一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置的製作方法
2023-08-04 14:08:51 2
本實用新型屬於智能安防監控領域，尤其涉及一種通過雲臺背負的帶有長焦變倍鏡頭的攝像機對運動目標進行寬視野，連續實時的自動縮放和自動跟蹤運動目標的聯動裝置。
背景技術：
隨著信息技術的迅速發展和生活質量的不斷提高，人們對生活和公共環境(如生活小區、車站、鐵路、森林、機場等)的安防監控意識也不斷增強。其中視頻監控由於其直觀性，得到了廣泛的應用。以雲臺攝像機為代表的監控方案，將攝像機安裝在雲臺上，通過控制雲臺水平方向和垂直方向的轉動，可以實現對監控視野幾乎無盲區的監控，尤其是安裝在雲臺上的攝像機如果再配上長焦變倍鏡頭，可進一步增加監控景深，實現數千米內監控視野的覆蓋，因此，以雲臺攝像機為代表的監控方案有著巨大的市場前景。
實際安防監控中，通常我們感興趣的目標都是運動的，因此也需要控制雲臺做相應的轉動並同時縮放，才能始終使得目標以適當的尺寸出現在監控畫面中。如何控制雲臺轉動便成了實現雲臺跟隨運動目標聯動的關鍵技術，因此，突破該項技術，實現通過雲臺攝像機自動縮放並跟蹤監控視野中的運動目標，然後記錄其過程，分析其意圖，必將是未來智能安防監控領域的主流趨勢。
由於通過監控人員手動控制的方式，存在不能得到連續的監控畫面、不能跟蹤快速移動的目標以及工作人員的工作量大等不足，因此迫切需要通過程序自動控制雲臺轉動的方法。目前已有的自動控制雲臺轉動的方法中：一類是根據運動目標以圖像中心為參考點在圖像中的位置，來確定雲臺轉動的方向，而雲臺轉動的角速度大小有的被設置為固定值、或者更進一步地根據運動目標在圖像中的位置與圖像中心的距離和圖像中心與圖像邊緣的距離的比例關係，以及雲臺角速度所能達到的上下限值來量化雲臺轉動的角速度，這類方法由於雲臺轉動的角速度和目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度沒有實質性的相關性，同樣存在不能得到流暢的監控畫面以及對於快速移動和速度多變的目標容易跟丟的問題；一類是藉助額外加載如GPS定位追蹤設備，電子羅盤等設備，以獲取運動目標或自身在視場中的位置信息來控制雲臺跟隨運動目標聯動，或者對系統進行初始化校正，這一方面使得系統結構複雜以及成本增加，另一方面是在實際應用中，隨機闖入監控視場的目標幾乎不可能攜帶這些輔助設備，限制了這些方法的實際應用推廣。
技術實現要素：
為了克服現有技術中控制雲臺轉動的角速度和目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度沒有實質性的相關性，存在不能得到流暢的監控畫面以及對於快速移動和速度多變的目標容易跟丟的問題，以及克服現有技術中控制雲臺轉動以跟隨運動目標聯動需要藉助輔助設備定位的運動目標或裝置自身的位置信息的不足，本實用新型的目的是提供一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置。
本實用新型提供一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置，所述裝置包括：與網絡設備對應連接的圖像獲取設備和處理設備，與處理設備連接的顯示設備；所述圖像獲取設備，捕獲並輸出監控視頻流，接收所述網絡設備轉發的控制命令，控制圖像獲取設備對運動目標的自動縮放和自動跟蹤的聯動；所述網絡設備，接收並轉發圖像獲取設備輸出的監控視頻流，接收並轉發處理設備輸出的控制命令；所述處理設備，接收網絡設備轉發的監控視頻流，依據視頻流中感興趣的運動目標的位置和像素麵積得到並輸出控制命令，同時輸出標記所述運動目標的位置和像素麵積的監控視頻流；所述顯示設備，接收並顯示標記所述運動目標的位置和像素麵積的監控視頻流。
優選實施例，所述圖像獲取設備包括雲臺、攝像機、鏡頭，通過鏡頭與攝像機連接、攝像機與雲臺連接的方式，使鏡頭、攝像機、雲臺構成一體，根據所述控制命令控制圖像獲取設備的雲臺的角速度大小、角速度方向以及控制圖像獲取設備的鏡頭縮放，使得鏡頭和攝像機捕獲並發送監控視頻流的同時能隨雲臺一同轉動，實現對運動目標的自動縮放和自動跟蹤的聯動。
優選實施例，在所述系統的處理設備中實現的技術方案包括：像素差分比獲取模塊、雲臺角速度查詢模塊、雲臺角速度獲取模塊、像素麵積獲取模塊和控制模塊之間的具體連接關係如下：
所述像素差分比獲取模塊，檢測監控視頻流場景中感興趣的運動目標的位置變化，輸出運動目標的像素差分比；
所述雲臺角速度查詢模塊，查詢並輸出與當前時刻緊鄰的前一時刻雲臺的角速度；
所述像素麵積獲取模塊，檢測監控視頻流場景中運動目標的像素麵積，輸出鏡頭的縮放數據；
雲臺角速度獲取模塊，與對應的像素差分比獲取模塊和雲臺角速度查詢模塊連接，接收運動目標的像素差分比和與當前時刻緊鄰的前一時刻雲臺的角速度，輸出當前時刻雲臺的角速度數據；
控制模塊，與雲臺角速度獲取模塊和像素麵積獲取模塊對應連接，接收當前時刻雲臺的角速度數據和所述鏡頭的縮放數據，根據云臺控制協議將所述角速度數據和所述縮放數據封裝為控制命令，並將所述控制命令輸出到網絡設備。
優選實施例，所述像素差分比獲取模塊採用運動分解的方式獲得運動目標的像素差分比，即將所述雲臺跟隨運動目標聯動以跟蹤運動目標的過程分解為：先設置雲臺為靜止，而設置運動目標為運動；後設置運動目標為靜止，而設置雲臺為運動，分別檢測運動目標在視頻流中的位置變化，得到運動目標和雲臺的像素差分，根據運動目標和雲臺的像素差分關係獲得運動目標的像素差分比。
優選實施例，所述雲臺角速度獲取模塊根據接收的當前時刻運動目標的像素差分比和雲臺在前一時刻的角速度，獲得當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度。
優選實施例，所述雲臺角速度獲取模塊將當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度設置為雲臺的角速度，即下一時刻雲臺的角速度是當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度。
優選實施例，所述雲臺按與運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度同步的角速度做相應的旋轉，使所述雲臺能夠跟隨運動目標聯動而跟蹤運動目標。
優選實施例，所述像素麵積獲取模塊，檢測當前時刻運動目標像素麵積，並根據設定的期望的運動目標像素麵積，獲得當前時刻運動目標像素麵積縮放比率，檢測所述縮放比率與設定的運動目標像素麵積縮放比率的上限閾值和下限閾值的關係，用於實現鏡頭縮放。
優選實施例，所述像素麵積獲取模塊，檢測到當前時刻運動目標像素麵積縮放比率大於運動目標像素麵積縮放比率上限閾值，向控制模塊輸出延長鏡頭的命令，用以放大運動目標；檢測到當前時刻運動目標像素麵積縮放比率小於運動目標像素麵積縮放比率下限閾值，向控制模塊輸出縮短鏡頭的命令，用以縮小運動目標；檢測到當前時刻運動目標像素麵積縮放比率在運動目標像素麵積縮放比率上限閾值和下限閾值之間，向控制模塊輸出運動目標不需要縮放的命令，使運動目標大小保持不變。
本實用新型自動跟蹤運動目標的聯動裝置，具有如下有益效果：
(1)所述裝置的處理設備在處理雲臺跟隨運動目標聯動以跟蹤運動目標的任意瞬時過程時，將運動目標視為以雲臺為參考點做圓周運動，這一觀點，為提出雲臺要跟隨運動目標聯動，只需要雲臺按與運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度同步的角速度旋轉即可這一簡單直接的解決方案，提供了前提。
採用運動分解的思想，將任意瞬時雲臺跟隨運動目標聯動以跟蹤運動目標的過程分解為先雲臺靜止而運動目標運動以及後運動目標靜止而雲臺運動兩個階段，根據運動目標和雲臺的位移關係明確了任意瞬時運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度與當前雲臺的角速度的量化關係。
由於明確了運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度與當前雲臺的角速度的量化關係，可在雲臺每一最小動作反應周期內，使雲臺按與當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度同步的角速度旋轉，從而使得雲臺可以自動實時連續平滑穩定地跟隨感興趣的運動目標，並對運動目標進行自動縮放，使得運動目標始終能以適當的尺寸顯示在監控畫面中，進而可用於低速運動目標如行人以及高速運動目標如行駛的車輛、航行的輪船、起降的飛機等的監控；平滑穩定地跟隨感興趣的運動目標聯動，可為實現識別運動目標，分析運動目標行為意圖等高層次的智能安防監控功能提供研究數據，對其有基礎意義；由於本實用新型可僅根據圖像處理與分析領域中的目標跟蹤算法獲取的運動目標在監控圖像中的位置信息，即可實時計算運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度，不需要藉助額外的輔助設備，這一方面使得方法本身簡潔，另一方面使得裝置結構簡單，易於工程實現和推廣應用。
(2)裝置的圖像獲取設備監控視野寬廣，根據選擇的長焦變倍鏡頭並配合雲臺，可實現對水平360°、垂直90°範圍內數千米監控視野的覆蓋，適用於生活小區、車站、鐵路、森林、機場等領域的監控，由於監控視野寬廣，可以減少監控區域內的監控點位，進而降低監控成本；
(3)裝置結構簡單，成本低廉。裝置僅由高清攝像機、長焦變倍鏡頭、雲臺、交換機、公共網絡、後端處理設備以及顯示設備組成，其中根據實際應用需要使用長焦變倍鏡頭是為了擴大監控景深，為可選組件，使用公共網絡是為了實現遠程傳輸，也為可選組件；
(4)裝置實際應用時，只需要將裝置的圖像獲取設備安裝在一個視角較好的地方，便可以對大範圍不同景深的運動目標跟蹤聯動，不需輔助調試校正，安裝應用簡便。
附圖說明
圖1為本實用新型一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置結構示意圖；
圖2為圖1中本實用新型實現自動跟蹤運動目標的聯動系統中處理設備技術方案的框架圖。
圖3為本實用新型運動目標像素差分示意圖；
圖4為本實用新型雲臺像素差分示意圖；
圖5為本實用新型設置雲臺的角速度具體實施例；
圖6為本實用新型通過所述像素麵積縮放鏡頭的具體實施例。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。
請參閱圖1示出，本實用新型一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置結構圖，所述裝置包括：與網絡設備對應連接的圖像獲取設備和處理設備，與處理設備連接的顯示設備；所述圖像獲取設備，捕獲並輸出監控視頻流，接收所述網絡設備轉發的控制命令，控制圖像獲取設備對運動目標的自動縮放和自動跟蹤的聯動；所述網絡設備，接收並轉發圖像獲取設備輸出的監控視頻流，接收並轉發所述處理設備輸出的控制命令；所述處理設備，接收網絡設備轉發的監控視頻流，依據視頻流中感興趣的運動目標的位置和像素麵積得到並輸出控制命令，同時輸出標記所述運動目標的位置和像素麵積的監控視頻流；所述顯示設備，接收並顯示標記所述運動目標的位置和像素麵積的監控視頻流。
請參閱圖2示出使用基於像素差分比的跟蹤運動目標的聯動方法實現的自動跟蹤運動目標的聯動系統，在所述系統的處理設備中實現的技術方案包括：像素差分比獲取模塊、雲臺角速度查詢模塊、雲臺角速度獲取模塊、像素麵積獲取模塊和控制模塊之間的具體連接關係如下：
所述像素差分比獲取模塊，檢測監控視頻流場景中感興趣的運動目標的位置變化，輸出運動目標的像素差分比；
所述雲臺角速度查詢模塊，查詢並輸出與當前時刻緊鄰的前一時刻雲臺的角速度；
所述像素麵積獲取模塊，檢測監控視頻流場景中運動目標的像素麵積，輸出鏡頭的縮放數據；
雲臺角速度獲取模塊，與對應的像素差分比獲取模塊和雲臺角速度查詢模塊連接，接收運動目標的像素差分比和與當前時刻緊鄰的前一時刻雲臺的角速度，輸出當前時刻雲臺的角速度數據；
控制模塊，與雲臺角速度獲取模塊和像素麵積獲取模塊對應連接，接收當前時刻雲臺的角速度數據和所述鏡頭的縮放數據，根據云臺控制協議將所述角速度數據和所述縮放數據封裝為控制命令，並將所述控制命令輸出到網絡設備。
所述圖像獲取設備包括雲臺、攝像機、鏡頭；通過鏡頭與攝像機連接、攝像機與雲臺連接的方式，使鏡頭、攝像機、雲臺構成一體，根據所述控制命令控制圖像獲取設備的雲臺的角速度大小、角速度方向以及控制圖像獲取設備的鏡頭縮放，使得鏡頭和攝像機捕獲並發送監控視頻流的同時可隨雲臺一同轉動，實現對運動目標的自動縮放和自動跟蹤的聯動。所述鏡頭是長焦電動變倍鏡頭，如32倍光學電動變焦鏡頭；所述攝像機是高清攝像機；所述雲臺是以能載重攝像機和鏡頭重量為準的普通雲臺。使用長焦變倍鏡頭是為了擴大監控景深，為可選組件。
所述網絡設備包括：交換機以及公共網絡。使用公共網絡是為了實現遠程傳輸，為可選組件。
所述處理設備，是DSP處理器、工作站或者計算機。
所述顯示設備，是液晶顯示器或者顯示屏。
圖像獲取設備的雲臺對運動目標自動跟蹤過程可分解為任意瞬時運動目標以雲臺為參考點做圓周運動，雲臺只需按與運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度同步的角速度旋轉，便可實現使所述雲臺跟隨運動目標聯動而跟蹤運動目標。
所述處理設備的所述像素差分比獲取模塊採用運動分解的方式獲得運動目標的像素差分比，即將所述雲臺跟隨運動目標聯動以跟蹤運動目標的過程分解為先將雲臺設為靜止，而設置運動目標為運動，後將運動目標設為靜止，而設置雲臺為運動，分別檢測運動目標在視頻流中的位置變化，得到運動目標和雲臺的像素差分，根據運動目標和雲臺的像素差分關係獲得運動目標的像素差分比。
本實用新型中利用運動分解獲得運動目標的像素差分比的具體實施例的步驟包括：
步驟S1a：請參閱圖3示出運動目標像素差分示意圖，採用運動分解的思想，先雲臺設為靜止而運動目標運動，以求得運動目標的像素差分，設置運動目標此時由o點水平向右運動到d點，即
Ldo＝d-o＝vo·t (1)
步驟S1b：請參閱圖4示出雲臺像素差分示意圖，採用運動分解的思想，再運動目標靜止而雲臺運動，以求得雲臺的像素差分，設置雲臺此時由p點水平向右運動到d點，即
Ldp＝d-p＝vp·t (2)
步驟S1c：根據運動目標和雲臺的像素差分關係，求得像素差分比，由公式(1)、(2)可得：
而角速度和線速度的關係為：
其中r為運動目標距離攝像機的距離，則有：
即像素差分比可表示為
公式中vo為運動目標運動所需線速度、vp為雲臺映射到目標對應處運動所需線速度、t為運動目標和雲臺運動所需的時間、wo為當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度、wp為雲臺在前一時刻的角速度。在實際應用中，公式(5)中表示目標在圖像中位置的參數d、o、p通過圖像處理與分析領域中的目標跟蹤算法獲得，雲臺在前一時刻的角速度wp通過查詢雲臺信息獲得。
請參閱圖5所示為利用處理設備設置雲臺的角速度的具體實施例，所述處理設備設置雲臺的角速度的具體實施例的步驟包括：
步驟S2a：所述雲臺角速度查詢模塊獲得前一時刻雲臺的角速度wp；
步驟S2b：根據接收的當前時刻計算的運動目標的像素差分比D和雲臺前一時刻的角速度wp，所述雲臺角速度獲取模塊獲得當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度wo，由公式(5)、(6)可知，當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度wo為：
wo＝D·wp (7)
步驟S2c：所述雲臺角速度獲取模塊，將當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度wo設置為雲臺的角速度，即下一時刻雲臺的角速度是當前時刻運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度，表示為：
wp＝wo (8)
並將雲臺下一時刻的角速度wp傳輸到控制模塊；為了使雲臺始終跟隨運動目標聯動而跟蹤運動目標，所述雲臺也應按與運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度同步的角速度做相應的轉動。
請參閱圖6示出利用處理設備縮放鏡頭的具體實施例，所述處理設備的所述像素麵積獲取模塊，檢測當前時刻運動目標像素麵積Sc，並根據設定的期望的運動目標像素麵積Se，獲得當前時刻運動目標像素麵積的面積縮放比率Rc，檢測所述當前時刻運動目標像素麵積縮放比率與設定的運動目標像素麵積縮放比率上限閾值Rh和下限閾值Rl的關係實現鏡頭縮放；
所述像素麵積縮放比率Rc表示為：
所述處理設備縮放鏡頭的具體實施步驟包括：
步驟S3a：所述像素麵積獲取模塊，檢測到Rc>Rh，則向控制模塊傳輸延長鏡頭的命令到圖像獲取設備的鏡頭，用以放大運動目標，當前時刻鏡頭縮放係數Zc：
Zc＝Zp-Rc·Zr (10)
步驟S3b：所述像素麵積獲取模塊，檢測到Rc<Rl，則向控制模塊傳輸縮短鏡頭的命令到圖像獲取設備的鏡頭，用以縮小運動目標，當前時刻鏡頭縮放係數Zc：
步驟S3c：所述像素麵積獲取模塊，檢測到Rl≤Rc≤Rh，則向控制模塊傳輸運動目標不需要縮放的命令到圖像獲取設備的鏡頭，使運動目標大小保持不變；其中Zp為前一時刻鏡頭的縮放係數，Zr為根據使用鏡頭確定的比例因子。在實際應用中，運動目標像素麵積縮放比率上限閾值Rh和下限閾值Rl以及期望的運動目標像素麵積Se根據實際情況設定，當前時刻運動目標像素麵積Sc通過圖像處理與分析領域中的目標跟蹤算法獲得。
上述闡述了一種自動跟蹤運動目標的聯動裝置，該裝置基於任意瞬時運動目標以雲臺為參考點做圓周運動在切線方向上的角速度的求解方法和根據運動目標在圖像中的像素麵積縮放鏡頭的方法實現。在本實用新型實現中，採用PELCO-D協議控制雲臺轉動以及鏡頭的縮放。由於普通雲臺所能產生的運動速度是以速度等級離散的分布在所能達到的速度下限和上限之間，所以這裡選擇與計算出的運動目標以雲臺為參考點的角速度最接近的雲臺速度等級來控制雲臺旋轉，實現對運動目標實時平滑連續的自動縮放和自動跟蹤的聯動。
以上所述，僅為本實用新型中的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本實用新型所揭露的技術範圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本實用新型的包含範圍之內。