TW201915582A

TW201915582A - 影像擷取系統及其馬達定位方法

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Publication number: TW201915582A
Application number: TW106134908A
Authority: TW
Inventors: 葉仁宏; 黃國豪
Original assignee: 圓展科技股份有限公司
Priority date: 2017-10-12
Filing date: 2017-10-12
Publication date: 2019-04-16

Abstract

一種影像擷取系統包含第一影像擷取模組、第二影像擷取模組、驅動模組、物件鎖定模組、座標轉換模組及運算模組。第一影像擷取模組具有第一鏡頭，以擷取影像畫面。第二影像擷取模組具有第二鏡頭。驅動模組係與第二影像擷取模組電性連接，並具有水平轉動馬達、垂直轉動馬達及變焦馬達。水平轉動馬達及垂直轉動馬達係與第二影像擷取模組連結，而變焦馬達係與第二鏡頭連結。物件鎖定模組係由影像畫面中鎖定至少一目標物件，並產生對應於目標物件之二維座標(u,v)。座標轉換模組係依據目標物件之二維座標及第一預設參數而產生對應於目標物件之三維座標(x,y,z)。運算模組依據目標物件之三維座標及第二預設參數，而產生水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值。水平轉動馬達、垂直轉動馬達及變焦馬達係分別依據水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值而動作。

Description

影像擷取系統及其馬達定位方法

本發明係關於一種影像擷取系統及其馬達定位方法，特別係關於一種具有PTZ控制之影像擷取系統及其馬達定位方法。

目前在監控錄影產業，已經有許多使用雙鏡頭的攝影機搭配水平移動-傾斜-變焦(PTZ)控制，以達到跟隨或追蹤的目的。一般而言，具有雙鏡頭的攝影機係以一個廣角鏡頭搭配一個變焦鏡頭進行影像追蹤。由於雙鏡頭並非設置在同一個位置，因此在影像追蹤上會存在一定的誤差，因此使用者只能選擇接受這個具有誤差而不夠精準的攝影機。

據此，習知亦發展出一種校正方法，係在安裝後，透過廣角鏡頭所擷取的影像畫面，接著隨機挑選畫面中至少三個以上的任一點，以建立雙鏡頭之間的轉換機制。倘若攝影機被調整設置位置或角度之後，每次都必須重新校正，重係建立轉換機制，也顯得不夠方便。

因此，如何提供一種影像擷取系統及其馬達定位方法，使得影像擷取系統便於安裝，且搭配馬達定位方法能夠執行高精準度的PTZ控制，實屬當前重要課題之一。

有鑒於此，本發明之一目的在於提供一種能夠執行高精準度的PTZ控制之影像擷取系統及其馬達定位方法。

本發明之另一目的在於提供一種便於安裝及設定之影像擷取系統及其馬達定位方法。

為達上述目的，本發明提供一種影像擷取系統包含一第一影像擷取模組、一第二影像擷取模組、一驅動模組、一物件鎖定模組、一座標轉換模組及一運算模組。第一影像擷取模組具有一第一鏡頭，以擷取一影像畫面。第二影像擷取模組具有一第二鏡頭。驅動模組係與第二影像擷取模組電性連接，並具有一水平轉動馬達、一垂直轉動馬達及一變焦馬達。水平轉動馬達及垂直轉動馬達係與第二影像擷取模組連結，而變焦馬達係與第二鏡頭連結。物件鎖定模組係由影像畫面中鎖定至少一目標物件，並產生對應於目標物件之二維座標(u,v)。座標轉換模組係依據目標物件之二維座標及一第一預設參數而產生對應於目標物件之三維座標(x,y,z)。運算模組依據目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值。水平轉動馬達、垂直轉動馬達及變焦馬達係分別依據水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值而動作。

依據本發明之一實施例，其中第一預設參數包含一內部參數矩陣及一外部參數矩陣，分別如下：

依據本發明之一實施例，其中，產生對應於目標物件之三維座標的方程式如下：

依據本發明之一實施例，其中，運算模組更依據目標物件對應之三維座標而產生一校正座標(x1,y1,z1)，校正座標係第二鏡頭與目標物件之相對座標。

依據本發明之一實施例，其中，產生水平角度值(θ)的方程式如下：

依據本發明之一實施例，其中，產生垂直角度值(τ)的方程式如下：

依據本發明之一實施例，其中，第二預設參數包括第二鏡頭之一初始焦段的水平視角(θinitial)，而產生變焦倍率值(R)的方程式如下：

於上式中，，W是第二鏡頭欲擷取之一影像寬度，D是第二鏡頭與目標物件之距離。

另外，為達上述目的，本發明提供一種影像擷取系統的馬達定位方法。影像擷取系統具有一第一影像擷取模組及一第二影像擷取模組。馬達定位方法包含下列步驟：步驟一係由第一鏡頭擷取一影像畫面；步驟二係由影像畫面中鎖定至少一目標物件；步驟三係產生對應於目標物件之二維座標(u,v)；步驟四係依據目標物件之二維座標及一第一預設參數而產生對應於目標物件之三維座標(x,y,z)；步驟五係依據目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值；步驟六係依據水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值而分別調整一水平轉動馬達、一垂直轉動馬達及一變焦馬達。

承上所述，依據本發明之一種影像擷取系統及其馬達定位方法係利用雙鏡頭的其中之一所擷取的影像畫面為基準，搭配座標轉換模組及運算模組，進而將目標物件由二維座標轉換為三維座標，並再搭配與影像擷取系統本身高度關連之預設參數做適當的座標轉換修正，因而能夠準確地擷取所需的影像畫面。

10‧‧‧影像擷取系統

11‧‧‧第一影像擷取模組

111‧‧‧第一鏡頭

12‧‧‧第二影像擷取模組

121‧‧‧第二鏡頭

13‧‧‧驅動模組

131‧‧‧水平轉動馬達

132‧‧‧垂直轉動馬達

133‧‧‧變焦馬達

14‧‧‧物件鎖定模組

15‧‧‧座標轉換模組

16‧‧‧運算模組

17‧‧‧座體

20‧‧‧目標物件

D‧‧‧距離

H01‧‧‧第一距離

H11‧‧‧第一高度

H12‧‧‧第二高度

W01‧‧‧第二距離

W‧‧‧寬度

S01~S06‧‧‧步驟

第1圖係顯示依據本發明較佳實施例之一種影像擷取系統的外觀示意圖；第2圖係顯示依據本發明較佳實施例之影像擷取系統的架構方塊圖；第3圖係顯示依據本發明較佳實施例之一種影像擷取系統的馬達定位方法流程圖；以及第4圖智第6圖係顯示依據本發明較佳實施例之影像擷取系統的馬達定位方法中，其中影像擷取系統與目標物件之位置關係示意圖。

以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。須說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。另外，以下實施例中，相同的元件將以相同的元件符號加以說明。

請參照第1圖及第2圖所示，其中，第1圖係依據本發明較佳實施例之一種監控系統10的外觀示意圖，第2圖係影像擷取系統10的電路架構方塊圖。影像擷取系統10包含一第一影像擷取模組11、一第二影像擷取模組12、一驅動模組13、一物件鎖定模組14、一座標轉換模組15、一運算模組16及一座體17。

第一影像擷取模組11具有一第一鏡頭111，以對外界擷取一影像畫面。在本實施例中，第一鏡頭111係為一廣角鏡頭，其視角約為70度至180度。

第二影像擷取模組12具有一第二鏡頭121。在本實施例中，第二鏡頭121係為一可變焦之變焦鏡頭，以放大或縮小所要擷取的影像。

驅動模組13係與第二影像擷取模組12電性連接。且驅動模組至少具有一水平轉動馬達131、一垂直轉動馬達132及一變焦馬達133。其中，水平轉動馬達131及垂直轉動馬達132係與第二影像擷取模組12連結，以調整第二影響擷取模組12之第二鏡頭121之方向。變焦馬達133則係與第二鏡頭121連結，以控制第二鏡頭121的焦距。

物件鎖定模組14係由影像畫面中鎖定至少一目標物件，並產生對應於目標物件之二維座標(u,v)。

座標轉換模組15係依據目標物件之二維座標及一第一預設參數而產生對應於目標物件之三維座標(x,y,z)。

運算模組16依據目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值。

水平轉動馬達131、垂直轉動馬達132及變焦馬達133係分別依據水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值而動作。據此，本發明之水平轉動馬達131、垂直轉動馬達132及變焦馬達133即可實現PTZ控制，亦即影像擷取系統10係為一PTZ影像擷取系統。

第一影像擷取模組11係嵌設於座體17中，並令第一鏡頭111外露於座體17。第二影像擷取模組12則可藉由水平轉動馬達131的動作而相對於座體17轉動。於本實施例中，上述之物件轉換模組14、座標轉換模組15及運算模組16則可選擇性地設置於座體17中。然於其他實施例中，物件轉換模組14、座標轉換模組15及運算模組16可選擇性地設置於另一處，例如是終端機、電腦或雲端處理器，其可藉由訊號傳輸單元(圖未顯示)以有線傳輸或無線傳輸來傳遞訊號。

接著，請參照第3圖、第4圖並搭配上述，以說明本發明之一種影像監控裝置之馬達定位方法。馬達定位方法包括步驟S01至步驟S06。

步驟S01係由第一鏡頭111擷取一影像畫面。

步驟S02係由影像畫面中鎖定至少一目標物件20。

步驟S03係產生對應於目標物件20之二維座標(u,v)。

步驟S04係依據目標物件20之二維座標(u,v)及一第一預設參數而產生對應於目標物件20之三維座標(x,y,z)。於本實施例中，對應於目標物件20的基準點係為第二鏡頭121。換言之，係將第二鏡頭121於三維座標中當做原點(0,0,0)。

於本實施例中，對應於目標物件20之三維座標係依據下列方程式(1)而產生：

其中，第一預設參數係包含一內部參數矩陣(2)及一外部參數矩陣(3)，分別如下：

步驟S05係依據目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值。於本實施例中，由於水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值係用以控制第二鏡頭121朝向目標物件20。因此，必須針對先前的三維座標進行調整。

於本實施例中，係藉由運算模組16依據目標物件對應之三維座標而產生一校正座標(x1,y1,z1)，校正座標係代表第二鏡頭121與目標物件之相對座標。如第1圖所示，第二鏡頭121與第一鏡頭111在Y軸方向係相差一第一距離H01，而在Z軸方向係相差一第二距離W01。校正座標則是據此差異而得。

據此，如第5圖所示，於本實施例中，產生水平角度值(θ)的方程式(4)如下：

產生垂直角度值(τ)的方程式(5)如下：

另外，第二預設參數包括第二鏡頭121之一初始焦段的水平視角(θinitial)。初始焦段的水平視角是每一個鏡頭的特性參數，針對不同的鏡頭焦段會設計有不同的視角，然其是每一個鏡頭的常數，因此可在初始設定時即被固定。產生變焦倍率值(R)的方程式(6)如下：

於上式中，，如第6圖所示，W是第二鏡頭121欲擷取之一影像寬度，D則是第二鏡頭121與目標物件20之間的距離。

步驟S06係依據水平角度值、垂直角度值及變焦倍率值而分別調整水平轉動馬達131、垂直轉動馬達132及變焦馬達133，以使第二鏡頭121準確地朝向目標物件20進行影像擷取。

以下，係針對上述之影像擷取系統之馬達定位方法，再進一步舉例說明。如第4圖所示，假設第一鏡頭111所在的位置係三維座標中的原點(0,0,0)。再假設目標物件20具有一第一高度H11，而監控系統10之裝設位置距離地面具有一第二高度H12。於此可得到目標物件20於三維座標中的Y座標是H13。接著由二維影像座標(u,v)轉換可得目標物件20的三維座標是(x,H13,z)。接著，假設第二鏡頭121與第一鏡頭111之間的第一距離H01，而第二距離W01為，則獲得校正座標為(x,H13+H01,z+W01)。再根據方程式(4)及(5)可分別得知水平角度值，而垂直角度值

根據目標物件20的校正座標(x,H13+H01,z+W01)，可由下列方程式(7)得到第二鏡頭121與目標物件20之間的距離D：

再假設第二鏡頭121欲擷取之影像寬度W為W11公分，且第二鏡頭的初始焦段水平視角θinitial為θ 11，則可得到變焦倍率值為

以下，再以實際數據說明上述監控系統的馬達定位方法。若目標物件之影像畫面座標為(u,v)=(302,417)；轉換為三維座標可得(x,y,z)=(-604.1,-111.35,685.6)；轉換水平角度值及垂直角度值分別為-41.38度以及-6.95度；轉換變焦倍率值為8.86倍。影像擷取系統即可據此調整第二鏡頭之轉動角度及變焦倍率，以準確地擷取目標物件的影像畫面。

另外，本發明之馬達定位方法亦可針對多個目標物件進行座標轉換。由第一鏡頭可得到多個目標物件位置之二維座標為(U ₁ ,V ₁)、(U ₂ ,V ₂)、...、(U _i ,V _i)。接著，比較各目標物件之二維座標中之最大值及最小值座標，可得(U _min ,V _min)，(U _max ,V _max)。接著，再轉換最大值及最小值座標為三維座標，即為(Xmax,Ymax,Zmax)及(Xmin,Ymin,Zmin)。以三維座標的水平寬度為放大倍率之基礎，可得第二鏡頭需擷取之影像寬度W=abs(X _max-X _min)，而第二鏡頭與所需擷取之目標物件之間的距離。由上述，可換算第二鏡頭的變焦倍率值。最後，水平轉動角度值及垂直轉動角度值，則由目標物件二維座標中最大值及最小值的終點決定，如下列方程式(8)：

以下，再以實際數據說明上述多個目標物件的馬達定位方法。若二個目標物件於影像畫面中之座標為(u1,v1)=(302,417)，及(u2,v2)=(1099,528)；轉換為三維座標可得最大值及最小值分別為(Xmax,Ymax,Zmax)=(64.805,-111.35,338.3)及(Xmin,Ymin,Zmin)=(-604.1,-111.35,685.6)；接著可得第二鏡頭需擷取之影像寬度W=668.91，第二鏡頭與所需擷取之目標物件之間的距離D=578.61；換算第二鏡頭的變焦倍率值R=1.34；水平角度值及垂直角度值則由目標物件之二維座標中最大值及最小值的中點決定為(u,v)=(700.5,472.5)，再轉換為三維座標可得(X,Y,Z)=(-160.48,-111.35,455.25)，再轉換為水平角度值及垂直角度值分別為-19.42度以及-12.99度。

綜上所述，依據本發明之一種影像擷取系統及其馬達定位方法係利用雙鏡頭的其中之一所擷取的影像畫面為基準，搭配座標轉換模組及運算模組，進而將目標物件由二維座標轉換為三維座標，並再搭配與影像擷取系統本身高度關連之預設參數做適當的座標轉換修正，因而能夠準確地擷取所需的影像畫面。另外，除了單一目標物件之外，本發明亦可針對多個物件進行適當的運算及座標轉換，而擷取適當的影像畫面。據此，本發明之影像擷取系統及其馬達定位方法適合應用於課堂教室、會議演講、停車場或任何需要影像擷取或監控錄影之場合。

本發明符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士，爰依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包括於以下之申請專利範圍內。

Claims

一種影像擷取系統，包含：一第一影像擷取模組，具有一第一鏡頭，以擷取一影像畫面；一第二影像擷取模組，具有一第二鏡頭；一驅動模組，係與該第二影像擷取模組電性連接，具有一水平轉動馬達、一垂直轉動馬達及一變焦馬達，該水平轉動馬達及該垂直轉動馬達係與該第二影像擷取模組連結，該變焦馬達係與該第二鏡頭連結；一物件鎖定模組，係由該影像畫面中鎖定至少一目標物件，並產生對應於該目標物件之二維座標(u,v)；一座標轉換模組，係依據該目標物件之二維座標及一第一預設參數而產生對應於該目標物件之三維座標(x,y,z)；以及一運算模組，依據該目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值，其中，該水平轉動馬達、該垂直轉動馬達及該變焦馬達係分別依據該水平角度值、該垂直角度值及該變焦倍率值而動作。
如請求項1所述之影像擷取系統，其中，產生對應於該目標物件之三維座標的方程式如下：其中，是該第一預設參數之一內部參數矩陣，是該第一預設參數之一外部參數矩陣。
如請求項1所述之影像擷取系統，其中，該運算模組更依據該目標物件對應之三維座標而產生一校正座標(x1,y1,z1)，該校正座標係該第二鏡頭與該目標物件之相對座標。
如請求項3所述之影像擷取系統，其中，產生該水平角度值(θ)及該垂直角度值(τ)的方程式如下：；以及
如請求項3所述之影像擷取系統，其中，該第二預設參數包括該第二鏡頭之一初始焦段的水平視角(θinitial)，而產生該變焦倍率值(R)的方程式如下：其中，，W是該第二鏡頭欲擷取之一影像寬度，D是該第二鏡頭與該目標物件之距離。
一種影像擷取系統的馬達定位方法，該影像擷取系統具有一第一影像擷取模組及一第二影像擷取模組，包含下列步驟：由該第一鏡頭擷取一影像畫面；由該影像畫面中鎖定至少一目標物件；產生對應於該目標物件之二維座標(u,v)；依據該目標物件之二維座標及一第一預設參數而產生對應於該目標物件之三維座標(x,y,z)；依據該目標物件之三維座標及一第二預設參數，而產生一水平角度值、一垂直角度值及一變焦倍率值；以及依據該水平角度值、該垂直角度值及該變焦倍率值而分別調整一水平轉動馬達、一垂直轉動馬達及一變焦馬達。
如請求項6所述之馬達定位方法，其中，產生對應於該目標物件之三維座標的方程式如下：其中，是該第一預設參數之一內部參數矩陣，是該第一預設參數之一外部參數矩陣。
如請求項6所述之馬達定位方法，其中，該運算模組更依據該目標物件對應之三維座標而產生一校正座標(x1,y1,z1)，該校正座標係該第二鏡頭與該目標物件之相對座標。
如請求項8所述之馬達定位方法，其中，產生該水平角度值(θ)及該垂直角度值(τ)的方程式如下：；以及
如請求項8所述之馬達定位方法，其中，該第二預設參數包括該第二鏡頭之一初始焦段的水平視角(θinitial)，而產生該變焦倍率值(R)的方程式如下：其中，，W是該第二鏡頭欲擷取之一影像寬度， D是該第二鏡頭與該目標物件之距離。