CN104639908A - 一种监控球机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监控球机的控制方法，包括以下步骤：(1)将待监控空间进行垂直分区和水平分区得到若干小分区，并为每个小分区设定拍摄焦距；(2)对每一小分区的中心点位置和边缘点位置设置对应的预置位，保存球机的水平位置信息、垂直位置信息和拍摄焦距信息；(3)读入视频帧，然后再对该视频帧进行目标检测；(4)根据所述检测目标在监控场景中的方位信息将目标映射到对应的预置位；(5)球机调用该预置位，获取监控图像。本发明克服了传统的视频监控系统中的球机在控制上自动化程度不高、缺少实时性和灵活性、需要人为手工干预的缺点，操作方便，自动化程度高，实时性好。尤其是对于快速运动的目标，监控图像的捕捉效果好。

Description

一种监控球机的控制方法

技术领域

本发明属于视频监控和图像处理领域，更具体地，涉及一种监控球机的控制方法。

背景技术

视频监控是安防领域重要的组成方面，近年来在我国发展迅速。视频监控以其直观、准确、及时和信息丰富而广泛应用于车站、银行、工厂、小区等多种场合。但对于传统的监控系统，由于其摄像机固定不动，监控的场景有限，监控范围不广；而且其摄像机不能变焦，导致对距离较远的目标难以分辨。高速球型摄像机(以下简称球机)将CCD摄像机、变焦镜头以及云台集成在一起，可以通过协议指令控制相机姿态和镜头变焦，视场广阔，应用灵活，因此广泛应用于现代视频监控系统之中。

然而现有的监控系统中，球机的控制大多采用人工操作模式，如监视人员发现感兴趣目标出现时，通过矩阵键盘手工操作，控制相机姿态使目标位于画面之中。这种操作模式人力成本高，控制精度和智能化程度低，并且当监视人员注意力不集中时，容易忽略目标，带来监控不力的影响。

尽管现有技术中已有关于智能变焦视频监控方法的相关技术(例如公开号为CN103986871A的中国专利文献)，其中涉及有将监控场所分为多个预设区的方法，但运用至具体的监控球机时，由于球机的拍摄场景复杂，而这些预设区一般呈长条形分布、且覆盖范围较大，往往需要摄像机多帧连续扫描才能将某一预设区的完全覆盖，响应速度较慢；尤其是当目标快速运动时，目标运动到其他相邻预设区的时间极有可能要短于摄像机扫描到目标的时间，造成错失目标，或者目标信息记录不全。

而另一方面，现有的球机预置位通常包含有相机角度(对应云台坐标)、镜头焦距(对应变焦坐标)等信息，一般对应监控中重点关注的固定对象(例如出入口等)，从而使监控球机能够快速定位到预置位进行监控。目前设置预置位通常采用的办法是，人工控制摄像机云台旋转，当云台转到指定位置后，进行变焦操作，当目标物在监控区域呈现较好的观测效果时，进行预置位设置操作。如果待设置的预置位数量多，那么这种方式的工作量大，且操作复杂，效率极低。此外，由于预置位的设置往往由人为决定，较为随意，通常是比较关注的几个特定位置，视场的覆盖范围有限，无法全面覆盖所有周围环境，监控效果比较有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种监控球机的控制方法，其中通过对其分区方法、焦距计算方式、预置位设定方法等进行改进，与现有技术相比能够有效解决传统视频监控中球机控制自动化程度不高、定位扫描耗时长的问题，并且该监控球机的控制方法既能够保证监控视场的范围，又能对视场中的细节进行放大，确保图像的清晰度以及监控效果，尤其是针对运动物体，能够进一步确保监控质量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种监控球机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先以球机中的相机镜头的光心在待监控空间的底面上的投影为O点，所述光心与O点的连线为Z轴，所述Z轴与相机镜头的光轴构成的平面与所述待监控空间的底面的相交线为Y轴，建立笛卡尔三维直角坐标系；然后，根据球机参数、监控场景信息和对目标分辨率的要求将待监控空间分别沿平行于XOZ平面的方向进行垂直分区、沿平行于YOZ平面的方向进行水平分区，形成若干小分区；接着，再为每个小分区设定拍摄焦距；其中，每一小分区在XOY平面上的投影均为矩形形状；

(2)设置与所述每个小分区在XOY平面上矩形投影的中心点位置和边缘点位置对应的预置位，从而保存球机的水平位置信息、垂直位置信息和拍摄焦距信息；

(3)读入视频帧，然后再对该视频帧进行目标检测，从而得到检测目标在监控场景中的方位信息；

(4)根据所述检测目标在监控场景中的方位信息，将目标映射到对应的预置位，使该预置位对应的所述矩形投影的中心点位置或者边缘点位置距所述目标在XOY平面上的投影中心距离最近；

(5)球机调用该预置位，获取包含目标的监控图像。

作为本发明的进一步优选，在所述步骤(1)中，每个小分区的拍摄焦距其中d_i为与该小分区内绝对值最小的Y轴坐标值，d_i+1为与该小分区内绝对值最大的Y轴坐标值，N_pix为球机相机感光屏上每1mm对应的像素个数，H为所述球机中的相机镜头的光心的Z轴坐标绝对值；A_p、B_p、D分别满足：A_p×A_p为相机显示屏中要求的目标最小分辨率；B_p×B_p为相机显示屏中要求的目标最大分辨率；D×D为目标实际大小。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中每个小分区在Y轴上的投影共有n个不同区间，其中Y轴坐标绝对值最大的小分区其最小Y轴坐标绝对值d_n满足所述F_max为相机所能变焦的最大焦距。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中每个小分区在X轴上投影的长度均相等，所述每个小分区在X轴上的投影共有m个不同区间，其中所述F_max为相机所能变焦的最大焦距，f_ori为相机的原始焦距。

作为本发明的进一步优选，在所述步骤(2)中，所述预置位的拍摄焦距信息与该预置位所对应的任意一个小分区在所述步骤(1)中设定的拍摄焦距一致。

作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)对视频帧进行目标检测，包括对所述视频帧进行预处理、运动目标检测，其中：

所述预处理为首先对所述视频帧进行滤波去噪；接着，再对去噪后的视频帧进行光照补偿；

所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1.本发明通过对监控场景进行垂直、水平分区形成小分区，并在每个小分区上设置对应的预置位，使球机的摄像机能快速调用预置位，捕捉该小分区内的视频图像；并且，每个小分区的大小(即小分区在X轴上的投影长度、在Y轴上的投影长度)均通过公式由球机参数、监控场景信息和对目标分辨率的要求等运算得出，每一小分区对应一个特定的球机相机焦距，使得相机通过一帧拍摄即可全面覆盖该小分区，图像捕捉速度快，尤其是针对快速运动的目标，更有利于全面捕捉目标图像。

另一方面，在进行水平分区时，本发明优选每个小分区在X轴上投影的长度均相等，每个小分区在X轴上的投影共有m个不同区间，配合上垂直分区，可以确保即使是在对离相机距离最远的垂直分区内的小分区进行聚焦拍摄时，仍可全面覆盖该小分区，杜绝盲区的存在；另外，若拍摄的小分区其所属的垂直分区离相机的距离越近，则在聚焦拍摄该小分区时，相机的视场则会向其他相邻的小分区外延，拓展相机的视场范围，尤其是对于快速移动的目标，更有利于其图像捕捉。该设置方式经济、高效，能确保相机拍摄图像清晰、细节信息全面。

2.本发明通过在小分区的XOY平面上矩形投影的中心点位置和边缘点位置设置对应的预置位，能够全面覆盖整个待监控空间，尤其是使相机拍摄的视场相互交叠，能够最大限度的扩展视场，当目标运动速度较快时，能够最大限度的保证图像采集的完整性；并且，由于每个预置位保存的拍摄焦距信息与该预置位对应的小分区的拍摄焦距保持一致，当调用该预置位时，能保证相机拍摄的效果，便于目标细节信息的全面捕获。

通过在小分区的XOY平面上矩形投影的边缘点位置设置对应的预置位，当目标映射到预置位时，映射到的预置位满足该预置位对应的矩形投影边缘点位置(也可能是中心点位置)距所述目标在XOY平面上的投影中心距离最近。通过这种设置方法，即使目标掠过某一小分区的边缘位置时，球机也能通过调用与该边缘位置对应的预置位，实现目标图像的清晰捕捉，拍摄效果好。

另外，通过将预置位与小分区对应的设置方式，能快速设置每个预置位的相机角度、镜头焦距等信息，预置位的设置快捷、高效。

3.球机控制自动化效果好。本发明的控制方法不仅在预置位设置方面减轻了人为手动操作的负担，并且，还能够支持目标驱动的球机自动、快速控制。当球机监控系统工作时，通过对摄像头接收的视频帧进行处理，实现目标检测；当检测到目标时，根据目标在场景中的位置将其映射到相应的预置点上，然后监控系统向球机发送指令，相机姿态快速调整使相机拍摄的画面中心与预置位的方位信息保持一致，及时调整相机的焦距，获得包含放大目标的高分辨率图像。本控制系统可完全实现自动化运行，球机控制更加智能和精确，从而大大提高监控效率。

综上，本发明克服了传统的视频监控系统中的球机在控制上自动化程度不高、缺少实时性和灵活性、需要人为手工干预等缺点，操作方便，自动化程度高，实时性好。尤其是对于快速运动的目标，监控图像的捕捉效果好。

附图说明

图1为一个球机拍摄时XOY平面物理场景分区的示意图；

图2为物理场景中垂直分区的区域划分示意图；

图3为与物理场景中垂直分区对应的初始图像平面中垂直方向上的区域分布示意图；

图4为初始图像平面中水平方向上的区域分布示意图；

图5为设置的预置位在初始图像平面中的示意图；

图6a、6b分别为实施例中小分区和设置的预置位在初始图像平面中的示意图；

图7为本发明监控球机自动快速控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明可以分为配置过程和实时监控过程两方面。配置过程是指在实施监控之前根据球机参数，场景信息和对目标分辨率的要求将监控场景进行水平和垂直分区然后确定每个分区的拍摄焦距并设置预置位，保存好球机方位信息和放大倍数信息。实时监控过程是指监控系统在工作时对相机获取的视频帧进行视频分析，检测出目标的位置并映射到特定预置位，最后系统发送指令给球机让球机快速到达指定预置位获取目标的高分辨率图像，从而达到辨认目标细节的目的。

图7所示为本发明中的监控球机自动快速控制方法的流程图，该控制方法分为配置过程和实时监控过程。

一、配置过程

1、如图1所示，是一个典型的场景分区概要图，如图中标示，可以从对场景进行垂直分区和水平分区，具体的分区规则如下：

(1)获得球机参数、监控场景信息、目标分辨率要求等相关参数

A_p×A_p：要求的目标在图像中的最小分辨率；

u：目标与摄像机的空间距离；

v：像距；

f：球机中摄像机的焦距；

D×D：实际目标的物理尺寸；

F_min为摄像机所能变焦的最小焦距；

F_max为摄像机所能变焦的最大焦距；

f_ori为摄像机的原始焦距，是摄像机的固有属性；

除以上变量之外，摄像机感光屏上每1mm对应的像素为N_pix。

为了便于计算，实际目标的物理尺寸D×D可取其平均值作定值。由于实际目标(监控的目标可以是整体，也可以是其中的一部分，如人脸等)的物理尺寸不一定为正方形，例如，若实际目标为长方形，则取长方形较短的边长值作为D；另外，摄像机显示屏中要求的目标最小分辨率也不一定刚好为A_p×A_p，只要A_p满足A_p×A_p大于摄像机显示屏要求的目标最小分辨率即可。

(2)垂直分区：

将待监控空间沿平行于XOZ平面的方向进行垂直分区，如图2所示，在监控前将监控场景按照与球机的距离进行垂直分区。根据图像上所需的目标分辨率为每个垂直分区设置一个拍摄焦距F。

根据物理成像原理可得式(1)。

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}\\ \frac{u}{v}=\frac{D}{A_p/N_{\mathrm{pix}}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

可推导得到u与f的关系，见式(2)。

$u=(1+\frac{{\mathrm{DN}}_{\mathrm{pix}}}{A_p})f---\left(2\right)$

设目标与摄像机的水平距离(即，目标位于笛卡尔三维直角坐标系中的Y轴上，该目标的Y轴坐标值)为u_h，球机的安装高度为H(即，球机中的摄像机与待监控空间底面之间的距离)，则u_h与u之间满足式(3)。

$u_h=\sqrt{u^2-H^2}---\left(3\right)$

根据式(2)、(3)可得u_h与此时目标最小分辨率所要求的摄像机焦距f_min之间满足(4)。

$f_{\min }=\frac{\sqrt{u_h^2+H^2}}{1+{\mathrm{DN}}_{\mathrm{pix}}/A_p}---\left(4\right)$

同理，设在显示屏中要求的目标最大分辨率为B_p×B_p,则可得u_h与此时目标最大分辨率要求的摄像机焦距f_max之间满足(5)。

$f_{\max }=\frac{\sqrt{u_h^2+H^2}}{1+{\mathrm{DN}}_{\mathrm{pix}}/B_p}---\left(5\right)$

这样，根据式(4)、(5)，就能够确定目标与摄像机的水平距离u_h与此时要求的最大焦距f_max、最小焦距f_min之间的对应关系。

设垂直分区(又称为垂直预设区)i的起始位置距摄像机的距离为d_i(即，该垂直分区内Y轴坐标值绝对值最小的点对应的Y轴坐标值绝对值)，则该预设区所覆盖的监控距离u设d_i对应的最大摄像机焦距为d_i+1对应的最小摄像机焦距为让该垂直预设区的监控焦距F_i和之间满足式(6)。

$F_i=f_{\max }^i=f_{\min }^{i+1}---\left(6\right)$

因此寻找满足条件的和就能够确定垂直预设区i的起始位置d_i和结束位置d_i+1；另外，由于摄像机变焦能力的限制，Y轴坐标绝对值最大的垂直分区(即，离摄像机距离最远的垂直分区)，其起始位置d_n对应于摄像机所能变焦的最大焦距F_max，通过上述关系式及公式，可进一步完成垂直分区。

(3)水平分区：

将待监控空间沿平行于YOZ平面的方向进行水平分区，水平方向的分区数可以根据垂直方向上距离摄像机最远(即，Y轴坐标的绝对值最大)的那个分区的焦距来确定。设该最远垂直分区的焦距是摄像机未变焦时的原始焦距为f_ori，可以得到该区的放大倍数为：据此放大倍数可将场景在水平方向均分成m₀区(即，每个水平分区在X轴上投影的长度均相等，水平分区在X轴上的投影共有m₀个不同区间)。当最远垂直分区的焦距等于摄像机所能变焦的最大焦距，即当时，

经过垂直分区和水平分区后，待待监控空间的即被划分为若干小分区，每一小分区在XOY平面上的投影均为矩形形状。

这样分区并设置拍摄焦距后，可以保证即使在最远的垂直分区内的小分区进行聚焦时也不会有盲区存在(即，若使用位于小分区中心位置的预置位时，摄像机实际拍摄到的场景能够覆盖该分区内的所有区域)；另外，离摄像机越近的分区聚焦时便会有视场上的交叠(即，使用离摄像机越近分区对应的预置位时，摄像机实际拍摄到的场景会延伸至相邻分区的部分区域)，这样更有利于捕获目标，尤其是对于快速运动的目标，更有利于目标图像的捕捉。

2、将监控的初始场景分区后，对监控场所拍摄图像，确定每个预设区(包括垂直预设区和水平预设区)在图像平面上的分布。如图3和图4所示。

上述监控的初始场景可以根据需要进行调整，例如，可以以待监控的空间的边界为参考，即，使球机相机拍摄到的初始场景覆盖到整个待监控空间，这样，该空间内的所有状态均可被相机的初始状态捕获，而该空间内的细节区域也可被相机放大拍摄。上述笛卡尔三维坐标系建立时，相机的光心、光轴等信息均以该初始场景下相机的光心、光轴信息保持一致，即，上述笛卡尔三维坐标系是以该初始场景为参考的。

3、水平分区和垂直分区划分好之后，每一垂直预设区和水平预设区的重叠区域即小分区。设置与所述每个小分区在XOY平面上矩形投影的中心点位置和边缘点位置对应的预置位，从而保存球机的水平位置信息、垂直位置信息和拍摄焦距信息。为了避免出现视觉盲区，将预置位设在每个小分区的中心和边缘处，使其视场有交叠。一个典型的预置位设置图如图5所示。图5并未对场景最外边缘处设置预置位，如有需要，仍可在场景最外边缘处设置预置位，即，在每一个小分区(包括最外边缘位置的)的中心处和边缘处均设置预置位。

由于按垂直分区、水平分区后得到的各个小分区其在XOY平面上的投影均为矩形形状，其中心点即对应该矩形对角线的交点，其边缘点即对应矩形的四个顶点。

二、实时控制过程

实时控制过程包括以下步骤：

1、读入视频帧。

2、视频帧预处理。

3、感兴趣目标检测并确定其方位信息。

4、根据检测出来的感兴趣目标的方位信息将目标映射到特定预置位。

5、监控系统发送指令给球机让球机自动快速地到达相应的预置位，获取包含目标的高分辨率图像，从而达到辨认目标细节的目的。

6、球机回到初始机位，再次重复上述步骤1的操作。

上述步骤3中，可通过对摄像头获取的视频帧进行处理从而检测目标，该步骤可由程序自动执行，无需人工干预，该目标检测算法使用的是基于高斯背景建模的运动目标检测(例如可参考文献：Chris Stauffer,W.E.LGrimson,“Adaptive background mixture models for real-timetracking,”In Proceedings of the IEEE Computer Society Conferenceon Computer Vision and Pattern Recognition,vol.2,pp.246-252,1999.)。

当目标出现在多个预置位对应的区域，或者距多个预置位距离相等时，可以任选其中任意一个预置位(例如该预置位对应的所述矩形投影的中心点位置或者边缘点位置距所述目标在XOY平面上的投影中心距离最近)对应的小区分作为球机相机的目标监控区域。小分区边缘处的预置位，由于这些边缘处往往可能是两个或四个小分区的交界，其焦距只要与上述两个或四个小分区的任意一个小分区的焦距相同即可。例如，若垂直方向不同、水平方向相同的两个相邻分区，其交界处的预置位的焦距若与垂直方向距离近的(即，Y轴坐标的绝对值小的)分区的焦距相同，则该焦距就满足最大分辨率的要求；若交界处的预置位的焦距与垂直方向距离远的(即，Y轴坐标的绝对值大的)分区的焦距相同，则该焦距就满足最小分辨率的要求。

球机的水平位置信息和垂直位置信息对应相机拍摄角度，即与云台坐标相对应；拍摄焦距信息即对应镜头焦距。若需要将监控球机的场景在X轴方向上的移动，可以通过使云台绕Z轴水平转动实现；若需要将监控场景在Y轴方向上的移动，则可以通过使云台绕X轴上下转动实现；必要时，可及时调整球机摄像机的焦距，拍摄场景细节。

另一方面，球机的相机可能包含有多个透镜，且这些透镜的主光轴通常位于一条直线上，相对于球机与拍摄物的实际距离，相机的大小、相机透镜间的距离等往往可忽略不计。本发明中相机的镜头的光心可指任意一个透镜(例如相机最外端的透镜)的光心。

本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种监控球机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先以球机中的相机镜头的光心在待监控空间的底面上的投影为O点，所述光心与O点的连线为Z轴，所述Z轴与相机镜头的光轴构成的平面与所述待监控空间的底面的相交线为Y轴，建立笛卡尔三维直角坐标系；然后，根据球机参数、监控场景信息和对目标分辨率的要求将待监控空间分别沿平行于XOZ平面的方向进行垂直分区、沿平行于YOZ平面的方向进行水平分区，形成若干小分区；接着，再为每个小分区设定拍摄焦距；其中，每一小分区在XOY平面上的投影均为矩形形状；

(2)设置与所述每个小分区在XOY平面上矩形投影的中心点位置和边缘点位置对应的预置位，从而保存球机的水平位置信息、垂直位置信息和拍摄焦距信息；

(3)读入视频帧，然后再对该视频帧进行目标检测，从而得到检测目标在监控场景中的方位信息；

(4)根据所述检测目标在监控场景中的方位信息，将目标映射到对应的预置位，使该预置位对应的所述矩形投影的中心点位置或者边缘点位置距所述目标在XOY平面上的投影中心距离最近；

(5)球机调用该预置位，获取包含目标的监控图像。

2.如权利要求1所述监控球机的控制方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，每个小分区的拍摄焦距其中d_i为与该小分区内绝对值最小的Y轴坐标值，d_i+1为与该小分区内绝对值最大的Y轴坐标值，N_pix为球机相机感光屏上每1mm对应的像素个数，H为所述球机中的相机镜头的光心的Z轴坐标绝对值；A_p、B_p、D分别满足：A_p×A_p为相机显示屏中要求的目标最小分辨率；B_p×B_p为相机显示屏中要求的目标最大分辨率；D×D为目标实际大小。

3.如权利要求2所述监控球机的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中每个小分区在Y轴上的投影共有n个不同区间，其中Y轴坐标绝对值最大的小分区其最小Y轴坐标绝对值d_n满足所述F_max为相机所能变焦的最大焦距。

4.如权利要求1所述监控球机的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中每个小分区在X轴上投影的长度均相等，所述每个小分区在X轴上的投影共有m个不同区间，其中所述F_max为相机所能变焦的最大焦距，f_ori为相机的原始焦距。

5.如权利要求1-4任意一项所述监控球机的控制方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述预置位的拍摄焦距信息与该预置位所对应的任意一个小分区在所述步骤(1)中设定的拍摄焦距一致。

6.如权利要求1-5任意一项所述监控球机的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)对视频帧进行目标检测，包括对所述视频帧进行预处理、运动目标检测，其中：

所述预处理为首先对所述视频帧进行滤波去噪；接着，再对去噪后的视频帧进行光照补偿；

所述运动目标检测用于对预处理后的视频帧进行运动区域检测。