CN103024276A - 一种云台摄像机的定位、变焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种云台摄像机的定位、调焦方法，包括以下步骤：云台摄像机启动后，通过图像处理模块识别要抓拍的目标；对抓拍的目标进行运动轨迹计算；根据轨迹计算结果对云台的方位和摄像头的焦距进行调整；云台的方位调整到目标位置、摄像头的焦距调整到目标变焦系数后，对目标进行抓拍，然后再对抓拍的图像进行识别；将识别后的图像数据上传到后台。本发明方法能够精确的提供云台需要移动的横向时间、纵向时间和变焦时间，使云台摄像机能够精确的自动定位和变焦，为之后的图像抓拍和图像识别奠定了坚实的基础。

Description

一种云台摄像机的定位、变焦方法

技术领域

本发明涉及视频监控领域中的摄像机定位技术，具体的说是一种云台摄像机的定位、变焦方法。

背景技术

视频监控是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监控以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，视频监控技术也有了长足的发展。

云台摄像机就是带有云台的摄像机。它带有承载摄像机进行水平和垂直两个方向转动的装置，把摄像机装在云台上能使摄像机从多个角度进行摄像。云台内装两个电动机。水平及垂直转动的角度大小可通过限位开关进行调整。

在云台使用中，要求达到以下效果：如果给定图像场景中的特定区域，便能够使云台自动旋转到适当位置，并对摄像机进行适当变焦，而且必须保证得到的图像就是所要的图像范围。在进行视频监控抓拍的时候，往往需要将云台摄像机旋转到指定坐标点，并按照一定的变焦倍数进行变焦，然后进行抓拍。如果云台摄像机能够根据目标位置自动的旋转和调焦，将大大方便实际操作。然而云台摄像机自动旋转、调焦是否精准，关系到抓拍到的图像是否正确，特别是需要进行图像识别的时候，如果图片定位、变焦的不够精准，将导致识别错误，甚至无法识别。

目前满足上述要求的云台摄像机的定位调整方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中云台摄像机无法根据目标位置自动的旋转和变焦导致图像识别错误等不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够实现自动定位及变焦功能的云台摄像机的定位、变焦方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种云台摄像机的定位、调焦方法包括以下步骤：

云台摄像机启动后，通过图像处理模块识别要抓拍的目标；

对抓拍的目标进行运动轨迹计算；

根据轨迹计算结果对云台的方位和摄像头的焦距进行调整；

云台的方位调整到目标位置、摄像头的焦距调整到目标变焦系数后，对目标进行抓拍，然后再对抓拍的图像进行识别；

将识别后的图像数据上传到后台。

所述对抓拍的目标进行运动轨迹计算为：

利用函数模拟法，将云台摄像机的横、纵方向移动的时间值与其坐标用线性函数模拟，将云台摄像机的变焦时间和变焦系数用指数函数模拟；

通过用画面像素数除以整幅画面移出所用时间，来确定云台转动的速度；

通过计算目标框中心点距离摄像机图像中心点的距离，来确定云台横向和纵向移动的时间。

变焦系数通过以下方法确定：

给定初始变焦系数；

指定拍摄范围，获得该拍摄范围的坐标范围传送至云台调整模块；

摄像机开始运动，直到视频中心和指定拍摄范围中心重合；

摄像机调整焦距；

判断变焦系数是否合适；

如果变焦系数合适，则变焦系数的确定过程结束；

如果变焦系数不合适，则返回至给定初始变焦系数步骤。

所述云台调整模块通过以下公式实现运动轨迹计算：

x₀=(Rect1.left+Rect1.right)/2-Rect2.left；

y₀=(Rect1.top+Rect1.bottom)/2-Rect2.top；

x=x₀-((Rect2.left+Rect2.right)/2)；

y=-(y₀-(Rect2.bottom+Rect2.top)/2)；

t_x=nx/x方向像素数；

t_y=my/y方向像素数；

其中，Rect1为目标矩形框对象，Rect2为视频窗口矩形对象，它们是是图像左上角为坐标原点；x₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的横线坐标，y₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的纵向坐标；x为目标点相对于视频中心点的横向坐标，n为x方向系数，t_x为云台横向移动的时间；y为目标点相对于视频中心的纵坐标，m为y方向系数，t_y为云台纵向移动的时间，left代表矩形框左上角横坐标，right代表矩形框右上角横坐标，top代表矩形框左上角纵坐标，bottom代表矩形框左下角纵坐标。

本发明方法还包括以下步骤：

摄像机做变焦操作后，判断中心点是否出现飘移；

如果出现飘移，则给定x矫正系数和y矫正系数，摄像机在变焦完成之后向x方向，y方向移动规定距离；

接续对目标进行抓拍步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明方法能够精确的提供云台需要移动的横向时间、纵向时间和变焦时间，使云台摄像机能够精确的自动定位和变焦，为之后的图像抓拍和图像识别奠定了坚实的基础。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中变焦倍数的确定方法流程图；

图3为本发明方法中给定目标区域后计算云台旋转时间的方法示意图；

图4为本发明方法中的图像变焦过程示意图；

图5为本发明方法中云台转动的时间和目标点相对于视频中心点的坐标成线性关系示意图；

图6为本发明方法中图像变焦所需时间与边长差成曲线关系示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本实施将本发明方法应用于高速公路违章停车视频监控自动识别抓拍系统中。

硬件安装：

在实施本发明方法之前，要进行硬件的安装，硬件的由两部分组成，云台摄像机的安装和嵌入式计算机系统的安装。

（1）云台摄像机的安装：云台摄像机在安装时，首先需要固定云台摄像机。云台摄像机需要固定在八棱柱的横梁上的适当位置。云台摄像机固定好之后，将视频线、RS485线、电源线延长到地面即可，以备后用。

（2）嵌入式计算机系统的安装：嵌入式计算机放入机柜内，连接电源，将云台摄像机甩下来的电源线也同时连接电源。将云台摄像机甩下来的RS485线连接RS485转RS232转换器，然后连接到嵌入式计算机系统的COM1口上。嵌入式计算机系统可支持四个云台，四个云台并联后，都连在COM1口上。云台的视频线与嵌入式计算机系统负载的视频采集卡相连接，分别连接到视频采集卡的Video1、Video2、Video3以及Video4接头上。

云台标定：

软件在VC软件环境下实现。设备安装完毕之后，首先需要标定，通过不断试验、不断修改各标定参数才能使云台摄像机在进行旋转和变焦的时候更加精准。其标定过程为：

在VC环境中视频中间有一个十字为视频的中心点，进行标定的时候，鼠标在画面任意位置上点击，系统将获取鼠标坐标值，云台将自动旋转，视频中心将转向到鼠标点击的位置，如果云台标定精准，则图像中心的十字应该正好和刚才鼠标点击的画面的位置重合，如果不重合则修改x方向系数和y方向系数。通过多次尝试，不断改变x方向系数，y方向系数，可以使定位变得很精准。

系统运行：

硬件安装、云台标定之后，系统就可以运行了。当检测物（如汽车）进入摄像机的视频范围，图像处理模块就能够发现物体，然后摄像机自动调整拍摄角度和焦距进行抓拍；抓拍到的图片再交给图像识别模块，识别出图片中的有用信息，然后将数据发送给后端的控制中心服务器。

如图1所示，本发明云台摄像机的定位、调焦方法包括以下步骤：

云台摄像机启动后，通过图像处理模块进行目标识别，确定要抓拍的目标；

根据目标的方位坐标进行运动轨迹计算；

根据轨迹计算结果对云台的方位和摄像头的焦距进行调整；

云台的方位调整到目标位置、摄像头的焦距调整到目标变焦倍数后，对目标进行抓拍，然后再对抓拍的图像进行识别；

将识别后的图像数据上传到后端控制中心服务器，一次云台摄像机的定位、调焦过程结束，云台回预置位。

（一）确定目标：

嵌入式计算机系统和与之相连的云台摄像机启动之后，图像处理模块对云台摄像机传输过来的视频流进行处理，识别出视频图像中目标物体的位置和大小，如以车辆作为目标物体进行识别。本系统的图像处理模块采用特征比对方法，对视频中的图像进行特征比对，给出视频中的符合特征值的矩形区域，识别出视频中目标物体的位置和大小。

（二）轨迹计算：

嵌入式计算机系统将物体位置和大小交给轨迹计算模块，该模块计算出云台调整的轨迹，然后发送指令给云台摄像机。

本系统利用函数模拟法模拟云台调整的轨迹，将云台摄像机的横、纵方向移动的时间值与其坐标用线性函数模拟；将云台摄像机的变焦时间和变焦倍数用指数函数模拟，能够很好的解决云台摄像机的定位问题。本方法是通过大量实验所得，有很好的实用价值。

云台的左右上下旋转可以近似地看作是线性运动。当确认云台的转动速度时，可将整幅画面像素数除以画面移出所用时间，来确定云台转动的速度（像素/秒）。然后通过计算目标框中心点距离摄像机图像中心点的距离，来确定云台横向和纵向移动的时间。

图像处理模块给定目标在图像中的矩形框的坐标之后，图像轨迹计算模块要精确的计算出需要移动的横向坐标x，纵向坐标y和变焦的倍数m。

对抓拍的目标进行运动轨迹计算为：

利用函数模拟法，将云台摄像机的横、纵方向移动的时间值与其坐标用线性函数模拟，将云台摄像机的变焦时间和变焦倍数用指数函数模拟，

通过整幅画面像素数除以画面移出所用时间，来确定云台转动的速度；

通过计算目标框中心点距离摄像机图像中心点的距离，来确定云台横向和纵向移动的时间。云台转动的时间和目标点相对于视频中心点的坐标成线性关系，如图5所示。

云台调整模块通过以下公式实现调焦轨迹的计算：

x₀=(Rect1.left+Rect1.right)/2-Rect2.left;

y₀=(Rect1.top+Rect1.bottom)/2-Rect2.top;

x=x₀-((Rect2.left+Rect2.right)/2);

y=-(y₀-(Rect2.bottom+Rect2.top)/2);

t_x=nx/x方向像素数；

t_y=my/y方向像素数；

其中，Rect1为目标矩形框对象，Rect2为视频窗口矩形对象，它们是是图像左上角为坐标原点；x₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的横线坐标，y₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的纵向坐标；x为目标点相对于视频中心点的横向坐标，n为x方向系数，t_x为云台横向移动的时间；y为目标点相对于视频中心的纵坐标，m为y方向系数，t_y为云台纵向移动的时间，left代表矩形框左上角横坐标，right代表矩形框右上角横坐标，top代表矩形框左上角纵坐标，bottom代表矩形框左下角纵坐标。

云台定位到目标点之后，需要拉近将目标放大。如图4所示：

小矩形是目标框，它将被放大到整个屏幕。图中的十字交叉线是图像中以视频中心为中心点的平面坐标。

如图2所示，变焦倍数通过以下方法确定：

给定初始变焦系数；

指定拍摄范围，获得该拍摄范围的坐标范围传送至云台调整模块；

摄像机开始运动，直到视频中心和指定拍摄范围中心重合；

摄像机调整焦距；

判断变焦倍数是否合适；

如果合适，则变焦倍数的确定过程结束；

如果不合适，则返回至给定初始变焦系数步骤。

本实施例中，在标定完x，y方向系数之后，用鼠标在屏幕上画一个方框，系统则获得方框的坐标，摄像机开始运动直到视频中心的十字和矩形框的中心重合；之后摄像机将放大视频，直到正好放到的刚才方框框定的范围。如果放大过大，则将变焦系数改小；如果放大不够，则将变焦系数改大。通过不断反复的实验，最终完成变倍系数的确定。

如图6所示，图像变焦所需要的时间跟边长差成曲线关系：

t_m=k(L/l)^2/3

其中L为视频窗口边长，l目标框边长，t_m是变焦所要的时间值，k是变焦系数。

根据大量实验得知，云台摄像机横、纵坐标移动的时间值与其坐标值可用线性函数模拟；变焦倍数与变焦时间可用指数函数模拟。

在确定了x，y方向系数和变倍系数之后，如果每次摄像机做变焦操作的时候，中心点都出现飘移，则可以给定x矫正系数，y矫正系数，使得摄像机在变焦完成之后会向x方向，y方向移动一定的距离，从而矫正摄像机变焦之后，中心点出现飘移的情况。

（三）云台运动：

根据系统计算出来的云台运动轨迹，向云台摄像机发送命令，云台摄像机电机驱动云台自动旋转并自动调整焦距，完成目标的定位和变焦。

（四）抓拍识别：

摄像机进行图像的抓怕，抓拍到的图片交给图像处理系统处理，识别出图像中的有用信息（例如车号牌等）。如果云台摄像机正确的定位了目标物体，则抓拍到的图像正是所需要的，基于这个图像进行识别能够正确的识别出图像中所需要的信息。

（五）数据上传：

嵌入式计算机系统在合适的时间，将拍摄到的图片、录像和识别结果发送给后端的控制中心。

Claims (6)

1.一种云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于包括以下步骤：

云台摄像机启动后，通过图像处理模块识别要抓拍的目标；

对抓拍的目标进行运动轨迹计算；

根据轨迹计算结果对云台的方位和摄像头的焦距进行调整；

云台的方位调整到目标位置、摄像头的焦距调整到目标变焦系数后，对目标进行抓拍，然后再对抓拍的图像进行识别；

将识别后的图像数据上传到后台。

2.按权利要求1所述的云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于：所述对抓拍的目标进行运动轨迹计算为：

利用函数模拟法，将云台摄像机的横、纵方向移动的时间值与其坐标用线性函数模拟，将云台摄像机的变焦时间和变焦系数用指数函数模拟；

通过用画面像素数除以整幅画面移出所用时间，来确定云台转动的速度；

通过计算目标框中心点距离摄像机图像中心点的距离，来确定云台横向和纵向移动的时间。

3.按权利要求2所述的云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于：变焦系数通过以下方法确定：

给定初始变焦系数；

指定拍摄范围，获得该拍摄范围的坐标范围传送至云台调整模块；

摄像机开始运动，直到视频中心和指定拍摄范围中心重合；

摄像机调整焦距；

判断变焦系数是否合适；

如果变焦系数合适，则变焦系数的确定过程结束。

4.按权利要求3所述的云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于：所述云台调整模块通过以下公式实现运动轨迹计算：

x₀=(Rect1.left+Rect1.right)/2-Rect2.left;

y₀=(Rect1.top+Rect1.bottom)/2-Rect2.top;

x=x₀-((Rect2.left+Rect2.right)/2);

y=-(y₀-(Rect2.bottom+Rect2.top)/2);

t_x=nx/x方向像素数；

t_y=my/y方向像素数；

其中，Rect1为目标矩形框对象，Rect2为视频窗口矩形对象，它们是是图像左上角为坐标原点；x₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的横线坐标，y₀为目标矩形框中心点相对于视频窗口矩形框左上角的纵向坐标；x为目标点相对于视频中心点的横向坐标，n为x方向系数，t_x为云台横向移动的时间；y为目标点相对于视频中心的纵坐标，m为y方向系数，t_y为云台纵向移动的时间，left代表矩形框左上角横坐标，right代表矩形框右上角横坐标，top代表矩形框左上角纵坐标，bottom代表矩形框左下角纵坐标。

5.按权利要求3所述的云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于：

如果变焦系数不合适，则返回至给定初始变焦系数步骤。

6.按权利要求1所述的云台摄像机的定位、调焦方法，其特征在于还包括以下步骤：

摄像机做变焦操作后，判断中心点是否出现飘移；

如果出现飘移，则给定x矫正系数和y矫正系数，摄像机在变焦完成之后向x方向，y方向移动规定距离；

接续对目标进行抓拍步骤。

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