并根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

输出视频流分辨率获取器8，用于获取输出视频流的分辨率大小并输出；

帧图像缩放器4，对活动窗口内的图像根据输出视频流的分辨率大小进行缩放，得到符合视频流分辨率大小的帧图像序列并输出；

视频编码器5，接收所述帧图像序列并进行编码处理，得到编码后的视频码流并输出；

监控显示器6，用于接收所述视频码流并显示。

下面通过和现有显示方法比对描述本发明上述实施例所带来的应用效果。

以A、B、C、D四路500万像素的高清摄像头和四块2×2显示屏为例，每一块显示屏的分辨率均为1080P，如果需要在四块显示屏上显示四路高清摄像头视频，有多种方案选择，其中方案一和方案二为现有技术中的显示方案：

方案一为将每一路视频均缩小至1080P分辨率，分别同时在四块显示屏上进行显示，此时每一路视频中的目标都显示比较小，细节已不容易看清楚，显示效果图见图3。

方案二为将一路视频（如视频A）不进行缩小地显示出来，此时需要同时占用四块显示屏，其余三路（B、C、D）视频已无法显示，因为显示资源已被视频A占用，但此时对于使用者来说感兴趣的仅仅是视频A的右下角区域的目标，也即四块显示屏中仅右下角一块被使用者关注，左上，左下和右上三块屏都仅仅是为了不缩小显示视频A而被白白占用，显示效果图见图4。

方案三则对四路高清视频均使用本发明所述的方法，分别将感兴趣的区域设置为各自视频的活动窗口区域，将该区域无缩小地截取显示在一块显示屏上，四块显示屏可以同时显示四路高清视频的四个活动窗口区域，而且显示视频中的目标与原视频场景中的目标可以完全一致，不加任何缩小，甚至于在特殊需求之下还可以使用Zoom In操作放大显示，使目标细节更为清晰，显示效果图见图5。

作为上述装置实现的基于高清数字摄像头1监控的电子PTZ方法，参见图2所示，具体包括如下步骤：

S01，获取高清数字视频流并输出；

S02，对所述高清数字视频流进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

S03，获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头1的视频分辨率；并且，所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率的列数和行数比相同；

S04，根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

S05，获取输出视频流的分辨率大小并输出；

S06，根据输出视频流分辨率大小对活动窗口对应的图像进行缩放处理，获得符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列；

S07，将符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列进行编码处理，输出视频码流;

S08：接收所述视频码流并显示。

由以上分析可知，本发明的方法和装置将传统中PTZ协议控制机械云台的方法运用到图像处理上，只要获得的图像足够大和分辨率足够多，就能保证获得大场景视频信号流，同时可选择大场景图像中的预定的小场景，并放大到预定的分辨率进行显示，保证小场景不失真，通过这种对获取的高清数字图像信息进行基于PTZ控制下的视频图像数据运算处理，可以同时获得任一时刻的大场景或小场景。

本发明中的PTZ协议包括Pelco-P协议、Pelco-D协议及其他通用的PTZ协议，所谓其它通用的PTZ协议指除Pelco-P协议和Pelco-D协议之外的能实现的PTZ的协议或类似协议。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。该实施方式既可以基于普通计算机进行数据处理的方式实现，也可以基于DSP或其他嵌入式平台进行数据处理的方式实现，既可以完全以数据运算的软件算法处理模块的形式完成实施，也可以使用可以完成该数据运算处理环节的芯片或硬件设备来完成实施。总之，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动以达到实施的目的。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01，获取高清数字视频流并输出；

S02，对所述高清数字视频流进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

S03，获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定

的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头的视频分辨率；

S04，根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

S05，获取输出视频流的分辨率大小并输出；

S06，根据输出视频流分辨率大小对活动窗口对应的图像进行缩放处理，获得符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列并输出；

S07，将符合输出视频流分辨率大小的帧图像序列进行编码处理，输出视频码流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S04中输出视频流的分辨率等于显示区域的分辨率，当显示区域为显示器的全屏时，显示区域的分辨率等于显示器本身的分辨率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率的列数和行数比相同。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述PTZ包括Pelco-P协议、Pelco-D协议及其他通用的PTZ协议。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤S06之后，还包括接收视频码流并显示的步骤。

6.一种基于高清数字摄像头监控的电子PTZ装置，其特征在于，包括：高清数字摄像头，用于获取预定空间的高清数字视频流并输出；

高清数字解码器，接收所述高清数字视频流并进行解码得到高清数字视频流帧图像并输出；

活动窗口定位器，用于获取活动窗口的位置和大小信息并输出，其中，所述活动窗口圈定的帧图像部分的分辨率小于或者等于输入的高清数字摄像头的视频分辨率；

活动窗口取值器，接收并根据所述活动窗口的位置和大小信息，从所述高清数字视频流帧图像中提取所述活动窗口对应区域的图形数据并输出；

输出视频流分辨率获取器，用于获取输出视频流的分辨率大小并输出；

帧图像缩放器，对活动窗口内的图像根据输出视频流的分辨率大小进行缩放，得到符合视频流分辨率大小的帧图像序列并输出；

视频编码器，接收所述帧图像序列并进行编码处理，得到编码后的视频码流并输出。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述输出视频流的分辨率等于显示区域的分辨率，当显示区域为显示器的全屏时，显示区域的分辨率等于显示器本身的分辨率。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述活动窗口为矩形，且所述活动窗口的长宽比与输出视频流的分辨率的列数和行数比相同。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述PTZ包括Pelco-P协议、Pelco-D协议及其他通用的PTZ协议。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：还包括一个用于接收并显示所述视频码流的监控显示器。

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