CN204190832U - 一种人体运动跟踪摄像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种人体运动跟踪摄像装置，包括第一人体红外感应电路、第二人体红外感应电路、放大及差分比较电路、A/D转换电路、舵机、舵机控制电路以及CCD摄像电路，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路分别与放大及差分比较电路连接，所述放大及差分比较电路、A/D转换电路舵机控制电路以及CCD摄像电路顺序连接；所述CCD摄像电路安装在舵机上。本实用新型由于采用了人体红外探测电路，自动探测人体运动轨迹，通过硬件电路对探测信号进行放大与差分后，利用专用芯片生成PWM控制信号，从而控制舵机与摄像机的自动运行，能够在无需外力介入的情况下，自动进行人体目标的跟踪与拍摄。

Description

一种人体运动跟踪摄像装置

技术领域

本实用新型涉及跟踪摄像的研究领域，特别涉及一种人体运动跟踪摄像装置。

背景技术

在人体运动跟踪摄像领域，目前主要存在两种主流技术：第一、采用普通摄像机系统，利用摄像师人工操作的方式来对准人体目标的位置，根据人体的运动轨迹人为的改变摄像机的拍摄角度。日常生活中的舞台演出、电视拍摄等情况多采用这种模式。第二、将普通摄像机与计算机系统连接，运行计算机的相关应用程序，利用计算机的软硬件系统来控制摄像机的拍摄角度，实现人体目标的自动追踪与拍摄。但是上述两种方法均存在不足，对于第一种方法,该方法在整个拍摄过程都需要人力的介入，无法实现系统的自动跟踪拍摄功能，浪费人力、财力，效率比较低下。对于第二种方法，该方法在拍摄过程必须连接外部的计算机系统，且需要运行计算机的应用程序才能实现，连接比较复杂，系统体积庞大，无法脱离软件运行，使用不方便。也无法将该系统安装于各种小型设备上，使用范围受限。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种人体运动跟踪摄像装置。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种人体运动跟踪摄像装置，包括第一人体红外感应电路、第二人体红外感应电路、放大及差分比较电路、A/D转换电路、舵机、舵机控制电路以及CCD摄像电路，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路分别与放大及差分比较电路连接，所述放大及差分比较电路、A/D转换电路舵机控制电路以及CCD摄像电路顺序连接；所述CCD摄像电路安装在舵机上。

优选的，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路均采用BISS0001红外探测电路；所述BISS0001红外探测电路包括BISS0001芯片、热释电红外传感器PIR以及菲涅尔透镜，所述热释电红外传感器与BISS0001芯片连接，所述菲涅尔透镜以机械方式加载于热释电红外传感器的外侧。

优选的，所述放大及差分比较电路包括2个信号放大器和一个差分放大器，其中一个信号放大器与第一人体红外感应电路连接，另一个信号放大器与第二人体红外感应电路连接；2个信号放大器分别与差分放大器连接。

优选的，所述差分放大器采用NE553差分放大器；2个信号放大器均采用AD824信号放大器。

优选的，所述A/D转换器采用ADS8344芯片。

优选的，所述舵机控制电路包括KC5188芯片以及两个PNP晶体管，两个PNP晶体管的基极和集电极均与KC5188芯片连接，两个PNP晶体管的发射极。

优选的，所述CCD摄像电路包括电源电路、CCD图像传感器、CCD驱动和模数转换电路、时序电路、控制电路和温控电路和输出电路；所述CCD驱动和模数转换电路、输出电路、控制电路分别与CCD图像传感器；所述CCD驱动和模数转换电路还与时序电路连接，所述控制电路还与电源电路连接。

优选的，所述CCD摄像电路还包括与CCD图像传感器连接的镜头。

优选的，所述CCD图像传感器包括CCD图像传感器芯片与外围电路。

优选的，所述CCD图像传感器芯片采用ICX673AK芯片。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型由于采用了人体红外探测电路，自动探测人体运动轨迹，通过硬件电路对探测信号进行放大与差分后，利用专用芯片生成PWM控制信号，从而控制舵机与摄像机的自动运行，能够在无需外力介入的情况下，自动进行人体目标的跟踪与拍摄。

2、本实用新型采用纯硬件电路设计，无需软件程序的介入，所以具备很高的系统稳定性和可靠性，有效避免了软件锁死及外部干扰等情况，可以在各种强干扰的工业环境中应用。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理框图；

图2是本实用新型BISS0001红外探测电路原理图；

图3是本实用新型信号放大及差分比较电路的原理框图；

图4是本实用新型A/D转换电路的原理图；

图5是本实用新型舵机控制电路的原理图；

图6是本实用新型CCD摄像电路的原理框图；

图7是本实用新型CCD图像传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例的人体运动跟踪摄像装置，包括第一人体红外感应电路、第二人体红外感应电路、放大及差分比较电路、A/D转换电路、舵机、舵机控制电路以及CCD摄像电路，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路分别与放大及差分比较电路连接，所述放大及差分比较电路、A/D转换电路舵机控制电路以及CCD摄像电路顺序连接；所述CCD摄像电路安装在舵机上。

本实施例中，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路均采用BISS0001红外探测电路；如图2所示，所述BISS0001红外探测电路包括BISS0001芯片和热释电红外传感器PIR、菲涅尔透镜以及芯片的外围电路。其中，菲涅尔透镜半径大约1CM左右，以机械方式加装于PIR传感器的外侧。PIR传感器负责采集人体发射的大约10um波长的红外信号，同时菲涅尔透镜对红外信号进行增强与聚集，而后，PIR将红外信号转化为对应的电信号，经由外围电路耦合后，信号送至BISS0001芯片的第16管脚，BISS0001芯片负责对信号进行电压放大、去杂提纯、功率放大等一系列处理后，由芯片第2管脚输出信号，送至下一级电路处理。

BISS0001红外探测电路的工作原理及特性如下：

在自然界，任何高于绝对温度(-273度)时物体都将产生红外光谱，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，另一个是对红外光线进行聚集和增强的菲涅尔透镜。热释电红外传感器PIR能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，产生感应信号。这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。本实施例中，采用2路红外探测的方式即可实现对人体目标的方向性探测。

如图3所示，所述放大及差分比较电路包括2个信号放大器和一个差分放大器，其中一个信号放大器与第一人体红外感应电路连接，另一个信号放大器与第二人体红外感应电路连接；2个信号放大器分别与差分放大器连接；所述差分放大器采用NE553差分放大器；2个信号放大器均采用AD824信号放大器。每一路红外感应电路的输出信号由AD827放大后，可以得到放大后的检测信号；最后将两路红外探测放大信号输送至由NE5532组成差分减法放大电路，对两路放大信号进行差分放大，从而可以得到人体运动方向的判决信号。

如图4所示，本实施例中，所述A/D转换器采用ADS8344芯片；ADS8344芯是一个高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V单电源供电,最大采样速率为100kHz，信噪比达84dB，带有串行接口，它包含8个单端模拟输入通道(CH0～CH7)，也可合成为4个差分输入。由NE553差分放大器输出的模拟信号传输至ADS8344芯片，由ADS8344完成模数转换功能。

如图5所示，所述舵机控制电路包括KC5188芯片以及两个PNP晶体管，两个PNP晶体管的基极和集电极均与KC5188芯片连接，两个PNP晶体管的发射极。KC5188与外围PNP晶体管可组成一个直流脉宽调制电路，当控制输入端PIN2(IN)输入一个周期为20ms，脉宽为1.0-2.0ms的可变脉冲时，对应的桥式PWM电路可输出一个正向-负向可逆的驱动电压；当输入脉宽为1.5ms时为零点，此时桥式电路的晶体管输出一个2.5v左右的对称电压，从而使负载上的平均电压为零。当输入脉冲宽度增大(减小)时，桥式电路的一侧(或另一侧)开始导通。导通时间与输入脉宽与零点(1.5ms)之差成正比。当脉宽为2.0ms时负载上的电压接近为+Vcc；而脉宽为1.0ms时，负载上电压接近－Vcc；当输入脉宽为零点值(1.5ms)时，如输出不为零点，可调整PIN11脚的电位，使其恢复零点。利用这一特性，可用桥式电路驱动一个机械位置传感器(电位器)，形成位置闭环，从而组成一个位置控制器。

本实施例中，KC5188产生PWM脉冲控制信号，从而驱动舵机的角度转动，电路原理图见图5所示(图中英文字母“M”表示舵机)。

如图6所示，所述CCD摄像电路包括电源电路、CCD图像传感器、CCD驱动和模数转换电路、时序电路、控制电路和温控电路和输出电路；所述CCD驱动和模数转换电路、输出电路、控制电路分别与CCD图像传感器；所述CCD驱动和模数转换电路还与时序电路连接，所述控制电路还与电源电路连接；所述CCD摄像电路还包括与CCD图像传感器连接的镜头。本实施例中，CCD摄像电路的设计原理主要有：CCD图像传感器是利用光电器件的光电转换功能，将其感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号“图像”的一种功能器件。CCD器件感应到的电荷信号，经过行驱动脉冲和列驱动脉冲将电荷输出到前级放大器AFE，然后通过专用模数转换电路转换为数字信号，再以标准PAL-D格式输出。标准的视频信号必须用75欧姆同轴线传输，为了方便图像信号在双绞线传输，将标准PAL-D图像信号送到差分放大器中，转换为差分PAL-D信号。

CCD摄像电路的技术核心部分为CCD图像传感器电路，其余部分为一般的常规通用型电路。因此，下面对CCD摄像电路的核心部分：CCD图像传感器电路进行说明。

如图7所示，CCD图像传感器主要用于收集光信号，产生和图像相关的电信号。CCD图像传感器电路主要由CCD图像传感器芯片及外围电路组成，其核心设计是根据机载摄像头的性能指标要求选择合适的CCD芯片并对其进行合理设计。

通常对CCD芯片的选型主要从像素和尺寸两个发面来考虑。CCD的尺寸即是摄像头靶面的大小，尺寸的大小主要决定了摄像头的视场问题。目前所采用的CCD芯片大多为1/2.7英寸、1/2.5英寸、1/3英寸和1/1.8英寸。在对摄像角度有很严格要求的情况下，CCD尺寸的大小、CCD与镜头的配合将直接影响视场角度的大小和图像的清晰度。因此在相同的光学镜头下，若成像的尺寸越大，则视场角度也越大。本系统中的机载摄像头要求视场大于76度，因此为满足该视场角的要求，CCD像面尺寸选为1/3型，这样配合6毫米焦距的镜头使用便可满足视场要求。另外一个判断CCD芯片性能的指标的是像素，CCD是由面阵感光元素组成的，其中每一个元素被称为像素，像素越多，图像就越清晰。为了保证本实施例机载摄像头的图像分辨率大于500线，设计选用的CCD有效像素为976×582；而CCD图像传感器具有灵敏度高的特点，可以满足照度要求。综上所述，筛选出CCD芯片为Sony公司的ICX673AK芯片，它是1/3型，用于6毫米焦距PAL输出方式的镜头。有效像素为976(H)×582(V)，属于960H系统。

本实施例的工作原理为：

该人体运动跟踪摄像装置采用2个人体红外感应电路采集人体红外辐射数据，两个红外感应模块分别位于系统机械位置的左右两侧，这样可以同时采集两路人体红外感应数据。当人体向左侧移动时，左侧的红外感应模块将接收到越来越强烈的红外信号，而右侧的红外感应模块将接收到越来越弱的红外信号，因此，可以通过信号放大及差分比较电路判断人体的左右侧运动方向；同理，当人体沿着前后方向作远离摄像头的运动时，两个红外感应模块的信号必将同时减弱；而当人体沿着前后方向靠近时，两个红外感应模块的信号将同时增强；因此，通过比较两路信号的强弱及趋势变化，我们可以得到人体的准确运动轨迹。A/D转换电路将上述电路的模拟差分比较信号转化为数字信号，并传输给舵机控制电路，舵机控制电路将差分数字信号转化成PWM脉冲控制信号，从而控制舵机的机械转动，而CCD摄像电路装载于舵机之上，跟随舵机转动，最终可以实现CCD摄像电路跟随人体运动轨迹而转动。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，包括第一人体红外感应电路、第二人体红外感应电路、放大及差分比较电路、A/D转换电路、舵机、舵机控制电路以及CCD摄像电路，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路分别与放大及差分比较电路连接，所述放大及差分比较电路、A/D转换电路舵机控制电路以及CCD摄像电路顺序连接；所述CCD摄像电路安装在舵机上。

2.根据权利要求1所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述第一人体红外感应电路和第二人体红外感应电路均采用BISS0001红外探测电路；所述BISS0001红外探测电路包括BISS0001芯片、热释电红外传感器PIR以及菲涅尔透镜，所述热释电红外传感器与BISS0001芯片连接，所述菲涅尔透镜以机械方式加载于热释电红外传感器的外侧。

3.根据权利要求1所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述放大及差分比较电路包括2个信号放大器和一个差分放大器，其中一个信号放大器与第一人体红外感应电路连接，另一个信号放大器与第二人体红外感应电路连接；2个信号放大器分别与差分放大器连接。

4.根据权利要求3所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述差分放大器采用NE553差分放大器；2个信号放大器均采用AD824信号放大器。

5.根据权利要求1所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述A/D转换器采用ADS8344芯片。

6.根据权利要求1所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述舵机控制电路包括KC5188芯片以及两个PNP晶体管，两个PNP晶体管的基极和集电极均与KC5188芯片连接，两个PNP晶体管的发射极。

7.根据权利要求1所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述CCD摄像电路包括电源电路、CCD图像传感器、CCD驱动和模数转换电路、时序电路、控制电路和温控电路和输出电路；所述CCD驱动和模数转换电路、输出电路、控制电路分别与CCD图像传感器；所述CCD驱动和模数转换电路还与时序电路连接，所述控制电路还与电源电路连接。

8.根据权利要求7所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述CCD摄像电路还包括与CCD图像传感器连接的镜头。

9.根据权利要求7所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述CCD图像传感器包括CCD图像传感器芯片与外围电路。

10.根据权利要求9所述的人体运动跟踪摄像装置，其特征在于，所述CCD图像传感器芯片采用ICX673AK芯片。