CN115103117A - 基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法 - Google Patents
基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及运动目标的快速追踪领域，提供一种基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法：以摄像头位置为原点，以摄像头水平左右转动方向为x轴，以摄像头扫描范围的中心线为y轴，建立平面二维坐标系；根据待追踪目标的位置沿y轴正方向距待追踪目标规定距离设置平行于x轴的水平投影线；当出现待追踪目标时，记录其在对应水平投影线上的坐标，并基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系；计算扫描中心点在水平投影线上移动至待追踪目标的移动方向和移动距离；基于扫描中心点在水平投影线上的移动方向和移动距离计算摄像头的转动方向、转动速度和转动角度，并基于待追踪目标在水平投影线上的实时移动速度和移动方向实现实时追踪。
Description
技术领域
本发明涉及运动目标的快速追踪领域，特别涉及一种基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法。
背景技术
目前，对于运动目标的追踪往往因运动目标的行动轨迹不确定，导致追踪者在追踪时往往不能及时跟进追踪，而现在很多专利开始关注运动目标的动态追踪问题，如申请号为：CN202111112712.9的专利申请，其公开了一种运动目标跟踪方法，包括：步骤Step1:获取待测目标的视频图像信息，根据所述视频图像信息确定运动目标；步骤Step2:通过运动目标识别模块对确定的运动目标进行识别，根据用户输入的上行控制指令对不同的运动目标进行跟踪；步骤Step3:追踪控制模块根据上行控制指令获取运动目标基本信息和追踪时长参数；步骤Step4:根据获取的信息和参数控制摄像头对目标进行持续跟踪，并调节镜头倍数，保持跟踪目标在视场中心；步骤Step5:将采集图像输入跟踪模块，所述跟踪模块通过运动目标跟踪模型对目标进行跟踪，相应地，公开了一种运动目标跟踪装置，该专利申请检测精度和速率较高、稳定性好，且可根据用户需求对不同目标进行选择性跟踪和自动控制跟踪时长。
然而，上述专利申请关注的是根据需求对不同目标进行选择性跟踪和自动控制跟踪时长，至于在追击者追击运动目标时，追击的实时性和准确性并不能很好保证。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，能够保证对于运动目标追踪的准确性和实时性。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是：
本发明提出了一种基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，包括如下步骤：
步骤1.以摄像头位置为原点，以摄像头水平左右转动方向为x轴，以摄像头扫描范围的中心线为y轴，建立平面二维坐标系，所述摄像头的扫描范围内包含有待检测场景；
步骤2.摄像头实时扫描待检测场景，根据待追踪目标可能出现的位置沿y轴正方向距待追踪目标规定距离设置平行于x轴的水平投影线；
步骤3.当出现待追踪目标时，记录其在对应水平投影线上的坐标，并基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系；
步骤4.基于该位置关系，结合待追踪目标的移动速度和移动方向计算扫描中心点在水平投影线上移动至待追踪目标的移动方向和移动距离；
步骤5.基于扫描中心点在水平投影线上的移动方向和移动距离计算摄像头的转动方向、转动速度和转动角度，并基于待追踪目标在水平投影线上的实时移动速度和移动方向实现实时追踪。
进一步的是，步骤1中，所述待检测场景的在平面二维坐标系中对应的最小y值大于等于0，待检测场景中距摄像头最远的距离小于等于摄像头的能见度距离。
进一步的是，步骤2中，在设置平行于x轴的水平平行线时，当摄像头的能见度距离减去待检测场景中距摄像头最远的距离大于等于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线均相距距离一，当摄像头的能见度距离减去待检测场景中距摄像头最远的距离小于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线均相距距离二，所述距离一大于距离二。
进一步的是，所述预设阈值为200米，所述距离一为3米，所述距离二为1米。
进一步的是，步骤3中，当出现待追踪目标时，记录其在与之距离最近的水平投影线上的坐标。
进一步的是，步骤3中，记录完待追踪目标在在与之距离最近的水平投影线上的坐标后，基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系，具体为：
当扫描中心点在该水平投影线上的x值小于待追踪目标在该水平投影线上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的左侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
当扫描中心点在该水平投影线上的x值大于待追踪目标在该水平投影线上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的右侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题。
进一步的是，对于所述追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后目标和追击者之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明扫描中心点没有追上待追踪目标，在这个恒定的距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，再加速追赶一半的距离，然后再减速到目标位移；
如果这个距离是负的，说明扫描中心点超过了待追踪目标；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
进一步的是，对于所述被追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后待追踪目标和扫描中心点之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明待追踪目标没有追上扫描中心点，在这个距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，在前一半的位移里降速，在后一半位移里，加速回到目标速度，如果降速没有导致速度变向，不会出现相遇问题，如果导致速度变向，先急刹到速度为0，然后是相遇问题；
如果这个距离是负的，说明待追踪目标超过了扫描中心点，这种情况只出现在目标速度大于扫描中心点速度的情况下，这里需要加速追赶，即距离的前半程加速追击，后半程减速到目标速度；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
进一步的是，对于所述相遇问题，先考虑掉头位置，假设扫描中心点在当前位置急刹后掉头，并开始加速追上目标的速度，在这个过程后：
如果追击者在前，待追踪目标在后，距离会恒定，说明掉头早了，需要在扫描中心点的初速度的基础上，先加速后减速跑完这段恒定的距离；
如果扫描中心点在后，待追踪目标在前，距离会恒定，说明追不上了，扫描中心点需要加速追赶，此时，恒定距离的前半程加速，后半部减速到目标速度；
如果扫描中心点刚好追上待追踪目标，则保持持续跟踪。
进一步的是，对于所述背离问题，此时扫描中心点立马刹车并掉头，从0速度开始加速到待追踪目标的速度，此时变为追击问题，此时目标在前，保持恒定距离，这个距离需要在前半程先加速再在后半程减速到目标速度。
本发明的有益效果是：通过上述基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，首先，以摄像头位置为原点，以摄像头水平左右转动方向为x轴，以摄像头扫描范围的中心线为y轴，建立平面二维坐标系，其中，摄像头的扫描范围内包含有待检测场景；其次，摄像头实时扫描待检测场景，根据待追踪目标可能出现的位置沿y轴正方向距待追踪目标规定距离设置平行于x轴的水平投影线；然后，当出现待追踪目标时，记录其在对应水平投影线上的坐标，并基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系；然后，基于该位置关系，结合待追踪目标的移动速度和移动方向计算扫描中心点在水平投影线上移动至待追踪目标的移动方向和移动距离；最后，基于扫描中心点在水平投影线上的移动方向和移动距离计算摄像头的转动方向、转动速度和转动角度，并基于待追踪目标在水平投影线上的实时移动速度和移动方向实现实时追踪。
这里，由于实际追踪过程中，由于运动目标的大小、种类可能不完全相同，为这些大小、种类不同的运动目标设置特征点显然会降低追踪的实时性，因此，本申请中将运动目标的运动近似成二维运动，在保证允许的对准误差的前提下，能够保证摄像头对待追踪目标的准确、实时追踪。
附图说明
图1为本发明基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法的流程图；
图2为本发明中平面二维坐标系的示意图。
其中，101表示坐标原点，102表示待检测场景，103表示水平投影线，104表示待追踪目标的实际位置，105表示待追踪目标在水平投影线上的位置，106表示摄像头的扫描范围。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明提出的是一种基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其流程图见图1，其中，该方法包括如下步骤：
S1.以摄像头位置为原点101，以摄像头水平左右转动方向为x轴，以摄像头扫描范围的中心线为y轴，建立平面二维坐标系，其中，摄像头的扫描范围106内包含有待检测场景102；
这里，待检测场景102的在平面二维坐标系中对应的最小y值大于等于0，极端情况下，可以将摄像头设置在待检测场景102的y值最小位置，实际应用过程中，由于待检测场景102形状大小不一，且不是完全规则的，甚至是很不规则的多边形，因此，最小y值一般大于0，同时，为了保证摄像头能够在能见度范围内检测到待检测场景102中的每个位置，需要保证待检测场景102中距摄像头最远的距离小于等于摄像头的能见度距离，实际应用时，虽然能见度守周围环境影响较大，且恶劣环境条件可能使能见度非常低，但是，本申请中不考虑极端恶劣环境下的极低能见度情况。
S2.参见图2，摄像头实时扫描待检测场景102，根据待追踪目标可能出现的位置沿y轴正方向距待追踪目标规定距离设置平行于x轴的水平投影线103；
这里，这里，待追踪目标的实际位置为104，待追踪目标在水平投影线上的位置为105，在设置平行于x轴的水平投影线103时，当摄像头的能见度距离减去待检测场景102中距摄像头最远的距离大于等于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线103均相距距离一，当摄像头的能见度距离减去待检测场景102中距摄像头最远的距离小于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线103均相距距离二，其中，距离一大于距离二。
一般来说，预设阈值可根据待检测场景102中距摄像头最远距离自由设置，只要保证摄像头的能见度距离减去待检测场景102中距摄像头最远的距离为正数即可，然而，由于实际应用过程中，能见度受周围环境影响较大，且可能是变化的，因此，如果摄像头的能见度距离与待检测场景102中距摄像头最远的距离相等或预设阈值较小的话，可能会影响后续待追踪目标的图像采集的清晰度，因此，可以将预设阈值设置一个较为合理的较大值，如预设阈值可以为200米，同理，距离一可以为3米，距离二可以为1米。
S3.当出现待追踪目标时，记录其在对应水平投影线103上的坐标，并基于其在水平投影线上103的坐标判断其与扫描中心点的位置关系；
S4.基于该位置关系，结合待追踪目标的移动速度和移动方向计算扫描中心点在水平投影线上103移动至待追踪目标的移动方向和移动距离；
S5.基于扫描中心点在水平投影线103上的移动方向和移动距离计算摄像头的转动方向、转动速度和转动角度，并基于待追踪目标在水平投影线上的实时移动速度和移动方向实现实时追踪。
需要指出的是，上述方法的S3中，当出现待追踪目标时，应该记录其在与之距离最近的水平投影线103上的坐标，以减小二维近似的近似误差，保证追踪的准确性。
具体而言，记录完待追踪目标在在与之距离最近的水平投影线103上的坐标后，基于其在水平投影线103上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系，具体可以为：
当扫描中心点在该水平投影线103上的x值小于待追踪目标在该水平投影线103上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的左侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
当扫描中心点在该水平投影线上的x值大于待追踪目标在该水平投影线上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的右侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题。
为此，本发明中将摄像头对待检测场景102中的待追踪目标的精准、实时追踪完成了情况细化。
具体而言，对于所述追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后目标和追击者之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明扫描中心点没有追上待追踪目标，在这个恒定的距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，再加速追赶一半的距离，然后再减速到目标位移；
如果这个距离是负的，说明扫描中心点超过了待追踪目标；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
需要指出的是，对于所述被追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后待追踪目标和扫描中心点之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明待追踪目标没有追上扫描中心点，在这个距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，在前一半的位移里降速，在后一半位移里，加速回到目标速度，如果降速没有导致速度变向，不会出现相遇问题，如果导致速度变向，先急刹到速度为0，然后是相遇问题；
如果这个距离是负的，说明待追踪目标超过了扫描中心点，这种情况只出现在目标速度大于扫描中心点速度的情况下，这里需要加速追赶，即距离的前半程加速追击，后半程减速到目标速度；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
然后，对于所述相遇问题，先考虑掉头位置，假设扫描中心点在当前位置急刹后掉头，并开始加速追上目标的速度，在这个过程后：
如果追击者在前，待追踪目标在后，距离会恒定，说明掉头早了，需要在扫描中心点的初速度的基础上，先加速后减速跑完这段恒定的距离；
如果扫描中心点在后，待追踪目标在前，距离会恒定，说明追不上了，扫描中心点需要加速追赶，此时，恒定距离的前半程加速，后半部减速到目标速度；
如果扫描中心点刚好追上待追踪目标，则保持持续跟踪。
最后，对于所述背离问题，此时扫描中心点立马刹车并掉头，从0速度开始加速到待追踪目标的速度，此时变为追击问题，此时目标在前，保持恒定距离，这个距离需要在前半程先加速再在后半程减速到目标速度。
Claims (10)
1.基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.以摄像头位置为原点，以摄像头水平左右转动方向为x轴，以摄像头扫描范围的中心线为y轴，建立平面二维坐标系，所述摄像头的扫描范围内包含有待检测场景；
步骤2.摄像头实时扫描待检测场景，根据待追踪目标可能出现的位置沿y轴正方向距待追踪目标规定距离设置平行于x轴的水平投影线；
步骤3.当出现待追踪目标时，记录其在对应水平投影线上的坐标，并基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系；
步骤4.基于该位置关系，结合待追踪目标的移动速度和移动方向计算扫描中心点在水平投影线上移动至待追踪目标的移动方向和移动距离；
步骤5.基于扫描中心点在水平投影线上的移动方向和移动距离计算摄像头的转动方向、转动速度和转动角度，并基于待追踪目标在水平投影线上的实时移动速度和移动方向实现实时追踪。
2.根据权利要求1所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，步骤1中，所述待检测场景的在平面二维坐标系中对应的最小y值大于等于0，待检测场景中距摄像头最远的距离小于等于摄像头的能见度距离。
3.根据权利要求1所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，步骤2中，在设置平行于x轴的水平平行线时，当摄像头的能见度距离减去待检测场景中距摄像头最远的距离大于等于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线均相距距离一，当摄像头的能见度距离减去待检测场景中距摄像头最远的距离小于预设阈值，则设置的相邻的每两条平行于x轴的水平投影线均相距距离二，所述距离一大于距离二。
4.根据权利要求3所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，所述预设阈值为200米，所述距离一为3米，所述距离二为1米。
5.根据权利要求1所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，步骤3中，当出现待追踪目标时，记录其在与之距离最近的水平投影线上的坐标。
6.根据权利要求5所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，步骤3中，记录完待追踪目标在在与之距离最近的水平投影线上的坐标后，基于其在水平投影线上的坐标判断其与扫描中心点的位置关系，具体为：
当扫描中心点在该水平投影线上的x值小于待追踪目标在该水平投影线上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的左侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
当扫描中心点在该水平投影线上的x值大于待追踪目标在该水平投影线上的x值时，表示扫描中心点在待追踪目标的右侧，若：
待追踪目标向右运动，且扫描中心点也向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为被追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点也向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为追击问题；
待追踪目标向左运动，且扫描中心点向右运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为背离问题；
待追踪目标向右运动，且扫描中心点向左运动，此时，扫描中心点相对于待追踪目标的相对运动关系表示为相遇问题。
7.根据权利要求6所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，对于所述追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后目标和追击者之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明扫描中心点没有追上待追踪目标，在这个恒定的距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，再加速追赶一半的距离，然后再减速到目标位移；
如果这个距离是负的，说明扫描中心点超过了待追踪目标；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
8.根据权利要求6所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，对于所述被追击问题，首先计算加减速到目标速度所需要的时间t，之后待追踪目标和扫描中心点之间保持一个恒定的距离：
如果这个距离是正的，说明待追踪目标没有追上扫描中心点，在这个距离里，扫描中心点需要在保持目标速度的基础上，在前一半的位移里降速，在后一半位移里，加速回到目标速度，如果降速没有导致速度变向，不会出现相遇问题，如果导致速度变向，先急刹到速度为0，然后是相遇问题；
如果这个距离是负的，说明待追踪目标超过了扫描中心点，这种情况只出现在目标速度大于扫描中心点速度的情况下，这里需要加速追赶，即距离的前半程加速追击，后半程减速到目标速度；
如果这个距离刚好在一个预设的范围内，说明扫描中心点刚好追上待追踪目标，扫描中心点保持与待追踪目标一样的速度即可。
9.根据权利要求6所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，对于所述相遇问题，先考虑掉头位置，假设扫描中心点在当前位置急刹后掉头，并开始加速追上目标的速度，在这个过程后：
如果追击者在前，待追踪目标在后，距离会恒定，说明掉头早了，需要在扫描中心点的初速度的基础上，先加速后减速跑完这段恒定的距离；
如果扫描中心点在后，待追踪目标在前，距离会恒定，说明追不上了，扫描中心点需要加速追赶，此时，恒定距离的前半程加速，后半部减速到目标速度；
如果扫描中心点刚好追上待追踪目标，则保持持续跟踪。
10.根据权利要求6所述的基于二维坐标投影的运动目标快速追踪方法，其特征在于，对于所述背离问题，此时扫描中心点立马刹车并掉头，从0速度开始加速到待追踪目标的速度，此时变为追击问题，此时目标在前，保持恒定距离，这个距离需要在前半程先加速再在后半程减速到目标速度。
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