CN103105854A - 基于隐性控件的云台操控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于隐性控件的云台操控系统及方法，该方法将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，点击该监控画面；监控系统自动返回被点击的点的坐标；根据点的坐标所对应的控件来识别出点击动作代表的操控方式，进而控制云台执行相应的动作；本发明将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，隐性控件完全嵌入图像内，没有具体外观，不影响用户观察图像，用户所有的云台操控都不需要离开图像区，使窗口的图像占用率提高至100%，最大限度的放大了图像，便于观察图像及其细节。

Description

基于隐性控件的云台操控系统及方法

技术领域

本发明属于云台控制技术领域，涉及一种基于隐性控件的云台操控系统及方法。

背景技术

在摄像、视频监控等系统中，常常需要通过电动云台远程改变摄像机的视角，实现较大范围的图像采集。特别是在一些要求较高的场合，需要不断地快速改变摄像机视角，进行大范围图像的快速采集，对这些区域进行有效监控。

根据回转特点，云台分为只能左右旋转的水平旋转云台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台。一般来说，水平旋转角度为0°～350°，垂直旋转角度为+90°。电动云台又可分为恒速云台和变速云台。恒速云台的水平旋转速度一般在3°～10°/s，垂直速度为4°/s左右。变速云台的水平旋转速度一般在0°～32°/s，垂直旋转速度在0°～16°/s左右。在一些高速摄像系统中，云台的水平旋转速度高达480°/s以上，垂直旋转速度在120°/s以上。

云台摄像机系统有有线、无线、网络等结构。云台的控制方法包括手动控制和自动控制两种。前者一般采用人工操作云台控制按钮、或用鼠标操作云台控制界面的方法，操纵摄像机获取目标区域图像。后者则通过预设程序驱动云台摄像机对目标区域进行定期扫描，或设计目标识别和跟踪算法自动调节云台运动，实现摄像机对目标的跟踪。在各种云台控制系统中，人工控制常常是一个必备的方法。在系统发生故障、自动控制方法失效、或需要对特定区域观察时，必须采用人工控制方法操作云台，以便于及时将摄像机视角调节到合适方位。

在云台的人工控制方法中，较常用的有两类方法。第一类是通过云台自带的控制按钮对云台进行操作。如图1所示。用户的注意力不得不在监视器和按钮之间频繁转移，降低监控效率。

第二类方法是另外开发监控软件，在应用程序界面上使用鼠标点击相应的控件对云台进行操作。如图2所示。由于将控制区与图像区分离，图像区被缩小，不利于用户观察回传图像。用户的注意力不得不在图像区和控制区之间频繁转移，降低监控效率。

这两种方法虽然在很多情况下都能够对云台进行有效控制，将摄像机视角调整到合适方位，但对于时效性要求高、目标观察仔细等紧张监控任务，这些方法至少存在以下不足之处：

（1）操作员注意力在监控画面和云台按钮之间的频繁转移降低监控效率，易造成目标区域图像细节的漏观察。

如图1所示，采用云台自带按钮操作云台摄像机时，操作人员一方面要用手操作云台按钮，一方面要用眼睛观察摄像机回传的图像。操作员的注意力需要在二者之间频繁的转移。这必将降低操作员观察图像的效率。当操作员的注意力放在操纵云台按钮上时，有可能漏掉对摄像机回传图像细节的察觉。

（2）采用监控软件对云台进行操作时，操纵区的存在将不可避免的造成图像区域的缩小，不利于目标图像及其细节的观察。

在计算机中通过监控软件对云台进行操控时，独立于图像区之外，一般专门设计一个操控区，如图2所示。这样，为了操作云台，目标图像不能以全屏方式显示。这不利于监控人员对目标图像的观察，甚至会造成图像细节的漏检。

（3）操纵区和图像区的存在也造成了操作员注意力在二者之间的频繁转移，导致监控效率降低。

如图2所示，由于独立操纵区的存在，用户需要操作云台时，不得不将注意力从图像观察中转移出来，用于操作云台控件。这种频繁的注意力转移将降低监控人员观察图像的效率，也会造成目标图像细节的漏检。

因此，急需改进现有人工云台控制技术的不足，让操作员的注意力最大限度的保持在回传图像的观察上面。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于隐性控件的云台操控系统及方法，以解决现有云台操控方法需要监控人员的注意力在监控画面和操作云台按钮之间频繁转移，造成监控人员观察图像的效率低、目标图像细节漏检的问题。

为实现上述目的，本发明的基于隐性控件的云台操控方法步骤如下：

（1）将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，点击该监控画面；

（2）监控系统自动返回被点击的点的坐标；

（3）根据点的坐标所对应的控件来识别出点击动作代表的操控方式，进而控制云台执行相应的动作。

进一步的，所述步骤（1）中控制云台动作的控件分为控制云台进行上转、下转、左转、右转、左转+上转、右转+上转、左转+下转、右转+下转的控件。

进一步的，所述步骤（1）中将监视器的整个显示区域分为等面积的九方格，九方格自上而下、自左向右依次设置左转+上转、上转、右转+上转、左转、无操作、右转、左转+下转、下转、右转+下转隐性控件。

进一步的，所述步骤（1）中用鼠标点击监控画面，保持鼠标的按下状态，云台在该速度下持续转动，释放鼠标则云台停止运动。

进一步的，根据窗口内被点击位置距离窗口中心的水平距离和垂直距离设置云台运动速度。

进一步的，云台速度按照下式调节：ω _x  =ω _xmax [(d _x -W/6)/( W/3)] ^a  ，ω _y  =ω _ymax [(d _y -H/6)/( H/3)] ^a  ，其中云台的水平转速和垂直转速分别记为ω _x 和ω _y ，图像窗口内被点击位置距窗口中心的水平距离用d _x 表示，垂直距离用d _y 表示，式中a为幂调节因子，0<a≤1，窗口的大小为宽×高=W×H。

本发明的一种云台操作系统包括输入设备和用于与云台控制连接的显示监控画面的监视器，其特征在于，监视器窗口满屏显示整幅监控画面时，监控画面下设有用于控制云台动作的隐性控件。

进一步的，所述隐性控件为分别控制云台上转、下转、左转、右转、左转+上转、右转+上转、左转+下转、右转+下转的控件。

进一步的，将监视器的整个显示区域分为等面积的九方格，所述九方格自上而下、自左向右依次设置左转+上转、上转、右转+上转、左转、空、右转、左转+下转、下转、右转+下转隐性控件。

进一步的，所述隐性控件上关联设有速度调节功能。

本发明的基于隐性控件的云台操控系统及方法，将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，隐性控件完全嵌入图像内，没有具体外观，不影响用户观察图像，用户所有的云台操控都不需要离开图像区，使窗口的图像占用率提高至100%，最大限度的放大了图像，便于观察图像及其细节。

左、右、上、下分别代表左转、右转、上转、下转；左上、左下、右上、右下则分别是左转+上转、左转+下转、右转+上转、右转+下转的组合云动，这种隐性控件的布设符合人类习惯，极大地方便了操作者操作；每个隐性控件的大小都为窗口的1/9，远大于普通控件，大面积的隐性控件极易被用户点击到。

将云台的运动控制和转速设定合并为一个鼠标点击动作，与其它控制方法相比，至少将控制效率提高一倍以上；四个角部的组合运动控制能够在一次鼠标点击，同时启动水平转动、水平转速设定、垂直转动、垂直转速设定，将控制效率进一步提高。

按下鼠标即启动一个运动；保持按下状态，云台持续转动；释放鼠标，云台停止运动，这种云台运动的鼠标操作非常简单。

速度调节模式选择能够满足各种需求。非线性调节方法使云台速度对窗口内侧区域敏感，而对外侧区域不敏感，既可以在低速时移动较少的鼠标位置即可获得较大的升速，又在高速时使速度变化对鼠标位置变化不敏感，起到包括云台的作用；速度非线性调节的幂调节因子运行时可调，满足用户的不同需要。

附图说明

图1是现有人工操作云台控制按钮的控制方法示意图；

图2是现有的通过监控软件界面控制云台的方法示意图；

图3是监视器窗口云台控制区域九方格示意图；

图4是隐性控件与九方格关联示意图；

图5是鼠标点击位置示意图；

图6是云台转速调节示意图；

图7是云台水平方向转速与被点击位置距窗口中心距离的关系图；

图8是云台垂直方向转速与被点击位置距窗口中心距离的关系图；

图9是实施例的隐性控件在窗口中的位置图。

具体实施方式

基于隐性控件的云台操控系统包括鼠标和用于与云台控制连接的显示监控画面的监视器，监视器窗口如图3、4所示，整个窗口用于显示摄像机回传图像。在全屏方式下，图像充满整个屏幕，便于监控人员观察图像及其细节。

将整个图像窗口虚拟的平均分成九方格形式的9块区域，不同区域具有不同的功能。若窗口的大小为宽×高=W×H，采用图4中所示坐标系，则各区域的位置及对应的功能如图4和表1所示。图4中将窗口均分为9个区域，各隐性控件的大小为窗口面积的1/9，远大于普通按钮，极易被用户捕捉和点击，各功能区域的布局符合人类习惯，四个角的区域还能同时控制两个方向的运动。

表1 功能区设置

监视器窗口中可以只设置左转、右转、上转和下转隐性控件，每个控件分别控制云台单向运动，也可以设置左转、右转、上转、下转、左转+上转、左转+下转、右转+上转、右转+下转隐性控件，不仅可以实现云台单向运动的控制，还可以实现点击一个控件进行两个方向运行的控制，提高了控制效率。监视器窗口区域的划分，可以是九方格的形式，将每个隐性控件分别隐于不同位置的区域下，也可以是四方格的形式，则四方格内按位置分别设左转+上转、左转+下转、右转+上转、右转+下转隐性控件，在任两方格的相邻线上设置相应的上转、下转、左转、右转隐性控件，当然，监视器窗口的划分可以有很多种不同的形式，只要是将隐性控件隐于监控画面下，均在本发明的保护范围之内。

图4中的区域由系统预设划分，在实际运行时，不显示任何分界线和功能提示。这样，操控区与图像区合二为一。且操控区没有具体的外观，完全不影响对图像的观察。各个功能区具有普通控件的功能，但没有具体的外观，仿佛隐入图像区内，因此称为隐性控件。窗口中部区域为无操作区域，用于隔开各个功能区域。

各功能区域的设计符合人类习惯。正上方区域表示向上转动云台、正下方区域表示向下转动云台、正左方区域表示左转动云台、正右方区域表示向右转动云台。四个角的区域则分别表示左转+上转、左转+下转、右转+上转、右转+下转，分别是水平运动和垂直运动的组合。这种布局便于用户能够迅速记忆。四角组合运动区域能够实现一次鼠标点击，完成两个方向的运动控制，减少控制动作，提高控制效率。

用户的所有操作都在图像窗口内部完成。其注意力自始至终不需要脱离图像区。便于用户集中注意力观察图像。

基于隐性控件的云台操控方法步骤如下：

（1）将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，点击该监控画面；

（2）监控系统自动返回被点击的点的坐标；

（3）根据点的坐标所对应的控件来识别出点击动作代表的操控方式，进而控制云台执行相应的动作。

当用户在窗口内任意位置按下鼠标时，系统自动返回被点击位置的坐标(x, y)，根据该坐标和表1自动判断用户的操作意图，如图5的几个点击位置所示根据鼠标点击位置区分操作功能。按下鼠标，系统自动计算鼠标落点，识别用户操作意图，启动一个云台运动。释放鼠标，云台停止运动。对被点击位置P₁，由于落在左转区域，因此系统自动识别用户的操作意图为向左转动云台；对被点击位置P₂，由于落在下转区域，因此系统自动识别用户的操作意图为向下转动云台；其它各被点击位置分别落在不同功能区域，系统都能自动识别用户的各个操作意图，对被点击位置P₉，由于落在无操作区域，系统识别用户的意图为不操作。

用户按下鼠标启动操作意图识别和下面要描述的云台转速设置，并启动一个云台的动作。保持鼠标的按下状态，云台在该速度下按照要求持续转动。释放鼠标，云台停止运动。

本发明的云台操控方法既可以用于匀速转动云台的控制，也可以用于高速摄像系统全方位变速云台的控制。云台转速调节通过被点击位置距窗口中心的距离来实现，如图6所示。其中水平转速（左转和右转）调节根据被点击位置距窗口中心的水平距离进行，垂直转速（上转和下转）调节根据被点击位置距窗口中心的垂直距离进行。用户在点击窗口时，系统根据被点击位置坐标自动识别用户的操作意图，并同时根据被点击位置距窗口中心的水平或垂直距离设置相应的转速，实现一次点击，完成操控动作选择和转动速度设定，从而降低操作次数，提高控制效率。

对速度调节，提供线性调节和非线性调节两种方式。用户可以通过系统菜单选择设定。

1）线性调节

操作员点击鼠标发出云台控制命令后，计算机通过D/A卡将数字控制量转换为模拟控制量（电流或电压，以下用电压表示），云台电机在该模拟量的驱动下转动。云台的水平转速和垂直转速分别记为ω _x 和ω _y ，单位为度/秒。云台水平电机和垂直电机的输入电压同时也是D/A卡的输出电压分别用V _x 和V _y 表示。图像窗口内被点击位置距窗口中心的水平距离用d _x 表示，垂直距离用d _y 表示。则它的取值范围为：

d _x ：0～W/2。扣除无操作区域后为W/6～W/2

d _y ：0～H/2。扣除无操作区域后为H/6～H/2

假定D/A卡的输出电压即云台电机输入电压为：

V _x ：0～V _xmax

V _y ：0～V _ymax

云台转速取值范围为：

ω _x ：0～ω _xmax

ω _y ：0～ω _ymax

分别将d _x 、V _x 、ω _x 以及d _y 、V _y 、ω _y 的最大最小值对应标定，可得D/A卡的输出电压为：

V _x  =(d _x -W/6)(V _xmax  -0)/( W/2- W/6)=3(d _x -W/6)V _xmax  /W                            (1)

V _y  =(d _y -H/6)(V _ymax  -0)/( H/2- H/6)=3(d _y -H/6)V _ymax  /H                              (2)

可得云台水平转速和垂直转速的调节公式为：

ω _x  = V _x (ω _xmax  -0)/ (V _xmax  -0)= V _x ω _xmax /V _xmax =3(d _x -W/6)ω _xmax /W                 (3)

ω _y  = V _y (ω _ymax  -0)/ (V _ymax  -0)= V _y ω _ymax /V _ymax =3(d _y -H/6)ω _ymax /H                  (4)

式(3)和(4)可以看出，云台在两个方向上的转动速度与被点击位置距窗口中心的水平或垂直距离为线性关系。

2）非线性调节

对于高速云台，有时希望点击距窗口中心较近的地方速度变化较大，点击距窗口中心较远的地方速度变化较小，即云台速度对窗口内侧区域敏感，而对外侧区域不敏感。这样既可以在低速时移动较少的鼠标位置即可获得较大的升速，又在高速时使速度变化对鼠标位置变化不敏感，以起到保护云台的作用。因此可以使用非线性调节方式。D/A卡按照下式输出：

V _x  = V _xmax [(d _x -W/6)/( W/3)] ^a                                                            (5)

V _y  = V _ymax [(d _y -H/6)/( H/3)] ^a                                                            (6)

式中a为幂调节因子。一般要求0<a≤1。云台转速按下式调节：

ω _x  =ω _xmax [(d _x -W/6)/( W/3)] ^a                                                           (7)

ω _y  =ω _ymax [(d _y -H/6)/( H/3)] ^a                                                            (8)

可以看出，若a=1，上述两式即蜕变为线性调节的式（3）和（4）。

若图像窗口的大小为W×H =800×600，云台水平方向和垂直方向的最大转速分别为480°/s和120°/s，则云台转速与被点击位置距窗口中心距离的关系如图7和8所示。当a=1，为线性调节；当a<1，为非线性调节。非线性调节时，当d _x 或d _y 较小时，转速变化较快；当d _x 或d _y 较大时，转速变化较慢。因此具有对内侧区域敏感，外侧区域不敏感特点。实际使用时，a设计为运行时可设置。用户可以根据实际需要选择a的值。

以某高速摄像系统采用室内型双自由度云台PT10302为例进行详细说明。其部分技术参数为：

1、旋转角度范围：前后俯仰：-36°— +36°

   水平旋转：-157°至+157°

2、使用电压：直流12V-27V

3、最高转速：1000步/s

4、最低转速：29步/s

采用DAC8871数模转换（D/A）卡。其部分技术参数为：

1、分辨率：16位。

2、输出电压范围：-18V+18V。

选用的监控摄像机为D1–D540TVL 日夜型半球摄像机。有效像素为PAL：750（水平）×582（垂直）。

摄像机回传图像大小为W×H =750×582，将其全屏显示。根据图4的功能区域划分方法将窗口按照下图进行划分。功能区域划分方法。窗口大小为750×582。每个区域为250×194。

各功能区域的具体范围及相对应的功能如表2所示。

表2 功能区设置

根据式（5）和（6），以及D/A卡的输出参数，可获得与鼠标点击位置相对应的输出电压公式

V _x  =18[(d _x -125)/250] ^a                                                         (9)

V _y  =18 [(d _y -125)/250)] ^a                                                      (10)

采用放大电路将D/A卡的输出标定到电动云台的工作电压范围12V-27V，即可获得电动云台的输入电压，取得云台水平或垂直转动。

令a=1，对云台转速进行线性调节；令a=0.5，进行非线性调节。

在图9和表2所示的某功能区域按下鼠标，启动一个相应的云台运动，保持鼠标按下状态，云台在设定转速下持续运动，释放鼠标，云台停止运动。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限定本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1. 一种基于隐性控件的云台操控方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

    （1）将控制云台动作的各控件均隐于监视器窗口的一幅满屏监控画面下，点击该监控画面；

    （2）监控系统自动返回被点击的点的坐标；

    （3）根据点的坐标所对应的控件来识别出点击动作代表的操控方式，进而控制云台执行相应的动作。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中控制云台动作的控件分为控制云台进行上转、下转、左转、右转、左转+上转、右转+上转、左转+下转、右转+下转的控件。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中将监视器的整个显示区域分为等面积的九方格，九方格自上而下、自左向右依次设置左转+上转、上转、右转+上转、左转、无操作、右转、左转+下转、下转、右转+下转隐性控件。

4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中用鼠标点击监控画面，保持鼠标的按下状态，云台在该速度下持续转动，释放鼠标则云台停止运动。

5. 根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：根据窗口内被点击位置距离窗口中心的水平距离和垂直距离设置云台运动速度。

6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，云台速度按照下式调节：

ω _x  =ω _xmax [(d _x -W/6)/( W/3)] ^a  ，ω _y  =ω _ymax [(d _y -H/6)/( H/3)] ^a  ，其中云台的水平转速和垂直转速分别记为ω _x 和ω _y ，图像窗口内被点击位置距窗口中心的水平距离用d _x 表示，垂直距离用d _y 表示，式中a为幂调节因子，0<a≤1，窗口的大小为宽×高=W×H。

7. 一种云台操作系统，包括输入设备和用于与云台控制连接的显示监控画面的监视器，其特征在于，监视器窗口满屏显示整幅监控画面时，监控画面下设有用于控制云台动作的隐性控件。

8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述隐性控件为分别控制云台上转、下转、左转、右转、左转+上转、右转+上转、左转+下转、右转+下转的控件。

9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于：将监视器的整个显示区域分为等面积的九方格，所述九方格自上而下、自左向右依次设置左转+上转、上转、右转+上转、左转、空、右转、左转+下转、下转、右转+下转隐性控件。

10. 根据权利要求7-9中任一项所述的系统，其特征在于：所述隐性控件上关联设有速度调节功能。

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