CN113012047A - 动态摄像头坐标映射建立方法、装置及可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态摄像头坐标映射建立方法、装置及可读存储介质，涉及摄像监控领域。该方案通过利用摄像头的转动角度可以快速得到转动后的坐标映射，仅需一次测定摄像头画面中心位置的经纬度，无需每次都通过经纬仪获取多组标定物的经纬度坐标和摄像头画面坐标，即可完成坐标映射关系的建立，极大的减少了工作量，通过该方法建立的坐标映射，能快速得到摄像头画面中任意待检测目标的经纬度坐标和摄像头画面坐标，能适用于普通交通工具例如船舶的监控过程。

Description

动态摄像头坐标映射建立方法、装置及可读存储介质

技术领域

本发明涉及摄像机监控领域，具体涉及一种动态摄像头坐标映射建立方法、装置及可读存储介质。

背景技术

一般情况下，摄像头在固定时其画面中的各目标点的坐标、经纬度对应关系不变，但是，当摄像头在转换角度后需要对画面进行重新定位，也即重新建立摄像头画面坐标与实际经纬度的映射关系。

现有技术中，公开号为CN111681190A的发明专利申请公开了一种全景视频高精度坐标映射方法，该发明在枪机视频上选取某一点，获取该点的像素点坐标，针对选取的点使用经纬度测试仪进行测绘，得到该点的经纬度坐标，将选取的点的像素点坐标和经纬度信息相关联，形成一一对应的关系。

在实际应用中，动态摄像头每转动一定角度都需重新建立新的坐标映射关系，每次都需要测绘出选取点的经纬度坐标从而达到像素点坐标和经纬度信息相关联，形成对应关系，测绘成本比较高，且方式不灵活。

因此，需要提出一种动态摄像头坐标映射建立方案以适应摄像头的动态过程。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种动态摄像头坐标映射建立方法，其能利用摄像头的转动角度可快速得到转动后的坐标映射，通过该方法建立的坐标映射关系能快速得到摄像头画面任意监控目标的经纬度坐标以及摄像头画面坐标；

本发明的第二目的在于提供一种摄像头坐标映射建立装置；

本发明的第三目的在于提供一种可读存储介质。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种动态摄像头坐标映射建立方法，包括以下步骤：

步骤S1：获取两个必要夹角，两个所述必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

每转动一次摄像头，执行一次步骤S2～S5；

步骤S2：摄像头转动后，通过摄像头的视场角得到上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，并获得它们对应的摄像头转角；

步骤S3：利用步骤S1中得到的夹角α₀、β₀以及步骤S2中得到的四个特殊标记点的摄像头转角，通过计算得到四个特殊标记点的经纬度坐标；

步骤S4：利用摄像头参数，计算S2中得到的四个特殊标记点的摄像头画面坐标；

步骤S5：利用S2中得到的四个特殊标记点的经纬度坐标和摄像头画面坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立坐标映射。

作为优选，所述步骤S1包括

步骤S1.1：测定O′的经纬度坐标；

步骤S1.2：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算参数d，d为摄像头所在的位置在水平面上的垂直投影位置A′和摄像头画面中心O′的直线水平距离；

步骤S1.3：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算A′和O′的经度水平距离s；

步骤S1.4：根据d、s、h，计算夹角α₀、夹角β₀，如下：

其中，h为摄像头距离水平面的高度。

作为优选，所述步骤S1.2为：

其中：r是地球半径，单位为m，a为中间变量，a的计算如下：

其中：(λ₁,ψ₁)为O′的经纬度坐标；(λ₀,ψ₀)为A′的经纬度坐标。

作为优选，所述步骤S1.3为：

b为中间变量，b的计算如下：

作为优选，所述步骤S2中，当摄像头转动后，假设水平方向的转动角度是Δα，垂直方向的转动角度为Δβ，那么转动后摄像头中心线在水平面上的投影和地理真北方向的夹角α为：α＝α₀+Δα，转动后摄像头中心线与垂直线的夹角β为：β＝β₀+Δβ。

摄像头视场角的上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点的摄像头画面坐标记为I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)，它们对应的地理位置为O_i＝(λ_i,ψ_i)(1≤i≤4)，λ_i为经度，ψ_i为纬度；同时它们对应的摄像头转角Θ_i＝(ω_i,γ_i)(1≤i≤4)，ω_i为水平转动角度，γ_i为垂直转动角度。其中Θ₁＝(α,β+θ/2)、Θ₂＝(α,β-θ/2)、Θ₃＝(α-φ/2,β)、Θ₄＝(α+φ/2,β)；φ为水平视场角度，θ为垂直视场角度。

作为优选，所述步骤S3为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的地理位置O_i(1≤i≤4)，计算A′和O_i的直线水平距离d_i如下：

d_i＝h·tgγ_i；

计算A′和O_i的经度水平距离s_i如下：

s_i＝d_i·sinω_i；

O_i的经纬度坐标(λ_i,ψ_i)通过以下公式求得：

其中，M、N、C1和C2均为中间变量，计算如下：

作为优选，所述步骤S4为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的摄像头画面坐标I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)计算如下：

x₁＝X/2,y₁＝0

x₂＝X/2,y₂＝Y

x₃＝0,y₃＝Y/2

x₄＝X,y₄＝Y/2

其中：X为图像的像素宽度，Y为像素高度，根据摄像头图像分辨率为X×Y，可得X和Y的参数值。

作为优选，所述步骤S5为：

从经纬度坐标和画面坐标组对集合{＜O_i，I_i＞|1≤i≤4}中，选择三对数据，构成经纬度坐标和摄像头画面坐标对集合Ω＝{＜λ_k,ψ_k,x_k,y_k＞|1≤k≤3}，其中：(λ_i,ψ_i)是经纬度坐标，(x_i,y_i)是画面坐标；

通过逆矩阵计算得到变换矩阵H：

基于H，针对画面中任意坐标(x,y)可通过如下变换获得其对应的观察目标的经纬度坐标(λ,ψ)如下：

基于同一发明构思，本发明还采取的技术方案如下：

一种动态摄像头坐标映射建立装置，包括：

夹角获取模块，用于获取两个必要夹角，两个所述必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

转动角度获取模块，用于在每次摄像头转动后获取摄像头画面上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，以及它们对应的摄像头转角；

计算模块，用于通过四个特殊标记点对应的摄像头转角，计算得到它们对应的地理位置的经纬度；

映射模块，用于通过四个特殊标记点的摄像头画面坐标以及他们的经纬度坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立摄像头坐标和经纬度坐标的映射。

坐标转换模块，用于基于变换矩阵H计算摄像头画面任意位置对应的经纬度坐标。

基于同一发明构思，本发明还采取的技术方案如下：

一种可读存储介质，其中，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的动态摄像头坐标映射建立方法的步骤。

相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：

本发明采用的动态摄像头坐标映射建立方法、装置及可读存储介质，通过利用摄像头的转动角度可以快速得到转动后的坐标映射，仅需一次测定摄像头画面中心位置的经纬度，无需每次都通过经纬仪获取多组标定物的经纬度坐标和摄像头画面坐标，即可完成坐标映射关系的建立，极大的减少了工作量，通过该方法建立的坐标映射，能快速得到摄像头画面中任意待检测目标的经纬度坐标和摄像头画面坐标，能适用于普通交通工具例如船舶的监控过程。

附图说明

图1是本发明实施例1中动态摄像头坐标映射建立方法整体流程图；

图2是本发明实施例1中经纬度坐标和监控摄像头画面坐标的映射关系计算过程示意图一；

图3是本发明实施例1中经纬度坐标和监控摄像头画面坐标的映射关系计算过程示意图二；

图4是本发明实施例1中监控摄像头视场角的示意图一；

图5是本发明实施例1中监控摄像头视场角的示意图二。

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，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

实施例1

参考图1～图5，本实施例公开了一种动态摄像头坐标映射建立方法，用于实现摄像头动态视角中摄像头画面中的监控目标的经纬度坐标与画面坐标的相互对应，该监控目标可以为普通的交通工具，例如船舶、汽车，还可以是人、动物或建筑物；

该动态摄像头坐标映射建立方法包括以下步骤：

步骤S1：获取两个必要夹角，两个必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

每转动一次摄像头，执行一次步骤S2～S5；

步骤S2：摄像头转动后，通过摄像头的视场角得到上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，并获得它们对应的摄像头转角；

步骤S3：利用步骤S1中得到的夹角α₀、β₀以及步骤S2中得到的四个特殊标记点的摄像头转角，通过计算得到四个特殊标记点的经纬度坐标；

步骤S4：利用摄像头参数，计算S2中得到的四个特殊标记点的摄像头画面坐标；

步骤S5：利用S2中得到的四个特殊标记点的经纬度坐标和摄像头画面坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立坐标映射。

更优地，参考图2～图3，步骤S1包括：

步骤S1.1：测定O′的经纬度坐标；

步骤S1.2：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算参数d，d为摄像头所在的位置在水平面上的垂直投影位置A′和摄像头画面中心O′的直线水平距离，单位为m；

步骤S1.3：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算A′和O′的经度水平距离s，单位为m；

步骤S1.4：根据d、s、h，计算夹角α₀、夹角β₀，如下：

其中，h为摄像头距离水平面的高度，单位为m。

更优地，步骤S1.2为：

其中：r是地球半径，单位为m，a为中间变量，a的计算如下：

其中：(λ₁,ψ₁)为O′的经纬度坐标；(λ₀,ψ₀)为A′的经纬度坐标。

更优地，步骤S1.3为：

b为中间变量，b的计算如下：

更优地，参考图4～图5，步骤S2中，当摄像头转动后，假设水平方向的转动角度是Δα，垂直方向的转动角度为Δβ，那么转动后摄像头中心线在水平面上的投影和地理真北方向的夹角α为：α＝α₀+Δα，转动后摄像头中心线与垂直线的夹角β为：β＝β₀+Δβ。

摄像头视场角的上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点的摄像头画面坐标记为I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)，它们对应的地理位置为O_i＝(λ_i,ψ_i)(1≤i≤4)，λ_i为经度，ψ_i为纬度；同时它们对应的摄像头转角Θ_i＝(ω_i,γ_i)(1≤i≤4)，ω_i为水平转动角度，γ_i为垂直转动角度。其中Θ₁＝(α,β+θ/2)、Θ₂＝(α,β-θ/2)、Θ₃＝(α-φ/2,β)、Θ₄＝(α+φ/2,β)；φ为水平视场角度，θ为垂直视场角度。

更优地，步骤S3为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的地理位置O_i(1≤i≤4)，计算A′和O_i的直线水平距离d_i如下：

d_i＝h·tgγ_i；

计算A′和O_i的经度水平距离s_i如下：

s_i＝d_i·sinω_i；

O_i的经纬度坐标(λ_i,ψ_i)通过以下公式求得：

其中，M、N、C1和C2均为中间变量，计算如下：

更优地，步骤S4为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的摄像头画面坐标I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)计算如下：

x₁＝X/2,y₁＝0

x₂＝X/2,y₂＝Y

x₃＝0,y₃＝Y/2

x₄＝X,y₄＝Y/2

其中：X为图像的像素宽度，Y为像素高度，根据摄像头图像分辨率为X×Y，可得X和Y的参数值。

更优地，步骤S5为：

从经纬度坐标和画面坐标组对集合{＜O_i，I_i＞|1≤i≤4}中，选择三对数据，构成经纬度坐标和摄像头画面坐标对集合Ω＝{＜λ_k,ψ_k,x_k,y_k＞|1≤k≤3}，其中：(λ_i,ψ_i)是经纬度坐标，(x_i,y_i)是画面坐标；

通过逆矩阵计算得到变换矩阵H：

基于H，针对画面中任意坐标(x,y)可通过如下变换获得其对应的观察目标的经纬度坐标(λ,ψ)如下：

实施例2

本实施例公开了一种动态摄像头坐标映射建立装置，用于实现实施例1的方法，包括：

夹角获取模块，用于获取两个必要夹角，两个必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

转动角度获取模块，用于在每次摄像头转动后获取摄像头画面上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，以及它们对应的摄像头转角；

计算模块，用于通过四个特殊标记点对应的摄像头转角，计算得到它们对应的地理位置的经纬度；

映射模块，用于通过四个特殊标记点的摄像头画面坐标以及他们的经纬度坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立摄像头坐标和经纬度坐标的映射。

坐标转换模块，用于基于变换矩阵H计算摄像头画面任意位置对应的经纬度坐标。

以上模块可基于现有的微处理器设计，例如计算模块可设置于一微处理器中，微处理器可采用而不限于工控机、单片机或PLC，夹角获取模块、转动角度获取模块、计算模块、映射模块以及坐标转换模块均可基于实施例1公开的动态摄像头坐标映射建立方法进行程序设计，并按照该方法的步骤依次执行。

另外，在夹角获取模块中，可设置为通过人工测定后向微处理器输入参数或者通过自动测量夹角的设备测量后自动向微处理器输出参数。

实施例3

本实施例公开一种可读存储介质，该可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例1的动态摄像头坐标映射建立方法的步骤。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：获取两个必要夹角，两个所述必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

每转动一次摄像头，执行一次步骤S2～S5；

步骤S2：摄像头转动后，通过摄像头的视场角得到上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，并获得它们对应的摄像头转角；

步骤S3：利用步骤S1中得到的夹角α₀、β₀以及步骤S2中得到的四个特殊标记点的摄像头转角，通过计算得到四个特殊标记点的经纬度坐标；

步骤S4：利用摄像头参数，计算S2中得到的四个特殊标记点的摄像头画面坐标；

步骤S5：利用S2中得到的四个特殊标记点的经纬度坐标和摄像头画面坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立坐标映射。

2.根据权利要求1所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S1包括

步骤S1.1：测定O′的经纬度坐标；

步骤S1.2：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算参数d，d为摄像头所在的位置在水平面上的垂直投影位置A′和摄像头画面中心O′的直线水平距离；

步骤S1.3：根据Haversine公式，利用A′和O′的经纬度坐标计算A′和O′的经度水平距离s；

步骤S1.4：根据d、s、h，计算夹角α₀、夹角β₀，如下：

其中，h为摄像头距离水平面的高度。

3.根据权利要求2所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S1.2为：

其中：r是地球半径，单位为m，a为中间变量，a的计算如下：

其中：(λ₁,ψ₁)为O′的经纬度坐标；(λ₀,ψ₀)为A′的经纬度坐标。

4.根据权利要求3所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S1.3为：

b为中间变量，b的计算如下：

5.根据权利要求2-4任一项所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S2中，当摄像头转动后，假设水平方向的转动角度是Δα，垂直方向的转动角度为Δβ，那么转动后摄像头中心线在水平面上的投影和地理真北方向的夹角α为：α＝α₀+Δα，转动后摄像头中心线与垂直线的夹角β为：β＝β₀+Δβ；

摄像头视场角的上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点的摄像头画面坐标记为I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)，它们对应的地理位置为O_i＝(λ_i,ψ_i)(1≤i≤4)，λ_i为经度，ψ_i为纬度；同时它们对应的摄像头转角Θ_i＝(ω_i,γ_i)(1≤i≤4)，ω_i为水平转动角度，γ_i为垂直转动角度；其中Θ₁＝(α,β+θ/2)、Θ₂＝(α,β-θ/2)、Θ₃＝(α-φ/2,β)、Θ₄＝(α+φ/2,β)；φ为水平视场角度，θ为垂直视场角度。

6.根据权利要求5所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S3为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的地理位置O_i(1≤i≤4)，计算A′和O_i的直线水平距离d_i如下：

d_i＝h·tgγ_i；

计算A′和O_i的经度水平距离s_i如下：

s_i＝d_i·sinω_i；

O_i的经纬度坐标(λ_i,ψ_i)通过以下公式求得：

其中，M、N、C1和C2均为中间变量，计算如下：

7.根据权利要求6所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S4为：

对于步骤S2所得的每个特殊标记点的摄像头画面坐标I_i＝(x_i,y_i)(1≤i≤4)计算如下：

x₁＝X/2,y₁＝0

x₂＝X/2,y₂＝Y

x₃＝0,y₃＝Y/2

x₄＝X,y₄＝Y/2

其中：X为图像的像素宽度，Y为像素高度，根据摄像头图像分辨率为X×Y，可得X和Y的参数值。

8.根据权利要求7所述的动态摄像头坐标映射建立方法，其特征在于，所述步骤S5为：

从经纬度坐标和画面坐标组对集合{＜O_i，I_i＞|1≤i≤4}中，选择三对数据，构成经纬度坐标和摄像头画面坐标对集合Ω＝{＜λ_k,ψ_k,x_k,y_k＞|1≤k≤3}，其中：(λ_i,ψ_i)是经纬度坐标，(x_i,y_i)是画面坐标；

通过逆矩阵计算得到变换矩阵H：

基于H，针对画面中任意坐标(x,y)可通过如下变换获得其对应的观察目标的经纬度坐标(λ,ψ)如下：

9.一种动态摄像头坐标映射建立装置，其特征在于，包括：

夹角获取模块，用于获取两个必要夹角，两个所述必要夹角分别为A′和O′的连线和地理真北方向的夹角α₀、A和O′的连线和垂直线的夹角β₀，其中，摄像头所在的位置A在水平面的垂直投影位置为A′，摄像头画面中心位置为O′；

转动角度获取模块，用于在每次摄像头转动后获取摄像头画面上边界的中心点、下边界的中心点、左边界的中心点和右边界的中心点四个特殊标记点，以及它们对应的摄像头转角；

计算模块，用于通过四个特殊标记点对应的摄像头转角，计算得到它们对应的地理位置的经纬度；

映射模块，用于通过四个特殊标记点的摄像头画面坐标以及他们的经纬度坐标，计算得到变换矩阵H，由变换矩阵H建立摄像头坐标和经纬度坐标的映射；

坐标转换模块，用于基于变换矩阵H计算摄像头画面任意位置对应的经纬度坐标。

10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的动态摄像头坐标映射建立方法的步骤。

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