CN206136124U - 一种自动跟踪运动目标的联动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动跟踪运动目标的联动装置，该装置包括与网络设备连接的图像获取设备和处理设备，与处理设备连接的显示设备；图像获取设备捕获输出监控视频流，接收控制命令控制其对运动目标自动缩放和跟踪的联动；网络设备转发图像获取设备输出的监控视频流和处理设备输出的控制命令；处理设备接收网络设备转发的监控视频流，依据视频流中感兴趣的运动目标的位置和像素面积输出控制命令及标记运动目标的位置和像素面积的监控视频流；显示设备显示标记运动目标的位置和像素面积的监控视频流。本实用新型不需要借助额外的辅助设备以获取运动目标或装置自身在视场中的位置信息，实现装置流畅稳定地对运动目标自动缩放和跟踪的联动。

Description

一种自动跟踪运动目标的联动装置

技术领域

本实用新型属于智能安防监控领域，尤其涉及一种通过云台背负的带有长焦变倍镜头的摄像机对运动目标进行宽视野，连续实时的自动缩放和自动跟踪运动目标的联动装置。

背景技术

随着信息技术的迅速发展和生活质量的不断提高，人们对生活和公共环境(如生活小区、车站、铁路、森林、机场等)的安防监控意识也不断增强。其中视频监控由于其直观性，得到了广泛的应用。以云台摄像机为代表的监控方案，将摄像机安装在云台上，通过控制云台水平方向和垂直方向的转动，可以实现对监控视野几乎无盲区的监控，尤其是安装在云台上的摄像机如果再配上长焦变倍镜头，可进一步增加监控景深，实现数千米内监控视野的覆盖，因此，以云台摄像机为代表的监控方案有着巨大的市场前景。

实际安防监控中，通常我们感兴趣的目标都是运动的，因此也需要控制云台做相应的转动并同时缩放，才能始终使得目标以适当的尺寸出现在监控画面中。如何控制云台转动便成了实现云台跟随运动目标联动的关键技术，因此，突破该项技术，实现通过云台摄像机自动缩放并跟踪监控视野中的运动目标，然后记录其过程，分析其意图，必将是未来智能安防监控领域的主流趋势。

由于通过监控人员手动控制的方式，存在不能得到连续的监控画面、不能跟踪快速移动的目标以及工作人员的工作量大等不足，因此迫切需要通过程序自动控制云台转动的方法。目前已有的自动控制云台转动的方法中：一类是根据运动目标以图像中心为参考点在图像中的位置，来确定云台转动的方向，而云台转动的角速度大小有的被设置为固定值、或者更进一步地根据运动目标在图像中的位置与图像中心的距离和图像中心与图像边缘的距离的比例关系，以及云台角速度所能达到的上下限值来量化云台转动的角速度，这类方法由于云台转动的角速度和目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度没有实质性的相关性，同样存在不能得到流畅的监控画面以及对于快速移动和速度多变的目标容易跟丢的问题；一类是借助额外加载如GPS定位追踪设备，电子罗盘等设备，以获取运动目标或自身在视场中的位置信息来控制云台跟随运动目标联动，或者对系统进行初始化校正，这一方面使得系统结构复杂以及成本增加，另一方面是在实际应用中，随机闯入监控视场的目标几乎不可能携带这些辅助设备，限制了这些方法的实际应用推广。

实用新型内容

为了克服现有技术中控制云台转动的角速度和目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度没有实质性的相关性，存在不能得到流畅的监控画面以及对于快速移动和速度多变的目标容易跟丢的问题，以及克服现有技术中控制云台转动以跟随运动目标联动需要借助辅助设备定位的运动目标或装置自身的位置信息的不足，本实用新型的目的是提供一种自动跟踪运动目标的联动装置。

本实用新型提供一种自动跟踪运动目标的联动装置，所述装置包括：与网络设备对应连接的图像获取设备和处理设备，与处理设备连接的显示设备；所述图像获取设备，捕获并输出监控视频流，接收所述网络设备转发的控制命令，控制图像获取设备对运动目标的自动缩放和自动跟踪的联动；所述网络设备，接收并转发图像获取设备输出的监控视频流，接收并转发处理设备输出的控制命令；所述处理设备，接收网络设备转发的监控视频流，依据视频流中感兴趣的运动目标的位置和像素面积得到并输出控制命令，同时输出标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流；所述显示设备，接收并显示标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流。

优选实施例，所述图像获取设备包括云台、摄像机、镜头，通过镜头与摄像机连接、摄像机与云台连接的方式，使镜头、摄像机、云台构成一体，根据所述控制命令控制图像获取设备的云台的角速度大小、角速度方向以及控制图像获取设备的镜头缩放，使得镜头和摄像机捕获并发送监控视频流的同时能随云台一同转动，实现对运动目标的自动缩放和自动跟踪的联动。

优选实施例，在所述系统的处理设备中实现的技术方案包括：像素差分比获取模块、云台角速度查询模块、云台角速度获取模块、像素面积获取模块和控制模块之间的具体连接关系如下：

所述像素差分比获取模块，检测监控视频流场景中感兴趣的运动目标的位置变化，输出运动目标的像素差分比；

所述云台角速度查询模块，查询并输出与当前时刻紧邻的前一时刻云台的角速度；

所述像素面积获取模块，检测监控视频流场景中运动目标的像素面积，输出镜头的缩放数据；

云台角速度获取模块，与对应的像素差分比获取模块和云台角速度查询模块连接，接收运动目标的像素差分比和与当前时刻紧邻的前一时刻云台的角速度，输出当前时刻云台的角速度数据；

控制模块，与云台角速度获取模块和像素面积获取模块对应连接，接收当前时刻云台的角速度数据和所述镜头的缩放数据，根据云台控制协议将所述角速度数据和所述缩放数据封装为控制命令，并将所述控制命令输出到网络设备。

优选实施例，所述像素差分比获取模块采用运动分解的方式获得运动目标的像素差分比，即将所述云台跟随运动目标联动以跟踪运动目标的过程分解为：先设置云台为静止，而设置运动目标为运动；后设置运动目标为静止，而设置云台为运动，分别检测运动目标在视频流中的位置变化，得到运动目标和云台的像素差分，根据运动目标和云台的像素差分关系获得运动目标的像素差分比。

优选实施例，所述云台角速度获取模块根据接收的当前时刻运动目标的像素差分比和云台在前一时刻的角速度，获得当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度。

优选实施例，所述云台角速度获取模块将当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度设置为云台的角速度，即下一时刻云台的角速度是当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度。

优选实施例，所述云台按与运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度同步的角速度做相应的旋转，使所述云台能够跟随运动目标联动而跟踪运动目标。

优选实施例，所述像素面积获取模块，检测当前时刻运动目标像素面积，并根据设定的期望的运动目标像素面积，获得当前时刻运动目标像素面积缩放比率，检测所述缩放比率与设定的运动目标像素面积缩放比率的上限阈值和下限阈值的关系，用于实现镜头缩放。

优选实施例，所述像素面积获取模块，检测到当前时刻运动目标像素面积缩放比率大于运动目标像素面积缩放比率上限阈值，向控制模块输出延长镜头的命令，用以放大运动目标；检测到当前时刻运动目标像素面积缩放比率小于运动目标像素面积缩放比率下限阈值，向控制模块输出缩短镜头的命令，用以缩小运动目标；检测到当前时刻运动目标像素面积缩放比率在运动目标像素面积缩放比率上限阈值和下限阈值之间，向控制模块输出运动目标不需要缩放的命令，使运动目标大小保持不变。

本实用新型自动跟踪运动目标的联动装置，具有如下有益效果：

(1)所述装置的处理设备在处理云台跟随运动目标联动以跟踪运动目标的任意瞬时过程时，将运动目标视为以云台为参考点做圆周运动，这一观点，为提出云台要跟随运动目标联动，只需要云台按与运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度同步的角速度旋转即可这一简单直接的解决方案，提供了前提。

采用运动分解的思想，将任意瞬时云台跟随运动目标联动以跟踪运动目标的过程分解为先云台静止而运动目标运动以及后运动目标静止而云台运动两个阶段，根据运动目标和云台的位移关系明确了任意瞬时运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度与当前云台的角速度的量化关系。

由于明确了运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度与当前云台的角速度的量化关系，可在云台每一最小动作反应周期内，使云台按与当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度同步的角速度旋转，从而使得云台可以自动实时连续平滑稳定地跟随感兴趣的运动目标，并对运动目标进行自动缩放，使得运动目标始终能以适当的尺寸显示在监控画面中，进而可用于低速运动目标如行人以及高速运动目标如行驶的车辆、航行的轮船、起降的飞机等的监控；平滑稳定地跟随感兴趣的运动目标联动，可为实现识别运动目标，分析运动目标行为意图等高层次的智能安防监控功能提供研究数据，对其有基础意义；由于本实用新型可仅根据图像处理与分析领域中的目标跟踪算法获取的运动目标在监控图像中的位置信息，即可实时计算运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度，不需要借助额外的辅助设备，这一方面使得方法本身简洁，另一方面使得装置结构简单，易于工程实现和推广应用。

(2)装置的图像获取设备监控视野宽广，根据选择的长焦变倍镜头并配合云台，可实现对水平360°、垂直90°范围内数千米监控视野的覆盖，适用于生活小区、车站、铁路、森林、机场等领域的监控，由于监控视野宽广，可以减少监控区域内的监控点位，进而降低监控成本；

(3)装置结构简单，成本低廉。装置仅由高清摄像机、长焦变倍镜头、云台、交换机、公共网络、后端处理设备以及显示设备组成，其中根据实际应用需要使用长焦变倍镜头是为了扩大监控景深，为可选组件，使用公共网络是为了实现远程传输，也为可选组件；

(4)装置实际应用时，只需要将装置的图像获取设备安装在一个视角较好的地方，便可以对大范围不同景深的运动目标跟踪联动，不需辅助调试校正，安装应用简便。

附图说明

图1为本实用新型一种自动跟踪运动目标的联动装置结构示意图；

图2为图1中本实用新型实现自动跟踪运动目标的联动系统中处理设备技术方案的框架图。

图3为本实用新型运动目标像素差分示意图；

图4为本实用新型云台像素差分示意图；

图5为本实用新型设置云台的角速度具体实施例；

图6为本实用新型通过所述像素面积缩放镜头的具体实施例。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

请参阅图1示出，本实用新型一种自动跟踪运动目标的联动装置结构图，所述装置包括：与网络设备对应连接的图像获取设备和处理设备，与处理设备连接的显示设备；所述图像获取设备，捕获并输出监控视频流，接收所述网络设备转发的控制命令，控制图像获取设备对运动目标的自动缩放和自动跟踪的联动；所述网络设备，接收并转发图像获取设备输出的监控视频流，接收并转发所述处理设备输出的控制命令；所述处理设备，接收网络设备转发的监控视频流，依据视频流中感兴趣的运动目标的位置和像素面积得到并输出控制命令，同时输出标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流；所述显示设备，接收并显示标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流。

请参阅图2示出使用基于像素差分比的跟踪运动目标的联动方法实现的自动跟踪运动目标的联动系统，在所述系统的处理设备中实现的技术方案包括：像素差分比获取模块、云台角速度查询模块、云台角速度获取模块、像素面积获取模块和控制模块之间的具体连接关系如下：

所述像素差分比获取模块，检测监控视频流场景中感兴趣的运动目标的位置变化，输出运动目标的像素差分比；

所述云台角速度查询模块，查询并输出与当前时刻紧邻的前一时刻云台的角速度；

所述像素面积获取模块，检测监控视频流场景中运动目标的像素面积，输出镜头的缩放数据；

云台角速度获取模块，与对应的像素差分比获取模块和云台角速度查询模块连接，接收运动目标的像素差分比和与当前时刻紧邻的前一时刻云台的角速度，输出当前时刻云台的角速度数据；

控制模块，与云台角速度获取模块和像素面积获取模块对应连接，接收当前时刻云台的角速度数据和所述镜头的缩放数据，根据云台控制协议将所述角速度数据和所述缩放数据封装为控制命令，并将所述控制命令输出到网络设备。

所述图像获取设备包括云台、摄像机、镜头；通过镜头与摄像机连接、摄像机与云台连接的方式，使镜头、摄像机、云台构成一体，根据所述控制命令控制图像获取设备的云台的角速度大小、角速度方向以及控制图像获取设备的镜头缩放，使得镜头和摄像机捕获并发送监控视频流的同时可随云台一同转动，实现对运动目标的自动缩放和自动跟踪的联动。所述镜头是长焦电动变倍镜头，如32倍光学电动变焦镜头；所述摄像机是高清摄像机；所述云台是以能载重摄像机和镜头重量为准的普通云台。使用长焦变倍镜头是为了扩大监控景深，为可选组件。

所述网络设备包括：交换机以及公共网络。使用公共网络是为了实现远程传输，为可选组件。

所述处理设备，是DSP处理器、工作站或者计算机。

所述显示设备，是液晶显示器或者显示屏。

图像获取设备的云台对运动目标自动跟踪过程可分解为任意瞬时运动目标以云台为参考点做圆周运动，云台只需按与运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度同步的角速度旋转，便可实现使所述云台跟随运动目标联动而跟踪运动目标。

所述处理设备的所述像素差分比获取模块采用运动分解的方式获得运动目标的像素差分比，即将所述云台跟随运动目标联动以跟踪运动目标的过程分解为先将云台设为静止，而设置运动目标为运动，后将运动目标设为静止，而设置云台为运动，分别检测运动目标在视频流中的位置变化，得到运动目标和云台的像素差分，根据运动目标和云台的像素差分关系获得运动目标的像素差分比。

本实用新型中利用运动分解获得运动目标的像素差分比的具体实施例的步骤包括：

步骤S1a：请参阅图3示出运动目标像素差分示意图，采用运动分解的思想，先云台设为静止而运动目标运动，以求得运动目标的像素差分，设置运动目标此时由o点水平向右运动到d点，即

L_do＝d-o＝v_o·t (1)

步骤S1b：请参阅图4示出云台像素差分示意图，采用运动分解的思想，再运动目标静止而云台运动，以求得云台的像素差分，设置云台此时由p点水平向右运动到d点，即

L_dp＝d-p＝v_p·t (2)

步骤S1c：根据运动目标和云台的像素差分关系，求得像素差分比，由公式(1)、(2)可得：

而角速度和线速度的关系为：

其中r为运动目标距离摄像机的距离，则有：

即像素差分比可表示为

公式中v_o为运动目标运动所需线速度、v_p为云台映射到目标对应处运动所需线速度、t为运动目标和云台运动所需的时间、w_o为当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度、w_p为云台在前一时刻的角速度。在实际应用中，公式(5)中表示目标在图像中位置的参数d、o、p通过图像处理与分析领域中的目标跟踪算法获得，云台在前一时刻的角速度w_p通过查询云台信息获得。

请参阅图5所示为利用处理设备设置云台的角速度的具体实施例，所述处理设备设置云台的角速度的具体实施例的步骤包括：

步骤S2a：所述云台角速度查询模块获得前一时刻云台的角速度w_p；

步骤S2b：根据接收的当前时刻计算的运动目标的像素差分比D和云台前一时刻的角速度w_p，所述云台角速度获取模块获得当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度w_o，由公式(5)、(6)可知，当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度w_o为：

w_o＝D·w_p (7)

步骤S2c：所述云台角速度获取模块，将当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度w_o设置为云台的角速度，即下一时刻云台的角速度是当前时刻运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度，表示为：

w_p＝w_o (8)

并将云台下一时刻的角速度w_p传输到控制模块；为了使云台始终跟随运动目标联动而跟踪运动目标，所述云台也应按与运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度同步的角速度做相应的转动。

请参阅图6示出利用处理设备缩放镜头的具体实施例，所述处理设备的所述像素面积获取模块，检测当前时刻运动目标像素面积S_c，并根据设定的期望的运动目标像素面积S_e，获得当前时刻运动目标像素面积的面积缩放比率R_c，检测所述当前时刻运动目标像素面积缩放比率与设定的运动目标像素面积缩放比率上限阈值R_h和下限阈值R_l的关系实现镜头缩放；

所述像素面积缩放比率R_c表示为：

所述处理设备缩放镜头的具体实施步骤包括：

步骤S3a：所述像素面积获取模块，检测到R_c>R_h，则向控制模块传输延长镜头的命令到图像获取设备的镜头，用以放大运动目标，当前时刻镜头缩放系数Z_c：

Z_c＝Z_p-R_c·Z_r (10)

步骤S3b：所述像素面积获取模块，检测到R_c<R_l，则向控制模块传输缩短镜头的命令到图像获取设备的镜头，用以缩小运动目标，当前时刻镜头缩放系数Z_c：

步骤S3c：所述像素面积获取模块，检测到R_l≤R_c≤R_h，则向控制模块传输运动目标不需要缩放的命令到图像获取设备的镜头，使运动目标大小保持不变；其中Z_p为前一时刻镜头的缩放系数，Z_r为根据使用镜头确定的比例因子。在实际应用中，运动目标像素面积缩放比率上限阈值R_h和下限阈值R_l以及期望的运动目标像素面积S_e根据实际情况设定，当前时刻运动目标像素面积S_c通过图像处理与分析领域中的目标跟踪算法获得。

上述阐述了一种自动跟踪运动目标的联动装置，该装置基于任意瞬时运动目标以云台为参考点做圆周运动在切线方向上的角速度的求解方法和根据运动目标在图像中的像素面积缩放镜头的方法实现。在本实用新型实现中，采用PELCO-D协议控制云台转动以及镜头的缩放。由于普通云台所能产生的运动速度是以速度等级离散的分布在所能达到的速度下限和上限之间，所以这里选择与计算出的运动目标以云台为参考点的角速度最接近的云台速度等级来控制云台旋转，实现对运动目标实时平滑连续的自动缩放和自动跟踪的联动。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种自动跟踪运动目标的联动装置，其特征在于，所述装置包括：与网络设备对应连接的图像获取设备和处理设备，与处理设备连接的显示设备；

所述图像获取设备包括云台、摄像机、镜头，通过镜头与摄像机连接、摄像机与云台连接的方式，使镜头、摄像机、云台构成一体，接收所述网络设备转发的控制命令控制图像获取设备的云台的角速度大小、角速度方向以及控制图像获取设备的镜头缩放，使得镜头和摄像机捕获并发送监控视频流的同时能随云台一同转动，实现对运动目标的自动缩放和自动跟踪的联动；

所述网络设备，接收并转发图像获取设备输出的监控视频流，接收并转发处理设备输出的控制命令；

所述处理设备，接收网络设备转发的监控视频流，输出标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流和控制图像获取设备的控制命令；

所述显示设备，接收并显示标记所述运动目标的位置和像素面积的监控视频流。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理设备是DSP处理器、工作站或者计算机。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述网络设备包括：交换机以及公共网络。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述显示设备，是液晶显示器或者显示屏。