CN104320587A - 一种室外云台摄像机的自动获取取景范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室外云台摄像机的自动获取取景范围的方法，以解决用户触发上报目标位置后云台摄像机不能进行联动控制与及时响应的问题。本发明通过捕获云台摄像机及用户触发的待拍摄目标位置的地理坐标，计算该目标点位相对于云台摄像机所在位置的方位角；云台摄像机垂直投影方向到云台摄像机和目标点位的连线方向的角度；以及云台摄像机镜头需要调整的景深大小(缩放比例)；以上三个参数构成拍摄目标所在空间在镜头中取景范围，最后根据云台的控制协议，调整云台摄像机的姿态，实现云台摄像机自动获取取景范围并驱动云台调整到最佳姿态。本发明能够根据上报的目标位置的地理坐标自动实现姿态调整，精确可靠，应用场景广泛、可推广性强。

Description

一种室外云台摄像机的自动获取取景范围的方法

技术领域

本发明涉及一种云台摄像机的监控方法，属于云台摄像机控制以及地理信息空间分析技术领域。

背景技术

随着科技的进步和社会的发展，视频监控系统的应用领域越来越广。无论是在政府部门、金融机构还是在商场超市、小区公园，视频监控设备处处可见，其发挥的作用也越来越大。根据应用的场景不同，所使用的监控设备类型有所不同。云台摄像机作为一种监控设备，具备可以调整工作姿态(如摄像机水平和俯仰的角度、镜头的焦距等)、扫描监视大范围区域、可操控性强等特点和优势，是一种更为灵活的监控摄像机，能满足多种场合的需求。

云台摄像机实现监控的方案一般有两种：一是设定某种方案(或系统预定方案)实现云台摄像机自动扫描监视区域，另一种则为操作人员手动调整云台摄像机姿态来跟踪监视对象。使用第一种方案，即通过预先设定好的规则，使云台摄像机按照预定规则自动扫描监视区域，这种方法既可以节省手动操作监控系统的人力投入又发挥了云台摄像机可扫描大范围区域的优势，但是其缺点就是这个预先设定的规则缺乏灵活性，难以根据监控对象的实际变化实现自适应调整的需求。而第二种方案则要求耗费大量人力操作亦难成为理想方案。

2012年申请的公布号为CN102902884A的发明专利公开了一种在长焦摄像机与云台摄像机相配合的监控系统中，能够通过长焦摄像机图像上的点的坐标与云台摄像机旋转角度坐标相转换，实现云台摄像机对长焦摄像机所监测跟踪到的运动目标进行自动定位的角度计算。

2011年申请的公布号为CN102314182A的发明专利公开了一种云台摄像机定位的方法及装置：该装置可获取当前云台摄像机水平位置信息和当地磁偏角；然后根据当前云台摄像机水平位置信息和磁偏角计算电机应转步数；最后，根据电机应转步数控制云台摄像机指向正北方向并设置为水平原点；通过以上步骤建立云台坐标系与地理坐标系之间的关系。

2010申请的公开号为CN102006456A的专利提供了一种云台摄像机、云台监控系统及进行方向定位的方法，以解决现有的云台摄像机的控制需要操作人员通过监视器观看转动结果来确认云台转动方位的问题。其方法的实现结果是把云台摄像机的方位信息叠加到云台摄像机的输出视频中，以作为操纵云台摄像机的参考。

上述专利均是对传统的视频监控方案的改良。其中，后两者是把视频监控设备作为一个地理空间中的实体看待，并实现了对方位的显示和控制；而前面一个专利则是通过两个摄像机联动，计算出转到监控目标的角度。

发明内容

本发明提供了一种室外云台摄像机的自动获取取景范围的方法，把云台摄像机作为地理空间中的一个空间实体看待，根据用户上报目标位置地理坐标，监控系统对目标位置和云台摄像机位置进行分析运算，得出云台摄像机需要转动和调整的参数，控制云台摄像机进行姿态调整，实现室外云台摄像机自动获取目标位置的取景范围，这样即可获取目标位置的最佳监控场景。

本发明的实现需要两个前提条件：

第一，触发条件，即用户上报目标位置的地理坐标，把这个地理坐标上的空间实体作为云台摄像机所要跟踪拍摄到的目标。

第二，将室外监控云台摄像机的初始水平0^°方向设定为地理正北方向(去除磁偏角)。

本发明的具体技术方案为：

获取室外云台摄像机所处位置的地理坐标(地理坐标点的格式表示为：“(经度，纬度，海拔高度)”；其中，经纬度以度为单位，海拔高度以米为单位)和用户触发的目标位置的地理坐标；

对室外云台摄像机所处位置的地理坐标和待转向的目标位置的地理坐标进行空间分析，分析这两个地理空间实体之间的空间关系，此处需要量算两者之间的空间距离和方位，空间量算的过程如下：

1、测出用户触发的目标位置与云台摄像机所处的空间位置之间的实地距离,如果这个值大于云台摄像机的可视范围的最大值则停止测算，提示超出范围；否则继续后面步骤，距离的量算方法如下：

1)设定云台摄像机所在空间点位坐标为A(latA,lonA，AltA)，目标位置点位坐标为B(latB,lonB,AltB)；

2)分别求解A、B两点在地球球面空间坐标系下的投影坐标，记作A’(X_a,Y_a,Z_a)，B’(X_b,Y_b,Z_b)，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_a=R*\cos \left(\mathrm{lonA}\right)*\cos \left(\mathrm{latA}\right)\\ Y_a=R*\cos \left(\mathrm{lonA}\right)*\sin \left(\mathrm{latA}\right)\\ Z_a=R*\sin \left(\mathrm{lonA}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_b=R*\cos \left(\mathrm{lonB}\right)*\cos \left(\mathrm{latB}\right)\\ Y_b=R*\cos \left(\mathrm{lonB}\right)*\sin \left(\mathrm{latB}\right)\\ Z_b=R*\sin \left(\mathrm{lonB}\right)\end{array}\right.$

其中，R表示地球半径的值(一般取地球的平均半径6371.004千米)；

3)分别求弧AB、AC、BC对应圆心角的弧度：

①由空间向量的夹角公式：

$\cos \∠\mathrm{AOB}=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}*\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}{|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}*\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}|}=\frac{X_a*X_b+Y_a*Y_b+Z_a*Z_b}{\sqrt{{X_a}^2+{Y_a}^2+{Z_a}^2}*\sqrt{{X_b}^2+{Y_b}^2+{Z_b}^2}}$

可求得∠AOB的度数，即：

$\∠\mathrm{AOB}=\mathrm{ar}\cos \left(\frac{X_a*X_b+Y_a*Y_b+Z_a*Z_b}{\sqrt{{X_a}^2+{Y_a}^2+{Z_a}^2}*\sqrt{{X_b}^2+{Y_b}^2+{Z_b}^2}}\right)$

②根据∠AOB可求得

再按以下公式便可求得

其中，pi表示π；

4)利用以下公式，计算AB的实地距离(单位：米)：

S即为所求。

2、测算用户触发的目标位置相对于云台摄像机所处空间位置之间的方位角(坐标方位角)，这个方位角就是需要控制云台摄像机进行水平转动的角度，记为P(单位：度，范围：0°～360°)，P的求解过程如下：

根据球面三角形的半角公式求取B点相对于A的方位角：

①球面三角形半角公式：

其中，

②B点相对于A点的方位角P：

3、量算用户触发的目标位置相对于云台摄像机所处空间位置的垂直夹角(默认云台摄像机垂直向下的角度为0度)，这个夹角的值就是云台摄像机需要调整的俯仰角度，记为T(单位：度，范围0°～90°)，T的计算方法如下：

1)分别记云台摄像机的所处位置A和用户触发的目标位置B的地理坐标为：A(LatA,LonA,AltA),B(LatB,LonB,AltB)，云台摄像机所处位置的地理坐标可由高精度GPS测量所得，精确度高可以忽略误差，而目标位置点的地理坐标则由触发者的设备所决定，故可能存在较大的误差，设其海拔高度的误差为0～10米；

2)根据A、B的海拔求两点的高差h(单位：m)，这个高差是一个范围：

(AltA-AltB)≤h≤(AltA-AltB+10)

令，h₁＝AltA-AltB+10,h₀＝AltA-AltB；

3)垂直夹角T值可用以下方法求得(S为第1步求得的AB的实地距离)：

$\arctan \left(\frac{h_0}{S}\right)\≤T\≤\arctan \left(\frac{h_1}{S}\right)$

令T的取值范围为[T₀,T₁]，其中 $T_0=\arctan \left(\frac{h_0}{S}\right),$ $T_1=\arctan \left(\frac{h_1}{S}\right),$ 这里取两个值的平均值作为最终的垂直旋转角度值，即：

4、以上求得的两个参数(水平旋转角度和垂直旋转角度)确定了目标位置的方向，接下来需要确定目标在镜头中的取景深度。根据云台摄像机与目标位置之间的空间距离D，结合监控距离、镜头焦距和光圈范围，求出待调整的镜头变焦倍数，记为Z，其解算方法如下：

1)查看云台摄像机的三个参数，包括：图像传感器的类型(如1/3DPS,1/4CCD等)，光学变焦的倍数，以及光圈范围；

2)镜头投射的原理公式为：

$\frac{f}{D}=\frac{h}{H}$

其中，f表示镜头的焦距(单位：mm)，D表示镜头与被拍摄物体之间的距离(单位：m)，h表示镜头的高度(单位：mm)，H表示监控现场的高度(摄像机摄取的画面的实际高度，单位：m)；

3)由于两个位置之间的海拔高差为一个变量，其范围在第3步已求得为[h₀,h₁]，而此处求得的放大倍数决定取景范围的大小，当求得的空间距离越大则放大倍数越大，为了确保目标位置信息的完整性，就需要使得取景区间最大化，所以取h₀为海拔高差，则根据海拔高差和云台摄像机与目标拍摄位置的垂直投影的距离S求取两者之间的空间距离D，使用如下公式：

$D=\sqrt{S^2+{(\mathrm{AltB}-\mathrm{AltA})}^2}$

4)根据摄像机的传感器的类型得知其长宽w，h的值(单位mm),以及预设的监控现场的高度H，加上第三步求得的镜头与被拍摄物体之间的距离D就可求得焦距的值f，公式为：

f＝h*D/H

5)由于光圈的范围已知，那么它的最小值即最短焦距Fm已知(单位mm)，这样就可以根据以下公式求得变焦倍数Z，Z值取整：

Z＝f/Fm

5、根据以上步骤求得的P、T、Z值，按照云台摄像机控制协议控制云台摄像机电机转动，进行姿态调整，实现用户触发的基于地理位置上报的室外云台摄像机精确自动控制，自动寻找目标位置并确定取景范围。

本发明是基于地理空间分析的思想，把云台摄像机和用户触发的地理位置作为空间实体对象考虑，分析它们的空间关系，从而实现对云台摄像机的一种精确的控制，使其朝向用户触发的目标位置方向并缩放到合适的景深，即获取目标对象在镜头中适宜的取景范围，它具有以下优点：

充分发挥云台摄像机可操控姿态拍摄大范围内的场景的优势，根据上报的目标位置的地理坐标自动实现姿态调整，精确可靠，无需人工操作；

这种方法在视频监控中的应用场景广泛、可推广性强，有利于轻松实现地理位置上报后的信息查看，方便及时快速响应，辅助决策或采取应急方案。

附图说明

图1是云台摄像机和用户触发的目标位置在球面坐标下的位置关系示意图。

图2是云台摄像机自动获取取景范围的原理示意图。

图3是本发明方法的实现流程图。

图4是云台摄像机和待定位点的空间位置关系示意图。

图5是实施案例中的云台摄像机的位置和模拟触发点的位置影像图。

图6是监控摄像机镜头焦距与实际照射距离的关系图表。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的实现机制如图2所示，具体实现流程如图3所示。现以一台室外云台摄像机为例(海康威视DS-2CD4124F)，以景区的安防人员上报一条带有位置的紧急事件为例，阐述本发明提出的定位方法的详细流程并分析其实施结果：

首先是数据的获取与云台摄像机参数校正。这里通过测量获取室外云台摄像机的地理坐标：(118.821845,32.098232,38)，安防人员通过智能手机把报警位置的GPS坐标(118.821767,32.098102,35)上报到云台摄像机控制系统中；默认云台摄像机的初始0°方向对准其所在地的地理正北方(云台摄像机的位置与报警的位置关系如图5所示)。

接下来便是系统对传来的参数进行运算。云台摄像机与用户触发的待拍摄位置(这里为安防人员报警的位置)的空间关系及云台摄像机需要调整的角度如图4所示，云台控制系统根据本专利的方法结合传递来的目标位置GPS点位信息和已知的云台摄像机的位置信息，分析这两个地理空间实体之间的空间关系，量算两者之间的空间距离和方位(如图1所示，把地球当作一个标准球体，其中，X轴为从地心点向0°经线与赤道交点的连线，Y轴为从地心点向东经90°与赤道交点的连线，Z轴为从地心以赤道面为基准面垂直向北延伸的轴线，A点表示云台摄像机在地球空间的位置，B点表示报警点在地球空间中的位置，C为北极点，A的坐标为(X_a,Y_a,Z_a),B的坐标为(X_b,Y_b,Z_b),a的长度表示报警点到北极点的球面距离，b的长度表示云台摄像机到北极点的球面距离，c的长度表示云台摄像机到报警位置的球面距离)：①算出云台摄像机和的传来的报警位置的实地距离：17.122873m；②由这台云台摄像机为可变焦镜头(2.8-12mm)，根据附图6可知，它的最大照射距离为18m，即报警位置在这个可视域范围内；③量算目标位置和云台摄像机之间的坐标方位角为147°，即云台摄像机的水平旋转角度即为147°；④量算出云台摄像机到目标位置的垂直旋转角度为48°；⑤量算得到的云台摄像机的变焦倍数为：20。系统算出以上参数后，根据云台的控制协议，调整云台摄像机的姿态，实现云台摄像机的空间位置的精确自动取景范围调整。

本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种室外云台摄像机的自动获取取景范围的方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取室外云台摄像机所处位置的地理坐标和用户触发的目标位置的地理坐标；

量算上述室外云台摄像机所处位置的地理坐标和目标位置的地理坐标之间的空间距离和方位，量算过程如下：

测出用户触发的目标位置与云台摄像机所处的空间位置之间的实地距离,如果这个值大于云台摄像机的可视范围的最大值则停止测算，提示超出范围；否则继续以下步骤；

测算用户触发的目标位置相对于云台摄像机所处空间位置之间的方位角，这个方位角就是需要控制云台摄像机进行水平转动的角度，记为P；

量算用户触发的目标位置相对于云台摄像机所处空间位置的垂直夹角，这个夹角的值就是云台摄像机需要调整的俯仰角度，记为T；

根据云台摄像机与目标位置之间的空间实地距离，结合监控距离与光圈范围，得出云台摄像机镜头的变焦倍数，记为Z；

根据以上步骤得到的P、T、Z值，按照云台控制协议，控制云台摄像机电机转动，实现云台摄像机的自动控制、自动寻找目标位置并确定取景范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述云台摄像机与目标位置之间的实地距离的计算过程如下：

1)设定云台摄像机所在空间点位坐标为A(latA,lonA，AltA)，目标位置点位坐标为B(latB,lonB,AltB)；

2)分别求解A、B两点在笛卡尔坐标系下的投影坐标，记作A’(X_a,Y_a,Z_a)，B’(X_b,Y_b,Z_b)，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{X}_a=R*\cos \left(\mathrm{lonA}\right)*\cos \left(\mathrm{latA}\right)\\ Y_a=R*\cos \left(\mathrm{lonA}\right)*\sin \left(\mathrm{latA}\right)\\ Z_a=R*\sin \left(\mathrm{lonA}\right)\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{X}_b=R*\cos \left(\mathrm{lonB}\right)*\cos \left(\mathrm{latB}\right)\\ Y_b=R*\cos \left(\mathrm{lonB}\right)*\sin \left(\mathrm{latB}\right)\\ Z_b=R*\sin \left(\mathrm{lonB}\right)\end{array}\right.$

其中，R表示地球半径的值；

3)分别求弧AB、AC、BC对应圆心角的弧度：

①由空间向量的夹角公式，

$\cos \∠\mathrm{AOB}=\frac{\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}*\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}}{|\stackrel{\→}{\mathrm{OA}}*\stackrel{\→}{\mathrm{OB}}|}=\frac{X_a*X_b+Y_a*Y_b+Z_a*Z_b}{\sqrt{{X_a}^2+{Y_a}^2+{Z_a}^2}*\sqrt{{X_b}^2+{Y_b}^2+{Z_b}^2}}$

求得∠AOB的度数：

$\∠\mathrm{AOB}=\mathrm{ar}\cos \left(\frac{X_a*X_b+Y_a*Y_b+Z_a*Z_b}{\sqrt{{X_a}^2+{Y_a}^2+{Z_a}^2}*\sqrt{{X_b}^2+{Y_b}^2+{Z_b}^2}}\right);$

②根据∠AOB求得

再按以下公式便求得

其中，pi表示π；

4)利用以下公式，计算AB的实地距离：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述水平角度P的计算过程如下：根据球面三角形的半角公式求取B点相对于A的方位角：

①球面三角形半角公式：

其中，

②B点相对于A点的方位角P：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述俯仰角度T的计算方法如下：

1)分别记云台摄像机的所在位置A和用户触发的目标位置B的地理坐标为：A(LatA,LonA,AltA),B(LatB,LonB,AltB)；

2)依据以下公式求AB两个空间位置垂直投影的距离S：

S＝AB*R

3)根据A、B的海拔求两点的高差h：

(AltA-AltB)≤h≤(AltA-AltB+10)

令，h₁＝AltA-AltB+10,h₀＝AltA-AltB；

4)垂直夹角T值为：

$\arctan \left(\frac{h_0}{S}\right)\≤T\≤\arctan \left(\frac{h_1}{S}\right)$

令T的取值范围为[T₀,T₁]，其中 $T_0=\arctan \left(\frac{h_0}{S}\right),T_1=\arctan \left(\frac{h_1}{S}\right),$ 这里取两个值的平均值作为最终的垂直旋转角度值，即：

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征是，所述镜头变焦倍数Z的计算方法如下：

1)查看云台摄像机的三个参数，包括：图像传感器的类型、光学变焦的倍数以及光圈范围；

2)镜头投射的原理公式为：

$\frac{f}{D}=\frac{h}{H}$

其中，f表示镜头的焦距，D表示镜头与被拍摄物体之间的距离，h表示镜头的高度，H表示监控现场的高度；

3)根据海拔高差和云台摄像机与目标拍摄位置的垂直投影的距离S求取两者之间的空间距离D，使用如下公式：

$D=\sqrt{S^2+{(\mathrm{AltB}-\mathrm{AltA})}^2}$

4)根据摄像机的传感器的类型得知其长宽w，h的值,以及预设的监控现场的高度H，结合镜头与被拍摄物体之间的距离D就可求得焦距的值f，公式为：

f＝h*D/H

5)由于光圈的范围已知，那么它的最小值即最短焦距Fm已知，由此求得变焦倍数Z：Z＝f/Fm。