CN106709953A - 一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，步骤包括：将枪机和球机安装于同一竖直线上，并在枪机和球机之间的竖直线上设置一定的高度差；枪机和球机采集画面，选取枪机的画面中心点附近一标志物，作为枪机的参考点；移动球机，使得球机画面中心点对准枪机的参考点，计算球机的水平视场角度和垂直视场角度；根据枪机的参考点、球机画面中心点以及球机的水平视场角度、垂直视场角度，计算球机的位置坐标；根据实际情况调整球机的水平视场角度和垂直视场角度，降低球机的位置坐标的定位偏差，完成单点定标。本发明仅需设定一组点即可完成定标过程，解决了现有技术中存在的定标过程复杂，灵活性低，标定成功率无法保障等问题。

Description

一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法

技术领域

本发明涉及单点定标方法技术领域，尤其涉及一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法。

背景技术

随着科学技术的发展以及智慧城市建立的需要，在视频监控领域中，开始出现一种基于枪球联动的多目标自动跟踪监控系统(以下简称枪球联动系统)。该系统主要用于解决传统摄像头(以下简称枪机)由于分辨率限制造成对细节捕捉能力较差和PTZ摄像头(以下简称球机)细节捕捉能力较强但监控视角过小的问题，提出将两种摄像头联合起来的监控方式。传统摄像头用于对广域范围内的目标进行智能行为分析，并对多个监控目标按照既定策略进行排序，指挥控制球机对监控目标按顺序进行跟踪。

在枪球联动系统中，需要先建立对枪机画面和球机位置的逻辑映射关系，这是枪球联动系统中的一个关键技术。只要建立好枪机画面和球机位置的逻辑映射关系，即可控制球机到达枪机画面上的监控目标位置，进行焦距调整以获取清晰的图像等操作。目前市场上已有的枪球联动系统中，实现该逻辑映射关系的定标，主要分为以下两种：

第一种是对枪机画面使用网格进行等距划分为多个小区域，对小区域上的端点分别记下在枪机画面的像素点位置(X,Y)以及球机画面中心对准该像素点时的位置(PTZX，PTZY)，共计获得M*N组参考点。当目标出现在枪机画面中时，对应中心的位置(x1,y1),通过已划分的多个小区域，判断处于哪个区域内，并通过对该区域顶点对应的四个参考点，使用最小二乘法等进行拟合，大致求出此时球机的位置坐标(PTZX1,PTZY1)。

第二种是使用映射矩阵，在枪机画面上选取三个以上的参考点，每三个参考点不共线，找到对应的球机画面中心对准参考点的位置，获得如下N组参考点：

{(X1,Y1),(PTZX1,PTZY1)}；

{(X2,Y2),(PTZX2,PTZY2)}；

{(X3,Y3),(PTZX3,PTZY3)}；

...

{(Xn,Yn),(PTZXn,PTZYn)}；

再通过枪机画面与实际世界坐标的关系，球机位置与实际世界坐标的关系，通过联合两个关系，求解出枪机画面对应球机位置的逻辑关系矩阵。当要定位枪机画面上某一位置时，通过该逻辑关系矩阵，得到球机的位置。

以上两种定标方式，至少需要三个以上的参考点，同时定标过程繁琐，所以出现了自动定标的方式，试图摆脱人工定标操作以简便化。但由于矩阵的求解是一次性，若出现定标不准，导致部分区域实际定位差异较大，则需要重新求出逻辑关系矩阵。同时，新求出的逻辑关系矩阵对原来准确定位的区域会造成影响，且该影响不可控，严重情况会导致原区域定标出现更大偏差，需要重新定标，灵活性较低，是否正确定标成功，存在不稳定因素。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，用以解决现有技术中存在的定标过程复杂，灵活性低，定标成功率无法保障等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，包括如下步骤：

S1、将枪机和球机安装于同一竖直线上，并在枪机和球机之间的竖直线上设置一定的高度差；

S2、在枪机的采集画面中，选取枪机的画面中心点附近一标志物，作为枪机的参考点；

S3、移动球机，使得球机画面中心点对准枪机的参考点，读取此刻球机坐标并计算球机的水平视场角度和垂直视场角度；

S4、根据枪机的参考点、参考点对应的球机坐标球机画面中心点以及球机的水平视场角度、垂直视场角度，计算球机的位置坐标；

S5、根据实际情况调整球机的水平视场角度和垂直视场角度，降低球机的位置坐标的定位偏差，完成单点定标。

进一步地，所述步骤S3中，计算球机的水平视场角度和垂直视场角度为：

理论上，球机的水平视场角度和垂直视场角度，直接根据枪机的水平视场角度和垂直视场角度确定；

实际上，在不知道枪机的水平视场角度和垂直视场角度情况下，需要计算球机的水平视场角度和垂直视场角度：

首先，移动球机，使得球机画面中心点对准枪机画面左上角点，获得此时的球机位置(PTZX₁,PTZY₁)；再次移动球机，球机画面中心点对准枪机画面右下角点，获得此时的球机位置(PTZX₂,PTZY₂)，根据(PTZX₁,PTZY₁)、(PTZX₂,PTZY₂)计算得到球机的水平视场角度α、球机的垂直视场角度β：

进一步地，所述步骤S4，计算球机的位置坐标具体为：

此时，枪机的参考点为(x,y)，球机画面中心点为(PTZX₀,PTZY₀)，枪机画面的分辨率为D_x×D_y，假设球机的位置坐标(ptzx,ptzy)相对于枪机的参考点(x,y)在水平方向上的偏差值为temp，则有

ptzx＝temp+PTZX₀

由上述式子计算得到球机的位置坐标(ptzx,ptzy)，其中，α为球机的水平视场角度，β为球机的垂直视场角度。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：本发明仅需设定好一组点{(X0,Y0),(PTZX0,PTZY0)}，即可完成此定标过程，且操作简便，同时根据球机的实际定位情况，若部分区域定位偏差过大，可手动调整水平视场角度α和垂直视场角度β的大小，保证整个枪机画面像素点对应的球机位置坐标准确。相比现有定标方法，具备更高的灵活性。对定标过程中，可能存在的不稳定因素，具备可调整性。

附图说明

图1为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法的步骤流程图；

图2为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的枪机画面与球机位置关系示意图；

图3为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的枪机球机在实际场景中的示意图；

图4为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的球机运动过程在实际场景中的示意图；

图5为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的实例场景中的参考点设置示意图；

图6为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的实例场景中定位下方花坛角落的定位示意图；

图7为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的实例场景中定位下方花坛角落的矫正定位示意图；

图8为本发明一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法实施例的实例场景中定位上方路灯底座的定位示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

本发明提供一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，用以解决现有技术中存在的定标过程复杂，灵活性低，定标成功率无法保障等问题，下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明方法主要步骤包括：

S1、将枪机和球机安装于同一竖直线上，并在枪机和球机之间的竖直线上设置一定的高度差；

S2、在枪机的采集画面中，选取枪机的画面中心点附近一标志物，作为枪机的参考点；

S3、移动球机，使得球机画面中心点对准枪机的参考点，计算球机的水平视场角度和垂直视场角度；

S4、根据枪机的参考点、参考点对应的球机坐标以及球机的水平视场角度、垂直视场角度，计算球机的位置坐标；

S5、根据实际情况调整球机的水平视场角度和垂直视场角度，降低球机的位置坐标的定位偏差，完成单点定标。

由于枪机和球机安装方式对逻辑关系有不可避免的影响，针对枪机和球机的安装，本发明采用的是已有技术提出的一体化支架，即枪机球机安装在同一竖直线上，枪机球机之间仅有一定的高度差，如图3所示。

在枪机画面上选择靠近画面中心位置的标志性建筑物(例如垃圾箱的角落、花坛的边缘等)，作为参考点(X₀,Y₀)，同时通过云台控制球机，使其画面中心对准枪机画面中对应的参考点，此时球机位置为(PTZX₀,PTZY₀)。

假设所设参考点正好为枪机画面中心O,在枪机画面形变度较小或形变已经过矫正，枪机画面可以等同地视为一个理想平面。按照此类安装方式，当枪机球机整体安装在一定高度时，枪机中心O(X₀,Y₀)和球机中心O’(PTZX₀,PTZY₀)在竖直高度上可视为重合OO’⊥枪机平面AEBF,即线段见图2所示。

其中D_x、D_y分别对应枪机的分辨率的宽度和高度，对应在图2中为线段AB、EF的像素长度。水平视场角度α＝∠AO’B，垂直视场角度β＝∠EO’F。由图2可知，枪机画面的原点在左上角，坐标为(0,0),当监控目标从点A移动至点B时，在枪机画面上反映为线段AB，而实际球机跟踪时，移动的轨迹为弧AB，球机运动过程中具有一定长度的半径。这是由于球机运动过程中，是通过转动一定角度来实现移动。

所以，当监控目标从点O移动至点P(x,y)时，在枪机画面上，水平移动的像素距离为x-X₀，垂直移动的像素距离为y-Y₀。假设球机需要偏转的水平角度为ε，需要偏转的垂直角度为ψ，则有：

在△AO’O中，可得

即

同理可得

由于球机位置坐标以电机的步数为单位，同时球机位置坐标每移动100步等于球机画面中心偏转1°。点P对应的球机坐标(ptzx,ptzy)的值为：

ptzx＝temp+PTZX₀ 公式二

事实上，在实际应用中，球机具有一定的半径，当球机水平转动时，球机对应的位置点，在枪机成像平面XYNM上，在垂直方向上，会造成一定程度的偏移。且当运动目标往左或往右移动时，偏移方向都是一致的。

在定位过程中，由于参考点是枪机画面中心，对应记录了此时球机的位置坐标，在计算偏移量时，并不容易计算。由此，如图4所示，对弧MN进行平移，使其与线段XY相交。该平移过程，相当于将枪机画面的左侧和右侧点准确定标,即弧MN端点M与线段XY端点X重合，弧MN端点N与线段XY端点Y重合，此时线段OQ的像素长度为水平移动OY(或OX)像素长度时，在竖直方向上的偏移量。

在△O’QY中，O’Q＝O’Y，∠O’QY＝∠O’YQ,有

∠O’QY＝(180°-∠QO’Y)/2＝90°-1/2×∠QO’Y

在直角△QOY中，∠OQY＝90°-∠OYQ。

由于∠O’QY＝∠OQY，所以有∠OYQ＝1/2×∠QO’Y。

此时竖直方向偏移量，即线段OQ的像素长度OQ＝tan∠OYQ×OY。

在球机位置坐标系统，由于球机的原点处于绝对水平位置，公式三中得到的实际坐标应当减去OQ偏移量，可得

根据以上公式一、公式二和公式四，通过α、β可得到枪机画面上任意点P(x,y)，对应的球机坐标(ptzx,ptzy)。

对于水平视场角度和垂直视场角度，理论上为枪机镜头对应的视场大小。若在不知枪机镜头视场大小的情况下，球机的水平视场角度α和垂直视场角度β可通过一下方式计算：

首先，通过云台移动球机，使球机画面中心对准枪机画面左上角点，获得此时球机位置(PTZX₁,PTZY₁)；再次移动球机，是球机画面中心对准枪机画面右下角点，获得此时球机位置(PTZX₂,PTZY₂)。通过以上两个位置，可以求得

但由于实际安装时，枪机的倾斜角度和枪机球机安装存在高度差异，直接填入枪机镜头对应的水平视场角度和垂直视场角度，实际计算出的球机位置坐标有些许偏差。仅需调整水平视场角度和垂直视场角度，即可进行修正，保证球机定位准确。

综上所述，通过本发明提供一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，定标过程中仅需要一个参考点，同时配合水平视场角度和垂直视场角度参数的调整。代入以上推导得出的计算公式，即可得到准确的球机位置坐标。有效解决现有技术中存在的定标过程复杂，定标点数量过多，在特殊场景下，还有可能出现标志性参考点数量不足，无法准确定标的情况出现。同时若通过公式计算得出的球机位置坐标不够准确，通过对参数的调整，可以自由更改球机跟踪定位情况，灵活性高，解决定标成功率无法保障等问题。

本发明在上述推导过程中，考虑的是枪机和球机在位置关系上，所得到的关于定位球机的逻辑映射关系，在保证枪机画面不变形、变形不严重或已经过矫正算法处理，在设置一个参考点的情况下，可以保证球机定位准确。同时，水平视场角度和垂直视场角度两参数可以通过实际安装情况，对球机位置定位进行细调整。

如图5所示，场景设置的参考点在枪机上的坐标为(363,514)，此时球机的位置坐标为(31053,1450)，水平视场角度为44°，垂直视场角度为23°。枪机摄像头为8mm摄像头，枪机画面四周仅有轻微变形，枪机画面水平线与绝对水平线成一定微小角度，从左侧枪机画面柱子是否竖直可看出。此情况下进行定标，不同点定位偏差大小不同。在该场景下的定位效果如下：

当定位枪机画面上坐标(159,614)时，球机定位后位置坐标为(30440,1689)，与实际的球机位置一致；

当定位枪机画面上坐标(640,555)时，球机定位后位置坐标为(31881,1505)，实际的球机位置坐标为(31867,1519)，水平偏差步数为14，垂直偏差步数为14；

当定位枪机画面上坐标(321,709)时，球机定位后位置坐标为(30926,1972)，实际的球机位置坐标为(30918，1972)，水平偏差步数为8，垂直偏差步数为0；

当定位枪机画面上坐标(525,273)时，球机定位后位置坐标为(31539,783)，实际的球机位置坐标为(31524，796)，水平偏差步数为15，垂直偏差步数为13；

如图5所示，该示例场景中，设置的参考点为靠近中心处最明显的楼梯口；在定位图6所示的实际点时，发现球机实际定位画面中心，在水平和垂直方向上具备一定的偏差值。通过图7所示的调整参数后，实际定位效果更加精准。图8为修改参数后，参考点上方点的定位效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (3)

1.一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将枪机和球机安装于同一竖直线上，并在枪机和球机之间的竖直线上设置一定的高度差；

S2、在枪机的采集画面中，选取枪机的画面中心点附近一标志物，作为枪机的参考点；

S3、移动球机，使得球机画面中心点对准枪机的参考点，读取此刻球机坐标并计算球机的水平视场角度和垂直视场角度；

S4、根据枪机的参考点、参考点对应的球机坐标以及球机的水平视场角度、垂直视场角度，计算球机的位置坐标；

S5、根据实际情况调整球机的水平视场角度和垂直视场角度，降低球机的位置坐标的定位偏差，完成单点定标。

2.根据权利要求1所述的一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算球机的水平视场角度和垂直视场角度为：

理论上，球机的水平视场角度和垂直视场角度，直接根据枪机的水平视场角度和垂直视场角度确定；

实际上，在不知道枪机的水平视场角度和垂直视场角度情况下，需要计算球机的水平视场角度和垂直视场角度：

首先，移动球机，使得球机画面中心点对准枪机画面左上角点，获得此时的球机位置(PTZX₁,PTZY₁)；再次移动球机，球机画面中心点对准枪机画面右下角点，获得此时的球机位置(PTZX₂,PTZY₂)，根据(PTZX₁,PTZY₁)、(PTZX₂,PTZY₂)计算得到球机的水平视场角度α、球机的垂直视场角度β：

$\mathrm{\α}=\frac{PTZX2-PTZX1}{100}$

$\mathrm{\β}=\frac{PTZY2-PTZY1}{100}.$

3.根据权利要求1所述的一种用于多目标自动跟踪监控系统中的单点定标方法，其特征在于，所述步骤S4，计算球机的位置坐标具体为：

此时，枪机的参考点为(x,y)，球机画面中心点为(PTZX₀,PTZY₀)，枪机画面的分辨率为D_x×D_y，假设球机的位置坐标(ptzx,ptzy)相对于枪机的参考点(x,y)在水平方向上的偏差值为temp，则有

$temp=100\×\arctan \left(\frac{2\×(x-X_0)\×tan\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)}{D_y}\right)$

ptzx＝temp+PTZX₀

$ptzy=100\×\left(\arctan \left(\frac{2\×\left(y-Y_0\right)\×\tan \frac{\mathrm{\β}}{2}}{D_y}\right)-\arctan \left(\frac{2\×|x-X_0|\×\tan \left(\left|\frac{temp}{200}\right|\right)\×\tan \left(\frac{\mathrm{\β}}{2}\right)}{D_y}\right)\right)+{\mathrm{PTZY}}_0$

由上述式子计算得到球机的位置坐标(ptzx,ptzy)，其中，α为球机的水平视场角度，β为球机的垂直视场角度。