CN109167902A - 一种具有角度检测功能的摄像机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有角度检测功能的摄像机，所述监控摄像机不依赖云台控制控制方式制约，而具有自身实时动态角度检测确定功能。所述摄像机主要包括传感器单元，数据处理单元、图像采集单元、图像处理单元、通信单元和外壳。所述摄像机采用三轴陀螺仪传感器采集所述摄像机的动态角度信息，具有检测速度较快，检测精度较高等特点，可实时监测摄像机实时角度，在动态目标跟踪监控和图像识别定位领域有着广泛的应用前景。

Description

一种具有角度检测功能的摄像机
技术领域
本发明涉及一种具有角度检测功能的摄像机，该摄像机涉及传感器数据采集及数据处理等领域。
背景技术
监控摄像机是安防监控系统的主要视频设备。随着数字图像处理技术和模式识别技术的发展，监控摄像机的应用范围进一步扩大。在煤矿井下监控摄像机也更多地应用于煤炭自动开采、人员及设备监控定位等领域。监控摄像机一般固定安装于云台上，受云台控制系统控制变换角度，从而实现对不同区域的图像采集。由于云台采用开环控制方式，监控中心可控制云台转动，然而无法获得监控摄像机的实时角度，即使采用特殊的具有闭环控制的云台，当摄像机被现场工作人员强制手动转动、或受其它外力作用改变角度时，监控中心同样无法获得监控摄像机准确的实时角度，由于无法准确获得监控摄像机的实时角度，监控中心就无法准确判定所采集图像的监控区域，因此无法通过图像模式识别技术对监控目标进行准确定位，严重制约着监控技术的发展与应用。所以急切需要一种不依赖云台控制系统，具有自身角度实时检测功能的监控摄像机。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有角度检测功能的摄像机，具有检测速度较快，检测精度较高等特点，并具有摄像机角度数据实时视频叠加和角度数据传输的功能，在动态目标跟踪监控和图像定位领域有着广泛的应用前景。摄像机包括传感器单元，数据处理单元、图像采集单元、图像处理单元、通信单元和外壳；所述传感器单元用于采集摄像机姿态变化时的方向数据，传感器单元至少包括一个三轴陀螺仪；所述数据处理单元负责对陀螺仪所采集到的数据进行处理，得到摄像机姿态变化时的实时角度数据；所述图像采集单元负责视频图像采集，包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件，所述感光芯片的感光平面与摄像机外壳的中心轴线垂直；所述图像处理单元负责视频数据数字化，将通过数据处理单元得到的角度数据以字符形式叠加到视频图像中，并将叠加后的视频图像编码压缩输出；通信单元负责将图像处理单元输出的编码压缩视频图像及数据处理单元输出的角度数据上传至接收设备。
1.所述的摄像机进一步包括：使用摄像机前，需要在摄像机处于静态的条件下进行定标，
定标内容包括：
a.确定摄像机体的三维坐标系(Xs,Ys,Zs)；确定方法包括，以三轴陀螺仪的三个转轴作为摄像机体的三维坐标系的坐标轴；
b.确定参考三维坐标系(X,Y,Z)，确定方法包括，设定Z轴垂直于地面向上，X轴垂直于所述摄像机安装墙面，Y轴平行于所述摄像机安装墙面；
c.根据摄像机体的三维坐标系，确定摄像机体在参考三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面上的初始偏移角度。
2.所述摄像机进一步包括：数据处理单元将传感器单元持续得到的三个轴上的角速度数据进行处理，并将处理得到角度与摄像机体初始偏移角度进行叠加，得到某个时刻所述摄像机体相对于参考三维坐标系平面的偏移角度数据；具体方法包括，设传感器单元获取三个轴向上的各瞬时角速度为aX、aY、aZ，摄像机体在XOY平面的偏移角度为A1+∫aZdt；摄像机体在XOZ平面的偏移角度为A2+∫aYdt；摄像机体在YOZ平面的偏移角度为A3+∫aXdt；式中A1、A2、A3为摄像机体在参考三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面上的初始偏移角度，t为摄像机移动的累积时间。
3.所述摄像机进一步包括：所述三轴陀螺仪的其中两个转轴与所述感光芯片的两个边平行；以三轴陀螺仪的三个转轴作为摄像机体的自身三维坐标系的坐标轴。
4.所述摄像机进一步包括：所述摄像机安装使用时需调整角度，使根据三轴陀螺仪的三个转轴确定的摄像机体三维坐标系与根据安装环境确定的参考三维坐标系各坐标轴方向一致，使三个平面上的初始偏移角度为0度。
5.所述摄像机进一步包括：所述摄像机包括模拟视频输出端口。
附图说明
图1具有角度检测功能的摄像机功能结构示意图。
图2具有角度检测功能的摄像机的三维坐标系示意图。
图3具有角度检测功能的摄像机体与参考三维坐标系夹角示意图。
图4三轴陀螺仪各轴向示意图。
图5具有角度检测功能的摄像机工作流程图。
具体实施方式
所述具有角度检测功能的摄像机如图1所示实施例中，包括：
1.传感器单元(101)，采用反应速度快、检测精度高的三轴陀螺仪传感器，可采用InvenSense公司生产的MPU3050三轴陀螺仪芯片。该芯片特性为运动感测范围广，由250到2000°/sec，敏感度较高，出厂前校准至1％的敏感度，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行通信方式传输给数据处理单元(102)，使用前需测量三轴陀螺仪传感器轴向偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。
2.数据处理单元(102)，用于处理由传感器单元(101)得到的角度变化信号，通过叠加得到某时刻相对于三个轴向的方向夹角。数据处理器选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32k Flash，1kRAM；并有5种低功耗模式。三轴陀螺仪传感器的SCL和SDA管脚可加上拉电阻连接MSP430F147处理器的两个标准I/O接口，通过处理器控制产生时钟信号和实现I2C串行数据通信。处理器也可由FPGA实现。
3.图像处理单元(103)，用于处理图像采集单元(104)采集到的图像信息，采用DSP处理器及OSD芯片，DSP处理器用于将数据进行压缩及处理，OSD芯片用于将数据处理器得到的角度数据叠加到图像中。
4.图像采集单元(104)，包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件。
5.通信单元(105)可采用有线通信模块或无线通信模块，用于有线网络及无线网络通信，将图像采集单元(104)输出的压缩视频数据和数据处理单元(102)输出的角度。
6.辅助电路(106)，除以上提到的各单元设备外，装置还包括电源电路等辅助电路和相关元件，为各单元设备元件提供支持。
7.外壳(107)，如在煤矿井下使用，需使用符合井下防爆标准的防爆外壳。
所述具有角度检测功能的摄像机的具体实施方式中，坐标系及偏移角定义参考图2，图3及图4：
1.参考图2，(201)为参考三维坐标系，(202)为摄像机体的三维坐标系，本示例中参考三维坐标系Z轴垂直于地面向上，X轴平行于所述摄像机安装墙面，Y轴垂直于所述摄像机安装墙面向外。两坐标系原点可不重合。
2.参考图3，(301)为摄像机体在XOY平面的初始偏移角度，(302)为摄像机体在XOZ平面的初始偏移角度，(303)为摄像机体在YOZ平面的初始偏移角度。具体安装实施时，应尽量使摄像机体三维坐标系与参考三维坐标系的各坐标轴方向一致，使三个平面上的初始偏移角度为0度。
3.参考图4，(401)为三轴陀螺仪芯片，转轴分别为Xt、Yt、Zt，具体实施时，摄像机体三维坐标系应参考三轴陀螺仪转轴进行确定。
所述具有角度检测功能的摄像机具体实施步骤如图5所示：
1.(501)判断是否已经定标，如未定标，则执行(502)；如定标已完成，则直接执行(503)。
2.(502)执行定标过程，获得摄像机体在参考三维坐标系各坐标轴组成平面上的初始偏移角度A1、A2、A3。
3.(503)数据处理单元采集传感器单元持续获取的三个轴向上的瞬时角速度αX,αY，αZ。
4.(504)数据处理单元判定瞬时角速度是否小于设定阈值，如果小于则执行(505)计算新的偏移角度，否则直接执行(507)。
5.(505)数据处理单元对更新初始偏移角度A1、A2、A3以来的所有αX,αY，αZ数据进行叠加处理，摄像机体在XOY平面的偏移角度为A1+∫aZdt；摄像机体在XOZ平面的偏移角度为A2+∫aYdt；摄像机体在YOZ平面的偏移角度为A3+∫aXdt；式中，为更新初始偏移角度以来的累积时间。
6.(506)将(505)计算得到的偏移角度作为新的初始偏移角度A1、A2、A3。
7.(507)图像处理单元处理该时刻图像采集单元采集到的视频图像信息，并将初始偏移角度以文本形式添加到视频图像中并进行压缩编码。
8.(508)通信单元将经过压缩编码后的视频图像数据和带有时间信息的初始偏移角度数据传输给接收设备。

Claims (6)

1.一种具有角度检测功能的摄像机，其特征在于：摄像机包括传感器单元，数据处理单元、图像采集单元、图像处理单元、通信单元和外壳；所述传感器单元用于采集摄像机姿态变化时的方向数据，传感器单元至少包括一个三轴陀螺仪；所述数据处理单元负责对陀螺仪所采集到的数据进行处理，得到摄像机姿态变化时的实时角度数据；所述图像采集单元负责视频图像采集，包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件，所述感光芯片的感光平面与摄像机外壳的中心轴线垂直；所述图像处理单元负责视频数据数字化，将通过数据处理单元得到的角度数据以字符形式叠加到视频图像中，并将叠加后的视频图像编码压缩输出；通信单元负责将图像处理单元输出的编码压缩视频图像及数据处理单元输出的角度数据上传至接收设备。
2.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：使用摄像机前，需要在摄像机处于静态的条件下进行定标，定标内容包括：
a.确定摄像机体的三维坐标系(Xs,Ys,Zs)；确定方法包括，以三轴陀螺仪的三个转轴作为摄像机体的三维坐标系的坐标轴；
b.确定参考三维坐标系(X,Y,Z)；确定方法包括，设定Z轴垂直于地面向上，X轴垂直于所述摄像机安装墙面，Y轴平行于所述摄像机安装墙面；
c.根据摄像机体的三维坐标系，确定摄像机体在参考三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面上的初始偏移角度。
3.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：数据处理单元将传感器单元持续得到的三个轴上的角速度数据进行处理，并将处理得到角度与摄像机体初始偏移角度进行叠加，得到某个时刻所述摄像机体相对于参考三维坐标系平面的偏移角度数据；具体方法包括，设传感器单元获取三个轴向上的各瞬时角速度为aX、aY、aZ，摄像机体在XOY平面的偏移角度为A1+∫aZdt；摄像机体在XOZ平面的偏移角度为A2+∫aYdt；摄像机体在YOZ平面的偏移角度为A3+∫aXdt；式中A1、A2、A3为摄像机体在参考三维坐标系XOY、XOZ、YOZ平面上的初始偏移角度，t为摄像机移动的累积时间。
4.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述三轴陀螺仪的其中两个转轴与所述感光芯片的两个边平行；以三轴陀螺仪的三个转轴作为摄像机体的自身三维坐标系的坐标轴。
5.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述摄像机安装使用时需调整角度，使根据三轴陀螺仪的三个转轴确定的摄像机体三维坐标系与根据安装环境确定的参考三维坐标系各坐标轴方向一致，使三个平面上的初始偏移角度为0度。
6.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述摄像机包括模拟视频输出端口。
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