CN109977828A - 一种摄像头云台自动俯仰调节的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像头云台自动俯仰调节的方法与装置，根据采集的人脸图像中双眼的位置计算云台第一调节估计角度，之后根据对第一调节估计角度和控制系统计算第二调节估计角度，之后对第二调节估计角度进行平滑处理，控制摄像头的云台调节俯仰角度，从而实现摄像头自动对准不同身高用户的双眼，无需用户弯腰或垫脚配合即可获取到包含双眼信息的面部图像，有利于虹膜识别系统识别通过率提高及用户体验的提升。

Description

一种摄像头云台自动俯仰调节的方法与装置

技术领域

本发明涉及虹膜识别方法领域，具体的涉及一种摄像头云台自动俯仰调节的方法与装置。

背景技术

传统虹膜识别设备只设置一颗红外摄像头，在安装后其位置、角度保持固定，红外摄像头只能扫描到一定范围之内的物体，扫描范围受限，当用户站在设备前方最佳采集距离处时，身高过高或过矮都可能造成设备无法扫描到用户双眼，不利于虹膜识别顺利进行。

为解决上述问题，本发明提出根据人脸摄像头采集图像自适应调节摄像头云台俯仰角度的方法，通过舵机控制云台俯仰转动，实现获取不同身高用户的虹膜图像的效果。

发明内容

本发明提供一种摄像头云台自动俯仰调节的方法与装置，实现虹膜摄像头动态追踪人眼的技术效果。

本发明的技术方案：一种摄像头云台自动俯仰调节的方法，

S1)根据人脸摄像头采集的人脸图像和预设参考点位置，计算人脸摄像头的第一调节估计角度，第一调节估计角度为摄像头为采集人脸图像应转动角度的粗略估计；

S2)由第一调节估计角度和控制系统计算云台的第二调节估计角度，第二调节估计角度为摄像头为采集人脸图像应转动角度的准确估计；

S3)对云台旋转角度进行平滑处理，计算云台实际旋转角度值；

S4)以当前云台角度为基准，按照实际旋转角度调节云台俯仰角度，之后返回到步骤1。

优选的，步骤1中计算摄像头的第一调节估计角度的方法为：

1)计算用户双眼中心位置与人脸摄像头光轴之间的垂直高度H2，公式为：

其中，H1为人脸图像中双眼中心与预设参考点之间垂直距离的像素值，D1为人脸图像中双眼瞳距的像素值，D2为用户双眼瞳距；

2)由H2计算出人脸摄像头从当前位置旋转到能够对准用户双眼中心的位置所需要转动的角度α，公式为：

α＝tan^-1(H2/L)

L为用户双眼与人脸摄像头之间的水平距离，由人脸图像中的双眼瞳距D1和距离查找表得出。

优选的，步骤2中计算第二调节估计角度的方法为：

θ＝kα

其中k＞0，代表控制系数，初始值设置为1，以一定的步长自适应增减调节。

优选的，所述控制系数自适应增减调节方法为，当本次人脸摄像头需要旋转的角度的绝对值大于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数k增大；当本次人脸摄像头需要旋转的角度的绝对值小于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数k减小；否则控制系数不变。

优选的，步骤3中的云台旋转角度平滑处理方法为，采用PID控制算法根据当前云台旋转角度与上一次云台实际旋转角度计算云台实际旋转角度值，对跃变的旋转角度数据进行平滑控制。

优选的，根据所需的最近采集距离、最远采集距离以及覆盖的高度范围，计算云台俯仰调节的限值。

一种摄像头云台自动俯仰调节的装置，包括第一获取单元，用于采集虹膜图像并传输到主板，固定在云台中部，为红外摄像头；

第二获取单元，用于采集人脸图像并传输到主板，与第一获取单元紧密排列，间距不超过5cm，为可见光摄像头；

照明单元，用于在第一获取单元采集图像时开启照明，为两组红外灯板，以第一获取单元为中心对称设置在云台左、右两端；

角度调节单元，用于接收主板发出的角度调节指令，控制云台进行俯仰旋转，固定在云台上，与照明单元之间的距离不小于0.1cm。

优选的，第一获取单元和第二获取单元的光轴平行，第二获取单元的视场角涵盖第一获取单元的视场角。

本发明的有益效果：本发明实现了扩展设备可感知范围的技术效果，与传统的固定角度的虹膜识别设备相比，有效的扩展了设备可采集虹膜图像的范围，通过自适应调节云台俯仰角度，为不同身高用户带来极大的便利。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1所示为本发明的摄像头云台自动俯仰调节的方法流程图；

图2a～图2b所示为本发明的用户双眼与人脸摄像头之间的位置角度示意图；

图3a～3d所示为本发明计算调节估计角度的云台与人脸摄像头状态图；

图4所示为本发明的云台俯仰角度限值计算方法；

图5所示为本发明的摄像头云台自动俯仰调节的装置结构示意图；

图6所示为本发明的适应最大身高到最小身高变化的云台角度调节范围。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

一.摄像头云台自动俯仰调节的方法

图1所示为本发明的摄像头云台自动俯仰调节的方法流程图，通过调节人脸摄像头对准参考点位置，使得虹膜摄像头对准用户双眼中心，保证人眼在虹膜摄像头视场范围内成像，具体步骤为：

S1)根据人脸摄像头采集的人脸图像和预设参考点位置，计算人脸摄像头的第一调节估计角度。

如图2所示，首先计算用户双眼中心位置与人脸摄像头光轴之间的垂直高度H2，公式为：

其中，D2为用户双眼瞳距，取值6cm-8cm，D1为人脸摄像头采集图像中的双眼瞳距；

之后由H2计算出人脸摄像头从当前位置旋转到能够对准用户双眼中心的位置所需要转动的角度α，公式为：

α＝tan^-1(H2/L)

L为用户双眼与人脸摄像头之间的水平距离，由算法处理模块根据人脸摄像头采集图像中的双眼瞳距D1计算得出。

S2)由第一调节估计角度和控制系统计算云台的第二调节估计角度。

如图3a所示，O点为旋转中心，表示以云台为基准的旋转点，A0表示人脸摄像头的位置，虚弧线A表示人脸摄像头的旋转轨迹，是一段以O为圆心、人脸摄像头与云台之间的距离为半径的圆弧，云台、人脸摄像头初始位置对应方向为水平方向Z0，人脸摄像头从初始方向Z0到对准眼睛X1方向变化角度为α，而这一过程中云台与人脸摄像头以云台为原点、从初始方向Z0旋转到对准眼睛Y1方向的变化角度为θ，两个旋转角度存在以下的对应关系：

θ＝kα

其中k＞0，代表控制系数，初始值设置为1，以一定的步长自适应的增减调整，其调整方法为：当计算出本次人脸摄像头需要旋转的角度的绝对值大于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数增大；当计算出本次人脸摄像头需要旋转的角度的绝对值小于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数减小；否则控制系数不变；

举例说明步骤2的执行方法(假设这一过程中用户与人脸摄像头保持静止)：

在计算第一调节估计角度过程中，以图3a所示的人眼与摄像头之间的位置关系为初始状态，计算人脸摄像头从当前位置旋转到能够对准用户双眼中心的位置所需要转动的角度，记为α1，α1＜0，在k＝1时，θ1＝α1，云台向上旋转θ1，得到图3b所示状态，人脸摄像头从位置A0移到位置A1，云台和人脸摄像头对应方向从Z0向上旋转θ1到达Z1方向，朝向人眼位置上方；

在计算第二调节估计角度过程中，以图3c所示的人眼与摄像头之间的位置关系为初始状态，Z1’表示云台、人脸摄像头的对应方向，A1’表示人脸摄像头的位置，计算人脸摄像头从当前位置旋转到能够对准用户双眼中心的位置所需要转动的角度，记为α2，α2＞0，此时更新控制系数的方法为k以一定的步长减小，则θ2＜α2，云台向下旋转θ2，得到图3d所示状态，人脸摄像头从位置A1’移到位置A2，云台和人脸摄像头对应方向从Z1’向下旋转θ2到达Z2方向，朝向人眼位置。

S3)对云台的第二调节估计角度进行平滑处理，计算云台实际旋转角度值。

将第二调节估计角度输入PID算法，PID算法根据当前输入的旋转角度与存储的上一次的云台旋转角度，计算云台实际旋转角度值，对跃变的旋转角度数据进行平滑控制，使云台平滑旋转，PID参数根据舵机旋转步长、图像分辨率、摄像头视场角而定。

举例说明步骤3的执行过程：

以图3a所示的人眼与摄像头之间的位置关系为初始状态，经过步骤2处理后得到图3b所示状态，之后执行步骤3，对步骤2计算得出的θ1进行平滑处理得到旋转角度θ1'，|θ1'|＜|θ1|，人脸摄像头从位置A1移到位置A1’，云台和人脸摄像头对应方向从Z1向上旋转θ1'到达Z1’方向，防止跃变现象，处理后得到图3c所示状态；

步骤3计算得出的云台实际旋转角度值为相对角度，将实际旋转角度值与当前绝对角度叠加，记为更新的绝对角度，该值不超过云台的旋转角度限值。

S4)以当前云台角度为基准，通过舵机按照实际旋转角度调节云台俯仰角度，之后返回到步骤1。

二.摄像头云台自动俯仰调节的装置结构

图5所示为本发明摄像头云台自动俯仰调节的装置结构示意图。

第一获取单元，用于采集虹膜图像并传输到主板，固定在云台中部，为红外摄像头；

第二获取单元，用于采集人脸图像并传输到主板，与第一获取单元紧密排列，间距不超过5cm，为可见光摄像头；

照明单元，用于在第一获取单元采集图像时开启照明，为两组红外灯板，以第一获取单元为中心对称设置在云台左、右两端；

角度调节单元，用于接收主板发出的角度调节指令，控制云台进行俯仰旋转，固定在云台上，与照明单元之间的距离不小于0.1cm，避免舵机遮挡红外灯发射的光线，为360°旋转舵机。

上述各个单元与设备的前后面板之间留有一定空间，设备正面覆盖玻璃镜片，所述玻璃镜片在显示屏区域为触摸屏，在红外灯板前方为透射红外光的滤光片。云台俯仰旋转角度范围覆盖-20°～20°，以水平方向为0°基准。

本发明云台俯仰旋转角度限值的计算方法如图4，包括云台与摄像头，其他单元未显示，f1、f2表示最佳的最近、最远采集距离，h表示云台俯仰角度调节过程中垂直方向(向上或者向下)的调节距离，d表示当前垂直距离h处可采集图像的最近距离到最远距离之间的范围，α表示云台的俯仰角度，根据上述变量之间的关系，在采集距离为45cm-65cm范围内，为满足15-25cm的俯仰高度，和前后5-10cm的可采集范围，摄像头的旋转角度应处于俯仰15°-25°之间。

三.适应最大身高到最小身高变化的云台角度调节范围

如图6所示，最大最小身高H和设备的安装高度PH、舵机的俯仰旋转角度θ、以及工作距离L相关，算法会根据不同身高调整θ值，因此能覆盖到的高度为：

H＝PH+L*tan(θ)；

当θ为正的最大值时，H为最大值H_max；当θ为负的最小值时，H值为最小值H_min，且θ的最大最小值由设备的结构设计限定。

因此H∈[H_min,H_max]，可适应的身高在H在H_min和H_max之间，身高差范围为H_max-H_min。

例如设备θ∈[-20，20]，当设备安装高度为PH为160cm，工作距离在55cm-60cm处时，H_min可达到140cm，H_max可达到180cm，可以覆盖身高落差40cm的范围，满足绝大部分身高的用户。

本发明虹膜识别设备的工作原理：

设备处于开启状态，初始化舵机，记录云台初始位置为绝对角度，人脸摄像头实时拍摄图像并传输到主板，当用户走入设备有效采集距离范围之内，算法处理模块检测到人脸摄像头拍摄的图像中的用户双眼位置，计算双眼位置与参考点之间的纵向距离差值，根据控制系数以及距离差值计算出云台需要旋转的角度，输入到PID模块，根据预设参数对云台需要旋转的角度进行平滑处理，并确保云台绝对旋转角度不超过云台旋转角度范围，通过控制舵机实现云台旋转，之后算法处理模块对人脸摄像头采集的下一帧图像进行人眼检测，循环执行前述过程，直到设备关闭。

本发明适用于获取不同身高用户的眼部图像，用户无需弯腰或者垫脚，只要与设备之间的距离处于有效采集范围之内，设备即可自动调节摄像头的俯仰角度，实现摄像头与用户双眼之间的对准，获取包含人眼信息的图像，进行虹膜识别。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (8)

1.一种摄像头云台自动俯仰调节的方法，其特征在于，

S1)根据人脸摄像头采集的人脸图像和预设参考点位置，计算人脸摄像头的第一调节估计角度，第一调节估计角度为摄像头为采集人脸图像应转动角度的粗略估计；

S2)由第一调节估计角度和控制系统计算云台的第二调节估计角度，第二调节估计角度为摄像头为采集人脸图像应转动角度的准确估计；

S3)对云台的第二调节估计角度进行平滑处理，计算云台实际旋转角度值；

S4)以当前云台角度为基准，按照实际旋转角度调节云台俯仰角度，之后返回到步骤1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中计算摄像头的第一调节估计角度的方法为：

1)计算用户双眼中心位置与人脸摄像头光轴之间的垂直高度H2，公式为：

其中，H1为人脸图像中双眼中心与预设参考点之间垂直距离的像素值，D1为人脸图像中双眼瞳距的像素值，D2为用户双眼瞳距；

2)由H2计算出人脸摄像头从当前位置旋转到能够对准用户双眼中心的位置所需要转动的角度α，公式为：

α＝tan^-1(H2/D)

D为用户双眼与人脸摄像头之间的水平距离，由人脸图像中的双眼瞳距D1和距离查找表得出。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中计算第二调节估计角度的方法为：

θ＝kα

其中k＞0，代表控制系数，初始值设置为1，以一定的步长自适应增减调节。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制系数自适应增减调节方法为，当本次人脸摄像头需要旋转角度的绝对值大于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数k增大；当本次人脸摄像头需要旋转的角度的绝对值小于上一次云台实际旋转角度的绝对值时，控制系数k减小；否则控制系数不变。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中的第二调节估计角度平滑处理方法为，采用PID控制算法根据当前云台需要旋转的角度与上一次云台实际旋转角度计算云台实际旋转角度值，对跃变的旋转角度数据进行平滑控制。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所需的最近采集距离、最远采集距离以及覆盖的高度范围，计算云台俯仰调节的限值。

7.一种摄像头云台自动俯仰调节的装置，其特征在于，包括：

第一获取单元，用于采集虹膜图像并传输到主板，固定在云台中部，为红外摄像头；

第二获取单元，用于采集人脸图像并传输到主板，与第一获取单元紧密排列，间距不超过5cm，为可见光摄像头；

照明单元，用于在第一获取单元采集图像时开启照明，为两组红外灯板，以第一获取单元为中心对称设置在云台左、右两端；

角度调节单元，用于接收主板发出的角度调节指令，控制云台进行俯仰旋转，固定在云台上，与照明单元之间的距离不小于0.1cm。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，第一获取单元和第二获取单元的光轴平行，第二获取单元的视场角涵盖第一获取单元的视场角。