CN103777643A - 一种基于图像定位的摄像机自动跟踪系统及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图象定位的摄像机自动跟踪系统及跟踪方法，该包括目标定位系统、自动跟踪系统，录播主机系统等。本发明所提供的系统和方法免除了外界干扰，能准确定位出移动目标的具体坐标位置，通过控制摄像机云台，实现了对移动目标的自动跟踪。与现有技术相比，本发明具有：跟踪目标无需佩戴其它信号装置，抗干扰性强，定位准确，跟踪过程平滑，不会丢失目标以及部署简单，建设成本低廉等优点。

Description

一种基于图像定位的摄像机自动跟踪系统及跟踪方法

技术领域

本发明涉及自动定位技术领域，尤其涉及一种基于图像定位的摄像机自动跟踪系统及其跟踪方法。 

背景技术

从自动定位技术的发展阶段来划分，主要分为三个阶段，第一阶段是超声波定位，第二阶段是红外线定位技术，第三个阶段就是本发明所涉及的图像定位技术。 

如附图1所示，超声波定位系统主要由微处理系统、无线电地址编码发射电路、无线地址编码触发电路、一组超声波发射器和超声波接收器组成。首先由微处理机选定要触发的发射点地址，然后启动发射电路并开始计时，在给定时间内如接收到信号则由延迟时间可以计算出移动物体到发射点的距离，接下来开始接收下一个发射点的信号，当接收到足够(2个点)的发射信号后，便可由移动物体到各发射点的距离计算出具体的位置坐标。 

如附图2所示，红外线定位技术与超声波定位技术原理类似。红外线定位主要由微处理系统、一组红外线发射器、一组红外线接收器、和红外线触发和接收电路组成；微机首先选定需要发射的红外线触发器，触发红外线发射器发射红外线，此时红外线接收电路扫描对应的红外线接收器，如果发射器与接收器之间有物体遮挡，则部分接 收器接收不到红外线，记下该位置中心点，继续启动其它红外线发射器，检测另外一部分接收不到红外线的接收器，记下另外一个位置中心点，一定时间范围内，通过2个中心点的位置即可计算出遮挡物体在空间中的位置坐标。 

但是现有技术的定位系统及其方法在一定条件下可以满足自动跟踪系统的要求，但存在以下几个缺点。例如，红外定位技术容易受到太阳、投影机等光源中的红外线干扰；超声波定位技术需要人体较长时间暴露在超声波环境下，对身体有害；超声波定位技术及红外定位技术安装部署复杂，对检测环境要求比较高，部署成本也比较高。 

本发明的目的就是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于图像定位的摄像机自动跟踪系统及其跟踪方法，完全根据所获得的图像进行分析，免除了外界干扰，能准确定位出移动目标的具体坐标位置，并且通过控制摄像机云台，实现了对移动目标的自动跟踪。 

发明内容

本发明涉及一种基于图像定位的摄像机自动跟踪系统，所述系统包括： 

目标定位系统，由跟踪主机、教师定位摄像机和学生定位摄像机组成，跟踪主机通过视频线分别与教师定位摄像机、学生定位摄像机相连接；教师定位摄像机和学生定位摄像机采集图像并传送至跟踪主机进行图像识别，检测目标移动，计算移动目标的坐标位置； 

自动跟踪系统，由跟踪主机、教师采集摄像机和学生采集摄像机组成，跟踪主机通过云台控制线分别与教师采集摄像机、学生采集 摄像机相连接；跟踪主机向教师采集摄像机和学生采集摄像机发送拍摄指令； 

录播主机系统，其通过视频线分别与教师采集摄像机和学生采集摄像机相连接，采集视频和其他相关数据，并进行编码压缩生成课件文件。 

本发明所涉及的自动跟踪系统，所述教师定位摄像机数量设置为一台，学生定位摄像机数量设置为两台。 

本发明所涉及的一种基于图像定位的摄像机自动跟踪方法，包括以下步骤： 

图像识别，由教师定位摄像机和学生定位摄像机采集移动目标，并将数据传送至跟踪主机，采用时间差分法对移动目标进行图像识别； 

目标定位，跟踪主机根据教师定位摄像机和学生定位摄像机采集的数据分别对教师及学生目标进行目标定位； 

自动跟踪，跟踪主机根据目标定位后的定位数据，通过云台控制线分别向教师采集摄像机和学生采集摄像机传送云台控制指令，例如，摄像机角度和焦距； 

课件生成，教师采集摄像机和学生采集摄像机通过视频线将所采集的数据传送至录播主机，录播主机对视频及其他数据进行编码压缩，生成课件文件。 

本发明所述的自动跟踪方法，其中所述时间差分法包括在连续的图像序列中提取多个相邻帧，在帧间采用基于相素的时间差分，并 用阈值化来提出运动区域的步骤。 

本发明所述的自动跟踪方法，在对教师目标进行目标定位时，采用单目平面定位法，而在对学生目标进行目标定位时，采用双目立体定位法。 

本发明所述的自动跟踪方法，其中自动跟踪的过程是通过发送位置指令给摄像机云台来实现的，包括以下步骤： 

步骤一：通过手动控制云台将拍摄画面移到最左端，获取此时云台的左位置点，移到画面最右端获取云台的右位置点，移到最近点获取最近变焦倍数，移到最远点获取最远变焦倍数，左右位置点的差即为摄像机水平移动的变化范围，最近变焦倍数和最远变焦倍数之差即为摄像机变焦范围； 

步骤二：测量出实际左位置点和右位置点的距离，以及最近变焦位置和最远变焦位置的实际距离，再分别除以摄像机相应的变化范围值，可以获取到平移和变焦的两个比例系数； 

步骤三：通过定位技术计算出物体在x方向和z方向的位置坐标后，分别乘以上述步骤中计算出来的两个比例系数后所得的值，即是发往云台控制指令中云台的平移值和变倍值。 

附图说明

附图1所示为现有技术超声波定位的结构示意图。 

附图2所示为现有技术红外线定位的结构示意图。 

附图3所示为本发明技术方案涉及的定位系统部署示意图。 

附图4所示为本发明技术方案的涉及的图像定位示意图。 

附图5所示为本发明技术方案涉及的单目平面定位法示意图。 

附图6所示为本发明技术方案的双目立体定位法示意图。 

附图7所示为本发明技术方案的自动跟踪系统的实际部署图。 

具体实施方式。

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。 

附图3所示为在特定空间内的自动跟踪系统部署示意图，实现的功能是通过自动跟踪教师走动、板书动作以及学生的站立、坐下等动作，然后通过录播主机采集摄像机的跟踪视频及其它数据实现整个教学活动的实况录制。 

该定位系统主要由跟踪主机、教师定位摄像机(1个)、学生定位摄像机(2个)组成；跟踪主机通过视频线分别连接教师定位摄像机和2个学生定位摄像机并采集视频；通过分析采集的图像，检测出移动目标，计算出移动目标的坐标位置。 

跟踪系统由跟踪主机、教师采集摄像机、学生采集摄像机组成；跟踪主机通过云台控制线分别连接两台摄像机，根据移动目标的坐标位置，跟踪主机向相应的摄像机发送云台控制指令，调节摄像机的拍摄角度和焦距；录播主机通过视频线分别连接教师采集摄像机和学生采集摄像机，采集视频和其它数据进行相关编码压缩后生成课件文件。 

本发明主要涉及图像识别、目标定位和自动跟踪三大部分。 

图像识别：本发明使用常用的时间差分方法识别移动目标；时间差分方法是在连续的图像序列中提取多个相邻帧，在帧间采用基于像 素的时间差分并用阈值化来提取出运动区域。具体实现方法如附图4中所示，将定位摄像机拍摄的图像按一定网格进行划分(如画面为352x288像素分辨率，可以按4x4像素网格进行划分)，通过前一帧图像和后一帧图像的颜色差别对比，可以找出哪些网格发生了变化，然后将这些网格合并，最后形成整个目标区域(如上图粗线框区域)。 

目标定位：第一步实现了目标检测，但目标具体在什么位置，还需要一定的方法来进行确定。 

在本方案中实现了两个区域移动目标的定位，即教室讲台区域定位教师位置，学生区域定位学生站立位置，由于讲台区域比较狭窄，基本上可以认为是在一个平面上运动，因此可以使用单目的平面定位方法；而学生区域纵深比较大，是一个立体的范围，则需要使用双目的立体定位方法。 

i)单目平面定位法 

由于只需要检测近似于平面内的目标移动，仅需要一台定位摄像机即可计算出目标物体的平面坐标位置。 

如附图5所示，依据小孔成像原理，物点通过投影中心小孔投射到焦平面上，像点距离中心的距离a可以从图像上检测到，摄像机焦距f是固定值，由于物点近似于在固定的平面上运动，物点到投影中心的垂直距离也是固定值c，通过三角几何知识便可以推算出物点离中心的水平距离。 

ii)双目立体定位法 

如附图6所示，两个定位摄像机分别平行安装在检测区域两侧，拍摄范围均可覆盖整个区域，由单目定位法可以推算出γ1和γ2的值，由于两摄像机安装的夹角固定，则可以推出物点p与两像点r1和r2之间的夹角β，摄像机之间的距离b已知，通过三角几何关系，我们可以计算出p点在x方向和z方向的坐标位置(系统只考虑移动目标的水平移动和远近移动，不考虑目标上下移动，所以无需计算出y方向值)。 

自动跟踪：自动跟踪过程是通过发送位置指令给摄像机云台来实现的。具体包括以下几个步骤： 

在部署阶段，可以通过手动控制云台将拍摄画面移到最左端，获取此时云台的左位置点，移到画面最右端获取云台的右位置点，移到最近点获取最近变焦倍数，移到最远点获取最远变焦倍数，左右位置点的差即为摄像机水平移动的变化范围，最近变焦倍数和最远变焦倍数之差即为摄像机变焦范围； 

测量出实际左位置点和右位置点的距离，以及最近变焦位置和最远变焦位置的实际距离，再分别除以摄像机相应的变化范围值，可以获取到平移和变焦的两个比例系数； 

通过定位技术计算出物体在x方向和z方向的位置坐标后，分别乘以ii)中计算出来的两个比例系数后所得的值，即是发往云台控制指令中云台的平移值和变倍值。 

附图7是根据本发明实施例的在一间普通教室安装自动跟踪系统的实际部署图；为了技术方案能够达到更好的技术效果，在实际安装过程中还有几个问题需要考虑，例如： 

检测区域的裁剪，在实际环境中，如教室黑板区域装有投影屏幕或电子白板，当屏幕和白板上有画面显示时，会影响教师摄像机的跟踪，所以需要在部署时将此区域裁剪掉，即不检测该区域的移动目标，对于学生区，可以直接将画面上半部分和下半部分进行裁剪，以排除如灯光、电扇等的影响；通过一定的裁剪，可以排除干扰，使检测结果更为准确，跟踪效果更好。 

多移动目标的处理，如果在画面中一定时间范围内有多个移动目标出现，而且目标间隔比较远，则应将摄像机控制在预设的“全景”位置。 

跟踪的平滑处理，如果单一根据目标的瞬时移动来控制摄像机，很多情况下会出现画面来回抖动、移动不平滑的问题，因此在检测物体移动的过程中，需要对一定时间范围内物体的运动方向作出判断，可以适当增加检测的帧间隔数来实现对运动方向的判断。 

与现有技术相比，本发明的主要优点在于：(1)跟踪目标无需佩戴其它信号装置；(2)抗干扰性强；(3)定位准确，跟踪过程平滑，不会丢失目标；(4)部署简单，只需要在检测区域的几个不同位置安装普通的摄像机即可，建设成本低廉。 

目前，本发明的技术方案已经在很多的客户中得到了验证和实际应用。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制于本发明， 对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改变和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种基于图象定位的摄像机自动跟踪系统，其特征在于所述系统包括：

目标定位系统，由跟踪主机、教师定位摄像机和学生定位摄像机组成，跟踪主机通过视频线分别与教师定位摄像机、学生定位摄像机相连接；教师定位摄像机和学生定位摄像机采集图象并传送至跟踪主机进行图象识别，检测目标移动，计算移动目标的坐标位置；

自动跟踪系统，由跟踪主机、教师采集摄像机和学生采集摄像机组成，跟踪主机通过云台控制线分别与教师采集摄像机、学生采集摄像机相连接；跟踪主机向教师采集摄像机和学生采集摄像机发送拍摄指令；

录播主机系统，其通过视频线分别与教师采集摄像机和学生采集摄像机相连接，采集视频和其他相关数据，并进行编码压缩生成课件文件。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪系统，其特征在于，所述教师定位摄像机数量设置为一台，学生定位摄像机数量设置为两台。

3.一种基于图象定位的摄像机自动跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

图像识别，由教师定位摄像机和学生定位摄像机采集移动目标，并将数据传送至跟踪主机，采用时间差分法对移动目标进行图象识别；

目标定位，跟踪主机根据教师定位摄像机和学生定位摄像机采集的数据分别对教师及学生目标进行目标定位；

自动跟踪，跟踪主机根据目标定位后的定位数据，通过云台控制线分别向教师采集摄像机和学生采集摄像机传送云台控制指令，例如，摄像机角度和焦距；

课件生成，教师采集摄像机和学生采集摄像机通过视频线将所采集的数据传送至录播主机，录播主机对视频及其他数据进行编码压缩，生成课件文件。

4.根据权利要求3所述的自动跟踪方法，其特征在于所述时间差分法包括在连续的图象序列中提取多个相邻帧，在帧间采用基于相素的时间差分，并用阈值化来提出运动区域的步骤。

5.根据权利要求3所述的自动跟踪方法，其特征在于在对教师目标进行目标定位时，采用单目平面定位法，而在对学生目标进行目标定位时，采用双目立体定位法。

6.根据权利要求3所述的自动跟踪方法，其特征在于自动跟踪的过程是通过发送位置指令给摄像机云台来实现的，包括以下步骤：

步骤一：通过手动控制云台将拍摄画面移到最左端，获取此时云台的左位置点，移到画面最右端获取云台的右位置点，移到最近点获取最近变焦倍数，移到最远点获取最远变焦倍数，左右位置点的差即为摄像机水平移动的变化范围，最近变焦倍数和最远变焦倍数之差即为摄像机变焦范围；

步骤二：测量出实际左位置点和右位置点的距离，以及最近变焦位置和最远变焦位置的实际距离，再分别除以摄像机相应的变化范围值，可以获取到平移和变焦的两个比例系数；

步骤三：通过定位技术计算出物体在x方向和z方向的位置坐标后，分别乘以上述步骤中计算出来的两个比例系数后所得的值，即是发往云台控制指令中云台的平移值和变倍值。

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