CN114037758A - 基于图像的摄像机姿态感知系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于图像的摄像机姿态感知系统,用于实时检测摄像机姿态。系统包括姿态检测主机、监控终端、摄像机、云台、标志物、通信网络;所述摄像机、姿态检测主机和监控终端通过通信网络相互通信,姿态检测主机负责通过摄像机采集的视频图像中的标志物位置变化检测摄像机转动角度,感知双目摄像机姿态。本发明无需对摄像机进行硬件改造,无需增加传感器设备,直接通过数字图像处理技术对摄像机采集的图像进行处理,即可获得安装在转动云台上摄像机的姿态角度,具有结构简单、成本低、易维护、灵活性高等特点和优点,可广泛应用于,特别是矿井、隧道、室内建筑等密闭空间视频监控领域。

Description

基于图像的摄像机姿态感知系统
技术领域
本发明涉及基于图像的摄像机姿态感知系统,该系统涉及图像匹配,特征提取,图像检测和通信等领域。
背景技术
摄像机是获得视频图像的主要设备。随着数字图像处理技术和人工智能技术的发展,摄像机的种类越来越多,包括单目摄像机,双目摄像机,TOF摄像机,深度摄像机,红外摄像机等,应用范围逐渐扩大,主要用于实时监控,人脸识别,自动驾驶,图像测距定位等领域。监控摄像机主要有两种固定式和可转动式,监控摄像机固定于支架上,有固定的姿态角度,因此可用于基于图像的目标监测和定位,但监控范围较小,无法扩展。可转动的监控摄像机是将摄像机安装在转动云台上,由于云台采用开环控制方式,监控控制设备可控制云台转动,然而无法获得监控摄像机的实时角度,由于无法准确获得监控摄像机的实时角度,就无法准确定位采集画面位置,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,制约着监控技术的发展与应用。所以急切需要一种成本低,简单有效,不依赖云台控制系统和传感器,只需通过监控图像处理即可获得监控摄像机转动和监控角度的方法与系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像的摄像机姿态感知系统,可以实时检测摄像机姿态。系统包括姿态检测主机、监控终端、摄像机、云台、标志物、通信网络;所述摄像机、姿态检测主机和监控终端通过通信网络相互通信;所述摄像机固定安装在云台上;所述标志物为摄像机监控范围内的具有唯一性特征的固定物体;在所述摄像机的任何角度均可采集到至少一个标志物的完整图像;所述姿态检测主机负责通过摄像机采集的视频图像中的标志物位置变化检测摄像机转动角度,感知摄像机姿态;所述监控终端负责显示摄像机采集的视频图像和姿态检测主机检测的摄像机姿态数据;所述系统使用前需进行初始化,所述初始化过程为:
(1)对摄像机参数进行标定;
(2)参考摄像机监控区域内标志物分布情况设定多个摄像机角度;
(3)控制云台带动摄像机分别转动到设定的一个摄像机角度;
(4)姿态检测主机对摄像机采集的视频中的一帧图像进行特征提取,选择图像中部区域已被成功提取特征的固定标志物作为参照物Mi,确定参照物重心点,像素位置为(Xi,Yi);
(5)测量参照物与摄像机的距离di
(6)存储Mi的图像、di、(Xi,Yi),以及摄像机角度的数据;所述摄像机角度的数据包括水平角度αi和垂直角度βi
(7)判定是否遍历了所有设定角度,如果是,则结束初始化过程,否则重复执行步骤(3)及其以下步骤;
所述系统工作过程为:
(1)云台受控带动摄像机转动;
(2)摄像机同步连续采集视频图像;
(3)摄像机将采集的视频图像传输至监控终端和姿态检测主机;
(4)姿态检测主机通过对视频图像进行处理,感知摄像机姿态;
(5)监控终端同步显示摄像机采集的视频图像和姿态数据;
所述姿态检测主机感知摄像机姿态过程为:
(1)将视频图像与初始化时存储的所有参照物Ti图像进行比对,选择图像中被成功比对的参照物作为当前参照物m,并确定和记录当前参照物重心点像素位置(x,y);
(2)查询存储的当前参照物的像素位置(X1,Y1)和距离di
(3)通过(Xi,Yi)、(x,y)和di计算摄像机水平角度α和垂直角度β;
(4)通过通信网络向监控终端输出α和β。
1.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:摄像机参数进行标定过程包括:
(1)摄像机采集不同位置,不同角度,不同姿态的多张标定图片,标定图片是黑白相间的矩形棋盘图;
(2)对每一张标定图片提取角点信息,获取角点图像坐标;
(3)在姿态检测主机上使用相机校正函数进行标定,计算摄像机的内参和外参系数,包括摄像机焦距f;
(4)设定距离序列Di,摄像机在序列中的不同距离垂直拍摄长度为L的物体的图像
(5)处理上述步骤(4)拍摄的系列图像,得到所述物体在图像中的像素长度序列Pi
(6)以Di为变量,以Pi为输出值,进行函数拟合,得到函数p(d)。
2.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述姿态检测主机感知摄像机姿态的过程的步骤(3)中,摄像机水平角度α和垂直角度β计算公式为,
Figure BDA0003309537980000021
Figure BDA0003309537980000031
式中p(x)为对摄像机标定得到的函数,在本式中函数变量为图像中当前参照物与摄像机的距离di
3.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述姿态检测主机感知摄像机姿态的过程的步骤(1)中,如成功比对k个参照物,则后续步骤(3)中摄像机水平角度α和垂直角度β计算公式为,
Figure BDA0003309537980000032
式中p(x)为对摄像机标定得到的函数,在本式中函数变量为图像中各参照物与摄像机的距离di
4.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述参照物重心点像素位置的确定方法包括,
Figure BDA0003309537980000033
式中(x,y)为参照物重心点像素位置坐标,xmax和xmin分别为图像中参照物区域的最大和最小横坐标,ymax和ymin分别为图像中参照物区域的最大和最小纵坐标。
5.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述初始化过程中步骤(4)所述特征提取包括畸变校正,滤波和边缘检测的处理过程;所述特征包括图像中物体的特征图案,特征颜色,特征标识,特征纹理。
6.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述摄像机和云台包括自带云台的一体式摄像机。
7.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:所述标志物所述标志物包括人为设定的具有唯一性的标牌。
8.所述的摄像机姿态感知系统进一步包括:在系统工作过程中所述摄像机的焦距保持不变,如所述摄像机的焦距发生改变,系统需重新初始化。
本发明到达的有益效果:本发明无需对摄像机进行硬件改造,无需增加传感器设备,直接通过数字图像处理技术对摄像机采集的图像进行处理,即可获得安装在转动云台上摄像机的姿态角度,具有结构简单、成本低、易维护、灵活性高等特点和优点。
附图说明
图1基于图像的摄像机姿态感知系统组成实施方式示意图。
图2基于图像的摄像机姿态感知系统初始化流程示意图。
图3基于图像的摄像机姿态感知系统的摄相机参数标定流程示意图。
图4基于图像的摄像机姿态感知系统的工作流程示意图。
图5姿态检测主机感知摄像机姿态流程示意图。
图6基于图像的摄像机姿态感知系统初始化时摄像机姿态示例和采集的图像示意图。
图7基于图像的摄像机姿态感知系统工作时摄像机姿态示例和采集的图像示意图。
图8基于图像的摄像机姿态感知系统初始化和工作时摄像机采集的图像对比示意图。
图9摄像机转动角度计算原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明具体实施例和本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅为本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
图1为基于图像的摄像机姿态感知系统应用示例,系统包括:
1.摄像机(101)负责采集环境视频图像,具有通信功能,通过通信网络将采集图像上传至姿态检测主机和监控终端。摄像机使用前需先进行标定。在本示例中摄像机通过无线通信连接无线接入设备。在系统工作过程中所述摄像机的焦距保持不变,如所述摄像机的焦距发生改变,系统需重新初始化。
2.云台(102)负责带动摄像机(101)进行转动,,使摄像机能够采集更大的图像范围,转动方向包括水平方向和垂直方向,在本示例中云台通过无线通信连接无线接入设备,受监控终端控制进行转动。
3.无线接入设备(103),是通信网络中负责无线通信接入的设备,在本示例中主要负责摄像机和云台的无线接入。
4.交换机(104),是通信网络的核心交换设备,负责通信网络中所有设备的数据交换。
5.姿态检测主机(105),负责通过摄像机采集的视频图像检测摄像机转动角度,感知摄像机姿态,,获得左右摄像机标定参数。具体到本示例,姿态检测主机可采用标准服务器或专用嵌入式设备。
6.监控终端(106),负责显示摄像机采集的视频图像,控制云台转动,为系统使用人员提供人机管理界面和接口。
7.标志物(107)、(108)、(109)、(110)、(111),为摄像机监控范围内的具有唯一性特征的固定物体,在系统的所述摄像机监控范围内,在任何角度均可采集到至少一个完整的唯一性标志物图像,所述标志物所述标志物包括人为设定的具有唯一性的标牌。
所述基于图像的摄像机姿态感知系统使用前需进行初始化,所述初始化流程如图2所示,包括:
1.(201)对摄像机参数进行标定。
2.(202)参考摄像机监控区域内标志物分布情况设定多个摄像机角度。
3.(203)控制云台带动摄像机转动到设定的一个摄像机角度。
4.(204)姿态检测主机对摄像机采集的视频中的一帧图像进行特征提取,选择图像中部区域已被成功提取特征的固定标志物作为参照物Mi,确定参照物重心点,像素位置为(Xi,Yi)。
5.(205)测量参照物与摄像机的距离。
6.(206)存储Mi的图像、di、(Xi,Yi),以及摄像机角度的数据;所述摄像机角度的数据包括水平角度αi和垂直角度βi
7.(207)判定是否遍历了步骤(202)设定的所有角度,如未遍历所有角度,则返回执行步骤(203);如已遍历了所有角度,则结束并完成初始化过程。
所述摄像机使用前需进行标定,所述标定流程如图3所示,包括:
1.(301)摄像机采集不同位置,不同角度,不同姿态的多张标定图片,标定图片是黑白相间的矩形棋盘图。
2.(302)对每一张标定图片提取角点信息,获取角点图像坐标。
3.(303)在姿态检测主机上使用相机校正函数进行标定,计算摄像机的内参和外参系数,包括摄像机焦距f。
4.(304)设定距离序列Xi,摄像机在序列中的不同距离垂直拍摄长度为L的物体的图。
5.(305)处理上述步骤(4)拍摄的系列图像,得到所述物体在图像中的像素长度序列Pi
6.(306)以Xi为变量,以Pi为输出值,进行函数拟合,得到函数p(x)。
所述基于图像的摄像机姿态感知系统工作过程如图4所示,包括:
1.(401)云台受控带动摄像机转动。
2.(402)摄像机同步连续采集视频图像。
3.(403)摄像机将采集的视频图像传输至监控终端和姿态检测主机。
4.(404)姿态检测主机同步感知摄像机姿态。
5.(405)监控终端同步显示摄像机采集的视频图像和姿态数据,所述姿态数据包括摄像机动态水平角度α和垂直角度β。
所述姿态检测主机感知摄像机姿态的过程如图5所示,包括:
1.(501)对摄像机采集的视频最新一帧图像进行采集。
2.(502)将视频图像与初始化时存储的所有参照物Ti图像进行比对,选择图像中被成功比对的参照物作为当前参照物m,并确定和记录当前参照物重心点像素位置(x,y)。
3.(503)判定是否比对成功当前参照物,如果比对成功,继续执行(504),否则返回重新执行步骤(501)。
4.(504)查询存储的当前参照物的像素位置(Xi,Yi)和距离di
5.(505)计算摄像机水平角度α和垂直角度β,计算公式为,
Figure BDA0003309537980000061
如成功比对k个参照物,则后续步骤(3)中摄像机水平角度α和垂直角度β计算公式为,
Figure BDA0003309537980000062
即将所有比对成功的参照物分别作为当前参照物进行计算后求平均值;式中p(x)为对摄像机标定得到的函数,在本式中函数变量为图像中当前参照物与摄像机的距离di
图6为所述系统初始化时摄像机初始姿态和采集的视频图像。如左侧图片所示,摄像机处于第一个设定角度姿态下,如右侧所示采集的视频图像中,包括标志物(107),将(107)确定为第一个参照物,i=1,重心点的像素位置为(X1,Y1)。
图7为所述系统在工作状态下的摄像机姿态和采集的视频图像。如左侧图片所示,摄像机在此姿态下摄像机采集图像的区域内包括标志物(107)和部分标志物(108);如右侧图片所示,图中包括完整的标志物(107)和标志物(108)的一部分。
图8为所述系统初始化和工作时摄像机采集视频图像中及参照物位置对比示意图,图中虚线部分为系统初始化时,摄像机处于第一个设定角度姿态下采集图像中的参照物(107);实线为系统工作时,摄像机在转动后的姿态下采集的图像,图中(107)为比对成功的当前参照物,由于图像中标志物(108)不完整,所以无法进行成功比对,不能作为当前参照物。摄像机姿态根据图中参照物的重心点的像素位置变化确定,本示例中,摄像机发生了水平转动,重心点的水平方向位置变化为x-X1,由于重心点的垂直方向位置没有变化,所以图中未进行标示。
图9为摄像机的转动角度计算原理示意图。已知摄像机焦距f,以摄像机为原点,与拍摄图像的距离为d,图像匹配区域在图像中移动像素为u,摄像机的旋转角度为θ,计算公式为
Figure BDA0003309537980000071
p(x)是对摄像机标定得到的函数,p(d)为图像中一个像素代表在距离摄像机镜头d远处的实际长度。

Claims (9)

1.基于图像的摄像机姿态感知系统,其特征在于:系统包括姿态检测主机、监控终端、摄像机、云台、标志物、通信网络;所述摄像机、姿态检测主机和监控终端通过通信网络相互通信;所述摄像机固定安装在云台上;所述标志物为摄像机监控范围内的具有唯一性特征的固定物体;在所述摄像机的任何角度均可采集到至少一个标志物的完整图像;所述姿态检测主机负责通过摄像机采集的视频图像中的标志物位置变化检测摄像机转动角度,感知摄像机姿态;所述监控终端负责显示摄像机采集的视频图像和姿态检测主机检测的摄像机姿态数据;所述系统使用前需进行初始化,所述初始化过程为:
(1)对摄像机参数进行标定;
(2)参考摄像机监控区域内标志物分布情况设定多个摄像机角度;
(3)控制云台带动摄像机转动到设定的一个摄像机角度;
(4)姿态检测主机对摄像机采集的视频中的一帧图像进行特征提取,选择图像中部区域已被成功提取特征的固定标志物作为参照物Mi,确定参照物重心点,像素位置为(Xi,Yi);
(5)测量参照物与摄像机的距离di
(6)存储Mi的图像、di、(Xi,Yi),以及摄像机角度的数据;所述摄像机角度的数据包括水平角度αi和垂直角度βi
(7)判定是否遍历了所有设定角度,如果是,则结束初始化过程,否则重复执行步骤(3)及其以下步骤;
所述系统工作过程为:
(1)云台受控带动摄像机转动;
(2)摄像机同步连续采集视频图像;
(3)摄像机将采集的视频图像传输至监控终端和姿态检测主机;
(4)姿态检测主机通过对视频图像进行处理,感知摄像机姿态;
(5)监控终端同步显示摄像机采集的视频图像和姿态数据;
所述姿态检测主机感知摄像机姿态过程为:
(1)将视频图像与初始化时存储的所有参照物Ti图像进行比对,选择图像中被成功比对的参照物作为当前参照物m,并确定和记录当前参照物重心点像素位置(x,y);
(2)查询存储的当前参照物的像素位置(Xi,Yi)和距离di
(3)通过(Xi,Yi)、(x,y)和di计算摄像机水平角度α和垂直角度β;
(4)通过通信网络向监控终端输出α和β。
2.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:摄像机参数进行标定过程包括:
(1)摄像机采集不同位置,不同角度,不同姿态的多张标定图片,标定图片是黑白相间的矩形棋盘图;
(2)对每一张标定图片提取角点信息,获取角点图像坐标;
(3)在姿态检测主机上使用相机校正函数进行标定,计算摄像机的内参和外参系数,包括摄像机焦距f;
(4)设定距离序列Di,摄像机在序列中的不同距离垂直拍摄长度为L的物体的图像
(5)处理上述步骤(4)拍摄的系列图像,得到所述物体在图像中的像素长度序列Pi
(6)以Di为变量,以Pi为输出值,进行函数拟合,得到函数p(d)。
3.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述姿态检测主机感知摄像机姿态的过程的步骤(3)中,摄像机水平角度α和垂直角度β计算公式为,
Figure FDA0003309537970000021
式中p(x)为对摄像机标定得到的函数,在本式中函数变量为图像中当前参照物与摄像机的距离di
4.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述姿态检测主机感知摄像机姿态的过程的步骤(1)中,如成功比对k个参照物,则后续步骤(3)中摄像机水平角度α和垂直角度β计算公式为,
Figure FDA0003309537970000022
式中p(x)为对摄像机标定得到的函数,在本式中函数变量为图像中各参照物与摄像机的距离di
5.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述参照物重心点像素位置的确定方法包括,
Figure FDA0003309537970000023
式中(x,y)为参照物重心点像素位置坐标,xmax和xmin分别为图像中参照物区域的最大和最小横坐标,ymax和ymin分别为图像中参照物区域的最大和最小纵坐标。
6.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述初始化过程中步骤(4)所述特征提取包括畸变校正,滤波和边缘检测的处理过程;所述特征包括图像中物体的特征图案,特征颜色,特征标识,特征纹理。
7.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述摄像机和云台包括自带云台的一体式摄像机。
8.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:所述标志物所述标志物包括人为设定的具有唯一性的标牌。
9.如权利要求1所述的摄像机姿态感知系统,其特征在于:在系统工作过程中所述摄像机的焦距保持不变,如所述摄像机的焦距发生改变,系统需重新初始化。
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