CN103533246A

CN103533246A - 一种自动跟踪球形摄像机的控制方法

Info

Publication number: CN103533246A
Application number: CN201310497408.XA
Authority: CN
Inventors: 楼冬明; 张昕; 刘玉平
Original assignee: Town In Shanghai Kui La Information Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Bocong Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-22
Also published as: CN103533246B

Abstract

本发明公开了一种自动跟踪球形摄像机的控制方法，它涉及一种自动跟踪控制方法。其控制方法步骤为：从一个目标转向另一个目标时，用给定坐标的方式让球形摄像机快速切换到新目标。在连续跟踪目标时，目标检测系统发送新的目标坐标和目标速度，以及更新坐标的时间间隔。球形摄像机则根据当前位置和收到的目标坐标，计算出球形摄像机当前坐标和目标坐标之间的距离，然后根据间隔时间算出球形摄像机在该时间间隔内追上目标需要的运动速度，这样可以保证拍摄系统在指定的时间内运动到目标坐标。球机实际的运行速度是上述计算得到的速度与目标速度的加权平均，这样球形摄像机运动到跟上目标时，还与被跟踪目标具有相同的速度。

Description

一种自动跟踪球形摄像机的控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动跟踪控制方法，具体涉及一种自动跟踪球形摄像机的控制方法。

背景技术

现有自动跟踪球机控制方法：

方法一：目标检测系统根据分析结果给定一个目标坐标，球形摄像机根据收到的坐标后转向该坐标，通过不停的坐标调整，使目标处于球形摄像机的画面之内。该实现方法由于控制系统的性能会造成一些问题：目标拍摄系统从一个坐标转向另一个坐标时，是从静止状态到另一个静止状态，而电机运动需要有加速和减速时间，因此会使得拍摄到的目标不能一直处于画面中央，并且画面会有停顿感，效果不好。

方法二：从一个目标切换到另一个目标时，用给定坐标的方式让球形摄像机快速切换到新目标。在连续跟踪同一个目标时，则通过估计该目标的运动速度，将该目标速度值发送给球形摄像机，尽量让球形摄像机始终跟着目标以同样的速度行进，使得连续跟踪时画面不会有停顿感。但由于只是做速度估计，球形摄像机的位置与实际目标之间的误差会随时间而累加。因此在适当的间隔时间内，需要重新修正坐标，仍然会有不连续感，同时由于修正不及时会造成偶尔目标不能全部在画面内，尤其是当目标的运动方向和运动速度发生急剧的变化时。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种自动跟踪球形摄像机的控制方法，能够在极短的时间内切换到新的被跟踪目标，然后保持与目标一致的速度前进，对跟踪目标的拍摄非常平滑清晰。即使在被跟踪的目标的运动速度和方向发生突然的变化时，目标拍摄系统仍然能够连续地拍摄完整的目标。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种自动跟踪球形摄像机的控制方法，其控制方法步骤为：从一个目标转向另一个目标时，用给定坐标的方式让球形摄像机快速切换到新目标。在连续跟踪目标时，目标检测系统发送新的目标坐标和目标速度，以及更新坐标的时间间隔。球形摄像机则根据当前位置和收到的目标坐标，计算出球形摄像机当前坐标和目标坐标之间的距离，然后根据间隔时间算出球形摄像机在该时间间隔内追上目标需要的运动速度，这样可以保证拍摄系统在指定的时间内运动到目标坐标。球机实际的运行速度是上述计算得到的速度与目标速度的加权平均，这样球形摄像机运动到跟上目标时，还与被跟踪目标具有相同的速度，既能让球形摄像机快速跟上目标，有能保持跟踪的连续性。

本发明具有以下有益效果：球形摄像机能够在极短的时间内切换到新的被跟踪目标，然后保持与目标一致的速度前进，对跟踪目标的拍摄非常平滑清晰。即使在被跟踪的目标的运动速度和方向发生突然的变化时，目标拍摄系统仍然能够连续地拍摄完整的目标。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的球机目标跟踪算法的基本模型图；

图2为本发明的同向落后的追击模型图；

图3为图2模型下目标A与球机D的速度变化曲线和位移曲线图；

图4为本发明的同向超前的追击模型图；

图5为图4模型下目标A与球机D的速度变化曲线和位移曲线图；

图6为本发明的反向落后的追击模型图；

图7为图6模型下目标A与球机D的速度变化曲线和位移曲线图；

图8为本发明的反向超前的追击模型图；

图9为图8模型下目标A与球机D的速度变化曲线和位移曲线图；

图10本发明的追击过程示意图；

图11为本发明仿真追击命令的加权平均算法对目标的跟踪效果。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-11，本具体实施方式采用以下技术方案：一种自动跟踪球形摄像机的控制方法，其控制方法步骤为：从一个目标转向另一个目标时，用给定坐标的方式让球形摄像机快速切换到新目标。在连续跟踪目标时，目标检测系统发送新的目标坐标和目标速度，以及更新坐标的时间间隔。球形摄像机则根据当前位置和收到的目标坐标，计算出球形摄像机当前坐标和目标坐标之间的距离，然后根据间隔时间算出球形摄像机在该时间间隔内追上目标需要的运动速度，这样可以保证拍摄系统在指定的时间内运动到目标坐标。球机实际的运行速度是上述计算得到的速度与目标速度的加权平均，这样球形摄像机运动到跟上目标时，还与被跟踪目标具有相同的速度，既能让球形摄像机快速跟上目标，有能保持跟踪的连续性。

本具体实施方式的球机目标跟踪算法的基本模型：在二维平面内，如图1所示，A为目标，移动速度为vt，D为球机视觉中心点，移动速度为vd，两者的距离为d。通过对球机的控制，使得距离d不断减小，在某时刻tn，距离d减小为0，并且D具有速度vd = vt，从而完成对目标的追击、跟踪过程。

在二维平面内的目标运动，可以分解为水平和垂直两个方向的运动，这正与球机的实际控制方式相吻合。因此对上述运动模型的讨论，可以简化为一维坐标系的运动。

同时，根据在t0时刻，球机D与目标A的初始速度和位置不同，一维追击运动可以归结为以下四种模型（以目标运动方向为参考方向）：

1.同向落后

此模型是最基本的追击模型，以目标运动方向为正方向，目标t0时刻的位置为0，则此模型下目标A与球机D的速度变化曲线和位移曲线如图3所示。从t0~tc的时间为球机落后阶段，在此阶段球机从初始速度vd加速到目标vt，与目标的距离逐渐增大；从tc~tm为球机的追击阶段，球机速度从vt加速到最大追击速度vm，与目标的距离开始逐渐减小；从tm~tn为收敛阶段，球机速度从vm减速到vt，与目标的距离逐渐减小直至为0，完成目标追击过程并开始锁定跟随目标。

2.同向超前

此情况的速度和位移曲线如图5所示。从t0到t1为球机的减速阶段，若球机超前量较小，则可能在减速过程中与目标相遇，此后即转入“同向落后”模型，开始追击。若球机超前量较大，则当球机速度减为0时，仍然超前，此时从t1到t2为反向趋近阶段，球机反向加速并减速，在t2时刻与目标相遇，速度减为0。从t2~tn，即转入“同向落后”模型，其过程如前所述。

3.反向落后

此情况的速度和位移曲线如图7所示。从t0~t1为球机反向减速阶段，与目标的距离继续增大，t1时刻球机速度减为0，从t1~tn转入“同向落后”模型。

4.反向超前

此情况的速度和位移曲线如图9所示。从t0~t1为球机反向趋近阶段，若超前量较小，则球机直接反向减速，t1时刻速度减为0，落后于目标，并从t1~tn转入“同向落后”模型；若超前量较大，则球机需再经历反向加速再减速，t1时刻球机速度减为0，并与目标相遇，从t1~tn转入“同向落后”模型。

从以上分析不难看出，“同向落后”模型是其他几种模型的基础，其他三种情况下，球机通过一定的速度和方向转换（简称“转换阶段”），都将最终进入“同向落后”模型。

一、加权平均算法及其仿真

球机对目标的追击和跟踪策略：在t0时刻给出目标的初始位置，使球机转到目标初始位置并停留，随后在一定时隙内不断给球机发送目标位置和速度信息，球机将运动速度设置为目标速度与计算得到的平均速度的加权平均值，不断趋近目标。其追击过程可以由图10表示。

对比上述基本模型，t0~t1阶段为球机的“转换阶段”，t2~tn为“同向落后”阶段。由于目标在运动，且球机到达目标初始位置时速度为0，因此无论球机初始位置在何处，通过“转换阶段”后，总是进入“同向落后”模型。所以此算法的特点是在球机到达指定坐标后，将其余三种可能出现的模型全部转换为“同向落后”模型。

在追击过程中，球机对于目标速度和位置的处理方法是：利用当前与目标的距离d，以及时隙大小T，计算得到所需每步平均速度C_a=T/d，并与目标速度C_t加权平均得到球机设置速度C_s：

(1)

以球机的离散控制系统为模型，假设运动目标以恒定速度运动，球机与目标相对位置符合“同向落后”模型，仿真追击命令的加权平均算法对目标的跟踪效果，如图11。

仿真参数为：

（1）命令时隙为dt;

（2）球机初始速度为c0;

（3）球机初始位置为p0;

（4）目标运动速度为ct = ct0(恒速)；

（5）目标初始位置为pt0;

仿真：p0 = -5000, c0 = 50000, pt0 = 0, ct0 = 5000; dt=40；追上目标时花费时隙为27dt

从上面的仿真中可以看出，球机经过27倍的dt时间，可以平滑地追上被跟踪目标，并且在此之后，一直保持球机与目标速度相同或较小的误差。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种自动跟踪球形摄像机的控制方法，其特征在于，自动跟踪球形摄像机的控制方法步骤为：从一个目标转向另一个目标时，用给定坐标的方式让球形摄像机快速切换到新目标。在连续跟踪目标时，目标检测系统发送新的目标坐标和目标速度，以及更新坐标的时间间隔。球形摄像机则根据当前位置和收到的目标坐标，计算出球形摄像机当前坐标和目标坐标之间的距离，然后根据间隔时间算出球形摄像机在该时间间隔内追上目标需要的运动速度，这样可以保证拍摄系统在指定的时间内运动到目标坐标。球机实际的运行速度是上述计算得到的速度与目标速度的加权平均，这样球形摄像机运动到跟上目标时，还与被跟踪目标具有相同的速度，既能让球形摄像机快速跟上目标，有能保持跟踪的连续性。