CN104394356B - 一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法 - Google Patents
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法。该方法包括以下的步骤：1）在原有联动系统基础上，获取高速球或云台的安装高度，即与地面间的距离；2）在每次调转联动功能时，获取高速球的俯仰角；3）假定目标均处于地面，根据俯仰角与高速球高度，计算高速球与目标的距离；4）根据目标距离，利用高速球像机的成像原理，计算适当的变倍值，实现对目标的更理想拍摄；5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。本发明引入高速球的变倍功能：通过高速球的安装位置、以及拍摄目标的姿态角度，自动算出适合的变焦倍率，使得目标基本充满高速球视场，即能看清全貌，又能捕捉细节。
Description
技术领域
本发明涉及一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法。
背景技术
全景像机与高速球（PTZ）的关联控制，指通过某个过程，为全景像机的像素坐标与高速球的极坐标建立映射关系。之后用户如果在全景像机中发现某些需要关注的情况（或只能系统自动发现某些情况），通过映射关系，能够调转高速球对该情况的发生区域进行细节拍摄，即根据目标在全景像机中位置（鼠标点击、触控、自动定位等），计算高速球转到相应角度进行拍摄。
申请人申请的中国发明专利（申请日：2014-8-15，申请号：2014104023464）公开了一种摄像机与高速球关联控制方法，该方法包括以下的步骤：1）获取摄像机与高速球的实时视频；2）让高速球的图像中心对准一个参照物；3）获取高速球的角度信息；4）获取参照物在摄像机视频中的位置；5）将以上信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模；6）寻找其他参照物，然后重复2）至5）步骤；7）当标定组数据数量和数值范围符合要求时，关联计算服务器根据特定的算法，建立关联模型，关联模型建立好以后，人工观察摄像机实时视频、或智能分析摄像机实时视频时发现某些需要关注的情况，则获取该区域在摄像机中的像素坐标，发送给关联计算服务器，关联计算服务器计算出高速球拍摄到该区域的角度信息，根据这些计算结果控制高速球进行细节拍摄；8）当出现联动不准确的情况时，即时将该目标的正确位置添加为新的标定组，然后更新关联模型。
上述的联动技术只能计算出高速球应转角度，而不能计算变倍值，但目标位置多变，距离或远或近，过远的目标无法看清细节，过近的目标无法看到全貌。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法实现了摄像机与高速球关联控制时的自动变倍功能。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）在原有联动系统基础上，获取高速球或云台的安装高度，即与地面间的距离；
2）在每次调转联动功能时，获取高速球的俯仰角；
3）假定目标均处于地面，根据俯仰角与高速球高度，计算高速球与目标的距离；
4）根据目标距离，利用高速球像机的成像原理，计算适当的变倍值，实现对目标的更理想拍摄；
5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
作为另外一种实施方案，本发明采用了以下的技术方案：
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）在原有联动系统基础上，获取高速球或云台的安装高度，即与地面间的距离；
2）在每次调转联动功能时，在全景画面上获取目标位置，并通过图像分割算法得到目标的轮廓和面积的尺寸信息；
3）根据目标的轮廓信息，计算出在全景中的视场角范围；
4）根据视场角范围，利用高速球像机的成像原理，计算适当的变倍值，实现对目标的更理想拍摄；
5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
本发明的所述的原有联动系统，可以采用中国发明专利（申请日：2014-8-15，申请号：2014104023464）公开了一种摄像机与高速球关联控制方法，该方法包括以下的步骤：
1）获取摄像机与高速球的实时视频；
2）让高速球的图像中心对准一个参照物；
3）获取高速球的角度信息；
4）获取参照物在摄像机视频中的位置；
5）将以上信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模；
6）寻找其他参照物，然后重复2）至5）步骤；
7）当标定组数据数量和数值范围符合要求时，关联计算服务器根据特定的算法，建立关联模型，关联模型建立好以后，人工观察摄像机实时视频、或智能分析摄像机实时视频时发现某些需要关注的情况，则获取该区域在摄像机中的像素坐标，发送给关联计算服务器，关联计算服务器计算出高速球拍摄到该区域的角度信息，根据这些计算结果控制高速球进行细节拍摄；
8）当出现联动不准确的情况时，即时将该目标的正确位置添加为新的标定组，然后更新关联模型。
作为优选，所述的关联模型具有以下特点中的几个或全部：
a) 有数据库保有标定组数据或标定组数据的变体计算值；
b) 根据标定组数据，进行预先计算，得到中间变量值；
c) 关联模型具有拓展性，数据库随时扩充或删改，中间变量随时重新计算；
d) 在调转联动时，获取摄像机视频或PTZ某一方数据，可以根据关联模型的数据库或中间变量，计算得到另一方的数据；
e) 关联模型的计算精度随正确添加的标定组数量的增大，而不断提高。
作为优选，该方法采用查表法建立关联模型：
摄像机图像为圆形，建立极坐标，r为某像素位置到摄像机圆心的归一化距离范围，为某像素位置的极坐标角度范围，该参数由步骤4）获取的像素坐标信息计算得到；
PTZ的坐标信息为，pan是水平转角范围，tilt是俯仰角范围随PTZ型号而定范围；
关联数据表为；
步骤8）进行联动计算，根据摄像机像素坐标计算高速球角度：获取摄像机像素坐标，转换成极坐标，然后在关联数据列表中查找最相邻的两个数据，并通过插值计算得到与其对应的。
作为优选，该方法采用线性方程建立关联模型：
摄像机图像为圆形，建立极坐标，r为某像素位置到摄像机圆心的归一化距离范围，为某像素位置的极坐标角度范围，该参数由步骤4）获取的像素坐标信息计算得到；
PTZ的坐标信息为，pan是水平转角范围，tilt是俯仰角范围随PTZ型号而定范围；
关联数据表为；
建立方程组，利用最小二乘法求得；
步骤8）进行联动计算，根据摄像机像素坐标计算高速球角度：获取摄像机像素坐标，转换成极坐标，然后根据公式以及，计算得到与其对应的。
作为优选，所述的摄像机为全景像机、广角像机或普通摄像机。
作为优选，所述的步骤3）获取高速球的角度信息为球坐标下的水平角Pan和俯仰角Tilt。
作为优选，所述的步骤4）获取参照物在摄像机视频中的位置为像素坐标信息。
作为优选，所述的步骤5）关联计算服务器为台PC电脑、嵌入式设备或摄像机本机等。
作为优选，该方法应用于两台以上的高速球关联控制，通过开启两台以上高速球的实时视频，使其图像中心都对准一个参照物，记录下此时两个高速球的角度信息，这些信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模。
作为优选，该方法应用于两台以上的摄像机关联计算，通过开启两台以上的摄像机实时视频，让高速球的图像中心对准一个参照物，同时记录下参照物在两个摄像机视频中的像素坐标信息，这些信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模。
作为优选，该方法应用于关联控制传递。
作为优选，该方法应用于构建多个摄像机、多个高速球的关联控制网，并通过智能分析，选择出最适合的一台或几台高速球来对感兴趣区域拍摄。
上述的一种摄像机与高速球关联控制方法只需很少的参照物便可建立关联控制，来实现全局与细节的兼得，并且对于双机的安装位置、高度、距离没有限制。同时，本发明的方法可以实现两台以上的高速球关联控制或两台以上的摄像机关联计算，关联控制传递和于构建多个摄像机、多个高速球的关联控制网。
当然，由于上述的联动技术只能计算出高速球应转角度，而不能计算变倍值，但目标位置多变，距离或远或近，过远的目标无法看清细节，过近的目标无法看到全貌。本发明引入高速球的变倍功能：通过高速球的安装位置、以及拍摄目标的姿态角度，自动算出适合的变焦倍率，使得目标基本充满高速球视场，即能看清全貌，又能捕捉细节。
具体实施方式
实施例1
一台全景联动控制一台高速球的方法，该方法包括以下的步骤：
1）获取全景像机（或广角像机甚至普通摄像机）与高速球的实时视频；
2）让高速球的图像中心对准一个参照物；
3）获取此时高速球的角度信息（如球坐标下的水平角Pan和俯仰角Tilt）；
4）获取参照物在全景视频中的位置（如像素坐标信息）；
5）将以上信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模；（关联计算服务器可以是台PC电脑、或嵌入式设备、甚至是全景像机等等）
6）寻找其他参照物，然后重复2）至5）步骤；
7）当标定组数据大于等于3个时，关联计算服务器便可建立关联模型：建立角度计算方程组，并使用标定组数据求的方程组的最优解；
模型建立好以后，人工观察全景实时视频、或智能分析全景实时视频时发现某些需要关注的情况，则获取该区域在全景中的像素坐标，发送给关联计算服务器，关联计算服务器计算出高速球拍摄到该区域的角度信息，根据这些计算结果开控制高速球进行细节拍摄；
8）当出现联动不准确的情况时，可以即时将该目标的正确位置添加为新的标定组，然后更新模型；随着标定组数据的增加，精度不短提升，直到十几组标定数据时，精度小于0.1°。全景像机与高速球可以比邻安装，也可以相距几十米，标定组数据越多，对双机的安装位置要求越低。
上述的方法中可以采用查表法建立关联模型：
全景像机图像为圆形，建立极坐标，r为某像素位置到全景像机圆心的归一化距离范围，为某像素位置的极坐标角度范围，该参数由步骤4）获取的像素坐标信息计算得到；
PTZ的坐标信息为，pan是水平转角范围，tilt是俯仰角范围随PTZ型号而定范围；
关联数据表为；
步骤8）进行联动计算，根据全景像机像素坐标计算高速球角度：获取全景像机像素坐标，转换成极坐标，然后在关联数据列表中查找最相邻的两个数据，并通过插值计算得到与其对应的。
当然，本发明的方法中也可以采用采用线性方程建立关联模型：
全景像机图像为圆形，建立极坐标，r为某像素位置到全景像机圆心的归一化距离范围，为某像素位置的极坐标角度范围，该参数由步骤4）获取的像素坐标信息计算得到；
PTZ的坐标信息为，pan是水平转角范围，tilt是俯仰角范围随PTZ型号而定范围；
关联数据表为；
建立方程组，利用最小二乘法求得；
步骤8）进行联动计算，根据全景像机像素坐标计算高速球角度：获取全景像机像素坐标，转换成极坐标，然后根据公式以及，计算得到与其对应的。
当然，本发明也不限于以上两种方法建立关联模型，所述的关联模型具有以下特点中的几个或全部，即可：
a) 有数据库保有标定组数据或标定组数据的变体计算值；
b) 根据标定组数据，进行预先计算，得到中间变量值；
c) 关联模型具有拓展性，数据库随时扩充或删改，中间变量随时重新计算；
d) 在调转联动时，获取全景像机视频或PTZ某一方数据，可以根据关联模型的数据库或中间变量，计算得到另一方的数据；
e) 关联模型的计算精度随正确添加的标定组数量的增大，而不断提高。
实施例2
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）根据实施例1建立一台全景像机与一台高速球的联动系统；
2）获取高速球的安装高度h，精确到厘米；
3）在每次调转联动功能时，获取高速球的俯仰角tilt；
4）根据高速球的高度即拍摄俯仰角，计算出高速球与目标的距离d=h/cos(tilt)；
5）高速球在Zoom1时的水平视场角为a，需要变倍到ZoomX是的水平视场角是b，横向分辨率w，其在拍摄距离d的区域时，水平范围是d*tan(b/2)，则像素精度为d*tan(b/2)/w，单位cm，要是像素精度达到某个值v（即可看清目标）,计算得到b的数值，并与a联立得到ZoomX；
6）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
实施例3
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）根据实施例1建立一台全景像机与一台高速球的联动系统
2）在每次手动调转联动功能时，不仅（通过鼠标点击拖动、参数输入等）输入目标在全景视频中的位置(x,y)，同时还输入一个目标大概所占的像素尺度，如区域半径r。
3）计算得到目标在水平方向上所占的像素尺度2 * r，根据位置( x, y )极其全景成像原理，得到这个位置的水平方向360°像素尺度是L，则目标所占视场角为a = 360 *2 * r / L。
4）将此视场角范围视作高速球需要调整到的视场角，而高速球在Zoom = 1时，视场角为A，则ZoomX = tan( A / 2 ) / tan( a / 2 )
5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
实施例4
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）根据实施例1建立一台全景像机与一台高速球的联动系统
2）在每次手动调转联动功能时，不仅（通过鼠标点击拖动、参数输入等）输入目标在全景视频中的位置(x,y)，同时通过图像分割算法实现该位置目标的轮廓和面积，如轮廓尺度r。
3）计算得到目标在水平方向上所占的像素尺度2 * r，根据位置( x, y )极其全景成像原理，得到这个位置的水平方向360°像素尺度是L，则目标所占视场角为a = 360 *2 * r / L。
4）将此视场角范围视作高速球需要调整到的视场角，而高速球在Zoom = 1时，视场角为A，则ZoomX = tan( A / 2 ) / tan( a / 2 )
5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
实施例5
一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，该方法包括以下的步骤：
1）根据实施例1建立一台全景像机与一台高速球的联动系统
2）通过视频目标检测算法，实现自动目标检测，得到目标的区域掩码图。掩码图的权重质心作为发起联动的目标位置(x,y)，掩码的权重面积作为目标的像素面积area。
3）根据全景成像原理以及有效像素总量AREA，得到全景所在半球的的半径R。
4）高速球在Zoom = 1时，视场角为A，视频分辨率尺寸为W * H，其成像面积在全景所在球尺度下大约为 Ws =W*R/ ( W / 2 * tan( A / 2 ) ) = 2 * R / tan( A / 2 )
Hs=H*R/(W/ 2 * tan( A / 2 ) ) = 2 * H * R / ( W * tan( A / 2 ) )
AREAs = Ws * Hs = 4 * H * R * R /( W * tan( A / 2 ) * tan( A / 2 ) )。
5）根据此面积比，计算变倍，则ZoomX = 开根（AREAs / area ）
5）将新的变倍值发送给高速球，进行控制。
Claims (1)
1.一种摄像机与高速球关联控制自动变倍方法，其特征在于该方法包括以下的步骤：
1)在原有联动系统基础上，获取高速球或云台的安装高度，即与地面间的距离；
2)在每次调转联动功能时，在全景画面上获取目标位置，并通过图像分割算法得到目标的轮廓和面积的尺寸信息；
3)根据目标的轮廓信息，计算出在全景中的视场角范围；
4)根据视场角范围，利用高速球像机的成像原理，计算适当的变倍值，实现对目标的更理想拍摄；
5)将新的变倍值发送给高速球，进行控制，
步骤2)为通过视频目标检测算法，实现自动目标检测，得到目标的区域掩码图，掩码图的权重质心作为发起联动的目标位置(x,y)，掩码的权重面积作为目标的像素面积area；根据全景成像原理以及有效像素总量AREA，得到全景所在半球的的半径R；步骤3)高速球在Zoom＝1时，视场角为A，视频分辨率尺寸为W*H，其成像面积在全景所在球尺度下为Ws＝W*R/(W/2*tan(A/2))＝2*R/tan(A/2)Hs＝H*R/(W/2*tan(A/2))＝2*H*R/(W*tan(A/2))AREAs＝Ws*Hs＝4*H*R*R/(W*tan(A/2)*tan(A/2))；步骤4)为根据此面积比，计算变倍，则ZoomX＝开根(AREAs/area)；
步骤1)中原有联动系统，包括以下的步骤：
1.1)获取摄像机与高速球的实时视频；
1.2)让高速球的图像中心对准一个参照物；
1.3)获取高速球的角度信息；
1.4)获取参照物在摄像机视频中的位置；
1.5)将以上信息构成一组标定数据，输入关联计算服务器用于建模；
1.6)寻找其他参照物，然后重复1.2)至1.5)步骤；
1.7)当标定组数据数量和数值范围符合要求时，关联计算服务器根据特定的算法，建立关联模型，关联模型建立好以后，人工观察摄像机实时视频、或智能分析摄像机实时视频时发现某些需要关注的情况，则获取该区域在摄像机中的像素坐标，发送给关联计算服务器，关联计算服务器计算出高速球拍摄到该区域的角度信息，根据这些计算结果控制高速球进行细节拍摄；
1.8)当出现联动不准确的情况时，即时将该目标的正确位置添加为新的标定组，然后更新关联模型。
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