CN111163263A - 一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法 - Google Patents

一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，该方法以相机为原点建立三维直角坐标系，在接入船舶动态数据的电子地图上，确定相机和参考点的经纬度以及高度并获取参考点在三维直角坐标系中的坐标值，并以各参考点的坐标值计算各参考点相对相机的PTZ值；该目标点经纬度投影到该三维直角坐标系后，确定该目标点在三维直角坐标系中的坐标值，并以此坐标值计算该坐标点相对相机的PTZ值；通过目标点相对相机的PTZ值与各参考点相对相机的PTZ值进行比较后，根据PTZ值的相近程度分配权重，PTZ值越接近的参考点的权重越高，在PTZ值权重较高的参考点附近再次建立新的参考点，获取新的权重较高的PTZ值；调整相机的PTZ值，指向该参考点，进而捕捉到目标点。

Description

一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法
技术领域
本发明属于船舶跟踪和预测技术领域，特别涉及一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法。
背景技术
目前，对于江河湖泊等海河航道内船舶的监管缺乏有效的技术手段，船舶抓拍、船名识别、流量统计、违章提示、安全告警、日夜监管、事中事后取证等在海河航运、监管等有关领域中的应用需求日益强烈，但至今没有一套有效的综合监管系统能够实现这些功能。
目前对于船舶的监管主要依靠船载AIS、VITS等，这类设备按一定的时间周期传输信号，监管部门对于船舶位置、船名等信息接收延时，无法实现实时监管且由于此类设备属于船载设备，监管部门被动接收信息、信息真实性也无法掌控。
另外，传统的相机和地理位置进行标定主要是通过枪机和球机联动，通过枪机标定固定视频图片中多个参考位置建立，完成监控区域和图片之间距离等比关系映射，在对球机进行控制跟踪；或球机建立预制位，在预置位上进行参考点标定完成球机监控区域的映射关系，然后控制跟踪后返回预置位，但是该种方式需要用到枪机，较为复杂。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种准确的定位船舶目标、并能够实现联动跟踪目标的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法。
本发明的另一个目的在于提供一种结构简单、对AIS的依赖较低、高效发现船舶目标和精准预测船舶位置的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
S1：建立以相机为原点的三维直角坐标系；
S2：在三维直角坐标系中预设一个以上的待跟踪目标可能经过的参考点；
S3：获取各参考点在三维直角坐标系的坐标值，并将各坐标值转换成为各参考点相对相机的PTZ值；
S4：获取目标点在三维直角坐标系的坐标值，并将目标点的坐标值转换成相对相机的PTZ值；
S5：将目标点相对相机的PTZ值分别与各参考点相对相机的PTZ值进行比较后，根据PTZ值的相近程度分配权重，PTZ值越接近的参考点的权重越高，获取权重最高的PTZ值；
S6：调整相机的PTZ值，指向该权重最高的PTZ值对应的参考点，进而捕捉到目标点；
S7：循环S2-S6，直到相机拍摄到该目标点。
由于船载AIS存在一定的传输信号时间周期，所以通过传播AIS获取到的移动的目标点的经纬度存在一定的失准情况，而在电子地图中选择的参考点的经纬度是不变的，通过该失准的目标点的经纬度与相机坐标原点的位置计算后得出的目标点相对相机的PTZ值与定位准确的参考点的PTZ值进行比较，获取到与目标点PTZ值较为接近的参考点的PTZ值，通过在较为接近的参考点附近重复设置参考点，重复比较，计算出最接近的参考点的PTZ值，通过将相机调整到该最接近的参考点的PTZ值，即可将相机的可视范围对照到该目标点上，实现目标点的发现和跟踪，当该船舶目标点移动时，利用以上步骤，即可实现与船舶目标点的的跟踪。系统根据目标更新的位置信息和方向角度推算目标点下一点运行位置，相机根据新获取的PTZ完成位置修正，多次位置修正完成目标联动跟踪。
进一步地，所述步骤S1中相机的经纬度由接入船舶动态数据的电子地图获得，并通过定位仪获得该相机的高度。利用接入船舶动态数据的电子地图获得的相机的经纬度较为准确，相机的位置固定。同时，通过该电子地图的利用，方便建立以相机为原点的三维直角坐标系，则电子地图上各点均能在该三维直角坐标系中确定一个准确的坐标值。
进一步地，所述步骤S2中待跟踪目标为船舶，则参考点均在同一海平面上，则参考点与相机的高度差为相机的所处高度。由此可知，各参考点和目标点在三维直角坐标系中拥有相同的Z轴坐标。
进一步地，所述步骤S3中，通过电子地图获得各参考点的经纬度，通过各参考点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定各参考点在三维直角坐标中的坐标值。通过电子地图上各参考点与相机所在点的经纬度的差值，等比例获得各参考点的在三维直角坐标系中的坐标值，各参考点的Z轴坐标与相机的坐标相差为相机的高度值，如果以相机相对地表平面为Z轴正向，则各参考点的Z轴坐标均为负值。
进一步地，所述步骤S4中，通过电子地图获得该目标点的经纬度，通过该目标点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定该目标点在三维直角坐标中的坐标值。通过电子地图上目标点与相机所在点的经纬度的差值，等比例获得目标点在三维直角坐标系中的坐标值，目标点的Z轴坐标与相机的坐标相差为相机的高度值，如果以相机相对地表平面为Z轴正向，则目标点的Z轴坐标为负值。
进一步地，在以相机为原点的三维直角坐标系中，目标点或者各参考点的所述坐标值转换成相对相机的PTZ值的具体方式如下：
S61：P值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成新的二维直角坐标系，且投影后的相机为该二维直角坐标的坐标原点，所述P值即为目标点或者参考点，与该坐标原点连线后与二维直角坐标系的横坐标的夹角；通过目标点和坐标原点的坐标值，利用三角函数和反三角函数，计算目标点与该坐标原点连线后与二维直角坐标系的横坐标的夹角。
S62：T值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机、投影点和目标点这三点为一平面，且该平面中以投影点为原点建立二维直角坐标系，则T值为：目标点或者参考点，与相机连线后的连接线与该二维直角坐标系的纵坐标的夹角；通过相机、投影点和目标点三点的坐标，利用三角函数和反三角函数计算目标点与相机连线后的连接线与该二维直角坐标系的纵坐标的夹角。
S63：Z值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机、投影点和目标点这三点为一平面，且该平面中以投影点为原点建立二维直角坐标系，Z值为：相机与目标点，或者相机与参考点之间的距离的倍数，相机与目标点之间的距离则以二维直角坐标系中相机坐标与目标点坐标值计算可得，相机与参考点之间的距离则以二维直角坐标系中相机坐标与参考点坐标值计算可得，具体变焦倍数则以各相机的参数为标准。通过相机和目标点的坐标，计算相机和目标点两点之间的距离，由两点之间距离公式获得。
进一步地，所述步骤S5中，取与目标点的PTZ值最近的两个参考点的PTZ值，以该两个参考点的P、T、Z分别加权平均后作为该目标点的PTZ值。
进一步地，所述PTZ中P代表相机水平旋转圆周角度值、T代表相机垂直俯仰角度值、Z代表相机的变焦半径值。其中P的水平旋转圆周角度值关系目标所在相机方位，T的垂直俯仰角度值关系相机上下移动角度，Z代表目标离相机远近对应的变焦倍数，其中距离越远变焦越大。
进一步地，所述步骤S1中，所述三维直角坐标系中以相机所在经度方向为X轴方向，所述三维直角坐标系中以相机所在纬度方向为Y轴方向，所述三维直角坐标系中以相机垂直地面方向为Z轴方向。
综上所述，由于船载AIS存在一定的传输信号时间周期，所以通过传播AIS获取到的移动的目标点的经纬度存在一定的失准情况，而在电子地图中选择的参考点的经纬度是不变的，通过该失准的目标点的经纬度与相机坐标原点的位置计算后得出的目标点相对相机的PTZ值与定位准确的参考点的PTZ值进行比较，获取到与目标点PTZ值较为接近的参考点的PTZ值，通过在较为接近的参考点附近重复设置参考点，重复比较，计算出最接近的参考点的PTZ值，通过将相机调整到该最接近的参考点的PTZ值，即可将相机的可视范围对照到该目标点上，实现目标点的发现和跟踪，当该船舶目标点移动时，利用以上步骤，即可实现与船舶目标点的的跟踪。系统根据目标更新的位置信息和方向角度推算目标点下一点运行位置，相机根据新获取的PTZ完成位置修正，多次位置修正完成目标联动跟踪。另外，该过程中不需要枪机标定固定视频图片中多个参考位置，不需要进行监控区域和图片之间距离的等比关系映射，进而控制球机进行跟踪，仅需要通过电子地图建立坐标，获得PTZ值，然后直接控制球机转动到对应的预置位(即参考点)即可实现目标的发现和跟踪。
附图说明
图1是本发明的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法的相机水平面参考点示意图。
图2是本发明的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法的相机垂直面参考点示意图。
图3是本发明的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法的相机发现目标和跟踪目标的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
参照图1-3，本发明一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
S1：建立以相机为原点(0,0,0)的三维直角坐标系；
S2：在三维直角坐标系中预设一个以上的待跟踪目标可能经过的参考点；
S3：获取各参考点在三维直角坐标系的坐标值，并将各坐标值转换成为各参考点相对相机的PTZ值；
S4：获取目标点在三维直角坐标系的坐标值，并将目标点的坐标值转换成相对相机的PTZ值；
S5：将目标点相对相机的PTZ值分别与各参考点相对相机的PTZ值进行比较后，根据PTZ值的相近程度分配权重，PTZ值越接近的参考点的权重越高，获取权重最高的PTZ值；
S6：调整相机的PTZ值，指向该权重最高的PTZ值对应的参考点，进而捕捉到目标点；
S7：循环S2-S6，直到相机拍摄到该目标点。
由于船载AIS存在一定的传输信号时间周期，所以通过传播AIS获取到的移动的目标点的经纬度存在一定的失准情况，而在电子地图中选择的参考点的经纬度是不变的，通过该失准的目标点的经纬度与相机坐标原点的位置计算后得出的目标点相对相机的PTZ值与定位准确的参考点的PTZ值进行比较，获取到与目标点PTZ值较为接近的参考点的PTZ值，通过在较为接近的参考点附近重复设置参考点，重复比较，计算出最接近的参考点的PTZ值，通过将相机调整到该最接近的参考点的PTZ值，即可将相机的可视范围对照到该目标点上，实现目标点的发现和跟踪，当该船舶目标点移动时，利用以上步骤，即可实现与船舶目标点的的跟踪。系统根据目标更新的位置信息和方向角度推算目标点下一点运行位置，相机根据新获取的PTZ完成位置修正，多次位置修正完成目标联动跟踪。另外，该过程中不需要枪机标定固定视频图片中多个参考位置，不需要进行监控区域和图片之间距离的等比关系映射，进而控制球机进行跟踪，仅需要通过电子地图建立坐标，获得PTZ值，然后直接控制球机转动到对应的预置位(即参考点)即可实现目标的发现和跟踪。
在本实施例中，步骤S1中相机的经纬度由接入船舶动态数据的电子地图获得，并通过定位仪获得该相机的高度。利用接入船舶动态数据的电子地图获得的相机的经纬度较为准确，相机的位置固定。同时，通过该电子地图的利用，方便建立以相机为原点的三维直角坐标系，则电子地图上各点均能在该三维直角坐标系中确定一个准确的坐标值。
在本实施例中，步骤S2中待跟踪目标为船舶，则参考点均在同一海平面上，则参考点与相机的高度差为相机的所处高度。由此可知，各参考点和目标点在三维直角坐标系中拥有相同的Z轴坐标。
在本实施例中，步骤S3中，通过电子地图获得各参考点的经纬度，通过各参考点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定各参考点在三维直角坐标中的坐标值。通过电子地图上各参考点与相机所在点的经纬度的差值，等比例获得各参考点的在三维直角坐标系中的坐标值，各参考点的Z轴坐标与相机的坐标相差为相机的高度值，如果以相机相对地表平面为Z轴正向，则各参考点的Z轴坐标均为负值。其中参考点在相机可视范围的地理位置上，则5个参考点的坐标依次为(x1,y1,-h)，(x2,y2,-h)，(x3,y3,-h)，(x4,y4,-h)，(x5,y5,-h)；
在本实施例中，步骤S4中，通过电子地图获得该目标点的经纬度，通过该目标点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定该目标点在三维直角坐标中的坐标值。通过电子地图上目标点与相机所在点的经纬度的差值，等比例获得目标点在三维直角坐标系中的坐标值(x0,y0,-h)，目标点的Z轴坐标与相机的坐标相差为相机的高度值，如果以相机相对地表平面为Z轴正向，则目标点的Z轴坐标为负值。
在本实施例中，PTZ中P代表相机水平旋转圆周角度值、T代表相机垂直俯仰角度值、Z代表相机的变焦半径值。其中P的水平旋转圆周角度值关系目标所在相机方位，T的垂直俯仰角度值关系相机上下移动角度，Z代表目标离相机远近对应的变焦倍数，其中距离越远变焦越大。
在本实施例中，在以相机为原点的三维直角坐标系中，目标点或者各参考点的坐标值转换成相对相机的PTZ值的具体方式如下：其中以目标点(x0,y0,-h)为例；
S61：P值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成新的二维直角坐标系(X,Y)，且投影后的相机为该二维直角坐标的坐标原点，其中目标点的坐标为(x0,y0)，P值即为目标点与该坐标原点连线后与二维直角坐标系的横坐标X的夹角A；通过目标点和坐标原点的坐标值，利用三角函数和反三角函数，计算目标点与该坐标原点连线后与二维直角坐标系的横坐标的夹角。则P值为：tanA＝y0/x0；通过反三角函数即可得到夹角A的角度值，及P值。
参照图2，S62：T值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机坐标点(0,0,0)、投影点(0,0,-h)和目标点(x0,y0,-h)这三点为一平面，且该平面中以投影点(0,0,-h)为原点建立二维直角坐标系(X,Y)，则T值为：目标点与相机连线后的连接线与该二维直角坐标系的纵坐标的夹角；通过相机、投影点和目标点三点的坐标，利用三角函数和反三角函数计算目标点与相机连线后的连接线与该二维直角坐标系的纵坐标Y的夹角B；其中：三维直角坐标系中目标点与投影点(0,0,-h)的距离为
Figure BDA0002345952430000081
即此时二维坐标轴中目标点的坐标为
Figure BDA0002345952430000082
相机坐标点为(0,h)和原点坐标为(0,0)，则此时相机坐标点(0,h)和原点坐标(0,0)的距离为h，则该目标点的T值一般取正数且T值为：
Figure BDA0002345952430000083
通过反三角函数即可得到夹角B的角度值，及T值。
参照图2，S63：Z值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机、投影点和目标点这三点为一平面，且该平面中以投影点为原点建立二维直角坐标系，Z值为：相机与目标点之间的距离的倍数，相机与目标点之间的距离则以二维直角坐标系中相机坐标与目标点坐标值计算可得，具体变焦倍数则以各相机的参数为标准。通过相机和目标点的坐标，计算相机和目标点两点之间的距离，由两点之间距离公式获得。以相机坐标点(0,0,0)、目标点(x0,y0,-h)和投影点(0,0,-h)三个点构成平面，其中以(0,0,-h)为坐标原点形成一个二维坐标轴(X,Y)，如图2所示，则该目标点相对相机的Z值为：船舶的目标点与相机之间的直线距离C的倍数，其中：目标点与原点(0,0,-h)的距离为
Figure BDA0002345952430000091
即此时二维坐标轴中目标点的坐标为
Figure BDA0002345952430000092
相机坐标点为(0,h)和原点坐标为(0,0)，则此时相机坐标点(0,h)和原点坐标(0,h)的距离为h，则船舶的目标点与相机之间的直线距离C值为：C2＝x0 2+y0 2+h2；通过船舶的目标点与相机之间的直线距离C值与变焦倍数的转换即可得到船舶的目标点相对于相机的变焦半径。
参照图1，在本实施例中，通过计算目标点相对于参考点的P1值和计算参考点相对于相机的Pn值，通过P1值和Pn值的比较，即可得知该目标点是否和该参考点共同位于该相机的同一水平角度上。
参照图1，在本实施例中，通过计算目标点相对于参考点的T1值和计算参考点相对于相机的Tn值，通过T1值和Tn值的比较，即可得知该目标点是否和该参考点共同位于该相机的同一俯仰角度上。如图1所示，该图为相机水平参考点图例，该图中各参考点与相机的水平距离Rn形成同心圆，位于圆环上的各点与坐标远点的T值相同，如图1中，参考点4相对相机的P值为：P＝P4,R值为：R＝R4，其中T值与R值在±90°范围内绝对值呈正弦函数增长。
在本实施例中，步骤S5中，当有两个参考点的PTZ值与目标点的PTZ值均相近时，则以两个参考点的P、T、Z分别加权平均后作为该目标点的PTZ值。其中，每个相机放大倍率有一个范围，对超过最大倍率计算出来的Z值按最大倍数截取，即获得真实目标点Z值数据。
在本实施例中，所述步骤S1中，所述三维直角坐标系中以相机所在经度方向为X轴方向，所述三维直角坐标系中以相机所在纬度方向为Y轴方向，所述三维直角坐标系中以相机垂直地面方向为Z轴方向。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
S1：建立以相机为原点的三维直角坐标系；
S2：在三维直角坐标系中预设一个以上的待跟踪目标可能经过的参考点；
S3：获取各参考点在三维直角坐标系的坐标值，并将各坐标值转换成为各参考点相对相机的PTZ值；
S4：获取目标点在三维直角坐标系的坐标值，并将目标点的坐标值转换成相对相机的PTZ值；
S5：将目标点相对相机的PTZ值分别与各参考点相对相机的PTZ值进行比较后，根据PTZ值的相近程度分配权重，PTZ值越接近的参考点的权重越高，获取权重最高的PTZ值；
S6：调整相机的PTZ值，指向该权重最高的PTZ值对应的参考点，进而捕捉到目标点；
步骤S7：循环S2-S6，直到相机拍摄到该目标点。
2.如权利要求1所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S1中相机的经纬度由接入船舶动态数据的电子地图获得，并通过定位仪获得该相机的高度。
3.如权利要求2所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S2中待跟踪目标为船舶，则参考点均在同一海平面上，则参考点与相机的高度差为相机的所处高度。
4.如权利要求3所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过电子地图获得各参考点的经纬度，通过各参考点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定各参考点在三维直角坐标中的坐标值。
5.如权利要求2所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过电子地图获得该目标点的经纬度，通过该目标点与相机经纬度的差值、以及以相机的坐标值为原点，确定该目标点在三维直角坐标中的坐标值。
6.如权利要求1所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，在以相机为原点的三维直角坐标系中，目标点或者各参考点的所述坐标值转换成相对相机的PTZ值的具体方式如下：
S61：P值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成新的二维直角坐标系，且投影后的相机为该二维直角坐标的坐标原点，所述P值即为目标点或者参考点，与该坐标原点连线后与二维直角坐标系的横坐标的夹角；
S62：T值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机、投影点和目标点这三点为一平面，且该平面中以投影点为原点建立二维直角坐标系，则T值为：目标点或者参考点，与相机连线后的连接线与该二维直角坐标系的纵坐标的夹角；
S63：Z值计算方法：将相机投影到参考点和目标点所在的平面上后形成投影点，相机、投影点和目标点这三点为一平面，且该平面中以投影点为原点建立二维直角坐标系，Z值为：相机与目标点，或者相机与参考点之间的距离的倍数，相机与目标点之间的距离则以二维直角坐标系中相机坐标与目标点坐标值计算可得，相机与参考点之间的距离则以二维直角坐标系中相机坐标与参考点坐标值计算可得，具体变焦倍数则以各相机的参数为标准。
7.如权利要求1所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S5中，取与目标点的PTZ值最近的两个参考点的PTZ值，以该两个参考点的P、T、Z分别加权平均后作为该目标点的PTZ值。
8.如权利要求1所述的一种采用位置投影方式实现相机目标联动跟踪的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述三维直角坐标系中以相机所在经度方向为X轴方向，所述三维直角坐标系中以相机所在纬度方向为Y轴方向，所述三维直角坐标系中以相机垂直地面方向为Z轴方向。
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