CN105486235A

CN105486235A - 一种球机视频画面中的目标度量方法

Info

Publication number: CN105486235A
Application number: CN201510897385.0A
Authority: CN
Inventors: 张永涛; 俞翔; 胡颖; 罗中亮; 汪刚; 刘双广
Original assignee: Gosuncn Technology Group Co Ltd
Current assignee: Gosuncn Technology Group Co Ltd
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2035-12-07
Also published as: CN105486235B

Abstract

本发明公开了一种球机视频画面中的目标度量方法，包括如下步骤，S0：获取球机各倍率下的视场角度和光轴偏差值，将视场角度、光轴偏差值与球机变倍细分步一一对应生成查询表格储存在球机端；S1：获得监控画面，然后获取监控画面中需要进行高度度量或长度度量的目标两端点二维坐标，二维坐标为监控画面中的像素坐标；S2：根据球机当前变倍倍率获取当前变倍细分步，并从查询表格中得出当前视场角度和光轴偏差值，根据视场角度、光轴偏差值和球机PTZ信息，将二维坐标转换为三维坐标；S3：根据三维坐标，测量目标的长度或高度。本发明成本低、监控度量面广、准确度高，既能对目标进行高度度量，也能进行长度度量。

Description

一种球机视频画面中的目标度量方法

技术领域

本发明涉及视频监控领域，尤其涉及一种球机视频画面中的目标度量方法。

背景技术

视频监控是各行业重点部门或重要场所进行实时监控的物理基础，管理部门可通过它获得有效的数据、图像或声音信息，对突发性异常事件的过程进行及时的监视和记忆，用以提供高效、及时的指挥和处理手段。面对着社会治安状况的日趋复杂，公共安全问题不断凸显，对视频监控也提出了新的要求。例如，突发事件中需要获知当事人的身高，或交通事故中需获知车辆的长度、刹车痕等。

目前，现有技术中队视频画面中的目标进行度量的方法主要有：

1、将带有人的关键帧图像与当前摄像机实时画面重叠处理，事后需要一个测量人员去实时画面现场将一个带有尺度的下端抵在关键帧照片中站立的当事人的脚下，让具有尺度的尺子通过当事人的头顶，通过头顶尺度和脚底尺度便可获得人的高度。如申请号为201410544853.1的发明专利公开的视频图像中人体身高的测量方法。但是这种方法存在的不足之处在于，其一，操作比较麻烦，人员的配合度较高；其二，事后才能度量，不能做到实时度量人体的身高；其三，使用的场合有限，需要一个固定的场合，并且摄像机必须是固定不变的，如果中途改变了会造成度量的不准确，可靠性差；

2、使用双目视觉技术，需要使用两个固定的枪机，根据人体在视频内的图像坐标及对应的深度信息，转换为该摄像机坐标系下的相对坐标，进而计算出人体目标的高度。如申请号为201310192474.6的发明专利公开的基于双目视觉技术的人体身高测量方法及其装置，该方法存在的不足之处在于，其一，针对同一监控点使用两个摄像机，成本提高了一倍；其二，只能参与人高度的度量，不能针对视频画面中的其它物体进行有效度量；其三，该度量方法受到地理地形限制，造成度量准确度低，例如：往往监控场景内地面都是不平的，是有所起伏的，或者是斜坡有一定角度的，都会影响度量的结果；其四，由于摄像机安装高度及角度等信息采用人工度量的方法，误差不可控，都会对实际结果造成误差，即便这其中的计算参数可以通过实际高度反推过来，但是针对地面的起伏造成视频范围内的地面高度都可能不同，也会产生很大的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种成本低、监控度量面广、准确度高的基于球机的视频画面中目标的度量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种球机视频画面中的目标度量方法，包括如下步骤：

S0：获取球机各倍率下的视场角度和光轴偏差值，将视场角度、光轴偏差值与球机变倍细分步一一对应生成查询表格储存在球机端；

S1：利用球机获得监控画面，然后获取监控画面中需要进行高度度量或长度度量的目标两端点二维坐标，二维坐标即为监控画面中的像素坐标；

S2：根据球机当前变倍倍率获取当前球机变倍细分步，并从查询表格中得出当前球机的视场角度和光轴偏差值，根据视场角度、光轴偏差值和球机PTZ信息，将二维坐标转换为三维坐标，所述三维坐标基于以球机转动圆心为球心的三维坐标系；

S3：根据三维坐标，测量目标的长度或高度。

本发明使用球机进行监控，监控覆盖面广，度量范围广，解决现有双目摄像机只能监控一个区域的缺点；二维坐标的获得可以通过电脑API接口获取；二维坐标为监控画面像素坐标，例如监控画面为1920x1080分辨率，监控画面中每个像素点对应着一个二维坐标(x，y)，x为水平像素，y为垂直像素；三维坐标系以球机转动圆心为球心，例如以正北方为0度，向右依次增加至360度，垂直方向上以绝对水平为0度，向下依次增加至90度，而当超过90度时球机反转避免监控上出现盲点，这样监控画面中的每个像素点都对应一个三维坐标(p，t)，p为水平角度，t为俯仰角度。通过上述步骤，除了可以在实时监控中对监控画面的目标进行度量，还可以事后根据录像来对监控中的目标进行度量，例如行人高度、汽车高度、汽车长度、刹车痕长等。

步骤S0中，视场角度的计算步骤如下：

S01：球机对准平面，平面上固定刻度尺，刻度尺处于监控画面的水平中间位置；

S02：在球机其中一个倍率下，水平移动平面使得刻度尺填满监控画面，记录此时监控画面中左右两端的刻度值k₁和k₂，即刻度尺在监控画面中水平范围的长度为d₁＝k₂-k₁；

S03：将平面朝球机方向平移距离d，记录此时监控画面中左右两端的刻度值k₃和k₄，即刻度尺在监控画面中水平范围的长度为d₂＝k₄-k₃；

S04：创建数学模型等腰三角形，按如下公式计算视场角度：

h = \frac{d * d_{2}}{d_{1} - d_{2}};

θ = a r c t a n \frac{d_{1} - d_{2}}{2 * d};

α＝2*θ；

式中，h为第二次移动平面后平面与球机的距离，α为视场角度；

S05：按上述步骤计算各个倍率下对应的视场角度。

目前根据焦距计算视场角度的方法不准确，本发明通过上述步骤实现了一种根据外部度量计算出各个倍率下的视场角度，因为每次变倍时都可以获得当前球机的变倍细分步，这是出厂参数决定的，所以将球机变倍细分步和对应的视场角度制成表格存在球机端，每次变倍时获得的当前变倍细分步即可根据表格得出视场角度。另外，由于变倍的细分步是有可能在表中查不到，这种情况下可使用区间差分的处理方式进行对应换算，得出当前变倍细分步下的视场角度，该表格存储在球机端，区间差分的方法为常规技术，这里不做过多阐述。

步骤S0中，光轴偏差值计算步骤如下：

S011：球机对准平面，平面上画有居中十字架，在球机倍率为1倍的情况下使得平面充满监控画面；

S021：将球机变倍至最大倍率，使得十字架正中心居于监控画面中心，并以此为标准设定监控画面中十字架正中心点的水平偏差dx＝0，垂直偏差dy＝0；

S031：控制球机缩小倍率，获得此倍率下监控画面十字架正中心点的位置px和py，此倍率对应的水平偏差垂直偏差式中，px为中心点在监控画面中的水平像素位置，py为中心点在监控画面中的垂直像素位置，W为监控画面水平像素，L为监控画面垂直像素；

S041：按照步骤S031，依次缩小球机的倍率，计算出各个倍率对应的水平偏差dx和垂直偏差dy。

每个镜头理论上在变倍的情况下光轴中心轴应该是一条始终垂直光感传感器并且落点在传感器中心的直线，但是实际上针对每个机芯在变倍过程中此光轴是一条曲线或者倾斜的直线，由于该偏差影响到对目标的度量，所有需要进行光轴的校准，将水平偏差和垂直偏差与视场角度一并记录到表格中，并参与到坐标转换。

步骤S2中，转换公式为：

t a n Δ p = \frac{Δ x}{R * \cos t_{0} - Δ y * \sin t_{0}};

\tan t = \frac{R * \sin t_{0} + Δ y * \cos t_{0}}{(R * \cos t_{0} - Δ y * \sin t_{0}) / \cos Δ p};

Δ x = x - d x - \frac{W}{2};

Δ y = y - d y - \frac{L}{2};

R = \frac{W / 2}{t a n (α / 2)};

式中，x为监控画面中目标端点水平像素位置，y为监控画面中目标端点垂直像素位置，Δx为目标端点与监控画面中心点的水平像素差值，Δy为目标端点与监控画面中心点垂直像素差值；(p，t)为目标端点的三维坐标，p为水平角度，t为俯仰角度，(p₀，t₀，z₀)监控画面中心点的三维坐标，p₀为水平角度，t₀为俯仰角度，z₀为当前变倍值，Δp为目标端点的p值与当前监控画面中心点p₀值差值；R为球心到监控画面中心的垂直距离，W为监控画面水平像素，L为监控画面垂直像素，α为视场角度。

从监控画面中只能获取相应端点的二维坐标，二维坐标需要转换为三维坐标，坐标的转换需要依赖视场角度、当前球机的PTZ信息。视场角度在前面已经详细叙述。PTZ信息，是视频监控中的Pan/Tilt/Zoom的简写，当球机的云台转动时，PTZ也会变化，球机的水平转动和垂直方向的转动都是通过步进电机来带动，那么步进电机有一个最小细分步，即运动的最小单位，针对水平方向而言，一圈一共是360°，转动一圈需要多少细分步是一个固定值，那么每一细分步对应的角度也是知道的，通过计算即可得出对应的水平角度p₀值，同理可得出俯仰角度t₀值，而z₀为当前球机的变倍值。球机的机芯都有一个细分步和变倍数对应的表格，当获得变倍细分步时，即可知道变倍值。由于变倍的过程中存在光轴偏差，所以需要进行光轴偏差的校准补偿，Δx和Δy为补偿后的值。

步骤S3中，目标的高度计算公式为：

式中，h为目标的高度；H为球机的高度；t₁为目标其中一端点的俯仰角度；t₂为目标另一端点的俯仰角度。

步骤S3中，目标的长度计算公式为：

L = \sqrt{{(\frac{H}{\tan t_{1}})}^{2} + {(\frac{H}{\tan t_{2}})}^{2} - 2 * \frac{H}{\tan t_{1}} * \frac{H}{\tan t_{2}} * c o s | t_{2} - t_{1} |};

式中，L为目标的长度；H为球机的高度；t₁为目标其中一端点的俯仰角度；t₂为目标另一端点的俯仰角度。

以上进行目标度量中使用到的球机高度，方法一可以通过人工方法度量，即在球机安装时，可通过皮尺直接量取球机至地面的高度，但是这种方式存在误差，精度欠佳，对后续的高度度量及长度度量结果是有影响的。因此，可以通过以下方法进行计算：

通过已知高度的物体选取两个位置，分别计算两个位置物体的两端点三维坐标，分别求出物体两个位置对应的球机高度H₁和H₂，取平均值即为球机的高度H。

由于监控过程中每个监控画面的地形都是不一样的，通过球机高度计算目标值误差较大，因此需要对不同的地形进行校准，具体如下：将监控场地划分为多个区域，分别计算出每个区域对应的球机高度H和每个区域对应的点P的水平角度p和俯仰角度t，点P为两个已知高度物体与地面接触点之间的中心点，将每个区域的P(p，t)和对应的球机高度H作为校准表保存至球机端，当进行目标度量时，将与目标最接近的P(p，t)对应的高度H作为当前球机高度来计算。

p＝p_x+β或p＝p_x-β，其中，p_x为其中一个已知高度物体与地面接点P_x的水平角度，β为O'P与O'P_x的交点，O'为球机在地面的投影点；根据三维坐标的建立方式选择对应的p值；

O'P为球机投影点与点P的距离。

通过针对不同地理地形保存对应的计算参数，这些计算参数是根据实际的目标高度反推出来的一组数据，这些数据是保存在球机里面，当用户需要对当前画面中的一个目标进行度量时，当前目标的(p,t)值与校准表进行对比，查找与该目标最接近的点P，采用P对应的球机高度当作当前球机的高度来进行计算。采用这种方法正是由于监控过程中每个监控画面中的地形都是不一样的，通过球机高度来计算目标值误差较大，为了弥补这些缺陷，增加了这校准的步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、成本低：本发明基于一个球机便可完成对目标长度和高度的度量；

2、监控度量面广：本发明为球机，球机监控覆盖面广，度量范围也更广，现有技术方案只能对当前画面的监控区域进行目标的高度度量，而本发明不仅可以对周围360°监控范围内的目标进行高度度量，还支持目标的长度度量；

3、准确度高：与现有技术相比，本发明准确度高。现有监控技术中，没有对变倍的镜头做光轴方面的校准，而光轴是否准确在对目标度量是一个很重要的参数；现有技术，并没有考虑监控范围内的地形起伏变化带来的误差，本发明针对地形变化，在每一个地形相对变化较小或地形相近的范围内设置一套各自的计算参数，用于针对不同地形来进行各个地形上的目标度量计算；

4、本发明不仅支持实时画面中的目标度量，还可以事后通过录像来完成对画面中的目标度量。

附图说明

图1为实施例1流程图；

图2为实施例1中进行视场角度计算数学模型等腰三角形；

图3为实施例1中进行光轴偏差计算示意图；

图4为实施例1利用已知参数反推球机高度示意图；

图5为实施例1目标高度度量示意图；

图6为实施例2目标长度度量示意图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

球机的镜头支持1～20倍的变倍，镜头的变倍细分步数为0-0x4000，分辨率为1920*1080，三维坐标为正北方为0度，向右依次增加至360度；垂直方向上以绝对水平为0度，向下移动依次增加至90度。

如图1所示，一种球机视频画面中的目标度量方法，包括如下步骤：

S1：计算球机各倍率下的视场角度，具体为：将球机对准画板，画板上固定有刻度尺，刻度尺处于监控画面的水平中间位置，在球机其中一个倍率下，水平移动平面使得刻度尺填满监控画面，记录下此时监控画面中左右两端的刻度值k₁和k₂，此时刻度尺在监控画面中水平范围的长度为d₁＝k₂-k₁，将画板朝球机方向平移距离d，记录此时监控画面中左右两端的刻度值k₃和k₄，此时刻度尺在监控画面中水平范围的长度为d₂＝k₄-k₃；如图2所示，创建数学模型等腰三角形，按如下公式计算视场角度；

α＝2*θ，式中，h为第二次移动平面后平面与球机的距离，α为视场角度；

按上述步骤计算各个倍率下对应的视场角度，这里采用球机变倍细分步和视场角度对应的一个表格存储在球机端，如下所示，由于每次变倍时都可以获取到当前球机的变倍细分步然后根据该表格推算出对应的视场角度。

变倍细分步和视场角度对应表格：

变倍细分步	视场角度
		0x0000	0.521565
0x5EF	0.25974
		0xB54	0.16189
0x112E	0.12321
		0x15CF	0.098495
0x1ACE	0.082378
		0x1F59	0.070916
0x2377	0.062679
		0x2787	0.055873
0x2B38	0.050573
		0x2F27	0.045845
0x3209	0.04154
		0x3529	0.039398
0x37A9	0.037249
		0x39A6	0.0351
0x3BB5	0.03309
		0x3CE2	0.031375
0x3E22	0.030444
		0x3F45	0.029512
0x4000	0.02836

S2：计算球机各倍率下的光轴偏差值，具体为：如图3所示，球机对准标有黑色十字架的白色图纸，在球机倍率为1倍的情况下使得图纸充满监控画面；将球机变倍至20倍，使得十字架正中心居于监控画面中心，并以此为标准设定监控画面中十字架中心点的水平偏差dx＝0，垂直偏差dy＝0；控制球机缩小倍率至19倍，通过算法获取监控画面中十字架正中心位置的px和py，如果镜头没有光轴偏差，px值应该为1920/2＝960，py值应该为1080/2＝540，但是实际上不是，那么dx＝px-960，dy＝py-540；重复上述步骤分别得出各倍率下的光轴偏差dx和dy，同时和当前视场角度一并记录到表格中保存设备端；

S3：计算球机的高度：如图4所示，通过已知高度的物体选取两个位置，分别计算两个位置物体的两端点三维坐标，分别求出物体两个位置对应的球机高度H₁和H₂，取平均值即为球机的高度H。具体为：现场通过一个固定高度的棍子选取两个位置，棍子高度已知，即h已知；H为未知数，当棍子固定在位置1时，在画面中分别标定出棍子的顶部P₁(x₁，y₁)和底部P₂(x₂，y₂)，通过二维坐标公式转换为三维坐标P₁(p₁，t₁)和P₂(p₂，t₂)同样移动棍子至位置2，获取到P₃(p₃，p₃)和P₂(p₃，t₃)；H₁和H₂计算公式为：

分别求出H₁和H₂，球机高度H就取H₁和H₂的平均值；

S4：地形校准：将监控场地划分为多个区域，分别计算出每个区域对应的球机高度H和每个区域对应的点P的水平角度p和俯仰角度t，点P为两个已知高度物体与地面接触点之间的中心点，将每个区域的P(p，t)和对应的球机高度H作为校准表保存至设备端。具体为：如图4所示，度量场地是以P为圆心半径为P₂P₄的一个圆，求出P₁(p₁，t₁)，P₂(p₂，t₂)，P₃(p₃，t₃)，P₄(p₄，t₄)，推导公式如下：

O^{,} P = \sqrt{\frac{1}{2} {(O^{,} P_{2})}^{2} + \frac{1}{2} {(O^{,} P_{4})}^{2} - \frac{1}{4} {(P_{2} P_{4})}^{2}};

O^{,} P_{2} = \frac{H}{\tan t_{2}};

O^{,} P_{4} = \frac{H}{\tan t_{4}};

t = a r c t a n \frac{H}{O^{,} P}

∠P₄O’P₂＝t₄-t₂，根据三角余弦定理求出P₂P₄、O’P长度和∠PO’P2，那么P(p，t)点的p＝p₂-∠PO’P2，t的值在直角三角形△OO’P中根据上述公式求得。当用户需要对当前画面一个目标进行度量时，把目标的三维坐标与校准表对比，查找最接近的点P，采用P对应的球机高度H作为当前画面的球机高度来计算。

S5：利用球机获得监控画面，然后获取监控画面中需要进行高度度量的人两端点二维坐标，即头顶P₁(x₁，y₁)和脚底P₂(x₂，y₂)，二维坐标即为监控画面中的像素坐标；通过以下转换公式转换为三维坐标：P₁(p₁，t₁)和P₂(p₂，t₂)；

t a n Δ p = \frac{Δ x}{R * \cos t_{0} - Δ y * \sin t_{0}};

\tan t = \frac{R * \sin t_{0} + Δ y * \cos t_{0}}{(R * \cos t_{0} - Δ y * \sin t_{0}) / \cos Δ p};

Δ x = x - d x - \frac{W}{2};

Δ y = y - d y - \frac{L}{2};

R = \frac{W / 2}{t a n (α / 2)};

S6：如图5所示，根据三维坐标，按照公式：计算出目标高度h，推导过程如下：h₁＝S*tant₁；h＝H-h₁；由三条公式即可推到出高度h。

实施例2

如图6所示，除了对目标为刹车痕进行长度度量，且步骤S6刹车痕的长度公式为：

L = \sqrt{{(\frac{H}{\tan t_{1}})}^{2} + {(\frac{H}{\tan t_{2}})}^{2} - 2 * \frac{H}{\tan t_{1}} * \frac{H}{\tan t_{2}} * c o s | t_{2} - t_{1} |}

外，其它条件同实施例1，L为的长度；H为球机的高度；t₁为目标其中一端点的俯仰角度；t₂为目标另一端点的俯仰角度；

公式推到如下：

根据三角函数余弦定理得(P₁P₂)²＝(OP₁)²+(OP₂)²-2*OP₁*OP₂*cosa；

而

{OP}_{1} = \frac{H}{\tan t_{1}};

{OP}_{2} = \frac{H}{\tan t_{2}};

角度a＝|t₂-t₁|；

根据以上四式即可推导出长度的计算公式。

Claims

1.一种球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S3：根据三维坐标，测量目标的长度或高度。

2.根据权利要求1所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，步骤S0中，视场角度的计算步骤如下：

S04：创建数学模型等腰三角形，按如下公式计算视场角度：

h = \frac{d * d_{2}}{d_{1} - d_{2}};

θ = a r c t a n \frac{d_{1} - d_{2}}{2 * d};

α＝2*θ；

S05：按上述步骤计算各个倍率下对应的视场角度。

3.根据权利要求1所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，步骤S0中，光轴偏差值计算步骤如下：

4.根据权利要求1所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，步骤S2中，转换公式为：

t a n Δ p = \frac{Δ x}{R * {cost}_{0} - Δ y * {sint}_{0}};

\tan t = \frac{R * {sint}_{0} + Δ y * {cost}_{0}}{(R * {cost}_{0} - Δ y * {sint}_{0}) / \cos Δ P};

Δ x = x - d x - \frac{W}{2};

Δ y = y - d y - \frac{L}{2};

R = \frac{W / 2}{t a n (α / 2)};

5.根据权利要求1所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，步骤S3中，目标的高度计算公式为：

h = H * (1 - \frac{\tan t_{1}}{\tan t_{2}});

6.根据权利要求1所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，步骤S3中，目标的长度计算公式为：

L = \sqrt{{(\frac{H}{\tan t_{1}})}^{2} + {(\frac{H}{\tan t_{2}})}^{2} - 2 * \frac{H}{\tan t_{1}} * \frac{H}{\tan t_{2}} * c o s | t_{2} - t_{1} |};

7.根据权利要求5或6所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，球机的高度计算步骤如下：通过已知高度的物体选取两个位置，分别计算两个位置物体的两端点三维坐标，分别求出物体在两个位置对应的球机高度H₁和H₂，取平均值即为球机的高度H。

8.根据权利要求7所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，将监控场地划分为多个区域，分别计算出每个区域对应的球机高度H和每个区域对应的点P的水平角度p和俯仰角度t，点P为两个已知高度物体与地面接触点之间的中心点，将每个区域的P(p，t)和对应的球机高度H作为校准表保存至球机端，当进行目标度量时，将与目标最接近的P(p，t)对应的高度H作为当前球机高度来计算。

9.根据权利要求8所述的球机视频画面中的目标度量方法，其特征在于，p和t的计算如下：

p＝p_x+β或p＝p_x-β，其中，p_x为其中一个已知高度物体与地面接点P_x的水平角度，β为O'P与O'P_x的交点，O'为球机在地面的投影点；

O'P为球机投影点与点P的距离。