CN208798073U

CN208798073U - 一种具有方向确定功能的监控摄像机

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Publication number: CN208798073U
Application number: CN201821780352.3U
Authority: CN
Inventors: 刘毅; 袁硕之
Original assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Current assignee: China University of Mining and Technology Beijing CUMTB
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-04-26
Anticipated expiration: 2028-10-31

Abstract

本实用新型公开了一种具有方向确定功能的监控摄像机，所述监控摄像机不依赖云台控制控制方式制约，而具有自身实时动态方向确定功能。所述摄像机主要包括方向确定单元，角度检测单元，数据处理单元，图像采集单元，图像处理单元，通信单元及外壳。所述摄像机采用三种不同原理的传感器采集所述摄像机的方向信息，具有检测速度较快，检测精度较高的特点，可实时监测摄像机实时方向，在动态目标跟踪监控和图像识别定位领域有着广泛的应用前景。

Description

一种具有方向确定功能的监控摄像机

技术领域

本实用新型涉及一种具有方向确定功能的监控摄像机，具体涉及传感器数据采集及数据处理等领域。

背景技术

监控摄像机是安防监控系统的主要视频设备。随着数字图像处理技术和模式识别技术的发展，监控摄像机的应用范围进一步扩大。在煤矿井下监控摄像机也更多地应用于煤炭自动开采、人员及设备监控定位等领域。监控摄像机一般固定安装于云台上，受云台控制系统控制变换角度，从而实现对不同区域的图像采集。由于云台采用开环控制方式，监控中心可控制云台转动，然而无法获得监控摄像机的方向，即使采用特殊的具有闭环控制的云台，当摄像机被现场工作人员强制手动转动、或受其它外力作用改变角度时，监控中心同样无法获得监控摄像机准确的监控方向，特别是摄像机转动过程中的实时动态方向。由于无法准确获得监控摄像机的动态角度及在地理坐标系中的方向信息，监控中心就无法准确判定所采集图像的监控区域，因此无法通过图像模式识别技术对监控目标进行准确定位，严重制约着监控技术的发展与应用，特别是动态目标跟踪监控领域的应用。所以急切需要一种不依赖云台控制控制方式制约的，具有自身实时动态方向确定功能的监控摄像机。

实用新型内容

本发明目的在于提供一种具有方向确定功能的监控摄像机。所述摄像具有以下有益效果：

1.解决了现有摄像机无法准确获得监控摄像机的实时方向的问题，采用三轴加速度传感器，三轴磁力传感器及三轴陀螺仪传感器采集所述摄像机的方向信息，可不依赖云台控制系统自动输出监控摄像机的实时方向，具有检测速度较快，检测精度较高等特点。

2.具有摄像机角度数据实时视频叠加和角度数据传输的功能，可实时监测摄像机实时方向，为监控中心准确判定所采集图像的监控区域提供服务。

3.为通过图像模式识别技术对监控目标进行准确定位提供了技术支持，在动态目标跟踪监控和图像定位领域有着广泛的应用前景。

所述摄像机主要包括方向确定单元，角度检测单元，数据处理单元，图像采集单元，图像处理单元，通信单元和外壳。所述方向确定单元用于得到所述摄像机静止状态时的方向数据，包括至少一个三轴加速度传感器和至少一个三轴磁力传感器；所述角度检测单元用于得到摄像机姿态变化时的方向数据，包括至少一个三轴陀螺仪传感器；所述数据处理单元负责对方向确定单元及角度检测单元得到的数据进行处理，判断所述摄像机所处状态，并得到所述摄像机静止状态时在地理坐标系中的方向数据，计算所述摄像机动态的角度变化，进而得到所述摄像机在地理坐标系中的动态方向数据；所述图像采集单元负责视频图像采集；所述图像处理单元负责视频图像数据处理，将通过数据处理单元得到的角度数据以字符形式叠加到视频图像中，并将叠加后的视频图像编码压缩输出；通信单元负责将图像处理单元输出的编码压缩视频图像及数据处理单元输出的方向数据上传至接收设备。

1.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：数据处理单元计算三轴加速度传感器及三轴磁力传感器采集到的数据，得到所述摄像机处于静止状态时在地理坐标系中的方向数据。

2.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：数据处理单元通过计算角度检测单元三轴陀螺仪传感器采集到的数据，得到所述摄像机某时刻相对于静态方向的角度变化，并在静态方向基础上叠加，得到所述摄像机在地理坐标系中的动态方向数据。

3.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：所述图像采集单元包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件，所述感光芯片的感光平面与摄像机外壳的中心轴线垂直。

4.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：所述方向确定单元内的三轴加速度传感器、三轴磁力传感器及角度检测单元内的三轴陀螺仪传感器，均在所述摄像机的外壳内，所述三种传感器x轴方向均与摄像机镜头方向一致，z轴方向均垂直于摄像机向上。若上述三种传感器存在角度偏移，使用前应检测偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。

5.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：所述摄像机包括模拟视频输出端口。

6.所述具有方向确定功能的监控摄像机进一步包括：通信单元可采用有线通信模块或无线通信模块，用于有线网络及无线网络通信。

附图说明

图1一种具有方向确定功能的监控摄像机功能结构示意图

图2地理坐标系参考示意图

图3所述摄像机地理坐标系中方向示意图

图4传感器各轴向示意图

图5一种具有方向检测功能的摄像机实施过程示意图

具体实施方式

所述具有方向确定功能的监控摄像机如图1所示实施例中，包括：

1.方向确定单元(101)，采用反应速度快，检测精度高的三轴加速度传感器及三轴磁力传感器。三轴加速度传感器选取LIS3DH芯片，该芯片特性为运动感测范围广，敏感度较高，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。三轴磁力传感器选取HMC5883L芯片，该芯片精度较高，抗干扰能力强，敏感度较高，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。使用前需测量上述三轴加速度传感器和三轴磁力传感器轴向相对地理坐标系的偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。

2.角度检测单元(102)，选取反应速度快，检测精度高的三轴陀螺仪传感器，可采用 InvenSense公司生产的MPU3050三轴陀螺仪芯片。该芯片特性为运动感测范围广，由250到2000°/sec，敏感度较高，出厂前校准至1％的敏感度，所采集的信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。以上三轴加速度传感器，三轴磁力传感器及三轴陀螺仪传感器也可采用集成芯片，如MPU9250芯片，采集信号为数字信号，采集结果通过I2C串行数据通信传输给处理器。使用前需测量三轴陀螺仪传感器轴向相对地理坐标系的偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。

3.数据处理单元(103)，处理器用于处理由方向确定单元(101)及角度检测单元(102)得到的信号，通过计算判断所述摄像机的状态及静止与动态时在所述摄像机地理坐标系中的方向。处理器选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32kFlash，1kRAM；并有5种低功耗模式。所述三种传感器的SCL和SDA管脚可加上拉电阻连接MSP430F147处理器的两个标准I/O接口，通过处理器)控制产生时钟信号和实现I2C 串行数据通信。处理器也可由FPGA实现。

4.图像处理单元(104)，用于处理图像采集单元(105)采集到的图像信息，采用DSP处理器及OSD芯片，DSP处理器用于将数据进行压缩及处理，OSD芯片用于将数据处理器得到的角度数据叠加到图像中。

5.图像采集单元(105)，包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件。

6.辅助电路(106)，除以上提到的各单元设备外，装置还包括电源电路等辅助电路和相关元件，为各单元设备元件提供支持。

7.通信单元(107)可采用有线通信模块或无线通信模块，用于有线网络及无线网络通信，将图像采集单元(105)输出的压缩视频数据和数据处理单元(103)输出的角度。

8.外壳(108)，如在煤矿井下使用，需使用符合井下防爆标准的防爆外壳。

所述具有方向确定功能的监控摄像机的具体实施方式中，坐标系及偏移角定义参考图2，图3及图4：

1.参考图2，建立参考地理坐标系(201)，设定Z轴正上垂直于地面向上，X轴水平指向正北方向，Y轴水平指向正西方向。(202)为摄像机体的三维坐标系。两坐标系原点可不重合。

2.参考图3，(301)为摄像机体在参考地理坐标系XOY平面的偏移角度A1，(302)为摄像机体在参考地理坐标系XOZ平面的偏移角度A2，(303)为摄像机体在参考地理坐标系YOZ平面的偏移角度A3。根据偏移角度数据可获得摄像机体的方向。

3.参考图4，(401)为三轴陀螺仪芯片，转轴分别为Xt、Yt、Zt，具体实施时，摄像机体三维坐标系应参考三轴加速度传感器、三轴磁力传感器、三轴陀螺仪转轴进行确定，三个传感器的各轴应尽量重合，如不重合需进行换算补偿。

4.当所述摄像机处于静止状态时，数据处理器根据三轴磁力传感器及三轴加速度传感器采集到的数据A1_静，A2_静，A3_静作为摄像机体在参考地理坐标系XOY、XOZ、YOZ平面的偏移角度A1、A2、A3的值。

5.当所述摄像机处于动态时，数据处理器根据三轴陀螺仪采集到的数据，在静止状态的基础上通过叠加得到A1_动，A2_动,A3_动作为摄像机体在参考地理坐标系XOY、XOZ、YOZ平面的偏移角度A1、A2、A3的值。

所述具有方向确定功能的监控摄像机具体实施步骤如图5所示：

1.数据处理器判断所述摄像机是否处于静止状态，在静止状态下则根据三轴加速度传感器及三轴磁力传感器采集到的数据，得到摄像机体在参考地理坐标系XOY、XOZ、YOZ平面的偏移角度A1_静，A2_静，A3_静的值。判定所述摄像机处于非静止状态的方法包括，若在设定时间t₁内三轴陀螺仪三个轴向数据变化量Δa_X、Δa_Y、Δa_Z平方和的算术平方根大于设定阈值B1，即或在设定时间t₂内三轴加速度传感器三个轴向数据变化量Δb_X、Δb_Y、Δb_Z平方和的算术平方根大于设定阈值 B2，即或在设定时间t₃内三轴磁力传感器三个轴向数据变化量Δc_X、Δc_Y、Δc_Z平方和的算术平方根大于设定阈值B3，即则判定摄像机处于非静止状态；t₁、t₂、t₃、B1、 B2、B3值通过人为设定或测定得到。

2.三轴陀螺仪传感器得到所述摄像机动态时三个轴向上的瞬时角速度α_X,α_Y,α_z，并传输给数据处理单元。

3.数据处理单元对α_X进行叠加，A1_动＝A1_静+∫α_Xdt，得到摄像机体在参考地理坐标系XOY平面的偏移角度A1_动；对α_Y进行叠加，A2_动＝A2_静+∫α_Ydt，得到摄像机体在参考地理坐标系XOZ平面的偏移角度A2_动；数据处理单元对α_z进行叠加， A3_动＝A3_静+∫α_zdt，得到摄像机体在参考地理坐标系YOZ平面的偏移角度A3_动。 t的计时起点为所述摄像机判定为动态的时刻。

4.图像采集单元采集视频图像信息，并将视频图像信息传输给图像处理单元。

5.图像处理单元处理该时刻图像采集单元采集到的视频图像信息，并将方向数据以字符形式添加到视频图像中并进行压缩编码。

6.通信单元将经过压缩编码后的视频图像数据和带有时间信息的方向数据传输给接收设备。

Claims

1.一种具有方向确定功能的监控摄像机，其特征在于：摄像机主要包括方向确定单元，角度检测单元，数据处理单元，图像采集单元，图像处理单元，通信单元和外壳，所述方向确定单元用于得到所述摄像机静止状态时的方向数据，包括至少一个三轴加速度传感器和至少一个三轴磁力传感器；所述角度检测单元用于得到摄像机姿态变化时的方向数据，包括至少一个三轴陀螺仪传感器；所述数据处理单元负责对方向确定单元及角度检测单元得到的数据进行处理，判断所述摄像机所处状态，并得到所述摄像机静止状态时在地理坐标系中的方向数据，计算所述摄像机动态的角度变化，进而得到所述摄像机在地理坐标系中的动态方向数据；所述图像采集单元负责视频图像采集；所述图像处理单元负责视频图像数据处理，将通过数据处理单元得到的角度数据以字符形式叠加到视频图像中，并将叠加后的视频图像编码压缩输出；通信单元负责将图像处理单元输出的编码压缩视频图像及数据处理单元输出的方向数据上传至接收设备。

2.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：数据处理单元计算三轴加速度传感器及三轴磁力传感器采集到的数据，得到所述摄像机处于静止状态时在地理坐标系中的方向数据。

3.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：数据处理单元通过计算角度检测单元三轴陀螺仪传感器采集到的数据，得到所述摄像机某时刻相对于静态方向的角度变化，并在静态方向基础上叠加，得到所述摄像机在地理坐标系中的动态方向数据。

4.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述图像采集单元包括镜头和感光芯片，镜头用于光信号采集，感光芯片用于将光信号转化为电信号，采用CCD或CMOS感光元件，所述感光芯片的感光平面与摄像机外壳的中心轴线垂直。

5.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述方向确定单元内的三轴加速度传感器、三轴磁力传感器及角度检测单元内的三轴陀螺仪传感器，均在所述摄像机的外壳内，所述三种传感器x轴方向均与摄像机镜头方向一致，z轴方向均垂直于摄像机向上；若上述三种传感器存在角度偏移，使用前应检测偏移程度，根据偏移程度对最终结果进行补偿。

6.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述摄像机包括模拟视频输出端口。

7.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：通信单元可采用有线通信模块或无线通信模块，用于有线网络及无线网络通信。

8.如权利要求1所述的摄像机，其特征在于：所述摄像机还包括电源电路，为各单元设备元件提供支持。