CN103905792A - 一种基于ptz监控摄像机的3d定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于安防监控技术领域，提供了一种基于PTZ监控摄像机的3D定位方法，所述方法包括：采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面；设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标以及所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机；根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。本发明采用了3D坐标快速转换算法，实现了对感兴趣区域的直接定位，可以准确快速的获取感兴趣区域高分辨率的图像。

Description

一种基于PTZ监控摄像机的3D定位方法及装置

技术领域

本发明属于安防监控领域，尤其涉及一种基于PTZ监控摄像机的3D定位方法及装置。

背景技术

PTZ摄像机是一种监控用摄像机，在安防监控应用中PTZ是Pan/Tilt/Zoom的简写，代表云台全方位（水平、俯仰）移动及镜头变倍、变焦控制。PTZ摄像机因其具有可变视角、可变焦能力，可以随时改变摄影的角度、所覆盖的范围与清晰度，与普通摄像机相比，可以获得更好的监控效果。因此，PTZ摄像机在目前监控市场中，已经得到越来越广泛的应用。

PTZ摄像机在运动的过程中，其旋转和变焦特性使得感兴趣区域随着摄像机执行摇摄、倾斜操作时，会“移动穿过”屏幕。在低倾斜角的情况下，感兴趣区域看上去是水平在屏幕上移动。然而，都在较高倾斜角（大于45度）下，感兴趣区域看上去是以弧形轨迹在屏幕上移动。传统方法中需要一定的人工交互操作进行视野调整来确定2D-3D间的对应关系，以获得更清晰的对象图像，该方法在监控系统中难以满足实时响应的要求，比较费时费力，效果不能保证。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于PTZ监控摄像机及其3D定位方法，旨在解决现有PTZ监控摄像机在执行执行摇摄、倾斜操作时，需要人工进行进行视野调整，比较费时费力的技术问题。

一方面，所述基于PTZ监控摄像机的3D定位方法包括下述步骤：

采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示；

设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；

根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；

根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上；

根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

另一方面，所述基于PTZ监控摄像机的3D定位装置包括：

视频采集输出模块，用于采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示；

目标锁定设置模块，用于设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；

3D转换计算模块，用于根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；

云台电机控制模块，用于根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上；

镜头缩放控制模块，用于根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

本发明的有益效果是：本发明采用了3D坐标快速转换算法，可以快速计算出图像传感器成像平面上的目标中心点相对于PTZ监控摄像机光轴的绝对夹角，包括水平方向夹角和垂直方向夹角，然后控制调整摄像机云台的摇射角和倾斜角，并根据兴趣区域大小以及缩放方式控制摄像机镜头变倍缩放，使感兴趣区域以适当比例大小清晰地显示在监控端屏幕的中心位置，实现了对感兴趣区域的直接定位，可以准确快速的获取感兴趣区域高分辨率的图像。本发明简化了以往由平面二维坐标转换为三维坐标所需要进行的大量复杂的数学运算，可以简单、快速地获取感兴趣区域高分辨率图像。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位方法的流程图；

图2是视频图像在网络监控端屏幕上的显示示意图；

图3是图1中步骤S13的一种具体优选流程图；

图4是在图像传感器上成像的3D视图；

图5是本发明第二实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位装置的结构方框图；

图6是图5中3D转换计算模块的一种具体优选结构方框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例提供的PTZ监控摄像机的3D定位方法的流程，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位方法包括下述步骤：

步骤S11、采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示.

PTZ监控摄像机通常为半球摄像机，内置有摄像机云台，通过调整摄像机云台，可以调整摄像机镜头摇射和倾斜转动。PTZ监控摄像为网络摄像机，通过网络连接到后台的网络监控端，在网络监控端上可以实时显示出各个摄像机所捕获到的视频画面。在本步骤中，PTZ监控摄像机拍摄实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端的屏幕上显示出来。

步骤S12、设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式。

假设网络监控端中所显示的一帧画面图像如图2所示，水平像数总数标记为Hpix_Total，垂直方向的像数总数标记为Vpix_Total。网络监控端屏幕区域左上角坐标为（0,0），右下角坐标为（Hpix_Total,Vpix_Total）。通过网络监控端设置需要扑捉的视野和感兴趣区域大小，记录所标定感兴趣区域区域的起始两个角点的像素坐标值。如图2所示，假设感兴趣区域的左上角像素坐标为（X1，Y1），右下角像素坐标为（X2，Y2）。从而可以计算出感兴趣区域区域的中心像素坐标（X，Y），其中X=(X1+X2)/2，Y=(Y1+Y2)/2。所述缩放方式为感兴趣区域在屏幕上的预期显示比例。

步骤S13、根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角。

本步骤通过计算感兴趣区域中心点在图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并通过数字几何关系由二维坐标转换成相应的绝对坐标，计算PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角。具体的，如图3所示，本步骤包括如下步骤：

步骤S131、根据PTZ监控摄像机的图像传感器型号以及画面显示分辩率确定有效成像靶面尺寸。

首先要获取图像传感器的型号，由于不同厂家不同型号的图像传感器的成像区域（即靶面尺寸）存在一定差异，所以需要具体的图像传感器型号并结合图像显示像素来确定有效成像靶面尺寸。假设图像传感器的有效成像区域的水平尺寸Hsize，垂直尺寸为Vsize，单位为mm。

步骤S132、获取有效焦距和摄像机云台的当前摇射角和倾斜角。

假设有效焦距为f，云台电机包括水平电机和俯仰电机，分别拥有控制镜头摇射转动（即水平方向转动）和倾斜转动（即俯仰转动）。假设在水平方向当前水平电机所处的步数为Hstep，最大步数为Hstep_max，最大步数对应的遥射角为2π，单位为弧度。在垂直方向当前俯仰电机所处的步数为Vstep，最大步数为Vstep_max，最大步数对应的倾斜角为π/2，单位为弧度。则PTZ摄像机镜头所处的当前摇摄角β=(Hstep*2π)/(Hstep_max)，当前倾斜角α=(Vstep*π)/(Vstep_max*2)。

步骤S133、根据所述有效成像靶面尺寸以及感兴趣区域大小计算目标中心点的二维物理坐标。

在步骤S12中已经确定感兴趣区域的中心像素坐标（X，Y），那么在图像传感器的成像平面上，按照计算比例，所述感兴趣区域的目标中心点的二维物理坐标为（x，y）=（(Χ*Hsize)/(Hpix_Total)，(Y*Vsize)/(Vpix_Total))，单位为mm。

步骤S134、根据所述目标中心点的二维物理坐标、有效焦距、摄像机云台当前倾斜角、有效成像靶面尺寸计算目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向和垂直方向的夹角。

如图4所示的在图像传感器上成像的3D视图，A为焦点位置，AO为有效焦距。C为目标中心点在图像传感器上的成像坐标位置，坐标值为（x，y）。O为图像传感器的有效成像靶面的中心，坐标值为（x0，y0）=（Hsize/2，Vsize/2）。BC垂直于BO，CD垂直于OD，即BC=OD=x-x0，BO=CD=y-y0。EF为OD在水平平面AEF上的垂直投影，从而OD=EF，OE=DF。∠OAE为云台的当前倾斜角α，∠OAB为δα。∠XAE为云台的当前摇摄角β，∠OAD的为δβ，∠BAC为δβ1，βc为目标中心点C与摄像机光轴AO在水平方向上的夹角，αc为目标中心点C与摄像机光轴AO在垂直方向上的夹角。经过立体几何相关三角形的变换，可以推导出：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}(\frac{\sqrt{{(y-y_0)}^2+f^2}}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+f^2}}\×\sin ({\tan }^{-1}\frac{y-y_0}{f}+\mathrm{\α}))$

α_Ｃ＝α₁-α

${\mathrm{\β}}_C={\sin }^{-1}(\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{\left|(x-x_0)\right|}{\sqrt{{\left({y-y}_0\right)}^2+f^2}}\right)\right)/\cos {\mathrm{\α}}_1)$

其中，y-y0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的垂直方向上的距离，单位mm；

x-x0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的水平方向上的距离，单位mm；

f为有效焦距，单位为mm；

α为摄像机云台当前倾斜角；

β为摄像机云台当前摇射角。

步骤S14、根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上。

在步骤S13中获取到目标中心点与摄像机光轴在水平方向的夹角βc，垂直方向的夹角αc后，就可以计算出当前控制水平方向的水平电机应该走的步数为(Hstep_max)/2π*βc，控制垂直方向的俯仰电机应该走的步数为(Vstep_max*2)/π*αc，云台上下左右转动的方向可以根据目标中心点的坐标来确定。当目标中心点的坐标在画面中心位置偏上时，控制俯仰电机向上运动，反之则向下运动。当目标中心点的坐标在画面中心位置的左边时，控制水平电机向左运动，反之则向右运动。水平电机和俯仰电机按照步进数以及步进方向控制PTZ监控摄像机的光轴对准目标中心点的位置，从而使得感兴趣区域的目标中心点出现在监控画面的中心。

步骤S15、根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

当感兴趣区域的中心点出现在监控画面的中心时，根据所设置的感兴趣区域大小和缩放方式来确定缩放比例，进而进行变倍控制，实现对感兴趣区域的适当缩放，最终得到感兴趣区域的高分辨率的图像。

实施例二：

图5示出了本发明实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位装置包括：

视频采集输出模块51，用于采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示；

目标锁定设置模块52，用于设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；

3D转换计算模块53，用于根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；

云台电机控制模块54，用于根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上；

镜头缩放控制模块55，用于根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

本实施例提供的各个功能模块51-55对应实现了实施例一种步骤S11-S15，具体的，所述视频采集输出模块51位于PTZ监控摄像机，视频采集输出模块51采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面并上传到网络监控端，在网络监控端的屏幕上显示出视频图像，在网络监控端，通过目标锁定设置模块52设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式，然后3D转换计算模块53根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角，网络监控端将所述水平和垂直方向夹角以及电机步进方向发送给PTZ监控摄像机，位于PTZ监控摄像机的云台电机控制模块54对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上，最后镜头缩放控制模块55根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

作为一种具体优选实施方式，如图6所示，所述3D转换计算模块53包括：

靶面获取单元531，用于根据PTZ监控摄像机的图像传感器型号以及画面显示分辩率确定有效成像靶面尺寸；

参数获取单元532，用于获取有效焦距和摄像机云台的当前摇射角和倾斜角；

坐标计算单元533，用于根据所述有效成像靶面尺寸以及感兴趣区域大小计算目标中心点的二维物理坐标；

角度计算单元534，用于根据所述目标中心点的二维物理坐标、有效焦距、摄像机云台当前倾斜角、有效成像靶面尺寸计算目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向和垂直方向的夹角。

所述目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向的夹角为βc，垂直方向的夹角为αc，其计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}(\frac{\sqrt{{(y-y_0)}^2+f^2}}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+f^2}}\×\sin ({\tan }^{-1}\frac{y-y_0}{f}+\mathrm{\α}))$

α_Ｃ＝α₁-α

${\mathrm{\β}}_C={\sin }^{-1}(\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{\left|(x-x_0)\right|}{\sqrt{{\left({y-y}_0\right)}^2+f^2}}\right)\right)/\cos {\mathrm{\α}}_1)$

其中，y-y0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的垂直方向上的距离，单位mm；

x-x0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的水平方向上的距离，单位mm；

f为有效焦距，单位为mm；

α为摄像机云台当前倾斜角；

β为摄像机云台当前摇射角。

进一步的，本实施例中，所述云台电机控制模块54包括：

步进数计算单元，用于根据所述水平方向的夹角βc、垂直方向的夹角αc，获取摄像机云台电机步进数；

电机控制单元，用于根据所述步进数控制摄像机云台电机工作。

综上，本发明实施例提供的基于PTZ监控摄像机的3D定位方法和装置运用3D定位坐标快速转换算法控制PTZ摄像机的摇摄角、倾斜角、变倍，直到所述感兴趣区域以适当的比例出现在网络监控端屏幕的中心处，实现了对感兴趣区域的直接定位，可以准确快速的获取感兴趣区域高分辨率的图像。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于PTZ监控摄像机的3D定位方法，其特征在于，所述方法包括：

采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示；

设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；

根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；

根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上；

根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角步骤，具体包括：

根据PTZ监控摄像机的图像传感器型号以及画面显示分辩率确定有效成像靶面尺寸；

获取有效焦距和摄像机云台的当前摇射角和倾斜角；

根据所述有效成像靶面尺寸以及感兴趣区域大小计算目标中心点的二维物理坐标；

根据所述目标中心点的二维物理坐标、有效焦距、摄像机云台当前倾斜角、有效成像靶面尺寸计算目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向和垂直方向的夹角。

3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向的夹角为βc，垂直方向的夹角为αc，其计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}(\frac{\sqrt{{(y-y_0)}^2+f^2}}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+f^2}}\×\sin ({\tan }^{-1}\frac{y-y_0}{f}+\mathrm{\α}))$

α_Ｃ＝α₁-α

${\mathrm{\β}}_C={\sin }^{-1}(\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{\left|(x-x_0)\right|}{\sqrt{{\left({y-y}_0\right)}^2+f^2}}\right)\right)/\cos {\mathrm{\α}}_1)$

其中，y-y0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的垂直方向上的距离，单位mm；

x-x0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的水平方向上的距离，单位mm；

f为有效焦距，单位为mm；

α为摄像机云台当前倾斜角；

β为摄像机云台当前摇射角。

4.如权利要求3所述方法，其特征在于，所述根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机步骤，具体包括：

根据所述水平方向的夹角βc、垂直方向的夹角αc，获取摄像机云台电机步进数；

根据所述步进数控制摄像机云台电机工作。

5.一种基于PTZ监控摄像机的3D定位装置，其特征在于，所述装置包括：

视频采集输出模块，用于采集PTZ监控摄像机拍摄到的实景视频画面，并将所述视频画面上传到网络监控端并显示；

目标锁定设置模块，用于设置标定所感兴趣区域大小以及缩放方式；

3D转换计算模块，用于根据PTZ监控摄像机的图像传感器的有效成像靶面尺寸和当前有效焦距，获取图像传感器成像平面上的目标中心点的二维物理坐标，并计算所述PTZ监控摄像机的光轴相对于目标中心点的水平和垂直方向夹角；

云台电机控制模块，用于根据所述水平和垂直方向夹角对应调整摄像机云台电机，以使目标中心点位于所述PTZ监控摄像机的光轴上；

镜头缩放控制模块，用于根据设置的感兴趣区域大小以及缩放方式计算缩放比例，并相应控制摄像机镜头变倍缩放，得到感兴趣区域的高分辨率图像。

6.如权利要求5所述装置，其特征在于，所述3D转换计算模块包括：

靶面获取单元，用于根据PTZ监控摄像机的图像传感器型号以及画面显示分辩率确定有效成像靶面尺寸；

参数获取单元，用于获取有效焦距和摄像机云台的当前摇射角和倾斜角；

坐标计算单元，用于根据所述有效成像靶面尺寸以及感兴趣区域大小计算目标中心点的二维物理坐标；

角度计算单元，用于根据所述目标中心点的二维物理坐标、有效焦距、摄像机云台当前倾斜角、有效成像靶面尺寸计算目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向和垂直方向的夹角。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述目标中心点和PTZ监控摄像机光轴在水平方向的夹角为βc，垂直方向的夹角为αc，其计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_1={\sin }^{-1}(\frac{\sqrt{{(y-y_0)}^2+f^2}}{\sqrt{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2+f^2}}\×\sin ({\tan }^{-1}\frac{y-y_0}{f}+\mathrm{\α}))$

α_Ｃ＝α₁-α

${\mathrm{\β}}_C={\sin }^{-1}(\sin \left({\tan }^{-1}\left(\frac{\left|(x-x_0)\right|}{\sqrt{{\left({y-y}_0\right)}^2+f^2}}\right)\right)/\cos {\mathrm{\α}}_1)$

其中，y-y0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的垂直方向上的距离，单位mm；

x-x0为在图像传感器成像平面上目标中心点到靶面中心点的水平方向上的距离，单位mm；

f为有效焦距，单位为mm；

α为摄像机云台当前倾斜角；

β为摄像机云台当前摇射角。

8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述云台电机控制模块包括：

步进数计算单元，用于根据所述水平方向的夹角βc、垂直方向的夹角αc，获取摄像机云台电机步进数；

电机控制单元，用于根据所述步进数控制摄像机云台电机工作。

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