CN104079816A - 一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法，包括如下步骤：根据电力设备监控场景建模并生成三维虚拟场景；查找并定位需要监控的电力设备；定位监控电力设备最佳的监控摄像机；计算监控摄像机调整至电力设备的旋转角度；根据旋转角度调整监控摄像机。本发明克服了手动调整监控摄像机所需时间长、效果差的缺点，可以及时获得电力设备的运行信息，提高对电力设备的监控质量。

Description

一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法

技术领域

本发明涉及一种监控摄像机控制方法，尤其涉及一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法，属于视频监控技术领域。

背景技术

变电站是电力系统中的重要环节。为了保证变电站中电力设备的正常运行，减少和避免电力事故的发生，电力调度中心监控人员需要对电力设备进行实时监控。通常对电力设备进行监控时，变电站内会安装多台监控摄像机。在对监控摄像机进行调整时，监控人员大多采用手动调整监控摄像头的方式来跟踪电力设备。

然而，手动调整摄像头的方式对于规模较小、电力设备相对较少的小型变电站而言是可行的；对于规模较大、电力设备相对较多的中大型变电站而言，是较为复杂且非常耗时的。手动调整的缺陷具体表现在以下几个方面：快速定位需要监控的电力设备是较为困难的；监控电力设备的最佳摄像头是较难选取的；监控摄像头不能及时准确定位至需要监控区域，监控人员要对多个摄像机进行多次调整，调整的过程较为繁琐。因此手动调整的方式花费时间很长，监控效果不理想，对于监控人员及时准确判断电力设备运行状况造成一定的误差。因此，如何提高监控效率和监控质量，及时获得有效的电力设备运行信息是电力工作人员亟待解决的一个重要难题。

三维虚拟现实技术已经广泛应用于电力系统的仿真培训、可视化展示、虚拟试验等应用中，能够更加准确、逼真地反映现场设备及环境的状态，大大提升了用户的视觉感受和人机交互体验。虽然三维虚拟现实技术已经应用到电网的各个环节中，但基于该技术的监控系统控制技术方案还是比较少的。例如，申请号为201310129623.4的中国发明申请中，公开了一种摄像机协调处理方法，包括：读取摄像头的预置位朝向的三维方向角信息；实时获取当前摄像头朝向的三维方向角信息，与所述摄像头的预置位朝向的三维方向角信息对比，并计算当前摄像头转向预置位所需调整的目标三维方向角角度，根据目标三维方向角角度控制摄像头调整至预置位。该方法自动计算目标三维方向角角度，按照计算结果自动校正。但该方法应用于规模较大的变电场对较多的电力设备进行监控，对于电力设备、监控摄像机的快速定位，具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的问题在于提供一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法。该方法可以使监控摄像机快速定位电力设备，并自动调整至最佳监控位置。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法，包括如下步骤：

根据电力设备监控场景建模并生成三维虚拟场景；

查找并定位需要监控的电力设备；

定位监控所述电力设备最佳的监控摄像机；

计算所述监控摄像机调整至所述电力设备的旋转角度；

根据所述旋转角度调整所述监控摄像机。

其中较优地，生成三维虚拟场景的步骤进一步包括：

模型生成器生成三维实体模型文件，并导入三维模型数据库中；

场景编辑器加载所述三维模型数据库，并生成三维虚拟场景。

其中较优地，查找并定位需要监控的电力设备的步骤进一步包括：

通过设备列表选择所监控的电力设备名称；

在三维虚拟场景中标定所有的此类电力设备，人工选定需要监控的电力设备；

对所监控的电力设备实现多角度漫游，并选择监控区域。

其中较优地，所述最佳的监控摄像机为距离所监控的电力设备最近的摄像机。

其中较优地，计算所述监控摄像机调整至所述电力设备的旋转角度的步骤进一步包括：

获取监控摄像机的初始位置；

确定监控摄像机从初始位置至监控位置的最短旋转路径，并记录每条路径的中间旋转点；

根据所述监控摄像机、所述初始位置、所述监控位置以及所述中间旋转点的坐标计算出每条最短路径的摄像机旋转角度；

选取旋转角度值最小的路径为最优旋转路径，保存监控位置为所述监控摄像机的下一次初始位置。

其中较优地，所述初始位置为坐标原点或上一次监控区域的位置。

其中较优地，所述初始位置至所述监控位置的最短旋转路径为：

沿X轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在X坐标上的差值；

沿Y轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在Y坐标上的差值：

沿Z轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在Z坐标上的差值。

本发明将虚拟现实技术应用于监控摄像机的自动控制，可以快速查找、定位需要监控的电力设备；根据电力设备定位最优的监控摄像机，同时自动调整监控摄像机至最佳监控位置。本发明克服了手动调整监控摄像机所需时间长、效果差的缺点，可以及时获得电力设备的运行信息，提高对电力设备的监控质量。

附图说明

图1为本发明所提供的监控摄像机自动控制方法的流程图；

图2为本发明中，搭建三维虚拟场景的流程图；

图3为本发明中，摄像机与监控区域的位置关系示意图；

图4为初始位置与监控位置X、Y、Z坐标不同时，摄像机的旋转方式示意图；

图5为初始位置与监控位置X、Y、Z方向的坐标相同时，摄像机的旋转方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见与1，本发明所提供的基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法，包括如下步骤：根据真实的电力设备监控场景建模并生成三维虚拟场景；查找并定位需要监控的电力设备；定位监控所述电力设备的最佳摄像机；计算所述摄像机调整至所述电力设备的旋转角度；根据所述旋转角度调整真实的监控摄像机。下面对本发明的监控摄像机自动控制方法进行详细说明

步骤1，根据真实的电力设备监控场景建模并生成三维虚拟场景。

在对整个电力设备监控场景进行建模并生成三维虚拟场景的过程中，三维设备模型是构建三维虚拟场景的基本单位。三维设备模型的组合构成了整个三维虚拟场景。在三维虚拟场景中，电力设备、监控摄像机与真实的环境是一致的。因此，根据实际变电站中的电力设备类型，本发明中的三维设备模型包括一次设备和二次设备：其中一次设备包括断路器、隔离开关、变压器、电流互感器、电压互感器、电抗器、避雷器、阻波器、母线、支架等；二次设备包括操作箱、屏盘、门、复位按钮、切换把手、压板、信号灯、光字牌等。在搭建三维虚拟场景时，可以采用成熟的商用三维建模软件，例如3dsmax集成开发环境等。

参见图2，首先利用3dsmax集成开发环境中的模型生成器创建电力设备的实体模型，并导入三维模型数据库中。其中模型生成器通过三维建模的方法，按照真实的一、二次电力设备的外形生成三维实体模型文件；三维模型数据库则用于存储和管理模型生成器导出的三维实体模型文件。在本发明的一个实施例中，模型生成器优选采用3dsmaxSDK的二次开发环境，生成的三维实体模型文件以插件的形式集成到3dsmax的三维模型数据库中。3dsmax SDK的优势在于使得模型生成器具备强大的三维的编辑功能，并且支持从多种标准格式的三维实体模型数据文件导入三维模型数据库中。

其次，场景编辑器加载三维模型数据库中的三维实体模型文件，并按照一定的比例装配成与真实场景相同的三维虚拟场景，同时根据加载的三维实体模型文件生成用于定位和查找所需电力设备的设备列表。场景编辑器为一个可视化的三维图形编辑器，利用鼠标键盘的输入，完成整个三维虚拟场景的编辑操作。对于三维虚拟场景的坐标系选取，优选为直角坐标系。本发明中以三维虚拟场景的中心位置为坐标原点，垂直地面方向为Z轴，X轴和Y轴选取的方向则根据实际情况而定。在场景编辑器加载三维模型数据库中的三维实体模型时，需记录和保存每台电力设备和监控摄像机的位置坐标。在监控电力设备时，需要对其上、下、左、右、前、后六个角度进行监控，因此对于电力设备需要将其每个角度所要监控区域的位置坐标进行保存。而监控区域的位置坐标则为区域的中心位置。监控摄像机的位置坐标则为中心位置的坐标。

步骤2，查找并定位需要监控的电力设备。

电力设备的定位是通过三维虚拟场景提供的设备列表和导航功能来实现的。查找并定位需要监控的电力设备包括以下几个方面：在设备列表中选择需要监控的电力设备名称，计算机根据电力设备名称会在整个三维虚拟场景中标定出此类所有电力设备。在标定的此类所有电力设备中，人工选定需要监控的某台电力设备。通过平移、旋转观察者的视角实现监控变压器多个角度漫游，选定需要监控的区域，并记录该监控区域的位置坐标。在本发明的一个实施例中，查找定位监控的电力设备：变压器。首先在设备列表中选择变压器，三维虚拟场景中会标定所有的变压器；监控人员需要在标定的所有变压器中选定需要监控的变压器；监控人员利用鼠标、键盘等交互式操作调整三维虚拟场景视图，实现观察者视角的平移、旋转等。通过视角的平移、旋转，对监控变压器上、下、左、右、前、后六个角度漫游，并确定变压器需要监控的区域。最后将监控区域的位置坐标保存，作为监控摄像机旋转的最终监控位置坐标。

步骤3，选取监控电力设备的最优监控摄像机。

监控图像的清晰度由监控摄像机与电力设备之间的距离决定：距离电力设备越近，显示的图像越清晰；反之距离电力设备越远，图像越模糊。为保证监控图像的质量，本发明中的最优监控摄像机为距离电力设备监控区域最近的监控摄像机。在三维虚拟场景搭建时，会记录每台电力设备的监控区域的位置坐标以及每台监控摄像机的位置坐标。当电力设备的监控区域选定后，根据两点间的距离公式计算该监控区域与整个三维虚拟场景中每台监控摄像机之间的距离，选取距离值最小的监控摄像机为最优监控摄像机。如图3所示，其中S和T为监控摄像机，A为电力设备的监控区域。计算机实时计算监控区域A与监控摄像机S和T的距离，选择距离最小的摄像机作为最优监控摄像机。

需要说明的是，在摄像机的选取时，可能会存在电力设备被遮挡或者监控区域选择导致的监控视野不佳等问题。为了方便监控人员对设备进行监控、避免监控视野不佳等问题，本发明中优选监控摄像机安装在位置较高、视野开阔的地方。位于高处的监控摄像机基本上可以覆盖它监控范围内的所有电力设备。即便是监控目标被遮挡或者监控效果不好，监控人员也可以通过旋转监控摄像机从其他角度对电力设备进行监控。

步骤4，计算监控摄像机调整至所述电力设备的旋转角度。

最优的监控摄像机选定后，需要将摄像机原始的监控视线调整至电力设备的最佳监控视线。而监控摄像机由一个监控位置调整至另一个监控位置的运动分为两种运动：水平旋转运动、俯仰运动。本发明通过对监控摄像机两个方向旋转角度的计算，实现了监控位置的精确调整。本发明中采用三维直角坐标系中，由于Z轴垂直于地面，X轴和Y轴平行地面，因此Z轴方向的调整为监控摄像机的俯仰运动，X轴和Y轴方向的调整为水平旋转运动。

在计算监控摄像机旋转角度时，首先获取监控摄像机的初始监控位置。监控摄像机的初始监控位置为三维虚拟场景中的原点坐标或为上一次监控区域的位置坐标。其次根据监控位置与初始位置的坐标，确定最短旋转路径及每条路径的中间旋转点：监控位置与初始位置坐标包括以下几种关系：X、Y、Z三个方向坐标值都不相同；X、Y、Z只有一个方向的坐标值相同；X、Y、Z两个方向的坐标值相同。根据路径中确定的中间旋转点计算出每条最短路径的旋转角度。最后选取旋转角度值最小的路径为最优选准路径，并保存将该监控位置坐标为下一次该监控摄像机监控的初始位置坐标。下面对上述监控摄像机旋转角度的计算方法对进一步的详细说明。

参见图4，监控位置与初始位置在X、Y、Z中三个方向坐标值都不相同。监控摄像机S由初始位置A（a1，a2，a3）旋转至监控位置B(b1，b2，b3)。位置A和位置B坐标值都不相同，监控摄像机需在X轴方向移动b1－a1、Y轴方向移动b2－a2、Z轴方向移动b3－a3，才能从位置A到达位置B。从图中可以得出，由于X、Y、Z轴的调整顺序不同,位置A到位置B的最短路径共6条。位置A至位置B的最短的路径构成了以A、B为体对角线的立方体。以其中一条路径为例，对本发明中计算摄像机旋转角度方法进行说明。初始监控位置A坐标为（a1，a2，a3），最终监控位置B坐标为(b1，b2，b3)，中间旋转点分别为立方体的顶点A’(b1，a2，a3)和A”(b1，a2，b3)。首先根据监控摄像机S、监控位置A以及顶点A’的坐标，利用两点间距离公式和余弦公式等计算监控摄像机由A与至A’的旋转角α，即监控位置沿X轴的旋转角；其次根据监控摄像机S、中间旋转点A’和A”的坐标，计算监控摄像机由A’至A”的旋转角β，即监控摄像机沿Y轴方向的旋转角；最后根据监控摄像机S、中间旋转点A”和最终监控位置B坐标，计算监控摄像机由A”至B的旋转角γ，即为监控摄像机沿Z轴的旋转角。分别计算出6条最短旋转路径的旋转角度α+β+γ，并根据角度值最小的路径为监控摄像机的旋转路径。

参见图5，监控位置与初始位置在X、Y、Z中两个方向坐标值不相同。初始监控位置A坐标为（a1，a2，0）和最终监控位置B(b1，b2，0)。监控摄像机需在X轴方向移动b1－a1、Y轴方向移动b2－a2、Z轴方向移动0；。监控摄像机从位置A到位置B的最短旋转路径构成了以AB为对角线，以分别过A、B两点平行于X/Y轴的直线构成的矩形。其中，两条路径的中间旋转点为矩形的两个顶点A’(a1，b2，0)，A”(b1，a2，0)。以路径A-A’-B为例对监控摄像机的旋转过程进行说明。首先根据监控位置S，初始位置A以及中间旋转点A’的坐标，计算出监控摄像机由位置A到位置A’的旋转角度α。根据监控位置S，位置B以及中间旋转点A’的坐标，计算出监控摄像机由位置A’到位置B的旋转角度β。计算出两条路径的旋转角度α+β值后，选择值最小的路径为监控摄像机的旋转路径。

如果监控位置与初始位置在X、Y、Z中一个方向坐标值不相同，位置A和位置B所在直线平行于X轴或Y轴或Z轴。只需根据监控摄像机S，初始监控位置A和最终监控位置B的坐标，计算出监控摄像机由位置A到位置B的旋转角度。

步骤5，根据旋转角度调整真实的监控摄像机。监控摄像机按照步骤4中计算出的最优旋转路径的角度对真实设备进行调整。

综上所述，本发明利用虚拟现实技术构建与真实电力设备监控环境相一致的三维虚拟场景，并实现监控摄像机的自动控制，其优势在于：可以快速查找、定位需要监控的电力设备；根据电力设备定位最优监控调整机，同时自动调整摄像机至最佳监控视线。本发明有效节省了监控人员寻找定位电力设备和调整监控摄像头的时间，保证了监控人员能够及时获取电力设备的信息，提高了对电力设备的监控质量。

上面对本发明所提供的基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法进行了详细的说明。对一般领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (7)

1.一种基于虚拟现实技术的监控摄像机自动控制方法，其特征在于包括如下步骤：

根据电力设备监控场景建模并生成三维虚拟场景；

查找并定位需要监控的电力设备；

定位监控所述电力设备最佳的监控摄像机；

计算所述监控摄像机调整至所述电力设备的旋转角度；

根据所述旋转角度调整所述监控摄像机。

2.如权利要求1所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于生成三维虚拟场景的步骤进一步包括：

模型生成器生成三维实体模型文件，并导入三维模型数据库中；

场景编辑器加载所述三维模型数据库，并生成三维虚拟场景。

3.如权利要求1所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于查找并定位需要监控的电力设备的步骤进一步包括：

通过设备列表选择所监控的电力设备名称；

在三维虚拟场景中标定所有的此类电力设备，人工选定需要监控的电力设备；

对所监控的电力设备实现多角度漫游，并选择监控区域。

4.如权利要求1所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于所述最佳的监控摄像机为距离所监控的电力设备最近的摄像机。

5.如权利要求1所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于计算所述监控摄像机调整至所述电力设备的旋转角度的步骤进一步包括：

获取监控摄像机的初始位置；

确定监控摄像机从初始位置至监控位置的最短旋转路径，并记录每条路径的中间旋转点；

根据所述监控摄像机、所述初始位置、所述监控位置以及所述中间旋转点的坐标计算出每条最短路径的摄像机旋转角度；

选取旋转角度值最小的路径为最优旋转路径，保存监控位置为所述监控摄像机的下一次初始位置。

6.如权利要求5所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于：

所述初始位置为坐标原点或上一次监控区域的位置。

7.如权利要求5所述的监控摄像机自动控制方法，其特征在于，所述初始位置至所述监控位置的最短旋转路径为：

沿X轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在X坐标上的差值；

沿Y轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在Y坐标上的差值：

沿Z轴方向移动所述监控位置与所述初始位置在Z坐标上的差值。