CN104539893B - 实现虚拟云台监控效果的方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种实现虚拟云台监控效果的方法、装置和系统，其中方法包括：通过全景摄像机摄取全景图像；捕捉外部输入信息，生成校正参数；根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；循环上述操作，得到虚拟云台的监控视频。本发明能够降低全景监控的成本，并且监控图像不产生畸变。
Description
技术领域
本发明涉及鱼眼镜头技术领域，尤其涉及一种实现虚拟云台监控效果的方法、装置及系统。
背景技术
目前实现全景视频监控，一般有如下几种方式：
方式一：旋转成像，采用机械云台加一体化摄像机的方式来实现，通过摄像机的转动，来实现单镜头的全景监控。按转动速度，监控系统可分为匀速球和高速球，匀速球的转动速度在几度到十几度每秒，高速球的转动速度在一百度到几百度每秒。
方式二：多摄像机成像，通过精确安装多个摄像机，以及后期的图像拼接处理，实现全景监控的效果。
方式三：全景摄像机(如采用鱼眼镜头的摄像机)成像，具有视角大，视觉冲击力强的特点；但产生的图像具有较大的畸变，不符合正常观看角度，不利于直接监控。
相比方式三，方式一和方式二的安装和维护成本较高；但方式三产生的监控图像畸变较大。
发明内容
本发明提供了一种实现虚拟云台监控效果的方法，能够降低全景监控的成本，并且监控图像不产生畸变。
本发明还提供了一种实现虚拟云台监控效果的装置，能够降低全景监控的成本，并且监控图像不产生畸变。
本发明还提供了一种实现虚拟云台监控效果的系统，能够降低全景监控的成本，并且监控图像不产生畸变。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种实现虚拟云台监控效果的方法，包括：
步骤1、通过全景摄像机摄取全景图像；
步骤2、捕捉外部输入信息，生成校正参数；
步骤3、根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
步骤4、循环步骤1到步骤3的操作，得到虚拟云台的监控视频。
一种实现虚拟云台监控效果的装置，包括：
摄像模块，用于通过全景摄像机摄取全景图像；
校正参数生成模块，用于捕捉外部输入信息，生成校正参数；
校正模块，用于根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
循环模块，用于控制摄像模块、校正参数生成模块及校正模块循环执行操作，得到虚拟云台的监控视频。
一种实现虚拟云台监控效果的监控系统，包括上述实现虚拟云台监控效果的装置。
可见，本发明提出的实现虚拟云台监控效果的方法、装置和系统，根据捕捉的外部输入信息生成校正参数，并根据校正参数和全景图像得到局部校正图；循环以上步骤，可得到虚拟云台的监控视频。本发明的方法、装置和系统，只需采用全景摄像机即可实现，降低全景监控的成本；同时，通过对局部图像的校正，得到的监控图像不产生畸变。
附图说明
图1为发明提出的实现虚拟云台监控效果的方法实现流程图；
图2为鱼眼图像变换为鱼眼图像校正图的示意图；
图3A为监控效果实例中的原始监控图像；
图3B为监控效果实例中光标向左滑动后的监控图像；
图3C为监控效果实例中光标向右滑动后的监控图像；
图3D为监控效果实例中光标向上滑动后的监控图像；
图3E为监控效果实例中光标向下滑动后的监控图像；
图3F为监控效果实例中点击放大手势后的监控图像；
图3G为监控效果实例中点击缩小手势后的监控图像；
图4为发明提出的实现虚拟云台监控效果的装置结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于全景摄像机实现虚拟云台监控效果的方法、装置和系统。全景摄像机可以采用鱼眼摄像头或反射镜面，其中反射镜面可以为抛物线或镜面双曲线镜面。
以全景摄像机采用鱼眼摄像机为例，鱼眼摄像机可以独立实现大范围无死角监控，其安装方式一般有两种，吸顶式和壁挂式。采用吸顶式安装时，鱼眼摄像机的可视范围为镜头下方的360°；采用壁挂式安装时，鱼眼摄像机的可视范围为镜头前方的180°。本发明根据捕捉的外部输入信息生成校正参数，并根据校正参数和全景图像得到局部校正图；循环以上步骤，可得到虚拟云台的监控视频。
如图1为本发明提出的实现虚拟云台监控效果的方法实现流程图，包括：
步骤101：通过全景摄像机摄取全景图像；
步骤102：捕捉外部输入信息，生成校正参数；
步骤103：根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
步骤104：循环步骤101到步骤103的操作，得到虚拟云台的监控视频。
其中，步骤103具体可以为：根据校正参数确定全景图像上的新的光学中心；再根据校正参数及新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图。
通过上述过程，根据捕捉的外部输入信息，针对每一帧全景图像，生成不同的校正参数，并根据全景图像和校正参数得到相应的局部校正图；这些局部校正图的视觉效果相当于安装在云台上的普通摄像机处于不同位置或角度时所摄取的图像。循环上述步骤，得到虚拟云台的监控视频，相当于安装在云台上的普通摄像机，通过转动摄取的监控视频。
所述捕捉的外部输入信息的输入设备包括但不仅限于以下设备：鼠标、触摸屏、手机、遥控器或键盘等等。
为便于理解，以下首先介绍全景图像校正的基本原理。在以下的举例中，将全景图像具体为鱼眼图像进行说明。
采用空间三维直角坐标系，鱼眼图像的球面投影模型为：
从原点O(0,0,0)，指向空间任一点(x,y,z)的射线，交投影球面x2+y2+z2＝R2于一点，再把这一点投影到一个与z轴垂直的固定平面上，得到平面点(u,v)。平面点(u,v)和(x,y,z)有如下关系：
空间各点(x,y,z)在所给固定平面上的投影(u,v)，即为鱼眼镜头的成像平面。利用此模型的逆变换，可以把鱼眼图像变换为透视投影模型上的图像，即实现鱼眼图像的校正。
以上即为鱼眼图像校正的原理介绍。由于鱼眼图像为大视角图像，在图像边缘有明显的畸变，本发明对鱼眼图像的校正算法进行改进，使鱼眼图像上的所有新的光学中心点在鱼眼图像范围内的一个圆上，从而使得鱼眼图像校正图的观看角度自然。
如图2为鱼眼图像变换为鱼眼图像校正图的示意图。变换过程包括：
步骤1：根据校正参数确定鱼眼图像上的新的光学中心，具体采用如下公式确定：
其中，
P0(u1,v1)为鱼眼图像上的新的光学中心；
R为全景摄像机成像的投影球面的半径；
为预先设定的角度值；其取值可以为
θ为水平漫游角度；
viewratio为预先设定的数值；
其中，所述θ和viewratio为校正参数。
这样，在的情况下，θ取不同的取值值，可以实现多个角度监控的效果。校正图像观看角度自然。其中viewratio用于控制原始鱼眼图像上新光学中心点P0(u1,v1)的位置，确保所有P0(u1,v1)的位于一个圆上，半径为R*viewratio；viewratio的取值为(0,1)。
步骤2：确定P0(u1,v1)在全景摄像机成像的投影球面上的对应点P的坐标为
步骤3：令校正平面到透视中心O(即投影球面的球心)的距离为kR，其中k>0，k为校正参数；确定P0(u1,v1)在校正平面上的对应点P'的坐标为将P'作为校正平面的光学中心；
步骤4：在校正平面上确定平面坐标轴的两个方向，用矢量α、β表示，分别对应鱼眼图像上u、v坐标轴的正方向。β选择为投影球面上经过点P的经线在该点的向上切线方向。
矢量α和β的约束条件为：
α与β垂直；
α、β和OP构成左手坐标系。
其中，
α＝BP×AP，
β＝OP×α，
其中，BP为起点为B并且终点为P的矢量，AP为起点为A并且终点为P的矢量，OP为起点为O并且终点为P的矢量，所述“×”表示2个矢量相乘；A和B的坐标如下：
步骤5：将α和β单位化，确定鱼眼图像校正图的宽、高、以及P'在鱼眼图像校正图中的位置(i0,j0)，一般默认为图像的中心位置。
步骤6：依次按照以下方式确定鱼眼图像校正图中每个像素点(i,j)在空间的对应点Q的颜色值，得到该校正参数的鱼眼图像校正图；
确定像素点(i,j)在空间的对应点Q为(j-j0)α+(i-i0)β+kP；确定射线OQ与投影球面的交点为得到Q点在鱼眼图像中的对应点(u,v)，将点(u,v)的颜色值进行插值处理，得到所述Q点的颜色值。
通过上述方式，当遍历完鱼眼图像校正图像的每一点后，即完成一次图像校正。
以下举具体的实施例详细介绍：
实施例一：
本实施例使用180°鱼眼镜头的摄像机，并采用吸顶式安装，鱼眼摄像机的可视范围为镜头下方的360°。
针对鱼眼摄像机所摄取的鱼眼图像，捕捉用户的输入信息，将捕捉的输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。视角包含θ、viewratio两个参数，放大倍数包含k参数。再根据该校正参数和鱼眼图像得到局部校正图，重复上述步骤，得到虚拟云台的监控视频，即实现了虚拟云台监控的效果。其中，校正参数可以包括上述公式中的θ、viewratio和k。其中，θ的取值范围为0°～360°，该参数影响水平观看角度；viewratio的取值范围为0～1，实际取值一般为0.3～0.7，该参数影响上下观看角度；k为缩放系数，其取值理论上为0～+∞，实际取值目前为0.5～3.0，该参数影响缩放效果。根据校正参数确定进行局部校正的具体方式如上所述，在此不赘。
本发明的上述操作实现了与云台相似的操作，可以上下、左右调整观看角度，并可对指定视角和放大倍数的绝对值的鱼眼图像进行缩放。具体地：
当用户将光标在屏幕上水平向右滑动时，全景摄像机捕捉用户的输入信息，并将捕捉到的用户输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。例如，该处的校正值可以为减小θ，并根据校正参数和全景图像得到一张局部校正图；循环以上操作，得到一系列的局部校正图，该一系列的局部校正图形成虚拟云台的监控视频，该监控视频的显示效果相当于摄像机的观看范围向左移动；
当用户将光标在屏幕上水平向左滑动时，发出增大θ的命令；用于本发明方法的装置接收增大θ的命令，根据该命令、预先设置的步进值(例如2°)以及初始的θ值设置当前的θ值，并根据校正参数得到局部校正图，该局部校正图的显示效果相当于摄像机的观看范围向右移动；
当用户将光标在屏幕上垂直向下滑动时，全景摄像机捕捉用户垂直向下滑动的输入信息，并将捕捉到的用户输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。例如，该处的校正值可以为减小viewratio；并根据校正参数和全景图像得到一张局部校正图；循环以上操作，得到一系列的局部校正图，该一系列的局部校正图形成虚拟云台的监控视频，该监控视频的显示效果相当于摄像机的观看范围向上移动；
当用户将光标在屏幕上垂直向上滑动时，全景摄像机捕捉用户垂直向上滑动的输入信息，并将捕捉到的用户输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。例如，该处的校正值可以为增大viewratio；并根据校正参数和全景图像得到一张局部校正图；循环以上操作，得到一系列的局部校正图，该一系列的局部校正图形成虚拟云台的监控视频，该监控视频的显示效果相当于摄像机的观看范围向下移动；
当用户在屏幕上点击放大手势时，全景摄像机捕捉用户垂直向下滑动的输入信息，并将捕捉到的用户输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。例如，该处的校正值可以为增大k；并根据校正参数和全景图像得到一张局部校正图；循环以上操作，得到一系列的局部校正图，该一系列的局部校正图形成虚拟云台的监控视频，该监控视频的显示效果相当于在分辨率(宽、高)不变的情况下，观看内容线性放大；
当用户在屏幕上点击缩小手势时，全景摄像机捕捉用户垂直向下滑动的输入信息，并将捕捉到的用户输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。例如，该处的校正值可以为缩小k；并根据校正参数和全景图像得到一张局部校正图；循环以上操作，得到一系列的局部校正图，该一系列的局部校正图形成虚拟云台的监控视频，该监控视频的显示效果相当于在分辨率(宽、高)不变的情况下，观看内容线性缩小。
通过改变上述3个校正参数，实现了显示范围的左右、上下滑动及显示内容的缩放，从而实现虚拟云台监控效果。
如图3A至3G显示了虚拟云台监控效果实例。其中，图3A为原始监控图像，图3B为光标向左滑动后的监控图像，图3C为光标向右滑动后的监控图像，图3D为光标向上滑动后的监控图像，图3E为光标向下滑动后的监控图像，图3F为点击放大手势后的监控图像，图3G为点击缩小手势后的监控图像。
以上介绍了实现虚拟云台监控效果的方法，本发明还提出一种实现虚拟云台监控效果的装置，如图4为该装置的结构示意图，包括：
摄像模块401，用于通过全景摄像机摄取全景图像；
校正参数生成模块402，用于捕捉外部输入信息，生成校正参数；
校正模块403，用于根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
循环模块404，用于控制摄像模块401、校正参数生成模块402及校正模块403循环执行操作，得到虚拟云台的监控视频。
上述装置中，校正模块403根据校正参数确定所述全景图像上的新的光学中心，并根据所述校正参数及新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图。
校正模块403根据校正参数确定所述全景图像上的新的光学中心的方式可以为：
可以采用以下公式确定：
其中，P0(u1,v1)为所述全景图像上的新的光学中心；
R为全景摄像机成像的投影球面的半径；
为预先设定的角度值；
θ为水平漫游角度；
viewratio为预先设定的参数值；
其中，所述θ和viewratio为校正参数。
校正模块403根据校正参数和新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到校正参数的全景图像校正图的方式可以为：
确定P0(u1,v1)在全景摄像机成像的投影球面上的对应点P的坐标为
令校正平面到投影球面的球心O的距离为kR，其中k>0，k为校正参数；确定P0(u1,v1)在校正平面上的对应点P'的坐标为将P'作为校正平面的光学中心；
在所述校正平面上确定平面坐标轴的两个方向，用矢量α、β表示，其中，
α＝BP×AP，
β＝OP×α，
所述BP为起点为B并且终点为P的矢量，所述AP为起点为A并且终点为P的矢量，所述OP为起点为O并且终点为P的矢量，所述“×”表示2个矢量相乘；所述A和B的坐标如下：
将α和β单位化，确定全景图像校正图的宽、高以及P'在全景图像校正图中的位置(i0,j0)；
依次按照以下方式确定全景图像校正图中每个像素点(i,j)在空间的对应点Q的颜色值，得到所述该校正参数的全景图像校正图；
确定像素点(i,j)在空间的对应点Q为(j-j0)α+(i-i0)β+kP；确定射线OQ与投影球面的交点为得到Q点在全景图像中的对应点(u,v)，将点(u,v)的颜色值进行插值处理，得到所述Q点的颜色值。
上述装置中，生成校正参数的方式可以为：将捕捉的外部输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。
上述装置中，全景摄像机可以采用鱼眼镜头或采用反射镜面；其中反射镜面可以为抛物线镜面或双曲线镜面。
本发明还提出一种实现虚拟云台监控效果的系统，其包括：实现虚拟云台监控效果的装置。该系统可以应用在需要监控的场所，例如：道路交通、家庭、小区、学校、工厂等等。
综上可见，本发明提出的实现虚拟云台监控效果的方法、装置和系统，根据捕捉的输入信息，生成校正参数，根据该校正参数和全景图像得到局部校正图，循环以上操作，得到虚拟云台的监控视频。
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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
Claims (6)
1.一种实现虚拟云台监控效果的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、通过全景摄像机摄取全景图像，所述全景摄像机采用鱼眼镜头或采用反射镜面；
步骤2、捕捉外部输入信息，生成校正参数；
步骤3、根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
当全景摄像机采用鱼眼镜头时，所述根据全景图像和校正参数得到局部校正图的方式为：根据所述校正参数确定所述全景图像上的新的光学中心；根据所述校正参数及新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图；
所述根据校正参数确定所述全景图像上的新的光学中心的方式为：采用以下公式确定：
其中，P0(u1,v1)为所述全景图像上的新的光学中心；R为全景摄像机成像的投影球面的半径；为预先设定的角度值；θ为水平漫游角度；viewratio为预先设定的参数值；其中，所述θ和viewratio为校正参数；
所述根据校正参数和新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图的方式为：
步骤a：确定P0(u1,v1)在全景摄像机成像的投影球面上的对应点P的坐标为
步骤b：令校正平面到投影球面的球心O的距离为kR，其中k>0，k为校正参数；确定P0(u1,v1)在校正平面上的对应点P'的坐标为将P'作为校正平面的光学中心；
步骤c：在所述校正平面上确定平面坐标轴的两个方向，用矢量α、β表示，其中，
α＝BP×AP，
β＝OP×α，
所述BP为起点为B并且终点为P的矢量，所述AP为起点为A并且终点为P的矢量，所述OP为起点为O并且终点为P的矢量，所述“×”表示2个矢量相乘；所述A和B的坐标如下：
步骤d：将α和β单位化，确定全景图像校正图的宽、高以及P'在全景图像校正图中的位置(i0,j0)；
步骤e：依次按照以下方式确定全景图像校正图中每个像素点(i,j)在空间的对应点Q的颜色值，得到所述校正参数的全景图像校正图；
确定像素点(i,j)在空间的对应点Q为(j-j0)α+(i-i0)β+kP；确定射线OQ与投影球面的交点为得到Q点在全景图像中的对应点(u,v)，将点(u,v)的颜色值进行插值处理，得到所述Q点的颜色值；
步骤4、循环步骤1到步骤3的操作，得到虚拟云台的监控视频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据捕捉的外部输入信息，生成校正参数的方式为：
将捕捉的外部输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述捕捉外部输入信息的输入设备为：鼠标、触摸屏、手机、遥控器或键盘。
4.一种实现虚拟云台监控效果的装置，其特征在于，所述装置包括：
摄像模块，用于通过全景摄像机摄取全景图像，所述全景摄像机采用鱼眼镜头或采用反射镜面；
校正参数生成模块，用于捕捉外部输入信息，生成校正参数；
校正模块，用于根据所述全景图像和校正参数得到局部校正图；
循环模块，用于控制摄像模块、校正参数生成模块及校正模块循环执行操作，得到虚拟云台的监控视频；
当全景摄像机采用鱼眼镜头时，所述校正模块根据校正参数确定所述全景图像上的新的光学中心，并根据所述校正参数及新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图；
所述校正模块根据校正参数确定全景图像上的新的光学中心的方式为：采用以下公式确定：
其中，P0(u1,v1)为所述全景图像上的新的光学中心；R为全景摄像机成像的投影球面的半径；为预先设定的角度值；θ为水平漫游角度；viewratio为预先设定的参数值；其中，所述θ和viewratio为校正参数；
所述校正模块根据校正参数和新的光学中心对全景图像进行局部校正，得到所述校正参数的全景图像校正图的方式为：
确定P0(u1,v1)在全景摄像机成像的投影球面上的对应点P的坐标为
令校正平面到投影球面的球心O的距离为kR，其中k>0，k为校正参数；确定P0(u1,v1)在校正平面上的对应点P'的坐标为将P'作为校正平面的光学中心；
在所述校正平面上确定平面坐标轴的两个方向，用矢量α、β表示，其中，
α＝BP×AP，
β＝OP×α，
所述BP为起点为B并且终点为P的矢量，所述AP为起点为A并且终点为P的矢量，所述OP为起点为O并且终点为P的矢量，所述“×”表示2个矢量相乘；所述A和B的坐标如下：
将α和β单位化，确定全景图像校正图的宽、高以及P'在全景图像校正图中的位置(i0,j0)；
依次按照以下方式确定全景图像校正图中每个像素点(i,j)在空间的对应点Q的颜色值，得到所述校正参数的全景图像校正图；
确定像素点(i,j)在空间的对应点Q为(j-j0)α+(i-i0)β+kP；确定射线OQ与投影球面的交点为得到Q点在全景图像中的对应点(u,v)，将点(u,v)的颜色值进行插值处理，得到所述Q点的颜色值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述生成校正参数的方式为：
将捕捉的外部输入信息转换成视角或放大倍数的变化值，变化值结合上一次的视角或放大倍数的绝对值生成校正参数。
6.一种实现虚拟云台监控效果的监控系统，其特征在于：所述监控系统包括权利要求4到5任一项所述的实现虚拟云台监控效果的装置。
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2014
- 2014-12-23 CN CN201410808743.1A patent/CN104539893B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104539893A (zh) | 2015-04-22 |
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