CN1231044C

CN1231044C - 一种智能摄像头及其实现方法

Info

Publication number: CN1231044C
Application number: CN 02123518
Authority: CN
Inventors: 谢律; 邓中翰
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Guangdong Zhongxing Electronics Co ltd
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: CN1466371A

Abstract

本发明公开了一种具有智能感应功能的电脑摄像头，还公开了基于本发明所述电脑摄像头对运动目标作出感应的方法。本发明提供的电脑摄像头包括：图像和声音接收单元，图像声音处理和压缩单元，主控制器，电机驱动电路单元和机械转动装置。本发明提供的智能摄像头，可以对所拍摄图像中的运动目标进行识别，并且可以驱动控制电路自动调节摄像头的仰俯角、水平摆角以及与被拍摄目标的距离，完成自动跟踪运动物体，实现对用户在镜头前的动作做出反应。而且重要的是本发明提供了一个动作控制的操作平台，若电脑摄像头被增加一些机械部件和控制电路，则用户可以通过本发明提供的软件接口和摄像头内部的通用输入输出端口在电脑上编辑摄像头的各种动作。

Description

一种智能摄像头及其实现方法

技术领域

本发明涉及到一个电脑摄像头，尤其涉及到一个具有智能感应功能摄像头，它甚至具有可通过所连接的电脑对其进行运动控制的功能。

技术背景

现有技术包含如图1所示的摄像头部分和安装在个人电脑中的设备驱动程序。

在摄像头部分，镜头3将外部景物光线在图像传感器2上聚焦，图像传感器2把聚焦的光信号转换为数字信号，然后传输到图像声音处理和压缩模块4，在这个图像声音处理和压缩模块4中，图像信号经过亮度调节，色彩校正，以及其他图像质量增强的处理后经过数据压缩通过USB接口1传输图像数据到个人电脑中。

麦克风6(MIC)把声音信号转换成电信号，通过AD/DA转换器5转换为数字信号，再通过图像声音处理和压缩模块4把声音数据压缩后通过USB接口1传输到个人电脑中。

其中电脑摄像头里的主控制器13控制摄像头中各个部分的协调运作。

装载在个人电脑中的设备驱动程序17，用于摄像头设备的连接和提供图像和声音的数据传送。

现有技术提供了通过个人电脑拍摄和录制连续图像和声音的功能，通常被用于视频会议以及网上视频交流等。

然而在现有技术中，电脑摄像头仅仅起到简单的执行拍摄和传输图像的作用，它并不能对所拍摄物体的变化作出内部处理和外部动作反应，更不能提供这样的功能：在电脑摄像头被增加一些机械部件和控制电路后，用户可以通过计算机来控制其运动。

技术方案

针对现有技术的以上不足，本发明提出了这样如下解决方案。

本发明提供的电脑摄像头包括：图像和声音接收单元，图像声音处理和压缩单元，主控制器，电机驱动电路单元和机械转动装置。

图像和声音接收单元包括用来聚焦目标光线并将光信号转换为数字信号的镜头和图像传感器，以及接收声音并将声音信号转换成数字信号的麦克风和AD/DA转换器。

图像声音处理和压缩单元用来对接收的图像和声音进行处理。

主控制器用来控制各部分的协调运作。控制对图像声音处理和压缩单元传来的处理过的图像和声音信号的接收，并通过USB接口传送给PC机；接收PC机中图像分析和系统控制应用软件对图像和声音信号分析后传来的指令，来控制电机驱动电路单元。

电机驱动电路单元用于根据所接收的主控制器传来的指令来控制机械转动装置，以调节摄像头镜头的仰俯角和水平摆动角度或摄像头和目标之间的距离。

机械转动装置用来调整本发明所述摄像头镜头的仰俯角和水平摆动角度，也可以调整摄像头和目标之间的距离。

电脑主机上装有设备驱动程序，控制应用软件接口和图像分析和系统控制应用软件。图像分析和系统控制应用软件带有用户操作界面，用户可以通过菜单的选择和配置来编辑和修改摄像头的动作。

图2所示为上述摄像头的原理框图。

上述摄像头对所拍摄图像中的运动目标进行运动识别并对该运动目标作出反应的实现方法如下：

图像和声音接收单元聚焦目标光线并将光信号转换为数字信号并传给图像声音处理和压缩单元；

图像声音处理和压缩单元对从图像和声音接收单元传来的图像信号进行处理然后传给主控制器；

主控制器控制图像声音处理和压缩单元的处理过程并将传来的处理过的图像信号的通过USB接口传送给PC机；

PC机中的图像分析和系统控制应用软件对该图像目标进行运动判断；

PC机中的图像分析和系统控制应用软件对运动目标进行定位，并据以作出控制指令，然后通过USB接口传送给主控制器；

主控制器将该些指令传送给电机驱动电路单元；

电机驱动电路单元驱动机械转动装置，以调节摄像头镜头的仰俯角和水平摆动角度或摄像头和目标之间的距离，完成对运动目标的反应。

上述摄像头对所拍摄图像中的运动目标进行运动识别并对该运动目标作出反应的实现方法中，图像分析和系统控制应用软件对该图像目标进行运动判断的方法如下：

1、如图3，将摄像头拍摄的每帧图像划分为N*M个区域。N最大可以为图像的像素列数，最小可以是2。M最大为图像的像素行数，最小可以是2；

2、对每一区域中包含的所有像素的亮度值y值求和得到Y(n，m)＝∑y，作为这个区域的亮度值，这样我们得到当前帧的N*M个区域的亮度值；

3、比较当前帧Frame(k)和前一帧Frame(k-1)之间每一区域的亮度值之差ΔY(n，m)＝|Y_frame(k)(n，m)-Y_frame(k-1)(n，m)|

4、假如每一区域的ΔY(n，m)都低于某一个阀值A，即ΔY(n，m)＜A，则说明当前时刻没有运动物体，或没有值得注意的运动物体(A即为灵敏度，A＞0。)；

5、假如有一个或多个区域的ΔY(n，m)都高于某一个阀值，即ΔY(n，m)＞A，则说明当前时刻有运动物体；

6、如果要求对运动速度较慢的物体也能识别，则不是比较相邻两帧的亮度值的差，而是比较隔一帧或隔多帧的亮度值的差：

ΔY(n，m)＝|Y_frame(k)(n，m)-Y_frame(k-B)(n，m)|

B是间隔帧数，B越大越灵敏，B＞0。

上述摄像头对所拍摄图像中的运动目标进行运动识别并对该运动目标作出反应的实现方法中，图像分析和系统控制应用软件对运动目标进行定位，并据以作出控制指令的方法如下：

1、用上面计算所得到的每一个区域的亮度值之差ΔY(n，m)减去阀值A，若ΔY(n，m)-A＞0则K(n，m)＝1，否则K(n，m)＝0，得到每个块对应的K(n，m)；

2、把每一列的K值求或得到X(n)，n＝1到N，即X(n)＝K(n，1)or K(n，2)or...or K(n，m)；

3、把每一行的K值求或得到Y(m)，m＝1到M，即X(m)＝K(1，m)or K(2，m)or...or K(n，m)；

4、计算P(n)＝X(n)*n，n＝1到N，找到P(n)的最小值Pmin和P(n)的最大值Pmax，求出P＝(Pmax+Pmin)/2-N/2，得到P即为运动物体偏离图像中心点水平方向的相对位置，负值表示位于图像左半边，正值表示位于图像右半边；若Pmax＝0，则表示没有运动物体。

5、计算Q(m)＝Y(m)*m，m＝1到M，找到Q(m)的最小值Qmin和Q(m)的最大值Qmax，求出Q＝(Qmax+Qmin)/2-N/2，得到Q即为运动物体偏离图像中心点垂直方向的相对距离，负值表示位于图像上半边，正值表示位于图像下半边；若Qmax＝0，则表示没有运动物体。

6、根据P值和Q值，计算出摄像头转动角度和移动距离需要的动作命令，并将这些动作命令翻译为一条或多条控制指令。

在上面描述的电脑摄像头的基础上，本发明提供的电脑摄像头还可包括一个通用输入输出端口。它可为用户提供一个摄像头动作控制的操作平台。

在电脑摄像头被增加一些机械部件和控制电路(如，将电脑摄像头制作成某种宠物的外形，增加“手”，“脚”，“头”，“耳朵”，“眼睛”等电控机械部件)的时候，用户可以通过本发明提供的软件接口和摄像头内部的通用输入输出端口在电脑上编辑宠物的各种动作。

图5为该摄像头的原理框图。

该通用输入输出端口不仅可以加接和控制多个驱动电路，而且主控制器还可以通过通用输入输出端口读取诸如开关等输入单元的当前状态，并由图像分析和系统控制应用软件对这个输入做出处理。

上述摄像头在对所拍摄图像中的运动目标进行运动识别并对该运动目标作出反应的的基础上还可实现用户对摄像头运动状态的控制，方法如下：

1、读取方式：

主控制器可以通过通用输入输出端口读取诸如开关等输入单元的当前状态；

该状态值经过USB接口、设备驱动程序、控制应用软件接口传至图像分析和系统控制应用软件；

由图像分析和系统控制应用软件对这个输入做出处理，发出指令；

主控制器据该指令通过通用输入输出端口命令电机驱动电路单元控制机械转动装置作出相应反应。

2、编辑方式

用户通过图像分析和系统控制应用软件界面编辑动作命令；

图像分析和系统控制应用软件将这些动作命令翻译为驱动电路单元的控制指令；

据该指令，主控制器通过通用输入输出端口命令电机驱动电路单元控制机械转动装置作出相应反应。

至此，本发明用增加的该些用于动作控制的硬件和软件接口，为用户提供了一个完整的动作控制的操作平台。

另外，本发明还可增加一个无线传输单元，来传输以上所述装置和方法中的图像和声音到主机中去。

换句话说，本发明可以通过增加无线传输单元并将图像和声音转换为无线信号来传送到主机来实现视频会议和网上视频交流的无线传输模式。这将进一步扩大本发明提供的电脑摄像头的活动范围，减少因摄像头数据线带来的活动局限性。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

本发明提供的智能摄像头，可以对所拍摄图像中的运动目标进行识别，并且可以驱动控制电路自动调节摄像头的仰俯角、水平摆角以及与被拍摄目标的距离，完成自动跟踪运动物体。实现对用户在镜头前的动作(如挥手或移动等)做出反应。

此外，本发明在现有技术的基础上增加了用于动作控制的硬件和软件接口，使得电脑摄像头不仅能提供拍摄和传输图像，录制声音等基本功能，而且重要的是本发明提供了一个动作控制的操作平台，若电脑摄像头被增加一些机械部件和控制电路(如，将电脑摄像头制作成某种宠物的外形，增加“手”，“脚”，“头”，“耳朵”，“眼睛”等电控机械部件)，则用户可以通过本发明提供的软件接口和摄像头内部的通用输入输出端口在电脑上编辑宠物的各种动作。

附图说明

下面结合附图和并非特定的实施例对本发明作更详尽的说明。

图1是现有技术中电脑摄像头的结构原理框图。

图2是本发明所描述摄像头的结构原理框图。

图3是本发明所描述摄像头对图像目标进行运动判断的方法原理图。

图4是本发明所描述摄像头对运动目标进行定位，并据以作出控制指令的方法原理图。

图5是本发明所描述增加通用输入输出端口的摄像头的结构原理框图。

图6是具体实施例一的结构原理框图。

图7是具体实施例二的结构原理框图。

具体实施例

实施例一

如附图6所示：

本发明提供的电脑摄像头包括：图像接收单元，图像声音处理和压缩单元4，主控制器13，电机驱动电路单元和机械转动装置。

PC机里面装有设备驱动程序17，控制应用软件接口18和系统控制应用软件19。

图像接收单元包括镜头3和图像传感器2，镜头3将外部景物光线在图像传感器2上聚焦，图像传感器2把聚焦的光信号转换为数字信号，然后传输到图像声音处理和压缩单元4，在这个图像声音处理和压缩单元4中，图像信号经过亮度调节，色彩校正，以及其他图像质量增强的处理后经过数据压缩通过USB接口1传输图像数据到个人电脑中。

麦克风6(MIC)把声音信号转换成电信号，通过AD/DA转换器5转换为数字信号，再通过图像声音处理和压缩单元4把声音数据压缩后通过USB接口1传输声音数据到个人电脑中。

PC机中的图像分析和系统控制应用软件19对控制应用软件接口18传来的该图像信号进行判断处理，并作出控制指令，然后通过USB接口1传送给主控制器13；

主控制器13再将该些指令传送给电机驱动电路单元9；

电机驱动电路单元9控制电机15来驱动横向转动装置22、纵向转动装置23和滚动装置21，以调节摄像头镜头的仰俯角和左右摆动角度或摄像头和目标之间的距离，完成对运动目标的反应。

其中，滚动装置21可置于摄像头底座，横向转动装置22和纵向转动装置23可置于摄像头内，也可置于摄像头和底座的连接部位。

本发明所述摄像头与电脑的USB连线采用质地柔软的导线，以减少其对摄像头运动的影响。

实施例二

如附图6所示：

相对与实施例一，本实施例增加了通用输入输出端口8、继电器14、LED灯10、继电器驱动电路11以及输入单元12。

通用输入输出端口8，由主控制器的通用端口控制，通过控制端口的输入或输出，用来控制电机驱动电路9、LED灯10、和继电器驱动电路11的输出，且可从输入单元12得到输入信号。

电机驱动电路9和电机15用于驱动摄像头所增加的各个机械部件(宠物的手、脚或头部)运动，这些电机及其驱动电路可以是一个或多个，本实施例只画出一个。

LED灯10用于摄像头上需要LED灯装饰的部位(如宠物的眼睛或其他)。这些LED灯可以是一个或多个，本实施例只画出一个。

继电器驱动电路11和继电器14用于驱动摄像头所增加的各个机械部件的活动部位(如宠物的耳朵、嘴等)，这些继电器及其驱动电路可以是一个或多个，本实施例只画出一个。

开关12用于和摄像头的活动部件相连，这些部件在外力作用下可以触发开关的打开和关断，例如按动宠物的鼻子，触发鼻子下的开关。

图像分析和系统控制应用软件19把摄像头拍摄的图像中运动物体进行特征提取和识别，当运动物体偏离画面中央时，图像分析和系统控制应用软件19发出移动的命令，并且把这个命令翻译为电机和继电器的一条和多条控制指令，并通过控制应用软件接口18把基本的控制命令通过USB接口1传送到摄像头的主控制器13，由主控制器13通过通用输入输出端口8控制电机15和继电器14完成控制。

主控制器13也可以通过通用输入输出端口8读取开关12当前的状态，并把状态值经过USB接口1、设备驱动程序17、控制应用软件接口18到图像分析和系统控制应用软件19，由图像分析和系统控制应用软件19对这个输入做出处理。

用户也可以通过图像分析和系统控制应用软件19的界面编辑动作命令，图像分析和系统控制应用软件19将这些动作命令翻译为驱动电路单元的控制指令，据该指令，主控制器13通过通用输入输出端口8命令驱动电路9或11控制机械装置作出相应反应。

综上所述，通过本发明所叙述的智能摄像头技术，能够实现对所拍摄图像中的运动目标进行识别，并对用户在镜头前的动作做出反应的技术效果。

此外，在本发明提供的动作控制的操作平台上，用户还可能通过本发明提供的软件接口和摄像头内部的通用输入输出端口在电脑上编辑宠物的各种动作。

虽然此发明通过上面特定描述来阐述，但对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的优点和进行修改。因此在其最广泛的方面本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例，因此在不背离附权利要求及等同范围所限定的一般的概念的精神和范围的情况下可进行各种修改。

Claims

1、一种电脑摄像头，其特征在于，包括：

图像和声音接收单元，用于聚焦目标光线并将光信号转换为数字信号以及接收声音并将声音信号转换成数字信号；

图像声音处理和压缩单元，用于对接收的图像和声音进行处理；

主控制器，用于控制各部分的协调运作，即控制对图像声音处理和压缩单元传来的处理过的图像和声音信号的接收，并传送给电脑主机；所述电脑主机上装有图像分析和系统控制应用软件，所述主控制器控制接收电脑主机中图像分析和系统控制应用软件对图像和声音信号分析后传来的指令；

电机驱动电路单元，用于根据所接收的主控制器传来的指令来控制机械转动装置；

机械转动装置，用于在所述电机驱动电路单元的控制下，根据主控制器的指令调整本发明所述摄像头镜头的仰俯角和左右摆动角度，调整摄像头和目标之间的距离，从而完成对目标的自动跟踪。

2、根据权利要求1所述的电脑摄像头，其特征在于，电脑主机上装有设备驱动程序、控制应用软件接口。

3、根据权利要求2所述的电脑摄像头，其特征在于，图像分析和系统控制应用软件有可以通过菜单的选择和配置来编辑或修改摄像头动作的用户操作界面。

4、根据权利要求1所述的电脑摄像头，其特征在于，摄像头与电脑的USB连线采用质地柔软的导线，以减少其对摄像头运动的影响。

5、根据权利要求1所述的电脑摄像头，其特征在于，还可进一步包含一个无线传输单元，其作用是用来将图像和声音转换为无线信号并传送到主机。

6、根据权利要求1所述的电脑摄像头，其特征在于，还包括一个通用输入输出端口，其用于加接和控制多个驱动电路，并读取诸如开关等输入单元当前状态。

7、根据权利要求6所述的电脑摄像头，其特征在于，还包括一个或多个输入单元。

8、根据权利要求7所述的电脑摄像头，其特征在于，该些输入单元可与电脑摄像头的活动部件相连，这些部件在外力作用下可以影响该些输入单元的状态。

9、根据权利要求7所述的电脑摄像头，其特征在于，该些输入单元也可以是单独控制的开关。

10、根据权利要求6所述的电脑摄像头，其特征在于，还包括一个或多个继电器驱动电路。

11、根据权利要求6所述的电脑摄像头，其特征在于，还包括一个或多个LED灯。

12、根据权利要求11所述的电脑摄像头，其特征在于，该些LED灯可作功能性部件，也可作装饰性部件。

13、根据权利要求6所述的电脑摄像头，其特征在于，还包含一个无线传输单元，其作用是用来将图像和声音转换为无线信号并传送到主机。

14、一种基于本发明所述电脑摄像头的对运动目标作出感应的方法，其特征在于，包含以下步骤：

主控制器将该些指令传送给电机驱动电路单元；

电机驱动电路单元驱动机械转动装置，以调节摄像头镜头的仰俯角和左右摆动角度或摄像头和目标之间的距离，完成对运动目标的反应。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，图像分析和系统控制应用软件对图像目标进行运动判断的方法如下：

将摄像头拍摄的每帧图像划分为N*M个区域；

对每一区域中包含的所有像素的亮度值y求和，得到Y(n，m)＝∑y作为这一区域的亮度值，这样可得到当前帧的N*M个区域的亮度值；

比较当前帧Frame(k)和前一帧之间每一个区域的亮度值之差

ΔY(n，m)＝|Y_frame(k)(n，m)-Y_frame(k-1)(n，m)|；

假如每个区域的ΔY(n，m)都低于某一个阀值A，即ΔY(n，m)＜A，则说明当前时刻没有运动物体，或没有值得注意的运动物体，A即为灵敏度，A＞0；

假如有一个或多个区域的ΔY(n，m)都高于某一个阀值A，即

ΔY(n，m)＞A，则说明当前时刻有运动物体。

16、根据权利要求15所述的方法，其特征在于，如果要求对运动速度较慢的物体也能识别，则不是比较相邻两帧的亮度值的差，而是比较间隔B帧的亮度值的差：

ΔY(n，m)＝|Y_frame(k)(n，m)-Y_frame(k-B)(n，m)|

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，B为间隔帧数，B越大则越灵敏，B＞0。

18、根据权利要求14所述的方法，其特征在于，图像分析和系统控制应用软件对运动目标进行定位，并据以作出控制指令的方法如下：

用图像分析和系统控制应用软件对图像目标进行运动判断的方法所得到的每一区域的亮度值之差ΔY(n，m)件去减阀值A，若ΔY(n，m)-A＞0则K(n，m)＝1，否则K(n，m)＝0，得到每个区域对应的K(n，m)；

把每一列的K值求或得到X(n)，n＝1到N，即X(n)＝K(n，1)or K(n，2)or...or K(n，m)；

把每一行的K值求或得到Y(m)，m＝1到M，即X(m)＝K(1，m) or K(2，m)or...or K(n，m)；

计算P(n)＝X(n)*n，n＝1到N，找到P(n)的最小值Pmin和P(n)的最大值Pmax，求出P＝(Pmax+Pmin)/2-N/2，P为负值表示位于图像左半边，P为正值表示位于图像右半边；若Pmax＝0，则表示没有运动物体。

计算Q(m)＝Y(m)*m，m＝1到M，找到Q(m)的最小值Qmin和Q(m)的最大值Qmax，求出Q＝(Qmax+Qmin)/2-N/2，Q为负值表示位于图像上半边，Q为正值表示位于图像下半边；若Qmax＝0，则表示没有运动物体。

根据P值和Q值，计算出摄像头转动角度和移动距离需要的动作命令，并将这些动作命令翻译为一条或多条控制指令。

19、根据权利要求15或18所述的方法，其特征在于，N最大可以为图像的像素列数，最小可以是2。

20、根据权利要求15或18所述的方法，其特征在于，M最大为图像的像素行数，最小可以是2。

21、根据权利要求18所述的方法，其特征在于，P为运动物体偏离图像中心点水平方向的相对位置。

22、根据权利要求18所述的方法，其特征在于，Q即为运动物体偏离图像中心点垂直方向的相对距离。

23、一种通过读取方式对本发明所述电脑摄像头的运动状态进行控制的方法，该电脑摄像头包括：

机械转动装置，用于在所述电机驱动电路单元的控制下，根据主控制器的指令调整本发明所述摄像头镜头的仰俯角和左右摆动角度，调整摄像头和目标之间的距离，从而完成对目标的自动跟踪；

其特征在于，包含以下步骤：所述的主控制器通过通用输入输出端口读取诸如开关等输入单元的当前状态；

该状态值经过电脑摄像头和电脑主机的USB接口、电脑主机内的设备驱动程序、电脑主机内的控制应用软件接口传至电脑主机内的图像分析和系统控制应用软件；

所述图像分析和系统控制应用软件对这个输入做出处理，发出指令给所述主控制器；

所述主控制器据该指令通过通用输入输出端口命令所述电机驱动电路单元控制所述机械转动装置作出相应反应。

24、一种通过编辑方式对本发明所述电脑摄像头的运动状态进行控制的方法，该电脑摄像头包括：

其特征在于，包含以下步骤：

用户通过所述图像分析和系统控制应用软件界面编辑动作命令；

所述图像分析和系统控制应用软件将这些动作命令翻译为驱动电路单元的控制指令；

所述主控制器据该指令通过通用输入输出端口命令所述各电机驱动电路单元控制机械转动装置作出相应反应。