CN201297930Y - 基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，包括摄像机、重型数字云台、系统控制单元、信号采集单元及电源；其中控制单元包括云镜解码卡，它通过计算将控制信号转换为脉冲信号，对镜头电机驱动器发送脉冲来精确控制镜头的伸缩，对云台马达驱动器发送脉冲来精确控制云台的旋转。同时，获取目标定位需要的云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距。由于系统在自动运行之前设置了各目标点的预置位，当镜头锁定目标以后，解码卡就能即时地将该预置位云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个参数远程传输给控制中心。从而实现各监测目标点的三维精确定位，以获取各监测目标点的清晰图像，当发现异常情况时，系统能快速精确定位。

Description

基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，尤其涉及一种适用于大面积监控的巡轨监控和目标精确定位难题的摄像系统。

背景技术

随着科技的进步，视频监控系统正在向数字化、智能化方向发展，并且与地理信息系统(GIS)结合也是其发展的必然方向。许多大型户外监控工程(如森林防火、边防巡逻、海事侦测、机场安保、军事保护、环保监测、能源勘探等)，普遍采用高倍摄像镜头加云台作业的方式，以较少的前端设备监控更多的监控面积。大型户外监控工程最看重图像质量和目标定位两个指标，但因为监控系统的应用水平受技术瓶颈的限制，监控的视频图像质量普遍较低、目标定位误差较大，一些新的智能化应用无法付诸实施，许多用户的个性化需求无法得到满足。

如果要解决以上问题，就必须精确控制监控点和监测点的三维参数，这就要求前端监控设备能有效控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个重要的参数。并且，用户可以根据监测点的不同情况预置不同的参数，各预置位串联形成运行轨迹。

目前市场上的同类产品，只能对云台的水平转角和垂直俯仰角的参数进行预置和获取，不能对镜头焦距的参数进行预置和获取。由于视频图像的获取是系统自动对焦而产生的，各目标监测点的图像并非同样清楚，使得获取的图像不能用于精确的智能识别。

同时，目标定位需要与地理信息系统(GIS)结合，利用监控点所在的空间地理位置如纬度、经度、海拨高度，前端设备运行时云台的水平转角、垂直夹角，以及镜头的焦距来实现目标的精确定位。

然而，目前市场上同类产品在目标定位时，一般只能控制云台的水平转角、垂直夹角，但不能有效控制镜头的相关参数。由于缺少镜头焦距这一非常重要的参数，使得定位的结果在相对方位上比较准确，而在具体位置的定位上误差较大。

此外，市面上也有高速球等摄像系统，它们的预置位采用的是被动记录，即高速球运行后记录各个目标的参数后保存，然后按该记录自动运行，而达不到主动设置和人工进行细微调节的目的。同时，由于高速球等摄像系统的有效摄像距离≤100米，根本无法解决大面积监控的相关难题。

发明内容

本实用新型的目的就是提出一种可安装在户外且可对需要监测的区域实现大面积巡轨监控，同时保证各监测点成像清晰，并能对各监测目标精确定位的，集摄像、存储、输出、控制为一体的大型户外基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案式这样的，即一种基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，包括摄像机、重型数字云台、系统控制单元、信号采集单元及电源；其中摄像机安装在重型数字云台上，由数字云台带动完成摄像机的水平转角或/和垂直仰角的改变；所述所述系统控制单元、信号采集单元及电源安装于基站控制箱内；其特征在于：

所述重型数字云台的水平转角驱动电机和垂直仰角驱动电机采用步进电机；所述系统控制单元包括：云镜解码卡、镜头电机驱动器、云台电机驱动器；信号采集单元包括IP处理模块及摄像机镜头；其中：云镜解码卡包括控制电路、控制端口和通讯端口，其中控制电路通过云镜控制端口连接镜头电机驱动器及云台电机驱动器，完成对云台的水平转角、垂直俯仰角以及镜头的焦距的驱动控制，并通过串口通讯模块及串通讯端口连接IP处理模块进行远程发送，还通过IP处理模块、串通讯端口及串口通讯模块接收远程的控制信息，存储各目标点预置位需要的云台的水平转角、垂直俯仰角及镜头的焦距；控制电路通过镜头控制端口连接摄像机的光圈和聚焦控制端，完成对镜头光圈及聚焦的控制；控制电路还通过光电耦合器构成的限位控制端口分别接收重型云台步进电机及镜头焦距驱动电机的起、始点位置开关信号；IP处理模块接收摄像机的视频信号，压缩后向远程发送。

本实用新型由于所述结构而产生的技术效果是显而易见的，即本系统的重型数字云台，采用了步进电机驱动方法，通过对云台马达驱动器发送脉冲来精确控制云台的旋转。所述摄像机采用了步进电机驱动方法，通过对镜头电机驱动器发送脉冲来精确控制镜头的伸缩。所述的系统控制单元的云镜解码卡，通过计算将控制信号转换为脉冲信号，通过对镜头电机驱动器发送脉冲来精确控制镜头的伸缩，通过对云台马达驱动器发送脉冲来精确控制云台的旋转。同时，为获取目标定位需要的三个重要参数，即云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距。由于系统在自动运行之前设置了各目标点的预置位，当镜头锁定目标以后，解码卡就能即时地将该预置位云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个参数远程传输给控制中心。从而实现摄像机在各目标点的三维精确定位。

附图说明

本实用新型的上述结构可以通过附图给出的非限定性的实施例进一步说明。

本实用新型有如下附图

附图1为本实用新型系统的结构框图；

附图2为本实用新型的云镜解码卡的结构框图；

附图3为云镜解码卡的电路原理图；

附图4为本实用新型系统的工作流程图。

具体实施方式

参见附图1，图中的基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，包括摄像机、重型数字云台、系统控制单元、信号采集单元及电源；其中摄像机安装在重型数字云台上，由数字云台带动完成摄像机的水平转角或/和垂直仰角的改变；所述所述系统控制单元、信号采集单元及电源安装于基站控制箱内；其特征在于：

所述重型数字云台的水平转角驱动电机和垂直仰角驱动电机采用步进电机；

所述摄像机的焦距驱动电机采用步进电机；

所述系统控制单元包括：云镜解码卡、镜头电机驱动器、云台电机驱动器；

所述信号采集单元包括IP处理模块及摄像机镜头；

其中：云镜解码卡包括控制电路、控制端口和通讯端口，其中控制电路通过云镜控制端口JP5连接镜头电机驱动器及云台电机驱动器，完成对云台水平转角驱动电机和垂直仰角驱动电机以及镜头焦距的驱动电机的控制，并将控制信息记录，然后通过串口通讯模块及串通讯端口连接IP处理模块进行远程发送，并通过IP处理模块、串通讯端口及串口通讯模块接收远程的控制信息；控制电路通过镜头控制端口JP3连接摄像机的光圈和聚焦控制端，完成对镜头光圈及聚焦的控制；控制电路还通过光电耦合器构成的限位控制端口分别接收重型云台步进电机及镜头焦距驱动电机的起、始点位置开关信号；IP处理模块接收摄像机的视频信号，压缩后向远程发送。

上述系统中，所述重型云台采用了张家港市港区电视设备厂的视宇牌，型号为SYB-1。通过改造，将该云台的水平转角及垂直俯仰角驱动交流电机更换为步进电机，所述步进电机由云台电机驱动器驱动，通过对云台电机驱动器发送脉冲来精确控制云台的旋转。所述云台电机驱动器采用型号为M202A的步进电机驱动器。

实施例中，本系统的摄像机采用CBC厂家的camputar牌，型号为T34Z5518AMSR。由于本系统需要对镜头的焦距进行控制，所以该摄像机的部分功能应该归属于本系统的控制单元。通过改造，将摄像机的直流电机更改为直流步进电机，通过对镜头电机驱动器发送脉冲来精确控制镜头焦距的改变。所述镜头电机驱动器采用型号为M202A的步进电机驱动器。

参见附图2、附图3，实施例中，所述的系统控制单元的云镜解码卡，是本摄像系统的核心部件，它包括控制电路和控制端口，控制电路由型号为87C51的微处理器芯片U01构成，也可以采用其它类似系列的微处理器芯片。所述控制端口包括镜头控制端口JP3、限位控制端口JP4、云镜控制端口JP5和串口通讯端口J323，其中U01通过型号为74LS04的放大驱动器及继电器J7、J8、J9，连接镜头控制端口JP3；U01通过型号为74LS04的放大驱动器及继电器J1-J6，连接辅助控制端口JP3；U01通过型号为TLP521-2的光电耦合器IC1、IC2、IC3连接限位控制端口JP4。所述辅助控制端口用于对摄像机护罩及雨刷等的控制。U01还通过轻触开关及手工按钮SW1-SW4连接云镜控制端口，实现对镜头电机驱动器及云台电机驱动器及对应电机的手动控制，便于现场的维修和调校。

本系统中的IP处理模块具有网络收发端口，对图像文件具有压缩编码的传输功能，由杭州海康威公司生产。

本实用新型所述的基站控制箱还内置有：温度感应器、风扇、发热器，完成对箱内温度的调节，以满足箱内装置的正常工作状态。

需要说明的是，在实际的应用当中，由于环境的复杂和气候的变化，指挥人员在目标定位时，需要执行人工定位。操作人员通过后台软件发出复位命令，云台和镜头回归初始状态，然后通过控制中心发出控制指令，云台和镜头分别运行至目标位置，此时云镜解码器记录下云台和镜头从初始状态到目标状态时，云镜解码器对镜头电机驱动器和云台马达驱动器分别发送了多少次脉冲，以此计算出目标状态下云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距。

参见附图4，本实用新型系统的工作流程如下：

步骤(A)：分别设置各监测点的预置位，包括云台的水平转角、垂直俯仰角，以及镜头的焦距这三个重要的参数，并保存；

步骤(B)：根据步骤(A)保存的各预置位，串联成运行轨迹；

步骤(C)：摄像机根据步骤(B)保存的运行轨迹，自动扫描；

步骤(D)：视频采集卡采集视频，并压缩视频信号，通过网络回传至控制中心；

步骤(E)：控制中心对图像进行识别，或摄像系统安装有智能识别软件，一旦发现监测点出现异常情况，系统自动触发报警；

步骤(F)：一旦报警，系统锁定目标，可人工或自动调节镜头焦距，放大监测点图像，方便管理人员肉眼观测。

步骤(G)：同时，利用当前监控点的纬度、经度、海拨高度，云台的水平转角、垂直夹角，以及镜头的焦距，结合地理信息系统(GIS)实现目标的精确定位。

所述步骤(A)还包括步骤(A1)：根据监控点和监测点之间的空间差异，设置云台的水平转角；

所述步骤(A)还包括步骤(A2)：根据监控点和监测点之间的空间差异，设置云台的垂直俯仰角；

所述步骤(A)还包括步骤(A3)：根据监控点和监测点之间的空间差异，设置镜头的焦距；

所述步骤(A)还包括步骤(A4)：保存A1、A2、A3所设置的三个参数，形成一个监测点的预置位；

所述步骤(A)还包括步骤(A5)：重复A1、A2、A3、A4，可设置另一个监测点的相关参数；如此循环，即可设置多个监测点的参数。

本发明所述的摄像控制方法中，所述步骤(B)还包括步骤(B1)：用户可根据不同季节、不同时间段设置不同的运行轨迹。

本实用新型的主要功能在于以下几个方面：

1)云台预置位和镜头预置位

为了使监控范围内各区域获取的视频图像都能达到清晰可辨的水平，同时能精确测算目标的地理位置，除了需要对云台的水平转角和垂直俯仰角进行预设置之外，还需要对镜头的远近参数(焦距)进行预设置。

本系统通过对步进电机的马达发送脉冲来驱动云台的旋转和镜头焦距的调节，通过对云台和摄像机镜头的电路进行改造，使得云镜解码器可以有效的控制和获取云台的水平转角、垂直俯仰角，以及镜头焦距的参数。这样，云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个目标定位的关键参数的精确预设置变为可能，一改传统的直流电机驱动无法精确预置这三个参数的弱点。

本系统的相关参数预置，是采用主动的方式，可以对每个目标进行手动调节，获取最佳效果后将精确的参数值保存以达到预置的目的。

2)按预设的轨迹巡轨运行

通过控制中心对云台运行轨迹的相关参数进行预设置，设置好的预置位可以保存在云镜解码器上，多个目标的预置位串联，可形成一条运行轨迹。

当前端设备不间断工作时，设备就可以按照设置好的轨迹(参数)运行。由于自编了多条花样轨迹，那么系统可根据不同时间段选择运行不同的轨迹。

这样一来，监控范围内每个监测点所获取的图像都能达到清晰可辨的水准，为图像的智能识别和精确定位创造有利的条件。

3)目标三维精确定位

通过三维目标定位方式，可以精确定位目标的地理位置。

当监测到目标出现异常行为后，根据当前云台的绝对三维(纬度，经度，相对高程)，云镜解码器解析前端设备拍摄图像时的相对三维(云台的水平转角，云台的垂直夹角，镜头的焦距)，回传至监控中心，结合GIS地理信息系统，精确测算出目标的具体位置。

本实用新型的优点在于以下几个方面：

1)步进电机驱动：有别于高速球等摄像系统，通过对马达发送脉冲来控制云台的旋转和镜头焦距的调节，可以精确预置云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数，实现对摄像系统相关参数的主动设置，并可人工进行细微调节。

2)云镜解码卡：云镜解码卡是解决系统的参数设置与获取问题，它通过数字集成电路对云台立体旋转和镜头聚集、变焦进行控制，可同时对云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数进行预设置；

3)云台预置位和镜头预置位：系统可以对云台运行轨迹的相关参数进行预设置，设置好的预置位参数可以保存在云镜解码器上，当前端设备不间断工作时，就可以按照设置好的轨迹(参数)运行。还可以对监控范围内的多目标逐一进行云台和镜头的预置位。

4)定点成像清晰：通过对云台的水平转角、垂直俯仰角、镜头的焦距这三个关键参数进行预设置，使得监控范围内的各个监测目标的运行参数可以精确设置，使得各个监测目标采集的视频图像清晰可辨，为视频智能识别打下了坚实的基础。在系统中添加各类智能识别软件，可以使监控系统智能化(如林火识别、烟尘识别、穿越警戒线等智能行为识别)，有效解决人工值守带来的漏报、误报问题，降低人力成本。

5)能适应恶劣的自然环境

由于采用了具有良好散热性能材料的基站控制箱，本实用新型的主要控制元件内置于箱体内。当温度高至上临界点时，风扇运转，加上箱体本身良好的散热性能，可以保证箱体内温度不会超高。当温度低至下临界点时，加热器发热，加上箱体本身具有良好的密闭性能，可以保证箱体内温度恒定在正常的范围以内。

重型数字云台由于本身自重达到了28KG以上，使得工作时抖动小，运行平稳，在户外风力较大时，仍然可以保证摄像机的稳定运行。

摄像机护罩自带雨刷，具有防雨、防风、防尘、防腐蚀等性能，保证了摄像机长期稳定运行。

需要说明的是，根据不同行业的不同用户，当环境条件出现变化时，需要选择不同类型的摄像机和镜头。为精确控制镜头的聚焦和变焦，需要对摄像机电路进行改造。

归纳上述，本发明是以环境条件作为基础参量，以上所述并非用以限定本发明。本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更多的更动与润饰，以保证本发明能更有效地解决不同行业用户的个性化需求。因此，本发明的保护范围当以后附的权利要求范围所界定为准。

Claims (3)

1、一种基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，包括摄像机、重型数字云台、系统控制单元、信号采集单元及电源；其中摄像机安装在重型数字云台上，由数字云台带动完成摄像机的水平转角或/和垂直仰角的改变；所述系统控制单元、信号采集单元及电源安装于基站控制箱内；其特征在于：

所述重型数字云台的水平转角驱动电机和垂直仰角驱动电机采用步进电机；

所述摄像机的焦距驱动电机采用步进电机；

所述系统控制单元包括：云镜解码卡、镜头电机驱动器、云台电机驱动器；

所述信号采集单元包括IP处理模块及摄像机镜头；

其中：云镜解码卡包括控制电路、控制端口和通讯端口，其中控制电路通过云镜控制端口(JP5)连接镜头电机驱动器及云台电机驱动器，完成对云台水平转角驱动电机和垂直仰角驱动电机以及镜头焦距的驱动电机的控制，并将控制信息记录，然后通过串口通讯模块及串通讯端口连接IP处理模块进行远程发送，并通过IP处理模块、串通讯端口及串口通讯模块接收远程的控制信息；控制电路通过镜头控制端口(JP3)连接摄像机的光圈和聚焦控制端，完成对镜头光圈及聚焦的控制；控制电路还通过光电耦合器构成的限位控制端口分别接收重型云台步进电机及镜头焦距驱动电机的起、始点位置开关信号；IP处理模块接收摄像机的视频信号，压缩后向远程发送。

2、根据权利要求1所述的基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，其特征在于：所述云镜解码卡还包括辅助控制端口，连接摄像机护罩及雨刷的电机控制端。

3、根据权利要求1所述的基于三维精确定位技术的大型户外摄像系统，其特征在于：所述的基站控制箱还内置有：温度感应器、风扇、发热器，完成对箱内温度的调节。

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