CN104202526A - 一种现场作业智能取景拟合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于作业安全装备与作业质量监管装置技术领域，一种现场作业智能取景拟合装置，包括一个摄像机，一个平行固定在摄像机的附近的激光标示器，一个微控制器，一个电源；摄像机通过第一变焦电机实现变焦，激光标示器通过第二变焦电机实现变焦，第一变焦电机和第二变焦电机都与微控制器通信连接；第一变焦电机在手动开关的驱动下改变摄像机的焦距，微控制器获取摄像机的变焦数字信号通过处理转成激光标示器的变焦数字信号并发送给第二变焦电机，第二变焦电机在自动开关的驱动下改变激光标示器的焦距，实现激光标示成像角与摄像机视场角成像同步拟合。本发明可以实现激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步。

Description

一种现场作业智能取景拟合装置及方法

技术领域

本发明属于作业安全装备与作业质量监管装置技术领域，涉及一种取景拟合装置，具体的说是一种现场作业智能取景拟合装置及方法。 

背景技术

众所周知，现场标准化作业的核心三要素是安全、质量及效率，有效的监管手段及机制，是三要素“落地”的根本保障。近年来，电力、煤矿等典型行业大力推行现场标准化作业，并积极引用现代科技辅助手段，对改善安全生产状况起到了一定的效果，但限于智能辅助手段体系欠充分，导致作业现场三要素管控机制一直没能有效健全，严重制约了企业的可持续发展。 

目前，应用智能装备技术手段推进现场标准化作业监管，供电企业生产现场管理方法具有典型的代表性。其方法要点是，依据《GB26859-2011电力安全工作规程(电力线路部分)》的工作监护制要求，设置现场监护人若干名，每位现场施工人员均在监护人监管下工作。现场监护人可手持专用PDA，采集现场信息，发布指令，实时监管现场施工的安全、质量及效率。 

检索发现，申请号为201220415314.4的中国专利申请公开了《信息化自动摄像安全帽及应用其的智能施工管理系统》，该实用新型公开了一种信息化自动摄像安全帽，包括安全帽本体，其帽沿上箍设有安装支架，安装支架的前部设有内装有无线信号发射电路的控制盒、与控制盒电联接的摄像头和可外接数据存储器的数据储存模块，安全帽本体的前部设有可拆装的主照明灯，控制盒和主照明灯上均设有电源接口。本发明还公开了应用了上述安全帽的智能施工管理系统。本发明的安全帽利用摄像头进行拍摄录像，控制盒将之处理成无线信号发射出去，与外界实时通信，并且储存数据。本发明的管理系统可与信息化自动摄像安全帽配套使用。本发明可广泛应用于现场工程中，提高监理质量。 

以上现有专利和现有供电企业的生产现场管理主要存在如下关键问题： 

护人员对关键信息的采集缺失。绝大多数情况下，施工人员面对作业对象，监护人处于施工人员的背后且有一定距离，导致监护人难以直接、全面观察到施工人员面对的关键作业点，监管实效大打折扣。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种现场作业智 能取景拟合装置及方法，可以实现激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，实现摄制图像的所得即所见。 

本发明解决以上技术问题的技术方案是： 

一种现场作业智能取景拟合装置，包括一个摄像机，用以采集作业的视场影像；一个平行固定在摄像机的附近的激光标示器，用以通过矩形激光标示摄像机的视场范围；一个微控制器；一个为摄像机、激光标示器和微控制器供电的电源； 

摄像机含有实现其变焦的第一变焦电机，用以在手动开关的驱动下改变摄像机的焦距；激光标示器含有实现其变焦的第二变焦电机，用以受控于微控制器改变其焦距，实现激光标示成像角与摄像机视场角成像同步拟合；第一变焦电机和第二变焦电机都与微控制器通信连接，微控制器用以将获取的摄像机变焦信号根据下式转成激光标示器的变焦信号发送给第二变焦电机： 

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

其中V_a是摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位为毫米；V_b是激光标识器透镜与激光灯的距离，单位为毫米；S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米；S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米；F_a是摄像机透镜组的等效焦距，单位为毫米；F_b是激光标识器透镜的焦距，单位为毫米。 

一种现场作业智能取景拟合方法，按以下步骤进行， 

㈠打开电源，接通摄像机、激光标示器和微控制器，手动开关控制摄像机进行变焦，并将摄像机变焦数字信号发送至微控制器； 

㈡设定摄像机与矩形激光标识器的宽高比相同，且平行排列，根据等效透镜通过透镜中心的光线方向不变原则，及等角直角三角形关系： 

$\frac{H_a}{U_a}=\frac{S_a}{V_a}$

得到 $H_a=\frac{S_a}{V_a}*U_a...\left(1\right)$

式(1)中： 

H_a为摄像机视场对角线的长度，单位：毫米； 

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米； 

S_a为CCD对角线的长度，单位：毫米； 

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米； 

根据透镜成像公式： 

$\frac{1}{F_a}=\frac{1}{U_a}+\frac{1}{V_a}$

得到 $U_a=\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}...\left(2\right)$

式(2)中： 

F_a为焦距，即摄像机透镜组的等效焦距，单位：毫米； 

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米； 

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米； 

将式(2)代入式(1)，得 

$H_a=\frac{S_a}{V_a}*\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}$

$=\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}...\left(3\right)$

同理，得 

$H_b=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}...\left(4\right)$

式(3)和式(4)中： 

H_b为激光标识成像对角线的长度，单位：毫米； 

S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米，S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米，且设定矩形激光灯源高宽比与摄像机CCD的高宽比一致； 

F_b为焦距，即激光标识器透镜的焦距，单位：毫米； 

V_b为像距，即激光标识器透镜与激光灯的距离，单位：毫米； 

由V_a变化后H_a与H_b应同步拟合，即H_a＝H_b，合并式(3)和式(4)，得： 

$\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}$

变换上式，得 

S_a*F_a*V_b-S_a*F_a*F_b＝S_b*F_b*V_a-S_b*F_b*Fa 

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

㈢根据步骤㈡的计算结果，微控制器发出激光标示器变焦数字信号，驱动激光标示器变焦电机使激光标示器变焦，达到激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，实现光标成像与摄像机视场边缘拟合，摄制图像所得即所见。 

本发明进一步限定的技术方案是： 

前述的现场作业智能取景拟合装置，其中摄像机采用微型高清CCD，激光标示器采用微型矩形激光灯。 

前述的现场作业智能取景拟合装置，其中微控制器集成有扩展存储器和接口。 

前述的现场作业智能取景拟合装置，其中微控制器为ARM系列处理器，ARM系列处理器为TI的Cortex-A15处理器AM5K2Ex、TI的Cortex-A9处理器AM437x或SAMSUNG的Cortex-A8处理器S5PV210。 

本发明简单巧妙的将激光标示器设置在摄像机的上方或下方，摄像机的变焦电机在手动开关的驱动下改变摄像机的焦距，同时，摄像机变焦数字信号发送到 微控制器，由微控制器产生激光标示器变焦数字信号，驱动激光标示器变焦电机自动变焦，激光标示器发射的矩形光标，其成像与与摄像机视场智能随动拟合，从而实现激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，实现光标成像与摄像机视场边缘拟合，即摄像视场与光标成像同步拟合，达到摄制图像所得即所见的目的。 

附图说明

图1是本发明激光标示器与摄像头的智能同步连动系统结构示意图。 

图2是本发明激光标示器与摄像头的工作原理图。 

图3是本发明激光标示器与摄像头的成像原理图。 

具体实施方式

实施例1 

本实施例是一种现场作业智能取景拟合装置，如图1所示，包括一个摄像机5，用以采集作业的视场影像；一个平行固定在摄像机上方的激光标示器7，用以通过矩形激光标示摄像机的视场范围；一个微控制器；一个为摄像机、激光标示器和微控制器供电的电源；摄像机5含有实现其变焦的第一变焦电机6，用以在手动开关的驱动下改变摄像机的焦距；激光标示器7含有实现其变焦的第二变焦电机8，用以受控于微控制器改变其焦距，实现激光标示成像角与摄像机视场角成像同步拟合；第一变焦电机6和第二变焦电机8都与微控制器通信连接，微控制器用以将获取的摄像机变焦信号根据下式转成激光标示器的变焦信号发送给第二变焦电机，驱动第二变焦电机实现激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，即摄像视场与光标成像同步拟合，达到摄制图像所得即所见的目的。 

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

其中V_a是摄像机透镜组9与CCD之间的距离，单位为毫米；V_b是激光标识器透镜10与激光灯的距离，单位为毫米；S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米；S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米；F_a是摄像机透镜组9的等效焦距，单位为毫米；F_b是激光标识器透镜10的焦距，单位为毫米。 

摄像机与激光标示器的工作原理如图2所示，摄像机的变焦电机在手动开关的驱动下，改变摄像机的焦距，同时，摄像机变焦数字信号发送到微控制器，微 控制器产生激光标示器变焦数字信号，驱动激光标示器变焦电机，实现激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，即摄像视场与光标成像同步拟合，达到摄制图像所得即所见的目的。 

本实施例中，摄像机采用微型高清CCD，采集作业的视场影像；激光标示器采用微型矩形激光灯，可与摄像机一体化设计,以矩形激光标示摄像机的视场范围；微控制器为ARM处理器，ARM系列处理器可以是TI的Cortex-A15处理器AM5K2Ex、TI的Cortex-A9处理器AM437x或SAMSUNG的Cortex-A8处理器S5PV210；微控制器集成有扩展存储器和接口；电源采用可充电锂电池组，可与微控制器一体化设计。 

本发明应用在智能安全帽上实施时，现场监护人及施工人员均配备智能安全帽，开启各模块后，监护人可以通过PDA全面监察施工人员的作业，并通过智能安全帽的对讲系统，实时管控施工人员的标准化作业过程；施工人员可以，(1)摄取并传送作业视场的实时清晰图像；(2)通过智能安全帽的对讲系统，获得监护人对当前作业步骤的安全提示和关键工艺提示；从而充分保障了现场标准化作业“安全、质量、效率”三要素管控的“落地”。 

实施例2 

一种现场作业智能取景拟合方法，按以下步骤进行， 

㈠打开电源，接通摄像机、激光标示器和微控制器，手动开关控制摄像机进行变焦，并将摄像机变焦数字信号发送至微控制器； 

㈡如图3所示，设定摄像机与矩形激光标识器的宽高比相同，且平行排列，根据等效透镜通过透镜中心的光线方向不变原则，及等角直角三角形关系： 

$\frac{H_a}{U_a}=\frac{S_a}{V_a}$

得到 $H_a=\frac{S_a}{V_a}*U_a...\left(1\right)$

式(1)中： 

H_a为摄像机视场对角线的长度，单位：毫米； 

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米； 

S_a为CCD对角线的长度，单位：毫米； 

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米； 

根据透镜成像公式： 

$\frac{1}{F_a}=\frac{1}{U_a}+\frac{1}{V_a}$

得到 $U_a=\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}...\left(2\right)$

式(2)中： 

F_a为焦距，即摄像机透镜组的等效焦距，单位：毫米； 

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米； 

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米； 

将式(2)代入式(1)，得 

$H_a=\frac{S_a}{V_a}*\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}$

$=\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}...\left(3\right)$

同理，得 

$H_b=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}...\left(4\right)$

式(3)和式(4)中： 

H_b为激光标识成像对角线的长度，单位：毫米； 

S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米，S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米，且设定矩形激光灯源高宽比与摄像机CCD的高宽比一致； 

F_b为焦距，即激光标识器透镜的焦距，单位：毫米； 

V_b为像距，即激光标识器透镜与激光灯的距离，单位：毫米； 

由V_a变化后H_a与H_b应同步拟合，即H_a＝H_b，合并式(3)和式(4)，得： 

$\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}$

变换上式，得 

S_a*F_a*V_b-S_a*F_a*F_b＝S_b*F_b*V_a-S_b*F_b*Fa 

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

㈢根据步骤㈡的计算结果，微控制器发出激光标示器变焦数字信号，驱动激光标示器变焦电机使激光标示器变焦，达到激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，实现光标成像与摄像机视场边缘拟合，摄制图像所得即所见。 

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (5)

1.一种现场作业智能取景拟合装置，其特征在于：包括一个摄像机，用以采集作业的视场影像；一个平行固定在所述摄像机的附近的激光标示器，用以通过矩形激光标示摄像机的视场范围；一个微控制器；一个为所述摄像机、激光标示器和微控制器供电的电源；

所述摄像机含有实现其变焦的第一变焦电机，用以在手动开关的驱动下改变所述摄像机的焦距；所述激光标示器含有实现其变焦的第二变焦电机，用以受控于所述微控制器改变其焦距，实现激光标示成像角与摄像机视场角成像同步拟合；所述第一变焦电机和第二变焦电机都与所述微控制器通信连接，所述微控制器用以将获取的摄像机变焦信号根据下式转成激光标示器的变焦信号发送给所述第二变焦电机：

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

其中V_a是摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位为毫米；V_b是激光标识器透镜与激光灯的距离，单位为毫米；S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米；S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米；F_a是摄像机透镜组的等效焦距，单位为毫米；F_b是激光标识器透镜的焦距，单位为毫米。

2.如权利要求1所述的现场作业智能取景拟合装置，其特征在于：所述摄像机采用微型高清CCD，所述激光标示器采用微型矩形激光灯。

3.如权利要求1所述的现场作业智能取景拟合装置，其特征在于：所述微控制器集成有扩展存储器和接口。

4.如权利要求1所述的现场作业智能取景拟合装置，其特征在于：所述微控制器为ARM系列处理器，所述ARM系列处理器为TI的Cortex-A15处理器AM5K2Ex、TI的Cortex-A9处理器AM437x或SAMSUNG的Cortex-A8处理器S5PV210。

5.如权利要求1所述装置的现场作业智能取景拟合方法，其特征在于：按以下步骤进行，

㈠打开电源，接通摄像机、激光标示器和微控制器，手动开关控制摄像机进行变焦，并将摄像机变焦数字信号发送至微控制器；

㈡设定摄像机与矩形激光标识器的宽高比相同，且平行排列，根据等效透镜通过透镜中心的光线方向不变原则，及等角直角三角形关系：

$\frac{H_a}{U_a}=\frac{S_a}{V_a}$

得到 $H_a=\frac{S_a}{V_a}*U_a...\left(1\right)$

式(1)中：

H_a为摄像机视场对角线的长度，单位：毫米；

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米；

S_a为CCD对角线的长度，单位：毫米；

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米；

根据透镜成像公式：

$\frac{1}{F_a}=\frac{1}{U_a}+\frac{1}{V_a}$

得到 $U_a=\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}...\left(2\right)$

式(2)中：

F_a为焦距，即摄像机透镜组的等效焦距，单位：毫米；

U_a为物距，即被摄物体与摄像机透镜组之间的距离，单位：毫米；

V_a为像距，即摄像机透镜组与CCD之间的距离，单位：毫米；

将式(2)代入式(1)，得

$H_a=\frac{S_a}{V_a}*\frac{F_a*V_a}{V_a-F_a}$

$=\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}...\left(3\right)$

同理，得

$H_b=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}...\left(4\right)$

式(3)和式(4)中：

H_b为激光标识成像对角线的长度，单位：毫米；

S_a是CCD对角线的长度，单位为毫米，S_b是矩形激光灯对角线的长度，单位为毫米，且设定矩形激光灯源高宽比与摄像机CCD的高宽比一致；

F_b为焦距，即激光标识器透镜的焦距，单位：毫米；

V_b为像距，即激光标识器透镜与激光灯的距离，单位：毫米；

由V_a变化后H_a与H_b应同步拟合，即H_a＝H_b，合并式(3)和式(4)，得：

$\frac{S_a*F_a}{V_a-F_a}=\frac{S_b*F_b}{V_b-F_b}$

变换上式，得

S_a*F_a*V_b-S_a*F_a*F_b＝S_b*F_b*V_a-S_b*F_b*Fa

$V_b=\frac{S_b*F_b}{S_a*F_a}*V_a-\frac{S_b*F_b-S_a*F_b}{S_a}$

㈢根据步骤㈡的计算结果，微控制器发出激光标示器变焦数字信号，驱动激光标示器变焦电机使激光标示器变焦，达到激光标示成像角与摄像机视场角的智能同步，实现光标成像与摄像机视场边缘拟合，摄制图像所得即所见。