CN105430326A - 一种cctv船舶视频平滑跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法，包括获取被监控船舶的经纬度、航向、航速、船长、船高等信息，结合CCTV摄像头的安装经纬度、距水面高度、零位方位角计算并计算摄像头云台水平偏转角和垂直偏转角和焦距，并且以适当速度顺着船舶航向投影方向转动云台。然后在每个AIS或雷达数据到来之时检测此时摄像头与被监控船舶的相对方位，超前则减速或停止，滞后则加速。这种持续转动的方案使云台在监控过程中保持同一个方向连续转动，减少监控画面的抖动，防止近距离快速目标的丢失。最终实现CCTV监控摄像头对船舶的跟踪，并保证船舶在监控画面中的比例相同，跟踪画面平滑抖动较小。

Description

一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法

技术领域

本发明属于船舶视频监控技术领域，涉及船舶交通管理系统(VesselTrafficService，VTS)或电子巡航系统等在实施船舶监视任务中应用的一种使用CCTV(ClosedCircuitTelevisionSystem)对船舶进行平滑跟踪的技术。

背景技术

随着水运事业的发展，船舶交通量不断增加。为了保障船舶交通安全，提高交通效率，保护水域环境，许多国家逐渐在各个港口、海峡、江河建立起了对船舶实施交通管理并提供咨询服务的船舶交通管理系统(VTS)。VTS利用AIS基站、雷达、CCTV、VHF以及舰载终端等通信设备监控航行的在港船只和进出港口船只，其中CCTV系统能够通过摄像机视频摄录直观的获得现场的监控画面，直接观察现场船舶航行状态、船舶类型、航行现场环境等信息，并且能够进行违章船只、事故现场的抓拍取证。

2015年6月1日，豪华游轮“东方之星”在从南京驶往重庆途中突遇龙卷风，随后在长江中游水域沉没。整个翻沉过程并没有被相关部门观测到，而是在沉没后40分钟才从幸存者口中得知这艘巨轮早已被大海吞噬。这种需要重点监控的船舶，应对其进行全程监控确保这类船舶的航行安全。尤其当船舶驶入危险水域或以超低速航行时，更应该进行重点跟踪监控，因此使用CCTV对船舶进行跟踪监控与抓拍取证非常有必要。文献《AIS，CCTV，VTS整合及功能拓展》(龚瑞卿，中国水运，第10期，2005年，p42-43)提出了利用VTS船舶信息来调整CCTV对船舶跟踪的设想，其思路是控制CCTV在每次AIS或雷达数据到来时进行一次定位，然后摄像头停止转动，等待下一个数据周期的到来。这种跟踪方法理论上能实现船舶跟踪，但由于实际运用中目标实时信息有一定的时间间隔，监控画面会出现周期性的抖动。当间隔周期较大，被跟踪船舶距离较近且速度较快时，CCTV甚至可能在一段时间内监控不到选定船舶，并且可能错过需要抓拍取证的监控画面。

发明内容

本发明的目的是：提供一种控制CCTV(ClosedCircuitTelevisionSystem闭路电视系统)对船舶视频进行平滑跟踪的方法，通过AIS(AutomaticIdentificationSystem)或雷达获得的船舶动态位置信息，对CCTV摄像头进行自适应调整和操控，自动实现对船舶的全程实时监控，整个跟踪过程中船舶在监控画面中占据合适的比例，且画面平滑，抖动较小。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取CCTV信息步骤2：获取被跟踪船舶的航向、航速、船长，船高，船舶当前经纬度；

步骤3：根据船舶当前经纬度、摄像头经度、摄像头纬度、摄像头海拔高度，以及摄像头的云台相对初始零位的水平夹角和垂直夹角计算摄像头的云台应设置的水平参数和垂直参数；

步骤4：计算并设置云台焦距；

此步骤的目的是保证船舶以适当的比例出现在画面中心。

步骤5：调整云台转动速度档位；

根据实时数据判断摄像头的云台转动情况，如果摄像头的云台超前于被跟踪船舶，则降低转动速度档位；这样可以使云台保持连续转动，改善跟踪画面抖动的情况。

步骤6：获取被跟踪船舶的航向、航速，船舶当前经纬度，返回步骤4，直到停止跟踪。

本发明步骤1中，CCTV信息包括：摄像头经度、摄像头纬度、摄像头海拔高度、摄像头初始零位相对于正北的夹角Δα、摄像头初始零为相对于海平面法线夹角Δβ。

本发明步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算船舶与摄像头的连线与正北的夹角为α；

步骤3-2：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算摄像头与定位船舶的地面距离d，结合距离d与摄像头海拔高度H计算摄像头与海平面法线方向夹角β；

步骤3-3：计算摄像头的云台水平方向的偏转角度P，公式如下：

P＝(α+360°-Δα)％360°；

步骤3-4：计算摄像头的云台垂直方向的偏转角度T，公式如下：

T＝(Δβ+β)％360°；

步骤3-5：设置水平参数、垂直参数，控制摄像头的云台转动到相应位置，云台转动到相应位置时监控视频中应出现该船舶，且该船舶显示在视频中心；

步骤3-6：根据被跟踪船舶的速度v设置云台转动角速度，船只方位角为γ。选取与船舶切向速度最接近的速度档位，设置为初始转动速度ω，控制摄像头的云台以该速度档位顺着航行方向持续转动。若ω位于两档之间则取较小值。

摄像头初始角速度ω的计算公式为：

$\mathrm{\ω}=\frac{v*\left|sin(\mathrm{\γ}-\mathrm{\α})\right|}{d}$

本发明步骤4包括：

步骤4-1：获得监控摄像头与被跟踪船舶中心点的距离D：

$D=\sqrt{d^2+{(H-\frac{h}{2})}^2};$

步骤4-2：被跟踪船舶航向相对于正北方位角为γ，则该船舶在监控摄像头镜头中的投影长度L的计算公式为：

L＝max(l*|cos(α-γ)|,h)

步骤4-3：根据被跟踪船舶在摄像头镜头上的投影长度L与船高h分别计算两个焦距f₁和f₂，计算公式如下：

$f_1=\frac{c_{1}D}{L},$

$f_2=\frac{c_{2}D}{h},$

其中c₁和c₂为被跟踪船舶在视频画面的成像宽度与成像高度；

步骤4-4：设置跟踪摄像头云台焦距为f，f的计算公式如下：

f＝min(f₁,f₂)。

本发明步骤5包括步骤如下：

步骤5-1：计算被跟踪船舶与摄像头的连线与正北的夹角α₁；

步骤5-2：获得摄像头的云台当前的水平参数P，计算其与正北的方向夹角α₂，公式如下：

α₂＝(Δα+360°-P)％360°；

步骤5-3：计算角度差值Δ，公式如下：

Δ＝(α₁-α₂+180°)％180°；

步骤5-4：若Δ>0，则表示摄像头落后被跟踪目标，将云台转速提高一档；若Δ<0，则表示摄像头超前被跟踪目标，则将云台转速降低一档，若此时速度已经为1档，则控制云台停止转动。

本发明主要运用于船舶交通管理系统，也可应用于电子巡航系统或港口监管系统等。通过AIS或雷达获得的船舶基本信息与位置信息，对CCTV摄像头进行自适应调整和操控，实现对船舶的全程实时监控，整个跟踪过程中船舶在监控画面中占据合适的比例，画面流畅抖动小。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明流程图。

图2是船舶跟踪适用场景的模拟示意图。

图3是CCTV摄像头云台水平参数分析示意图。

图4是CCTV摄像头云台垂直参数分析示意图。

图5是CCTV摄像头云台初始转速分析示意图。

具体实施方式

总体而言，本发明获取被监控船舶的经纬度、航向、航速、船长、船高等信息，结合CCTV摄像头的安装经纬度、距水面高度、零位方位角计算并计算摄像头云台水平偏转角和垂直偏转角和焦距，并且以适当速度顺着船舶航向投影方向转动云台。然后在每个AIS或雷达数据到来之时检测此时摄像头与被监控船舶的相对方位，超前则减速或停止，滞后则加速。这种持续转动的方案使云台在监控过程中保持同一个方向连续转动，减少监控画面的抖动，防止近距离快速目标的丢失。最终实现CCTV监控摄像头对船舶的跟踪，并保证船舶在监控画面中的比例相同，跟踪画面平滑抖动较小。

实施例

具体而言，如图1所示，本实施例包括如下步骤：

步骤1：获取CCTV摄像头基本信息与安装信息；

步骤1-1：获取摄像头经度、纬度、摄像头海拔高度；

步骤1-2：获取摄像头初始零位相对于正北的夹角Δα；

步骤1-3：获取摄像头初始零为相对于法线夹角Δβ；

步骤2：实时获取被跟踪船舶的航向γ、航速v、船长l，船高h，船舶当前经纬度；

步骤3：根据船舶当前经纬度、摄像头经度、纬度、高度，以及云台相对初始零位的水平/垂直夹角计算云台应设置的水平/垂直参数。摄像头海拔高度H，摄像头与水面法线方向夹角为β。并使监控摄像头云台以接近目标瞬时速度的角速度转动。图2是船舶跟踪适用场景的模拟示意图。其中H为摄像头海拔高度，d为船舶中心点距摄像头的水平距离，α为船舶实时经纬度计算船舶与摄像头的连线与正北的夹角，

β为摄像头与海平面法线方向夹角。

具体的公式和计算步骤如下：

步骤3-1：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算船舶与摄像头的连线与正北的夹角为α。

步骤3-2：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算摄像头与定位船舶的地面距离d。结合距离d与摄像头海拔高度H、计算摄像头与水面法线方向夹角β。

步骤3-3：计算云台水平方向的偏转角度，图3是CCTV摄像头云台水平参数分析示意图，其中Δα为摄像头初始零位相对于正北的夹角。首次定位需设置摄像头水平参数H₀为：

P＝(α+360°-Δα)％360°；

图4是CCTV摄像头云台垂直参数分析示意图，其中Δβ为摄像头初始零为相对于海平面法线夹角首次定位需设置摄像头水平参数V₀为

V₀＝(β+360°-Δβ)％360°。

步骤3-4：计算云台垂直方向的偏转角度，计算公式如下

T＝(Δβ+β)％360°；

步骤3-5：设置水平参数、垂直参数，控制云台转动到相应位置，此时监控视频中应出现该船舶，且该船舶显示在视频中心。

步骤3-6:根据被跟踪船舶的速度v设置云台转动角速度，船只方位角为γ。选取与船舶切向速度最接近的速度档位，设置为初始转动速度ω，控制摄像头的云台以该速度档位顺着航行方向持续转动。若ω位于两档之间则取较小值。

图5是CCTV摄像头云台初始转速分析示意图,其中v为被跟踪船舶的速度,γ为船只方位角首次定位需设置初始转速ω为：

$\mathrm{\&omega;}=\frac{v*\left|sin(\mathrm{\&gamma;}-\mathrm{\&alpha;})\right|}{d}$

步骤4：计算并设置获得跟踪摄像头焦距；

步骤4-1：获得监控摄像头与船舶的距离D：

$D=\sqrt{d^2+{(H-\frac{h}{2})}^2}$

步骤4-2：被跟踪船舶航向相对于正北方位角为γ，则该船舶在监控摄像头镜头中的投影长度为L：

L＝max(l*|cos(α-γ)|,h)

步骤4-3：根据船舶在摄像头镜头上的投影长度L与船高h分别计算两个焦距f₁和f₂,计算公式如下：

$f_1=\frac{c_{1}D}{L}$

$f_2=\frac{c_{2}D}{h}$

其中c₁和c₂船舶在视频画面的成像宽度与成像高度

步骤4-4：设置跟踪摄像头云台焦距为f，f的计算公式如下：

f＝min(f₁,f₂)。

步骤5：调整云台转动速度档位(1-7档，7档最快)，具体步骤如下：

步骤5-1：重复步骤2，计算船舶与摄像头的连线与正北的夹角α₁；

步骤5-2：获得云台当前的水平参数P，计算其与正北的方向α₂,计算公式如下:

α₂＝(Δα+360°-P)％360°；

步骤5-3：计算角度差值Δ，计算公式如下：

Δ＝(α₁-α₂+180°)％180°；

步骤5-4：若Δ>0则摄像头落后被跟踪目标，将云台转速提高一档。若Δ<0则摄像头超前被跟踪目标，则将云台转速降低一档。若此时速度已经为1档，则控制云台停止转动。

步骤6：获取被跟踪船舶的航向、航速，船舶当前经纬度，返回步骤4，直到停止跟踪。

本发明提供了一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种CCTV船舶视频平滑跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：获取CCTV信息；

步骤2：获取被跟踪船舶的航向、航速、船长，船高，船舶当前经纬度；

步骤3：根据被跟踪船舶当前经纬度、摄像头经度、摄像头纬度、摄像头海拔高度，以及摄像头的云台相对初始零位的水平夹角和垂直夹角计算摄像头的云台应设置的水平参数和垂直参数；

步骤4：计算并设置云台焦距；

步骤5：调整云台转动速度档位；根据实时数据判断摄像头的云台转动情况，如果摄像头的云台超前于被跟踪船舶，则降低转动速度档位；

步骤6：获取被跟踪船舶的航向、航速、船舶当前经纬度，返回步骤4，直到停止跟踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，CCTV信息包括：摄像头经度、摄像头纬度、摄像头海拔高度、摄像头初始零位相对于正北的夹角Δα、摄像头初始零为相对于海平面法线夹角Δβ。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算船舶与摄像头的连线与正北的夹角为α；

步骤3-2：根据摄像头经纬度，船舶实时经纬度计算摄像头与定位船舶的地面距离d，结合距离d与摄像头海拔高度H计算摄像头与海平面法线方向夹角β；

步骤3-3：计算摄像头的云台水平方向的偏转角度P，公式如下：

P＝(α+360°-Δα)％360°；

步骤3-4：计算摄像头的云台垂直方向的偏转角度T，公式如下：

T＝(Δβ+β)％360°；

步骤3-5：设置水平参数、垂直参数，控制摄像头的云台转动到相应位置，云台转动到相应位置时监控视频中应出现该船舶，且该船舶显示在视频中心；

步骤3-6：根据被跟踪船舶的速度v设置云台转动角速度，船只方位角为γ；选取与船舶切向速度最接近的速度档位，设置为初始转动速度ω，控制摄像头的云台以该速度档位顺着航行方向持续转动；若ω位于两档之间则取较小值；

摄像头初始角速度ω的计算公式为：

$\mathrm{\&omega;}=\frac{v*\left|sin(\mathrm{\&gamma;}-\mathrm{\&alpha;})\right|}{d}.$

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤4包括：

步骤4-1：获得监控摄像头与被跟踪船舶中心点的距离D：

$D=\sqrt{d^2+{(H-\frac{h}{2})}^2};$

步骤4-2：被跟踪船舶航向相对于正北方位角为γ，则该船舶在监控摄像头镜头中的投影长度L的计算公式为：

L＝max(l*|cos(α-γ)|,h)；

步骤4-3：根据被跟踪船舶在摄像头镜头上的投影长度L与船高h分别计算两个焦距f₁和f₂，计算公式如下：

$f_1=\frac{c_{1}D}{L},$

$f_2=\frac{c_{2}D}{h},$

其中c₁和c₂为被跟踪船舶在视频画面的成像宽度与成像高度；

步骤4-4：设置跟踪摄像头云台焦距为f，f的计算公式如下：

f＝min(f₁,f₂)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5包括步骤如下：

步骤5-1：计算被跟踪船舶与摄像头的连线与正北的夹角α₁；

步骤5-2：获得摄像头的云台当前的水平参数P，计算其与正北的方向夹角α₂，公式如下：

α₂＝(Δα+360°-P)％360°；

步骤5-3：计算角度差值Δ，公式如下：

Δ＝(α₁-α₂+180°)％180°；

步骤5-4：若Δ>0，则表示摄像头落后被跟踪目标，将云台转速提高一档；若Δ<0，则表示摄像头超前被跟踪目标，则将云台转速降低一档，若此时速度已经为1档，则控制云台停止转动。