CN116309851B - 一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法 - Google Patents

一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及图像处理技术领域，具体是一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，包括以下步骤：设定运动媒介在智慧园区内的移动路线，使运动媒介沿着移动路线在智慧园区内移动，并记录该运动媒介的移动过程；获取运动媒介在移动过程中的经纬度，并利用转化公式将该经纬度转化为世界坐标系中对应的世界坐标；对各个摄像头拍摄的录像进行逐帧分析，并获取各帧画面中运动媒介在拍摄到该帧画面的摄像头的相机坐标系中的相机坐标；建立运动媒介的相机坐标和世界坐标的转化关系，并将各摄像头对应的相机坐标导入该转化关系中，以获得各摄像头在世界坐标系中的位置与朝向；本发明能够准确地标定智慧园区内摄像头的位置及朝向。

Description

一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体是一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法。
背景技术
近年来，随着大数据、互联网等技术的发展，智慧园区、孪生园区等园区的实时网络管理系统逐渐普及。该项技术能够提供更高效、便捷的支撑平台，实现人员、设备的智能监控、调度等，大幅提升信息化管理水平。
监控系统是智慧园区实时网络管理系统的重要组成部分，尤其是监控系统中摄像头的管理和监控。目前，通常使用摄像头对园区进行监控，将监控画面传输到管理监控装置上并由显示屏将监控画面显示出来，进而便于通过监控画面实现人员调度，行为轨迹跟踪，行人重识别等工作目的。在园区面积较大时，需要安装大量的摄像头，才能实现对园区的全面监管。在调取监控画面时，首先需要确定画面中物体所处的园区的位置，并同时找到该位置处的摄像头，进而在需要对物体进行跟踪时，及时地调整摄像头的朝向。但是，由于摄像头数量众多，在非紧急情况下，可以慢慢地根据监控画面中的场景进行一一对比，以确定摄像头的位置，并根据摄像头当前的朝向进行调整；但是当面对紧急情况时，工作人员无法在较短的时间内准确地找到物体所在位置处的摄像头并判断该摄像头的朝向，进而无法及时地完成监控任务。
发明内容
为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法。本发明能够准确地标定智慧园区内摄像头的位置及朝向。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，包括以下步骤：
S1、选择可在智慧园区内自由移动的物体作为运动媒介，设定运动媒介在智慧园区内的移动路线，且智慧园区内的所有摄像头依次分布在该移动路线上；使运动媒介沿着移动路线在智慧园区内移动，并记录该运动媒介的移动过程；
S2、获取运动媒介在移动过程中的经纬度，并利用转化公式将该经纬度转化为世界坐标系中对应的世界坐标；
S3、对各个摄像头拍摄的录像进行逐帧分析，并获取各帧画面中运动媒介在拍摄到该帧画面的摄像头的相机坐标系中的相机坐标；
S4、建立运动媒介的相机坐标和世界坐标的转化关系，并将各摄像头对应的相机坐标导入该转化关系中，以获得各摄像头在世界坐标系中的位置与朝向。
作为本发明再进一步的方案：步骤S2的详细步骤如下：
S21、在运动媒介的外部设定一个可被摄像头拍摄到的标记物，并在该标记物处安装导航设备，通过导航设备记录标记物各时刻的经纬度；
S22、以智慧园区中预先设定的点作为坐标原点，建立世界坐标系O w -X w Y w Z w ；
S23、获取t时刻标记物的经纬度坐标(W t ,N t )；
S24、将步骤S23中的(W t ,N t )代入转化公式中计算，以获得t时刻标记物的世界坐标(x w,t ,y w,t ,z w,t )，转化公式如下：
其中，x w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；y w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；z w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；世界坐标系坐标原点O w 的经纬度坐标为(W 0 ,N 0 )，即W 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的经度，N 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的纬度；P x 表示智慧园区所在地的经度与米之间的换算比例；P y 表示智慧园区所在地的纬度与米之间的换算比例；h t 表示t时刻标记物的海拔高度；h 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的海拔高度。
作为本发明再进一步的方案：步骤S3的详细步骤如下：
S31、根据摄像头的出厂信息获取摄像头的拍摄参数，所述拍摄参数包括摄像头的横向视场角A W 、摄像头的纵向视场角A H 、摄像头拍摄画面的横向分辨率R W 和摄像头拍摄画面的纵向分辨率R H ；
S32、使用A W 、A H 、R W 和R H 计算摄像头的焦距，焦距的计算公式如下：
其中，F W 为摄像头的横向焦距，F H 为摄像头的纵向焦距；
S33、建立摄像头的相机坐标系O c -X c Y c Z c ，以及摄像头成像平面上的像素坐标系O uv -UV；
S34、对摄像头拍摄的录像进行逐帧分析以获得t时刻对应的拍摄画面，并获取t时刻标记物在该拍摄画面中的像素坐标(u t ,v t )；
S35、获取t时刻标记物在像素坐标系中的高度，并根据透镜成像原理计算在t时刻标记物到摄像头透镜的距离，计算公式如下：
其中，D t 为t时刻标记物到摄像头透镜的距离，B为标记物的实际高度，F为摄像头的焦距，b t 为t时刻标记物在像素坐标系中的像素高度；
S36、使用坐标转化公式将t时刻标记物的像素坐标(u t ,v t )转化为t时刻对应的相机坐标(x c,t ,y c,t ,z c,t )，坐标转化公式如下：
其中，K为摄像头的内参矩阵。
作为本发明再进一步的方案：步骤S4的详细步骤如下：
S41、将t时刻标记物的相机坐标(x c,t ,y c,t ,z c,t )转化为对应的世界坐标(x w,t ,y w,t ,z w,t )，对应的转化关系的表达式如下：
其中，Q为旋转矩阵；E为平移矩阵；
S42、根据逐帧分析得到的不同时刻的拍摄画面，均采用步骤S41中的方式处理并建立方程组，方程组具体如下：
…
其中，表示t 1时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；
表示t n 时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；
表示t 1时刻标记物在相机坐标系X c 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在相机坐标系Y c 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在相机坐标系Z c 轴上的坐标值；
表示t n 时刻标记物在相机坐标系X c 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在相机坐标系Y c 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在相机坐标系Z c 轴上的坐标值；
S43、接着使用最小二乘法对方程组进行求解，求解出旋转矩阵中各个元素的取值和平移矩阵中各个元素的取值，以得到摄像头相机坐标系中的各个坐标轴在世界坐标系中的线性表达式；
相机坐标系X c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系Y c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系Z c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
其中，k为线性表达式的参数；
S44、将相机坐标系原点对应的相机坐标代入步骤S43的各个线性表达式中，即可确定摄像头在世界坐标系中的位置；根据相机坐标轴Z c ，即摄像头的光轴线性表达式的指向，即可确定摄像头的朝向。
作为本发明再进一步的方案：所述摄像头的焦距F的计算公式如下：
其中，F W 为摄像头的横向焦距，F H 为摄像头的纵向焦距。
作为本发明再进一步的方案：所述内参矩阵K的表示如下：
其中，F W 为摄像头的横向焦距，F H 为摄像头的纵向焦距；R W 为摄像头拍摄画面的横向分辨率，R H 为摄像头拍摄画面的纵向分辨率。
作为本发明再进一步的方案：所述旋转矩阵Q和平移矩阵E具体形式如下：
其中，q 11，q 12，…，q 32，q 33均为旋转矩阵的元素；e 1，e 2和e 3均为平移矩阵的元素。
作为本发明再进一步的方案：世界坐标系的建立过程如下：
S51、首先通过无人摄像机拍摄智慧园区的高空俯拍图；
S52、接着根据高空俯拍图中智慧园区的形貌，在智慧园区的外围画上一个长方形的限位框；
S53、该限位框与智慧园区的水平地面重合，选择所述限位框的任一交点作为坐标原点O w ，该交点即为预先设定的点；
S54、沿着限位框上构成所述交点的两边分别建立X w 轴和Y w 轴；
S55、过坐标原点O w 并沿该点的海拔方向建立Z w 轴，Z w 轴、X w 轴和Y w 轴彼此垂直，此时世界坐标系O w -X w Y w Z w 建立完成。
作为本发明再进一步的方案：相机坐标系的建立过程如下：
S61、以摄像头透镜的几何中心为坐标原点O c ，以摄像头的光轴为Z c 轴，
S62、在过坐标原点O c 且与Z c 轴垂直的平面上建立彼此垂直的X c 轴和Y c 轴，Z c 轴、X c 轴和Y c 轴满足右手定则，此时相机坐标系O c -X c Y c Z c 建立完成。
作为本发明再进一步的方案：所述像素坐标系的建立过程如下：
S71、所述拍摄画面为长方形，选择该长方形的任一交点为坐标原点O uv ；
S72、选择该长方形相交于坐标原点O uv 的两边分别建立U轴和V轴，且U轴和V轴彼此垂直，此时像素坐标系O uv -UV建立完成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能够精准地确定各个摄像头在智慧园区内的位置和朝向，以便在遇到紧急情况时，能够通过摄像头的位置，快速地找到物体所处的园区的位置，进而及时派出工作人员进行处理。与此同时，摄像头的精准定位，能够快速地锁定人员的位置，并根据提前预估的人员行动轨迹，依次确定该行动路径上的摄像头，进而可以及时地调整摄像头的朝向，并同时能及时地转换不同的摄像头，以便记录人员的整个行动过程。
本发明通过像素坐标系、相机坐标系和世界坐标系之间的转换，能够准确地计算出标记物的位置。与此同时，在有了标记物准确的位置作为铺垫的前提下，通过最小二乘法的求解，即可得出相机坐标系在世界坐标系中的方位，进而根据相机坐标系的建立情况，推导出对应摄像头的位置和朝向。
附图说明
图1为本发明的操作流程结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
按照图1所示的操作步骤获取摄像头的位置和朝向。
1、获取标记物的世界坐标
选择某一园区作为智慧园区，并在该智慧园区中建立世界坐标系。世界坐标系坐标原点O w 的经纬度坐标为（E104.076337°,N30.548147°），世界坐标系Y w 轴正方向指向正南，世界坐标系X w 轴的正方向指向正东，进而建立世界坐标系O w -X w Y w Z w ，此地对应的P x =85392.66(m/°)，P y =111319.492(m/°)。
首先选择智慧园区内的主干道作为运动媒介的移动路线，选择园区内的巡逻小车为运动媒介，并在巡逻小车的车头处贴上一个圆形标记，以便摄像头能够拍摄识别，接着将导航设备安装在该圆形标记处。导航设备可以选择北斗导航装备也可以选择GPS导航设备。
巡逻小车沿着智慧园区的主干道行驶时，所有的摄像头均处于工作状态，摄像头可以拍摄记录下巡逻小车的行驶画面。
选择其中一个摄像头拍摄的一段画面，对该段画面进行逐帧分析，并提取该画面中连续的七帧画面作为拍摄画面，即巡逻小车在主干道上行驶过程中连续变化的七个时刻对应的七个位置。
圆形标记对应的七个经纬度坐标见表1所示：
表1 圆形标记的经纬度坐标
通过无人机在高空对智慧园区进行拍摄，获取智慧园区的高空俯视图。从高空俯视图可以看出智慧园区的形状大致为长方形，因此为了计算方便，于是在智慧园区的外围设定一个长方形，并且这个长方形与智慧园区的水平地面重合。由于智慧园区的地面并不一定都是水平的，因此，此时该长方形与巡逻小车移动路线所在的水平面重合。
设定巡逻小车的移动路线位于世界坐标系O w -X w Y w Z w 的X w Y w 平面上，于是将巡逻小车上的圆形标记在世界坐标系Z w 轴上的取值设为0；由于小车的移动路线在世界坐标系O w -X w Y w Z w 的X w Y w 平面上，因此巡逻小车上圆形标记的七个位置在世界坐标系Z w 轴上的取值均为0，即巡逻小车的海拔高度和世界坐标系坐标原点O w 的海拔高度相同。
根据转化公式：
计算巡逻小车在世界坐标系中对应的七个世界坐标如表2所示：
表2 圆形标记的世界坐标
2、获取摄像头的内参矩阵
根据摄像头的出厂信息，摄像头的纵向视场角A H 为47°，摄像头的横向视场角为75.8°，则根据公式可计算得到焦距：
F w =1233mm
F H =1239mm
F=(F H +F w )/2=1236mm
即可得摄像头的内参矩阵K为：
3、获取圆形标记在相机坐标系中的相机坐标
在摄像头成像时，成像平面通常为长方形，选取该成像平面的左上角为像素坐标系原点，水平向右为U轴正方向，竖直向下为V轴正方向，进而建立像素坐标系O uv -UV。
圆形标记对应的像素坐标如表3所示：
表3 圆形标记的像素坐标
圆形标记外径为0.25m，且圆形标记的轴线水平布置，则可将其外径尺寸设定为标记物的实际高度，即B=0.25m。在图像中使用圆形拟合，上述对应7个位置在像素坐标系中的像素高度如表4所示：
表4 圆形标记的像素高度
根据计算公式：
计算出对应的D t 如表5所示：
表5 圆形标记到摄像头镜片的距离
根据转化公式将对应像素坐标转化相机坐标，单位为m，转化后的相机坐标如表6所示：
表6 圆形标记的世界坐标
4、求解方程
使用最小二乘法，对上述的世界坐标和相机坐标一一对应构成的方程组进行求解，求解Q和E，求解的结果如下：
相机坐标系Z c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系X c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系Y c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
因为世界坐标系Y w 轴正方向指向正南，世界坐标系X w 轴的正方向指向正东，Z C 轴正方向为摄像头光轴正方向，故可推断摄像头约朝向东北方向，倾斜向下。具体的监控范围，可由上述方向配合视场角表示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择可在智慧园区内自由移动的物体作为运动媒介，设定运动媒介在智慧园区内的移动路线，且智慧园区内的所有摄像头依次分布在该移动路线上；使运动媒介沿着移动路线在智慧园区内移动，并记录该运动媒介的移动过程；
S2、获取运动媒介在移动过程中的经纬度，并利用转化公式将该经纬度转化为世界坐标系中对应的世界坐标；
S3、对各个摄像头拍摄的录像进行逐帧分析，并获取各帧画面中运动媒介在拍摄到该帧画面的摄像头的相机坐标系中的相机坐标；
S4、建立运动媒介的相机坐标和世界坐标的转化关系，并将各摄像头对应的相机坐标导入该转化关系中，以获得各摄像头在世界坐标系中的位置与朝向；
步骤S2的详细步骤如下：
S21、运动媒介包括可被摄像头拍摄到的标记物，并在该标记物处安装导航设备，通过导航设备记录标记物各时刻的经纬度；
S22、以智慧园区中预先设定的点作为坐标原点，建立世界坐标系O w -X w Y w Z w ；
S23、获取t时刻标记物的经纬度坐标(W t ,N t )；
S24、将(W t ,N t )代入转化公式中计算，以获得t时刻标记物的世界坐标(x w,t ,y w,t ,z w,t )，转化公式如下：
其中，x w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；y w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；z w,t 表示t时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；世界坐标系坐标原点O w 的经纬度坐标为(W 0 ,N 0 )，即W 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的经度，N 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的纬度；P x 表示智慧园区所在地的经度与米之间的换算比例；P y 表示智慧园区所在地的纬度与米之间的换算比例；h t 表示t时刻标记物的海拔高度；h 0 表示世界坐标系坐标原点O w 的海拔高度。
2.根据权利要求1所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，步骤S3的详细步骤如下：
S31、根据摄像头的出厂信息获取摄像头的拍摄参数，所述拍摄参数包括摄像头的横向视场角A W 、摄像头的纵向视场角A H 、摄像头拍摄画面的横向分辨率R W 和摄像头拍摄画面的纵向分辨率R H ；
S32、使用A W 、A H 、R W 和R H 计算摄像头的焦距，焦距的计算公式如下：
其中，F W 为摄像头的横向焦距，F H 为摄像头的纵向焦距，cot为余切函数；
S33、建立摄像头的相机坐标系O c -X c Y c Z c ，以及摄像头成像平面上的像素坐标系O uv -UV；
S34、对摄像头拍摄的录像进行逐帧分析，以获得t时刻对应的拍摄画面，并获取t时刻标记物在该拍摄画面中的像素坐标(u t ,v t )；
S35、获取t时刻标记物在像素坐标系中的像素高度，并根据透镜成像原理计算在t时刻标记物到摄像头透镜的距离，计算公式如下：
其中，D t 为t时刻标记物到摄像头透镜的距离，B为标记物的实际高度，F为摄像头的焦距，b t 为t时刻标记物在像素坐标系中的像素高度；
S36、使用坐标转化公式将t时刻标记物的像素坐标(u t ,v t )转化为t时刻对应的相机坐标(x c,t ,y c,t ,z c,t )，坐标转化公式如下：
其中，K为摄像头的内参矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，步骤S4的详细步骤如下：
S41、将t时刻标记物的相机坐标(x c,t ,y c,t ,z c,t )转化为对应的世界坐标(x w,t ,y w,t ,z w,t )，对应的转化关系的表达式如下：
其中，Q为旋转矩阵；E为平移矩阵；
S42、根据逐帧分析得到的不同时刻的拍摄画面，均采用步骤S41中的方式处理并建立方程组，方程组具体如下：
其中，/>表示t 1时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；
表示t n 时刻标记物在世界坐标系X w 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在世界坐标系Y w 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在世界坐标系Z w 轴上的坐标值；
表示t 1时刻标记物在相机坐标系X c 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在相机坐标系Y c 轴上的坐标值；/>表示t 1时刻标记物在相机坐标系Z c 轴上的坐标值；
表示t n 时刻标记物在相机坐标系X c 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在相机坐标系Y c 轴上的坐标值；/>表示t n 时刻标记物在相机坐标系Z c 轴上的坐标值；
S43、接着使用最小二乘法对方程组进行求解，求解出旋转矩阵和平移矩阵，以得到摄像头相机坐标系中的各个坐标轴在世界坐标系中的线性表达式；
相机坐标系X c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系Y c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
相机坐标系Z c 轴在世界坐标系中的线性表达式如下：
其中，k为线性表达式的参数；
S44、将相机坐标系坐标原点对应的相机坐标代入步骤S43的各个线性表达式中，即可确定摄像头在世界坐标系中的位置；根据相机坐标系Z c 轴线性表达式的指向，即可确定摄像头的朝向。
4.根据权利要求3所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，所述内参矩阵K表示如下：
其中，F W 为摄像头的横向焦距，F H 为摄像头的纵向焦距；R W 为摄像头拍摄画面的横向分辨率，R H 为摄像头拍摄画面的纵向分辨率。
5.根据权利要求4所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，所述旋转矩阵Q和平移矩阵E具体形式如下：
其中，q 11，q 12，…，q 32，q 33均为旋转矩阵的元素；e 1，e 2和e 3均为平移矩阵的元素。
6.根据权利要求5所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，世界坐标系的建立过程如下：
S51、首先获取智慧园区的高空俯拍图；
S52、接着根据高空俯拍图中智慧园区的形貌，在智慧园区的外围画上一个长方形的限位框；
S53、该限位框与智慧园区的水平地面重合，选择所述限位框的任一交点作为坐标原点O w ；
S54、沿着限位框上构成所述交点的两边分别建立X w 轴和Y w 轴；
S55、过坐标原点O w 并沿该点的海拔方向建立Z w 轴，Z w 轴、X w 轴和Y w 轴彼此垂直，此时世界坐标系O w -X w Y w Z w 建立完成。
7.根据权利要求6所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，相机坐标系的建立过程如下：
S61、以摄像头透镜的几何中心为坐标原点O c ，以摄像头的光轴为Z c 轴，
S62、在过坐标原点O c 且与Z c 轴垂直的平面上建立彼此垂直的X c 轴和Y c 轴，Z c 轴、X c 轴和Y c 轴满足右手定则，此时相机坐标系O c -X c Y c Z c 建立完成。
8.根据权利要求7所述的一种智慧园区监控摄像头的位置及朝向标定方法，其特征在于，所述像素坐标系的建立过程如下：
S71、所述拍摄画面为长方形，选择该长方形的任一交点为坐标原点O uv ；
S72、选择该长方形相交于坐标原点O uv 的两边分别建立U轴和V轴，且U轴和V轴彼此垂直，此时像素坐标系O uv -UV建立完成。
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