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一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法

阅读:1031发布:2020-05-08

专利汇可以提供一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于 像素 坐标的摄像监视设备匹配控制方法,涉及摄像监视领域。针对现有的摄像 跟踪 系统中摄像监视设备模糊单向控制的不足,本发明对原生PELCO控制协议进行改良,实现 变焦镜头 变焦值与摄像机视 角 值的定量分档控制与周期反馈;构建目标占比计算与校正的数学 几何模型 ,进一步得到摄像机视角设定值的计算公式,从而使目标像素尺寸占比达到设定值;构建目标偏移量计算与校正的数学几何模型,进一步得到旋转 云 台旋转值的计算公式,从而使目标回归到画面中央。经效果实验,本发明能够实现摄像监视设备精确稳定控制,使设备视角大小自匹配于目标大小、视角方向自匹配于目标移动量。,下面是一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法专利的具体信息内容。

1.一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于包括如下步骤:
S01:摄像机获取采集图像;标定目标并获取其像素坐标;
S02:依次执行步骤S03、S04,或者先执行S04后执行S03;完成基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制;
所述的S03为:根据目标占比当前值P1,摄像机平视当前值θ1,将目标占比设定值P2换算成摄像机水平视角设定值θ2;
根据获得的摄像机水平视角设定值θ2,对摄像机变焦镜头进行控制,使目标在画面中占比值达到设定比例;
所述的S04为:根据目标的中心坐标和采集图像中心坐标,得到目标角度偏移量;
根据目标角度偏移量对摄像机进行调整,使目标回到画面中央。
2.根据权利要求1所述的基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于所述的对摄像机变焦镜头进行控制的方法具体为:
摄像机包括摄像跟踪主机、外置硬件和变焦镜头;
将变焦镜头的焦距均匀地划分为N档,记Δt为相邻档位变换所需时间;则 T为将电动变焦镜头焦距从最大值到最小值或从最小值到最大值的移动时间,建立镜头档位-视角对照表;
根据镜头档位-视角对照表,摄像跟踪主机将摄像机水平视角设定值θ2换算为档位设定档位n2;摄像跟踪主机向外置硬件模块发送档位设置信息,外置硬件模块对比当前档位生成焦距移动指令控制变焦镜头,并将当前档位周期性反馈回传给摄像跟踪主机。
3.根据权利要求2所述的基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于摄像跟踪主机与外置硬件模块进行通信的命令格式为:
命令 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7
档位设置 0xFF 设备编号 0x00 0x4f 0x00 档位 Check Sum
档位回传 0xFF 设备编号 0x00 0x5d 0x00 档位 Check Sum
其中,字节1为同步字节,字节2为设备编号,字节4为信息类别信息,字节6为档位信息,字节7为校验值。
4.根据权利要求2所述的基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于所述的外置硬件模块接收来自摄像跟踪主机的命令,校验后更新设定档位n2;
每Δt时间,外置硬件模块进行一次如下判断:判断当前焦距控制方向Dir,正数表示增大,负数表示减小,0表示停止;计算档位差Δn=n2-n1,Δn为正表示焦距需要增大,为负表示焦距需要减小,0表示焦距值正好恰当;
根据Δn和Dir对应的值更改当前焦距控制方向,同时向摄像监视主机返回当前档位值。
5.根据权利要求4所述的基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于:所述的根据Δn和Dir对应的值更改当前焦距控制方向具体为:
a)Δn>0,Dir≤0,当前焦距控制方向与档位变换要求不一致,且档位要求变大,应发送“增大”指令;
b)Δn<0,Dir≥0,当前焦距控制方向与档位变换要求不一致,且档位要求变小,应发送“减小”指令;
c)Δn=0,Dir!=0,当前档位与设定档位一致,,同时焦距控制方向不为停止,应发送“停止”指令;
d)Δn*Dir>0,当前焦距控制方向与档位变换要求一致,应保持当前变换,不发送任何指令;
e)Δn=Dir=0,焦距控制结束,不发送任何指令。
6.根据权利要求1所述的基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,其特征在于:所述目标角度偏移量的获取方法为:
采集图像分辨率记为[Ih,Iv],其中h为横轴,v为竖轴;目标像素坐标值为[[Lh,Lv],[Rh,Rv]],其中[Lh,Lv]为目标标定框左上角像素坐标值,[Rh,Rv]为右下角值;相机成像视角为[θh,θv],
目标中心坐标[Ch,Cv]如公式(3.1)所示:
图像中心坐标为 目标像素偏移量为目标中心与图像中心坐标之差
通过几何关系,推出目标角度偏移量[Oh,Ov],如公式(3.2)所示:
θv被表示为公式(3.3):
相机水平成像视角θh记为θ,对公式(3.1)至公式(3.3)化简可得公式(3.4):

说明书全文

一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,尤其是能够使像素坐标标记的目标精确回归到画面中央并达到设定占比值的方法。

背景技术

[0002] 当前,摄像跟踪系统往往遵从图像采集、目标识别、设备控制这一流程,目标识别结果为目标类别、像素坐标等信息,设备控制基于上述信息对变焦镜头、旋转台等进行匹配控制。在进行匹配控制时,需要控制算法根据当前的变焦镜头变焦值、旋转云台旋转值、像素坐标计算出欲设定的变焦镜头变焦值、旋转云台旋转值,前者使目标像素尺寸占比达到设定比例,后者使目标回归到画面中央。以专利《一种入侵警戒光电监测系统及方法》(申请号:201910133621.X)为代表的方法往往指出了“采集-识别-控制”这一流程,但缺乏对控制步骤的深入解析,特别是缺乏对控制几何模型的构建和摄像监视设备精确控制的改良优化。
[0003] 在摄像监视设备控制方面,当前对变焦镜头、旋转云台控制最通用的协议主要是PELCO(派尔高)协议,包括PELCO-D和PELCO-P两种,但都只提供进度条式的模糊速度控制指令,且无反馈,无法满足精确、稳定控制需要。旋转云台技术槛相对较低,采用步进电机方式驱动即可实现精确步进量控制,因此只需要对PELCO协议进行改进即可,相关内容见专利《一种基于球机控制的串口通信协议》(申请号:201610555808.5)。变焦镜头,在工程应用中特指电动变焦镜头,技术门槛较高,特别是长焦距电动变焦镜头,往往只能进口,以日本品牌为主,其产品基本上只提供原生PELCO协议,在与其他系统联动中不满足精确匹配控制需要。

发明内容

[0004] 为了克服现有的摄像跟踪系统中摄像监视设备模糊单向控制的不足,本发明提供一种基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,该方法能够实现摄像监视设备精确稳定控制,使设备视大小自匹配于目标大小、视角方向自匹配于目标移动量。
[0005] 本发明基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制方法,包括如下步骤:
[0006] S01:摄像机获取采集图像;标定目标并获取其像素坐标;
[0007] S02:依次执行步骤S03、S04,或者先执行S04后执行S03;完成基于像素坐标的摄像监视设备匹配控制;
[0008] 所述的S03为:根据目标占比当前值P1,摄像机平视角当前值θ1,将目标占比设定值P2换算成摄像机水平视角设定值θ2;
[0009]
[0010] 根据获得的摄像机水平视角设定值θ2,对摄像机变焦镜头进行控制,使目标在画面中占比值达到设定比例;
[0011] 所述的S04为:根据目标的中心坐标和采集图像中心坐标,得到目标角度偏移量;根据目标角度偏移量对摄像机进行调整,使目标回到画面中央。
[0012] 作为本发明的优选方案,所述的对摄像机变焦镜头进行控制的方法具体为:
[0013] 摄像机包括摄像跟踪主机、外置硬件和变焦镜头;
[0014] 将变焦镜头的焦距均匀地划分为N档,记Δt为相邻档位变换所需时间;则T为将电动变焦镜头焦距从最大值到最小值或从最小值到最大值的移动时间,建立镜头档位-视角对照表;
[0015] 根据镜头档位-视角对照表,摄像跟踪主机将摄像机水平视角设定值θ2换算为档位设定档位n2;摄像跟踪主机向外置硬件模块发送档位设置信息,外置硬件模块对比当前档位生成焦距移动指令控制变焦镜头,并将当前档位周期性反馈回传给摄像跟踪主机。
[0016] 作为本发明的优选方案,所述的外置硬件模块接收来自摄像跟踪主机的命令,校验后更新设定档位n2;
[0017] 每Δt时间,外置硬件模块进行一次如下判断:判断当前焦距控制方向Dir,正数表示增大,负数表示减小,0表示停止;计算档位差Δn=n2-n1,Δn为正表示焦距需要增大,为负表示焦距需要减小,0表示焦距值正好恰当;
[0018] 根据Δn和Dir对应的值更改当前焦距控制方向,同时向摄像监视主机返回当前档位值。
[0019] 本发明对原生PELCO控制协议进行改良,实现变焦镜头变焦值与摄像机视角值的定量分档控制与周期反馈;构建目标占比计算与校正的数学几何模型,进一步得到摄像机视角设定值的计算公式,从而使目标像素尺寸占比达到设定值;构建目标偏移量计算与校正的数学几何模型,进一步得到旋转云台旋转值的计算公式,从而使目标回归到画面中央。经效果实验,本发明能够实现摄像监视设备精确稳定控制,使设备视角大小自匹配于目标大小、视角方向自匹配于目标移动量。
[0020] 不仅能够实现摄像监视设备视角与朝向的精确控制与反馈,而且能够实现与像素坐标的精确匹配计算,使目标回归到画面中央并达到设定比例。附图说明
[0021] 图1为本发明外置硬件模块连接示意图;
[0022] 图2为本发明外置硬件模块的内部逻辑图;
[0023] 图3为摄像机成像几何模型图;
[0024] 图4为本发明案例效果图。

具体实施方式

[0025] 下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下,均可进行相应组合。
[0026] 一、变焦镜头控制协议改进
[0027] 现有技术通过变焦镜头原生控制协议PELCO不能实现对变焦镜头精确的焦距控制和反馈,因此本实施例对协议进行改进,添加档位控制。
[0028] 档位控制方法,将变焦镜头的焦距接近均匀地划分为N档,最小值记为1 档,向增大方向移动时间Δt后,记为2档,以此类推,直到最大值N档。Δt为相邻档位变换所需时间,将电动变焦镜头焦距从最大值到最小值(反过来时间仍然一致)的时间记为T,则建立镜头档位-视角对照表。
[0029] 外置硬件模块连接示意图如图1所示,位于摄像跟踪主机与变焦镜头中间。摄像跟踪主机通过自定义协议向外置硬件模块发送档位设定值,外置硬件模块对比当前档位生成焦距移动指令控制变焦镜头,并将当前档位周期性反馈给摄像跟踪主机。
[0030] 基于PELCO-D协议,设计档位发送/反馈命令格式,如表1所示,其中字节 1为同步字节,字节2为设备编号,字节4为信息类别信息,字节6为档位信息,字节7为校验值。
[0031] 表1摄像跟踪主机档位发送/反馈命令格式
[0032]命令 Byte1 Byte2 Byte3 Byte4 Byte5 Byte6 Byte7
档位设置 0xFF 设备编号 0x00 0x4f 0x00 档位 Check Sum
档位回传 0xFF 设备编号 0x00 0x5d 0x00 档位 Check Sum
[0033] 外置硬件模块的内部逻辑如图2所示,主要部分为串口中断和定时中断。串口中断接收来自摄像跟踪主机的命令,校验后更新设定档位n2。定时中断每Δt 时间触发一次,触发后先判断当前焦距控制方向Dir,正数表示增大,负数表示减小,0表示停止;若值不为0,则表示动作已经执行完一个Δt周期,需对当前状态n1做相应加减操作;计算档位差Δn=n2-n1,Δn为正表示焦距需要增大,为负表示焦距需要减小,0表示焦距值正好恰当;综合判断Δn和Dir,共有9 种情况,分类后共有5种情况:
[0034] a)Δn>0,Dir≤0,当前焦距控制方向与档位变换要求不一致,且档位要求变大,应发送“增大”指令;
[0035] b)Δn<0,Dir≥0,当前焦距控制方向与档位变换要求不一致,且档位要求变小,应发送“减小”指令;
[0036] c)Δn=0,Dir!=0,当前档位与设定档位一致,,同时焦距控制方向不为停止,应发送“停止”指令;
[0037] d)Δn*Dir>0,当前焦距控制方向与档位变换要求一致,应保持当前变换,不发送任何指令;
[0038] e)Δn=Dir=0,焦距控制结束,不发送任何指令。
[0039] 根据对应的值更改当前焦距控制方向,同时向摄像监视主机返回当前档位值,返回格式如表1“档位回传”栏所示。
[0040] 二、目标占比计算与校正
[0041] 摄像机成像几何模型如图3所示,其中摄像机水平视角为θ,监视距离为L,目标直径为d,监视范围直径为D。为了方便,将参数当前值下标记为1,如θ1和 D1,同时将参数设定值下标记为2,如θ2和D2。
[0042] 采集图像分辨率记为[Ih,Iv](h为横轴,v为竖轴)。目标像素坐标值为[[Lh,Lv], [Rh,Rv]],其中前者为目标标定框左上角像素坐标值,后者为右下角值。
[0043] 几何关系描述如公式(2.1)所示:
[0044]
[0045] 设目标在图像中占比设为P,同样,将目标占比当前值设为P1,设定值设为 P2,P1和P2如公式(2.2)所示:
[0046]
[0047] 消去公式(2.1)和公式(2.2)中的监视距离L和监视范围直径为D,可以获得公式(2-3):
[0048]
[0049] 其中目标占比当前值P1如(2.4)所示:
[0050]
[0051] 因此,根据目标占比当前值P1,摄像机水平视角当前值θ,即可将目标占比设定值P2换算成摄像机水平视角设定值θ2,再按照电动变焦镜头改进控制协议实现视角控制,使目标占比合适。目标占比设定值P2设置为8%~13%时效果较好。
[0052] 三、目标偏移量计算与校正
[0053] 采集图像分辨率记为[Ih,Iv](h为横轴,v为竖轴)。目标像素坐标值为[[Lh,Lv], [Rh,Rv]],其中前者为目标标定框左上角像素坐标值,后者为右下角值。相机成像视角为[θh,θv]。
[0054] 目标中心坐标[Ch,Cv]如公式(3.1)所示:
[0055]
[0056] 图像中心坐标为 目标像素偏移量为目标中心与图像中心坐标之差再通过几何关系,可推到出目标角度偏移量[Oh,Ov],如公式 (3.2)所示:
[0057]
[0058] θv可以被表示为公式(3.3):
[0059]
[0060] 让θ=θh,对公式(3.1)至公式(3.3)化简可得公式(3.4):
[0061]
[0062] 旋转云台旋转角度即目标角度偏移量[Oh,Ov],如公式(3.4)所示,涉及参数包括图像分辨率[Ih,Iv]、目标像素坐标值[[Lh,Lv],[Rh,Rv]],以及相机水平向成像视角θ。当前旋转云台往往支持角度精确控制,因此可与摄像跟踪主机直接相连或通过外置硬件模块转发。
[0063] 以本发明的技术方案对实际无人机进行追踪控制,其效果如图4所示。
[0064] 在本发明的方法中,包含使目标回到画面中央的步骤,以及使目标在画面中占比值达到设定比例的步骤,两个步骤之间的先后执行顺序没有要求。在图4 所示的实施方案中,以先执行使目标回到画面中央的步骤为例。图4中,a和b 行是对四轴无人机的可见光与红外追踪,c和d行是对六轴无人机的可见光与红外追踪。第1列完成对无人机的识别,标定无人机并获取其像素坐标;第2列完成旋转云台匹配控制,使目标回到画面中央;第3列完成变焦相机控制,使目标在画面中占比值达到设定比例。
[0065] 从效果图可见,本发明通过对原生PELCO控制协议进行改良,可以实现变焦镜头变焦值与摄像机视角值的定量分档控制与周期反馈能够实现摄像监视设备精确稳定控制,使设备视角大小自匹配于目标大小、视角方向自匹配于目标移动量。
[0066] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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