CN114268736B - 一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，包括：①计算靶向检测目标的理论像素量。②计算球型摄像头可识别距离。③计算当前可识别距离条件下的球型摄像机最优拍摄焦距。④单次环状覆盖拍摄方案计算。⑤采用迭代优化方法，重复①②③④步骤，形成多组可识别距离下的拍摄方案5个步骤。本发明改进了传统塔基球型摄像头拍摄方案中，因设置拍摄方案的PTZ值的随意性、主观性而导致的“拍摄照片的有效空间覆盖范围低、单张照片中靶向检测目标的像素量不足、冗余拍摄照片数量大”的缺陷，从而实现“提高拍摄空间覆盖范围、提高单张照片的靶向检测目标有效识别像素量、减少冗余拍摄量”，可应用于各类高空瞭望视频监控业务。如：城市消防监控、森林防火监控、自然资源保护监控等，如图2。

Description

一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法

技术领域

本发明属于监控摄像技术领域，具体涉及一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法。

背景技术

塔基球型摄像头是一种搭建在塔基上的视频输入设备，通常与人工智能技术结合，定期采集周边范围的图像数据，通过目标检测技术识别场景中疑似目标，及时预警，再推送至相关部门处置，广泛应用于城市消防、森林防火、自然资源保护监管等领域。但由于塔基球型摄像头在实际应用中常受到自身焦距、姿态等内部因素和遮蔽物、地形等外部因素的影响，其监控范围覆盖不足、目标可识别范围半径有限。目前常规拍摄方案以要素可识别或拍摄范围全覆盖作为单一因素考虑，设置拍摄方案的PTZ值时具有一定的主观性，因而往往无法同时满足监控区域覆盖范围与要素可识别范围半径的需求。

发明目的：

技术方案：本发明的一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，包括如下步骤：

步骤1、计算靶向检测目标的理论像素量：基于塔基球型摄像机的硬件参数，预设拍摄姿态，计算靶向检测目标在地面不同位置(X_i,Y_j)的成像尺寸，并通过照片分辨率，将目标成像的长度单位转化为像素单位，确定目标在照片中所占的理论像素量。

步骤2、计算球型摄像头可识别距离：基于人工智能识别机器的视觉检测能力预设机器可识别的最小分辨率，以该分辨率为阈值，从近到远调整靶向检测目标距离摄像机的距离，通过计算比较理论像素量与上述阈值的大小关系，不断迭代优化照片可识别距离，直至获取当前焦距下摄像头的最远可识别距离。

步骤3、计算当前可识别距离条件下的球型摄像机最优拍摄焦距：固定摄像头垂直视场角下沿角度，通过调节摄像头焦距，不断迭代优化摄像头在当前焦距下的实际可识别范围半径，直至获取当前最佳拍摄焦距。

步骤4、单次环状覆盖拍摄方案计算：依据塔基球型摄像机的感光芯片等硬件参数与当前焦距，计算当前摄像机的水平视场角，依据拍摄要求确定照片水平重叠区域角度(或长度)，获取当前拍摄轮次的环状覆盖拍摄方案。

步骤5、迭代优化拍摄方案：通过迭代计算单一轮次最优摄像机姿态、拍摄次数、单次拍摄水平角度、拍摄区域范围、照片可识别区域范围等，实现单一轮次的拍摄方案(即一组有效PTZ值)输出与可识别范围半径展示。计算当前总体摄像头拍摄方案是否满足摄像头拍摄最优，若不是，则新增拍摄轮次。若是，对各轮次的拍摄方案进行拼接输出，最终形成摄像机完整拍摄方案和可视化模型。

本发明基于塔基球型摄像机成像原理与机器视觉检测能力，采用迭代优化方法获取一组高空间覆盖的拍摄PTZ值，实现了塔基球型摄像头的监控范围高度覆盖及靶向检测目标的高识别率，优化图像采集方式，改进了传统塔基球型摄像头拍摄方案中，因设置拍摄方案的PTZ值的随意性、主观性而导致的“拍摄照片的有效空间覆盖范围低、单张照片中靶向检测目标的像素量不足、冗余拍摄照片数量大”的缺陷，从而实现“提高拍摄空间覆盖范围、提高单张照片的靶向检测目标有效识别像素量、减少冗余拍摄量”。

进一步的，所述步骤1中，输入塔基球型摄像机的硬件参数，即感光元件尺寸a×b、单倍焦距长度f、塔高h、照片分辨率M×N、目标可识别最小分辨率P_min、靶向检测目标实际尺寸D×D×D。输入所需监控范围L_min-L_max。预设初始拍摄方案，包括焦距倍率Z、拍摄俯仰角T，令目标初始位置(即在Y轴上与摄像头的距离)L＝L_min，令原摄像机可识别范围半径ΔL′＝0。为方便计算，将球型摄像机成像过程简化为理想的小孔成像模型，将目标成像简化为d(mm)×d(mm)的尺寸，最后将长度单位转换成像素数量，如图3。具体步骤如下：

(1.1)为方便计算，将靶向检测目标投影至与感光元件平行的投影平面l。依据小孔成像原理，可推理摄像机焦距长度f(mm)与镜头到平面l的距离F(m)的比值和目标在感光元件(CCD/CMOS)的成像尺寸d(mm)与目标在平面l的投影尺寸D′(m)的比值相等，即

(1.2)根据靶向检测目标与投影平面l的角度关系，计算目标在投影平面l的投影尺寸D′(m)，即：

其中，α₁代表摄像头观测目标时视线下沿与竖直方向的夹角。

(1.3)依据角度关系，可计算镜头到平面l的距离F(m)，即：

其中，α₂代表摄像头观测目标时视线上沿与竖直方向的夹角。

(1.4)将公式(2)、(3)带入比例关系(1)，可计算目标在感光元件(CCD/CMOS)的成像尺寸d(mm)，即

(1.5)根据感光元件尺寸与照片横向/纵向分辨率的比例关系，实现目标成像尺寸从长度单位向像素的转变，得到目标在照片中所占像元总量为m×n，即：

其中，m、n分别为目标在照片横纵向所占的像元数量，记此时的靶向检测目标所占像元数P_(Xi,Yi)＝m×n。

进一步的，所述步骤2中，基于人工智能识别机器的视觉检测能力，可知机器可识别靶向检测目标的最小分辨率P_min，以分辨率P_min为阈值，计算并比较当目标位于(X_i,Y_j)时，其成像所占像素量P_(Xi,Yj)与P_min的关系，当P_(Xi,Yj)>P_min时，调整目标实际位置，使其在Y轴上远离摄像头，记j＝j+1，重复步骤1，直至P_(Xi,Yj)≤P_min，记录此时目标在Y轴方向距离摄像头的实际距离L，L为当前焦距下摄像头的最远可识别距离。

进一步的，所述步骤3中，根据摄像头可识别距离L及计算过程中摄像机的焦距倍率Z，计算摄像机当前可识别范围半径(h代表塔基高度)，为使摄像机实际可识别范围半径ΔL最大化，固定摄像机拍摄视线下沿，通过调节摄像头焦距倍率Z，对比当前可识别范围半径ΔL与原可识别范围半径ΔL′的大小，若ΔL≥ΔL′，则记录或更新此轮拍摄方案，调节优化摄像头焦距倍率，用ΔL更新ΔL′，返回步骤1，计算ΔL，重复上述步骤，直至ΔL<ΔL′，记录原可识别范围半径ΔL′时的焦距倍率为本轮拍摄最佳焦距倍率。

进一步的，所述步骤4中，根据球型摄像机的感光元件尺寸及摄像机单倍焦距长度及拍摄焦距倍率Z计算得到当前焦距f的水平视场角α，依据预设的照片水平重合角度Δα，可获得当前拍摄轮次的环状覆盖拍摄的照片数量更新水平相邻照片之间的实际重合角度为/>最终输出单次环状覆盖最优拍摄方案，如图4。

进一步的，所述步骤5中，可视化展示单一轮次的拍摄范围与可识别范围半径展示。计算当前总体摄像头拍摄方案是否满足输入的摄像头拍摄可识别范围半径要求，若是，对各轮次的拍摄方案进行统一输出，形成摄像机完整拍摄方案。若不是，则新增拍摄轮次，以当前总体拍摄方案的可识别距离L更新新增轮次摄像机的拍摄初始距离L_min，调整优化焦距后，返回并重复步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，直至可识别距离达到预设值L_max，并输出最终拍摄方案。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明简化摄像机成像过程，通过感光元件与成像画面的比例关系，将目标成像的长度单位转化为像元数量，便于照片在不同显示形式、不同分辨率下中统一尺度，便于实际计算，提高方案重用性。

(2)本发明适用于各项视频监管业务，综合考虑摄像头可覆盖范围与照片可识别范围半径对实际监管业务的影响，解决了塔基球型摄像头的视场角有限、照片分辨率不足等导致的监管区域目标检测不全等问题，充分发掘塔基球型摄像机的监管能力，优化了图像采集方式，提高了监控效率，在实际应用中具有较好的应用价值。

附图说明

图1本发明流程图

图2发明应用流程图

图3高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄示意图(剖面示意图)

图4高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄示意图(俯视示意图)

图5不同拍摄PTZ方案下的靶向检测目标成像效果对比图

图6高空间覆盖范围的拍摄方案靶向目标检测效果图

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示，本实施例的一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，包括如下步骤：

步骤一、计算靶向检测目标的理论像素量：输入塔基球型摄像机的硬件参数，即感光元件尺寸1/1.8″、单倍焦距长度4mm、塔高40m、照片分辨率1920×1080、目标可识别最小分辨率P_min＝500，靶向检测目标实际尺寸3m×3m×3m。输入所需监控范围50m-500m。预设初始拍摄方案，包括焦距倍率Z＝1，令目标初始位置(即在Y轴上与摄像头的距离)L＝L_min(即L＝50)，固定摄像头视线下沿对齐L_min，计算此时的摄像头T，令原摄像机可识别范围半径ΔL′＝0。为方便计算，将球型摄像机成像过程简化为理想的小孔成像模型，将目标成像简化为d(mm)×d(mm)的尺寸，最后将长度单位转换成像素数量，如图3。具体步骤如下：

(1.1)为方便计算，将靶向检测目标投影至与感光元件平行的投影平面l。依据小孔成像原理，可推理摄像机焦距长度f(mm)与镜头到平面l的距离F(m)的比值和目标在感光元件(CCD/CMOS)的成像尺寸d(mm)与目标在平面l的投影尺寸D′(m)的比值相等，即

(1.2)根据靶向检测目标与投影平面l的角度关系，计算目标在投影平面l的投影尺寸D′(m)，即：

其中，α₁代表摄像头观测目标时视线下沿与竖直方向的夹角。

(1.3)依据角度关系，可计算镜头到平面l的距离F(m)，即：

其中，α₂代表摄像头观测目标时视线上沿与竖直方向的夹角。

(1.4)将公式(2)、(3)带入比例关系(1)，可计算目标在感光元件(CCD/CMOS)的成像尺寸d(mm)，即

(1.5)根据感光元件尺寸与照片横向/纵向分辨率的比例关系，实现目标成像尺寸从长度单位向像素的转变，得到目标在照片中所占像元总量为m×n，即：

其中，m、n分别为目标在照片横纵向所占的像元数量，记此时的靶向检测目标所占像元数P_(Xi,Yi)＝m×n。

步骤2、计算球型摄像头可识别距离：基于人工智能识别机器的视觉检测能力，可知机器可识别靶向检测目标的最小分辨率P_min，以分辨率P_min为阈值，其成像所占像素量P_(Xi,Yj)与P_min的关系，当P_(Xi,Yj)>P_min时，调整目标实际位置，使其在Y轴上远离摄像头，记j＝j+1，重复步骤1，直至P_(Xi,Yj)≤P_min，记录此时目标在Y轴方向距离摄像头的实际距离L，L为当前焦距下摄像头的最远可识别距离。

步骤3、计算当前可识别距离条件下的球型摄像机最优拍摄焦距：根据摄像头可识别距离L及计算过程中摄像机的焦距倍率Z，计算摄像机当前可识别范围半径(h代表塔基高度)，为使摄像机实际可识别范围半径ΔL最大化，固定摄像机拍摄视线下沿，通过调节摄像头焦距倍率Z，对比当前可识别范围半径ΔL与原可识别范围半径ΔL′的大小，若ΔL≥ΔL′，则记录或更新此轮拍摄方案，调节优化摄像头焦距倍率，用ΔL更新ΔL′，返回步骤1，计算ΔL，重复上述步骤，直至ΔL<ΔL′，记录原可识别范围半径ΔL′时的焦距倍率为本轮拍摄最佳焦距倍率。

步骤4、单次环状覆盖拍摄方案计算：根据球型摄像机的感光元件尺寸及摄像机单倍焦距长度及拍摄焦距倍率Z计算得到当前焦距f的水平视场角α，依据预设的照片水平重合角度Δα，可获得当前拍摄轮次的环状覆盖拍摄的照片数量更新水平相邻照片之间的实际重合角度为/>最终输出单次环状覆盖最优拍摄方案，如图4。

步骤5、迭代优化拍摄方案：可视化展示单一轮次的拍摄范围与可识别范围半径展示。计算当前总体摄像头拍摄方案是否满足输入的摄像头拍摄可识别范围半径要求，若是，对各轮次的拍摄方案进行统一输出，形成摄像机完整拍摄方案。若不是，则新增拍摄轮次，以当前总体拍摄方案的可识别距离L更新新增轮次摄像机的拍摄初始距离L_min，调整优化焦距后，返回并重复步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5，直至可识别距离达到预设值L_max＝500m，并输出最终拍摄方案，如下表。

如图5所示，为不同拍摄PTZ方案下的靶向检测目标成像效果对比图。如图6所示，为本实施例中利用真实塔基球型摄像头设计的高空间覆盖范围的拍摄方案靶向目标检测效果图。该拍摄方法能够有效解决塔基球型摄像头的视场角有限、照片分辨率不足等导致的监管区域目标检测不全等问题，实际拍摄的照片数据够高度覆盖周边区域并用于目标检测技术，避免疑似目标检测遗失，提高监管效率，用于各项监管业务。

综上所述，本发明基于塔基球型摄像机成像原理与机器视觉检测能力，采用迭代优化方法获取最佳拍摄方案，改进了传统塔基球型摄像头拍摄方案中，因设置拍摄方案的PTZ值的随意性、主观性而导致的“拍摄照片的有效空间覆盖范围低、单张照片中靶向检测目标的像素量不足、冗余拍摄照片数量大”的缺陷，从而实现“提高拍摄空间覆盖范围、提高单张照片的靶向检测目标有效识别像素量、减少冗余拍摄量”。

Claims (5)

1.一种高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，其特征在于：该方法可以精确计算靶向检测目标在拍摄画面中所占理论像素量，基于塔基球型摄像机的特性与人工智能识别机器的视觉系统，判断塔基球型摄像头在任意姿态下的拍摄画面中可识别区域的比例，从而计算获取一组高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄PTZ值，实现区域监控全覆盖、要素全识别，包括如下步骤：

步骤1、计算靶向检测目标的理论像素量：基于塔基球型摄像机的硬件参数，预设拍摄姿态，计算靶向检测目标在地面不同位置(X_i,Y_j)的成像尺寸，并通过照片分辨率，将目标成像的长度单位转化为像素单位，确定目标在照片中所占的理论像素量，所述步骤1中，输入塔基球型摄像机的硬件参数，即感光元件尺寸a×b、单倍焦距长度f、塔高h、照片分辨率M×N、目标可识别最小分辨率P_min、靶向检测目标实际尺寸D×D×D，输入所需监控范围L_min-L_max，预设初始拍摄方案，包括焦距倍率Z、拍摄俯仰角T，令目标初始位置，即在Y轴上与摄像头的距离L＝L_min，令原摄像机可识别范围半径ΔL′＝0，为方便计算，将球型摄像机成像过程简化为理想的小孔成像模型，将目标成像简化为d×d的尺寸，最后将长度单位转换成像素数量，具体步骤如下：

(1.1)为方便计算，将靶向检测目标投影至与感光元件平行的投影平面l，依据小孔成像原理，可推理摄像机焦距长度f与镜头到平面l的距离F的比值和目标在感光元件CCD/CMOS的成像尺寸d与目标在平面l的投影尺寸D′的比值相等，其中，f、d的单位为mm，F、D′的单位为m，即

(1.2)根据靶向检测目标与投影平面l的角度关系，计算目标在投影平面l的投影尺寸D′，即：

其中，α₁代表摄像头观测目标时视线下沿与竖直方向的夹角，

(1.3)依据角度关系，可计算镜头到平面l的距离F，即：

其中，α₂代表摄像头观测目标时视线上沿与竖直方向的夹角，

(1.4)将公式(2)、(3)带入比例关系(1)，可计算目标在感光元件CCD/CMOS的成像尺寸d，即

(1.5)根据感光元件尺寸与照片横向/纵向分辨率的比例关系，实现目标成像尺寸从长度单位向像素的转变，得到目标在照片中所占像元总量为m×n，即：

其中，m、n分别为目标在照片横纵向所占的像元数量，记此时的靶向检测目标所占像元数P_(Xi,Yi)＝m×n；

步骤2、计算球型摄像头可识别距离：基于人工智能识别机器的视觉检测能力预设机器可识别的最小分辨率，以该分辨率为阈值，从近到远调整靶向检测目标距离摄像机的距离，通过计算比较理论像素量与上述阈值的大小关系，不断迭代优化照片可识别距离，直至获取当前焦距下摄像头的最远可识别距离；

步骤3、计算当前可识别距离条件下的球型摄像机最优拍摄焦距：固定摄像头垂直视场角下沿角度，通过调节摄像头焦距，不断迭代优化摄像头在当前焦距下的实际可识别范围半径，直至获取当前最佳拍摄焦距；

步骤4、单次环状覆盖拍摄方案计算：依据塔基球型摄像机的感光芯片等硬件参数与当前焦距，计算当前摄像机的水平视场角，依据拍摄要求确定照片水平重叠区域角度或长度，获取当前拍摄轮次的环状覆盖拍摄方案；

步骤5、迭代优化拍摄方案：通过迭代计算单一轮次最优摄像机姿态、拍摄次数、单次拍摄水平角度、拍摄区域范围、照片可识别区域范围，实现单一轮次的拍摄方案，即一组有效PTZ值，输出与可识别范围半径展示，计算当前总体摄像头拍摄方案是否满足摄像头拍摄最优，若不是，则新增拍摄轮次，若是，对各轮次的拍摄方案进行拼接输出，最终形成摄像机完整拍摄方案和可视化模型。

2.根据权利要求1所述的高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，其特征在于：所述步骤2中，基于人工智能识别机器的视觉检测能力，可知机器可识别靶向检测目标的最小分辨率P_min，以分辨率P_min为阈值，计算并比较当目标位于(X_i,Y_j)时，其成像所占像素量P_(Xi,Yj)与P_min的关系，当P_(Xi,Yj)>P_min时，调整目标实际位置，使其在Y轴上远离摄像头，记j＝j+1，重复步骤1，直至P_(Xi,Yj)≤P_min，记录此时目标在Y轴方向距离摄像头的实际距离L，L为当前焦距下摄像头的最远可识别距离。

3.根据权利要求1所述的高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，其特征在于：所述步骤3中，根据摄像头可识别距离L及计算过程中摄像机的焦距倍率Z，计算摄像机当前可识别范围半径h代表塔基高度，为使摄像机实际可识别范围半径ΔL最大化，固定摄像机拍摄视线下沿，通过调节摄像头焦距倍率Z，对比当前可识别范围半径ΔL与原可识别范围半径ΔL′的大小，若ΔL≥ΔL′，则记录或更新此轮拍摄方案，调节优化摄像头焦距倍率，用ΔL更新ΔL′，返回步骤1，计算ΔL，重复上述步骤，直至ΔL<ΔL′，记录原可识别范围半径ΔL′时的焦距倍率为本轮拍摄最佳焦距倍率。

4.根据权利要求1所述的高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，其特征在于：所述步骤4中，根据球型摄像机的感光元件尺寸及摄像机单倍焦距长度及拍摄焦距倍率Z计算得到当前焦距f的水平视场角α，依据预设的照片水平重合角度Δα，可获得当前拍摄轮次的环状覆盖拍摄的照片数量 更新水平相邻照片之间的实际重合角度为最终输出单次环状覆盖最优拍摄方案。

5.根据权利要求1所述的高空间覆盖范围的塔基球型摄像机拍摄方法，其特征在于：所述步骤5中，可视化展示单一轮次的拍摄范围与可识别范围半径展示，计算当前总体摄像头拍摄方案是否满足输入的摄像头拍摄可识别范围半径要求，若是，对各轮次的拍摄方案进行统一输出，形成摄像机完整拍摄方案，若不是，则新增拍摄轮次，以当前总体拍摄方案的可识别距离L更新新增轮次摄像机的拍摄初始距离L_min，调整优化焦距后，返回并重复步骤1、步骤2、步骤3、步骤4，直至可识别距离达到预设值L_max，并输出最终拍摄方案。