主動紅外跟蹤系統的製作方法

2023-12-01 10:48:46 4

專利名稱：主動紅外跟蹤系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種智能跟蹤系統，特別是公開一種通過主動紅外線定位，在水平和俯仰兩自由度內識別並跟蹤目標物，並能判斷目標物距離，使其承載的攝像機聚焦在單個或多個目標物上的系統。
背景技術：
視頻採集設備廣泛應用於生活和生產的各個領域。大多數視頻採集系統的成像器件，即攝像機或攝像頭固定在支架上進行拍攝，有些情況下要由攝像師手持攝像機拍攝才能滿足要求，如電影電視、新聞採訪等。某些情況下，人們希望能有一種智能平臺夠承載攝像機自主拍攝，該平臺能取代攝像師完成對目標物的跟蹤和對焦的工作，從而使攝像機完成拍攝任務。研究發現，微型的，帶自動識別和跟蹤拍攝物的跟蹤系統在民用和商業領域有著極廣的應用前景。(1)家用攝像機智能拍攝。家用數碼攝像機(DV)正以相當快的速度普及。拍攝家庭錄像、旅遊見聞、慶典聚會都離不開DV機。遺憾的是，DV機只能安裝在三角架上拍攝，或者由專人手持拍攝，前者使得拍攝的視角和焦距只能是固定的，後者拍攝的那個家庭成員不能進入鏡頭。因此期望出現一種能夠代替拍攝人拍攝錄相的設備，它能自主的完成鏡頭的跟蹤，調節焦距。這樣智能化的家用設備應該是未來數字家電的重要一環。(2)遠程電視電話會議。電視電話會議中，當鏡頭要給到講話人時，需要專人將攝像機搖到講話人位置，或在多個鏡頭間切換。如果使用微型視頻跟蹤系統，不需要專人控制只用一臺攝像機就能完成對不同講話人的跟蹤。一個人講完後，下一個人開啟身上的的微型發射器，攝像機就能自動對準這個人。(3)視頻監視。目前的視頻監視系統一般使用多個攝像頭從不同角度進行監視。配備視頻跟蹤系統，可對特定的人或物體進行跟蹤，從而突出目標物特徵。(4)機器人視覺。具有視覺系統的機器人需要跟蹤特定目標物，該系統能承載機器人的視覺傳感器，讓其總能準確指向目標物。
目前，應用於軍事和科研領域的經緯儀視頻採集系統，是根據採集的多光譜圖像人工或自動識別目標物，控制轉臺轉動，承載於轉臺之上的成像器件隨之轉動完成跟蹤。自主經緯儀視頻跟蹤系統屬於被動識別系統，設備龐大成本高，在國防等領域已有應用，但在民用和商業領域卻鮮有應用。
民用和商用的微型主動視頻跟蹤系統不需要有軍用系統的高精度和高性能，只要能在一定精度範圍內滿足需要，就要儘量縮減其成本、減小設備體積以及增強設備易用性和智能化。實際上這也是本系統的設計初衷。
具備上述功能的微型主動跟蹤系統還沒有民用和商業領域的應用。由此可見，相關產品目前是一個空白，並且有著較廣的需求前景。

發明內容
該系統尺寸比家用DV機小，能夠被安裝在三角架等支架上，設備的上面有攝像機等設備的安裝接口，攝像機可以固定在系統上。跟蹤系統的設備外殼上安裝按一定形狀排列的紅外光傳感器，傳感器可接收紅外波段光線。系統的轉臺有俯仰和水平兩個自由度，由伺服器驅動從而帶動攝像機移動，系統還發出一路控制信號用以調節攝像機的焦距。將領夾大小的紅外線發射器夾在目標物的身上，系統會發現目標物的位置，首先粗調攝像機使得目標物出現在跟蹤系統前方，再由系統前方分布較密集的傳感器引導攝像機精確地對準目標物，在判斷目標物距離後，系統發出調焦指令，攝像機調焦到合適大小。如果目標物的位置發生變化，傳感器再次引導攝像機對準目標物並調焦，完成實時跟蹤。系統有三種跟蹤模式單目標跟蹤模多目標物切換模式和多目標同時模式。模式的選擇在主機啟動是由用戶完成。在多目標物切換模式下，系統在同一時刻只跟蹤一個目標物，但在必要時切換到另一個目標物。每個發射器發射帶有編碼的紅外信號，系統依靠編碼辨別不同的目標物，當要求跟蹤某一目標物時，系統判讀編碼信號類型，只跟蹤這一編碼的紅外信號而不理會其他的紅外信號。在多目標同時模式下，系統在同一時刻跟蹤全部目標物，系統依靠不同的編碼方式識別不同的目標物，當目標物彼此靠近時，系統拉近焦距；當目標物距離變遠時，為了把全部目標物拍攝在畫面內，系統拉遠焦距，當目標物距離太遠超過焦距調節範圍時，系統可按照預先設定的優先級跟蹤器中的一個或幾個目標物。
本發明特點如下(1)依靠編碼紅外線自動跟蹤目標物體，平臺帶動攝像機作水平、俯仰和焦距調整，實現實時跟蹤。
(2)多種識別模式能夠對單一目標識別，也能對多個目標識別。
(3)兩種多目標跟蹤方式多目標切換模式和多目標同時模式。
(4)採用編碼主動式紅外線識別方式使得識別跟蹤算法簡單，計算量小，硬體實現代價小，成本低，穩定可靠。
(5)應用範圍廣泛，前景廣闊。
主動紅外跟蹤系統在民用和商業領域有著極廣的應用前景，它能被應用在家用攝像機智能拍攝、遠程電視電話會議，視頻監視、機器人視覺、新聞採訪等諸多領域。


圖1為本發明所描述的主動紅外跟蹤系統示意圖；圖2為本機的電路原理框圖；圖3為紅外傳感器分布和視野對應關係；圖4為主機結構原理圖(側視圖)。
圖5為紅外發射器原理框圖。
圖6為伺服器系統原理框圖。
圖7為多目標同時模式下的視野選擇示意圖。
圖8為紅外傳感器探測目標物位置和距離示意圖。
圖9為主機識別跟蹤目標物並驅動轉臺完成跟蹤的算法流程圖。
圖10為多目標切換算法流程圖。
圖11為多目標同時模式算法流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1所示，目標物可以是物體，也可以是人。將紅外發射器(1)固定在目標物身上，打開紅外發射器開關(23)，一個紅外發射器發出唯一編碼方式的紅外線。主機(2)由三腳架等設備固定，主機(2)上固定攝像機(3)。主機開始工作後，能夠根據設定的工作模式，自主完成單一目標物跟蹤、多目標切換跟蹤和多目標物同時跟蹤。主機承載攝像機完成俯仰和水平兩自由度上跟蹤，並能根據目標物遠近調節攝像機焦距。
如圖2所示，所述的ADC(14)模塊完成模數轉換，對系統的多個紅外傳感器(6)順序掃描，對採集到的當前傳感器信號採樣和量化，變為數位訊號，送給預處理模塊(15)。所述的預處理模塊(15)，對傳感器信號電平轉換和編碼，歸一化後送出。所述的數據處理電路(20)包括全局控制(16)、目標識別(17)、運動跟蹤(18)、轉臺驅動(19)。所述的全局控制模塊(16)完成對數據處理部分的控制，接收模式選擇開關(29)的數值，據此調用不同的算法。所述的目標識別模塊(17)，在傳感器信號中識別目標物信號，然後給出目標物的坐標。紅外傳感器(6)接收到的紅外編碼信號強度越大，說明目標物越靠近該傳感器軸心的方向，多個傳感器的強度值就能決定目標物的位置，同一目標物在不同傳感器中出現的數量和每個傳感器的信號強度決定了目標物離主機的遠近。所述的運動跟蹤模塊(18)，通過偏差校正，把目標物鎖定在主機中央區(35)傳感器分布較為密集的地方，中央區(35)外較稀疏的傳感器僅引導主機做事平方向跟蹤。校正參數為x方向偏差位移、校正強度(速度)，y方向偏差位移、校正強度(速度)。根據目標物離鏡頭的距離，給出焦距的矯正強度(速度)。所述的轉臺驅動模塊(19)，接收運動跟蹤模塊(18)的矯正參數，轉化為能夠驅動伺服器(12/13)工作的信號。轉臺驅動模塊(19)輸出每個伺服器的目標角度和旋轉速度。
紅外傳感器(6)分布在主機水平轉臺(26)的外殼上(7)。合理安排傳感器布局，可以在儘量減少傳感器數量的基礎上增大視角，並保證定位精度。總體來說，中央區域(35)的傳感器分布較密集，其餘位置較稀疏。圖3示出了兩種傳感器分布(6)和視野(5)示意圖。前者傳感器環繞整水平轉臺(26)外殼(7)，具有360°視野，相應的系統能在360°範圍搜索目標物；後者的傳感器分布在水平轉臺(26)外殼(7)的一定區域，視野小於360°。如圖8所示，設備中央區域的紅外傳感器方向角較窄，且傳感器呈兩維分布；中央區以外的傳感器方向角較寬，一維分布。目標物出現在中央區以外範圍時，系統先水平旋轉，讓中央區面對目標物，然後再用中央區分布較密集的傳感器精確調節水平和俯仰角度。從圖8中可以看出，傳感器方向角呈錐狀，遠離主機後傳感器視角發生重疊，目標物離主機距離越遠，越多的傳感器會探測到同一目標物，傳感器接收到的信號強度也會下降，從上述變化可以探測出目標物離主機的大致距離。
如圖4所示，主機(2)主要由底盤(11)、水平轉臺(26)和俯仰轉臺(8)組成。底盤(11)下部有和支架的接口，承載水平轉臺(26)，紅外傳感器(6)分布在水平轉臺(26)的周圍。水平轉臺(26)內部包括焦距控制接口(28)、水平伺服器(13)、俯仰伺服器(12)、處理電路(9)、電源(10)，並且承載俯仰轉臺(8)。
如圖5所示的紅外發射器(1)如同領夾大小，可以粘貼或夾在目標物身上。內部電路(24)驅動紅外光管(22)發出特定編碼的紅外光。一套系統可配置多個紅外發射器(1)，每個發射器發射編碼不同。加入編碼的紅外光信號也能夠有效地和環境光區別開，避免幹擾產生。紅外發射器的開關控制發射器是否工作，在多目標切換跟蹤模式下用以在多個目標物之間切換。
伺服器(12/13)的結構框圖如圖6所示。工作原理是PWM控制信號進入信號調製晶片，獲得直流偏置電壓。將其與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。電壓差經功率放大驅動直流電機旋轉，電機輸出經過減速組提高轉矩降低轉速驅動轉臺旋轉。一個角度傳感器(34)和輸出軸相連，檢測輸出軸轉過的角度，角度值經線性脈衝產生器調製回饋至比較器。反饋機制使得輸出軸最終穩定在目標角度上，即使受到外界的擾動，也能保持穩定。PWM信號是周期一定，佔空比可變的方波信號，通過改變佔空比大小，調節伺服器跟蹤的角度。控制伺服器轉動速度的方法是讓其每次轉動Δδ，然後停頓一段時間，接著再轉一個Δδ，如此往復直道達到目標角度δ，滿足關係δ＝ngΔδ(n為要調節的次數)。
ADC模塊(14)主要完成模數轉換。對系統的多個傳感器順序掃描，對採集到的當前傳感器信號採樣和量化，變為數位訊號，送給預處理模塊。
預處理模塊(15)。對傳感器信號電平轉換和編碼，歸一化後送出。
全局控制模塊(16)。全局控制模塊完成對數據處理部分的控制，接收用戶設置的模式類型，據此調用不同的算法。
目標識別模塊(17)。在傳感器信號中識別目標物信號，然後給出目標物的坐標。傳感器接收到的紅外編碼信號強度越大，說明目標物越靠近該傳感器軸心的方向，多個傳感器的強度值就能決定目標物的位置。
目標跟蹤模塊(18)。為了精確的跟蹤目標，需要通過偏差校正，把目標物鎖定在設備前方傳感器分布較為密集的地方，傳感器稀疏的地方用來發現目標和粗判位置。校正參數為x方向偏差位移、校正強度(速度)，y方向偏差位移、校正強度(速度)。計算目標物離鏡頭的距離，給出焦距的矯正強度(速度)。
轉臺驅動模塊(19)。接收目標跟蹤模塊(18)的矯正參數，轉化為能夠驅動伺服器工作的信號。轉臺驅動模塊輸出每個伺服器的目標角度和旋轉速度。
轉臺(26/27)和伺服器(12/13)。兩自由度轉臺能夠承載攝像機完成俯仰和水平方向的轉動。轉臺的每個自由度由一個伺服器驅動，伺服器在驅動模塊的控制下按一定速度調整到某一角度。
多目標跟蹤分為兩種模式多目標切換模式和多目標同時模式。
(1)多目標切換模式。在同一時刻只跟蹤一個目標物，可以手動切換讓系統分時跟蹤不同的目標物。關閉紅外發射器A，打開另外一紅外發射器B，系統轉而跟蹤B；如果同時打開發射器A和B，加入編碼的兩個紅外光源能夠被系統區分，系統會按照預先設置好的優先級，跟蹤優先級較高的一個光源。
(2)多目標同時模式。在同一時刻跟蹤儘可能多的目標物，當調節方向和焦距仍無法把全部目標物放進視野內時，系統根據預先設置的優先級捨去優先級最低的一個光源。若多個目標彼此靠攏，焦距拉近以使目標物在視野中儘可能放大，如圖7(a)所示；當多個目標物彼此遠離，焦距拉遠以使儘可能多的目標物保留在視野中，如圖7(b)所示；當多個目標遠程度到達焦距的調節極限，系統從優先級最低的目標物開始捨棄視野中的目標物，如圖7(c)所示。
如圖9所示，主機識別跟蹤目標物並驅動轉臺完成跟蹤的算法流為在步驟(S1)中紅外傳感器(6)掃描電路順序掃描個傳感器，在步驟(S2)中ADC(14)電路採樣和量化，將模擬信號變為數位訊號，在步驟(S3)中預處理(1 5)對紅外傳感器(6)值作預處理，在步驟(4)中將所有紅外傳感器(6)的值存入片內存儲器，在步驟(5)中通過紅外傳感器(6)強度值識別目標物位置，在步驟(6)中根據目標物位置得到需要校正的距離和焦距，在步驟(7)中將校正參數轉換為驅動伺服器的PWM信號，在步驟(8)中伺服器(12/13)接受信號執行指令(S8)。
如圖10所示，多目標切換跟蹤算法流程為在步驟(S1)中識別當前所有目標物的編號和位置坐標，在步驟(S2)中查優先級表，按優先級順序排當前的目標物，在步驟(S3)中完成跟蹤優先級最高的目標物。完成跟蹤優先級最高的目標物(S3)，(S3)執行完後進入(S1)。
如圖11所示，多目標同時模式跟蹤算法流程為在步驟(S1)中識別當前所有目標物的編號和位置坐標，在步驟(S2)中查優先級表，按優先級順序排當前的目標物，在步驟(S3)中讓焦距至最遠，在步驟(S4)中跟蹤優先級最高的目標物，在步驟(S5)中目標物範圍超過當前視野大小，在步驟讓焦距拉近(S6)中，在步驟(S7)中捨棄一個最低優先級的目標物，在步驟(S8)中目標物範圍超過當前視野大小。當滿足(S5)時，進入(S7)；不滿足時進入(S6)。(S7)執行完時進入(S5)。當滿足(S8)時進入(S1)；不滿足時進入(S6)。
硬體實現中，ADC輸出數位訊號精度可為8比特。由於數據量不大，速率不高，所以後面的數據處理採用單片機就能夠完成任務。在處理數據中，需要存儲傳感器的信號強度值，使用單片機內部的RAM資源或外部RAM實現。某些系列的單片機本身就帶有多路PWM波發生器，寫入相應的控制字就可以工作，因此選用集成PWM發生器的單片機，就能方便的驅動伺服器工作。
權利要求
1.一種主動紅外跟蹤系統，該系統包括紅外發射器(1)、主機(2)、攝像機(3)、支架(4)。所述的紅外發射器(1)包括發射器外殼(21)、紅外發射管(22)、編碼驅動電路(24)、電源(25)、模式選擇開關(23)。所述的主機包括底盤(11)、紅外傳感器(6)、水平轉臺(26)、俯仰轉臺(27)、攝像機安裝平臺(8)、焦距控制接口(28)、水平伺服器(13)、俯仰伺服器(12)、處理電路(9)、電源(10)。所述的紅外發射器(1)為一個或多個，所述主機(2)為一個。所述的紅外發射器(1)發射編碼的紅外線，從而使主機(2)可以通過不同編碼區分不同的目標物。
2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述的分布在主機(2)的水平轉臺(26)上的紅外傳感器(6)，中央區域(35)的傳感器分布較密集，其餘位置較稀疏。若紅外傳感器(6)環繞整個系統外殼，具有360°視野(5)，相應的系統能在360°範圍搜索目標物，若傳感器(6)分布在設備外殼的一定區域，視野小於360°(5)。中央區域(35)的紅外傳感器(6)方向角較小，傳感器且呈兩維分布；中央區以外的傳感器方向角較大，傳感器一維分布。所述的目標物出現在主機(2)中央區以外範圍時，主機(2)先水平旋轉，讓中央區域(35)面對目標物，然後再用中央區分布較密集的紅外傳感器(6)精確調節水平和俯仰角度。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述的處理電路(9)包括ADC(14)、預處理電路(15)、數據處理電路(20)、模式選擇開關(29)、數據輸出接口(30)、電源(31)。所述的ADC(14)模塊完成模數轉換，對系統的多個紅外傳感器(6)順序掃描，對採集到的當前傳感器信號採樣和量化，變為數位訊號，送給預處理模塊(15)。所述的預處理模塊(15)，對傳感器信號電平轉換和編碼，歸一化後送出。所述的數據處理電路(20)包括全局控制(16)、目標識別(17)、運動跟蹤(18)、轉臺驅動(19)。所述的全局控制模塊(16)完成對數據處理部分的控制，接收模式選擇開關(29)的數值，據此調用不同的算法。所述的目標識別模塊(17)，在傳感器信號中識別目標物信號，然後給出目標物的坐標。紅外傳感器(6)接收到的紅外編碼信號強度越大，說明目標物越靠近該傳感器軸心的方向，多個傳感器的強度值就能決定目標物的位置，同一目標物在不同傳感器中出現的數量和每個傳感器的信號強度決定了目標物離主機的遠近。所述的運動跟蹤模塊(18)，通過偏差校正，把目標物鎖定在主機中央區(35)傳感器分布較為密集的地方，中央區(35)外較稀疏的傳感器僅引導主機做事平方向跟蹤。校正參數為x方向偏差位移、校正強度(速度)，y方向偏差位移、校正強度(速度)。根據目標物離鏡頭的距離，給出焦距的矯正強度(速度)。所述的轉臺驅動模塊(19)，接收運動跟蹤模塊(18)的矯正參數，轉化為能夠驅動伺服器(12/13)工作的信號。轉臺驅動模塊(19)輸出每個伺服器的目標角度和旋轉速度。
4.根據權利要求5所述的系統，其中，所述的處理電路(9)採用掃描方式順序查詢紅外傳感器(6)信號並送入模數轉換器(14)採樣和量化。
5.根據權利要求1所述的系統，其中，所述的伺服器系統包括電機控制電路(32)、直流電機和減速組(33)、角度傳感器(34)。所述的電機控制電路(32)根據輸入的PWM信號和角度傳感器信息向電機發出指令，並將指令轉換為功率信號驅動電機。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述的主機(2)對目標物的跟蹤過程為紅外傳感器(6)掃描電路順序掃描個傳感器(S1)；ADC(14)電路採樣和量化，將模擬信號變為數位訊號(S2)；預處理(15)對紅外傳感器(6)值作預處理(S3)；將所有紅外傳感器(6)的值存入片內存儲器(S4)；通過紅外傳感器(6)強度值識別目標物位置(S5)；根據目標物位置得到需要校正的距離和焦距(S6)；將校正參數轉換為驅動伺服器的PWM信號(S7)；伺服器(12/13)接受信號執行指令(S8)。
7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述的系統可實現多目標跟蹤，多目標跟蹤分為兩種模式多目標切換模式和多目標同時模式。所述的多目標切換模式，在同一時刻只跟蹤一個目標物，可以手動切換讓系統分別跟蹤不同的目標物。所述的多目標同時模式，在同一時刻跟蹤儘可能多的目標物，當調節方向和焦距仍無法把全部目標物放進視場內時，系統根據預先設置的優先級捨去優先級最低的一個光源。
8.根據權利10所述的系統，其中，所述的多目標切換模式的處理流程為識別當前所有目標物的編號和位置坐標(S1)；查優先級表，按優先級順序排當前的目標物(S2)；完成跟蹤優先級最高的目標物(S3)；(S3)執行完後進入(S1)。
9.根據權利10所述的系統，其中，所述的多目標同時模式的處理流程為識別當前所有目標物的編號和位置坐標(S1)；查優先級表，按優先級順序排當前的目標物(S2)；焦距至最遠(S3)；跟蹤優先級最高的目標物(S4)；目標物範圍超過當前視野大小(S5)；焦距拉近(S6)；捨棄一個最低優先級的目標物(S7)；目標物範圍超過當前視野大小(S8)；當滿足(S5)時，進入(S7)；不滿足時進入(S6)。(S7)執行完時進入(S5)。當滿足(S8)時進入(S1)；不滿足時進入(S6)。
全文摘要
本發明涉及一種智能跟蹤系統，特別是公開一種通過主動紅外線定位，在水平和俯仰兩自由度內識別並跟蹤目標物，並能判斷目標物和系統距離，使其上承載的攝像機聚焦在單個或多個目標物上的系統。本發明通過紅外發射器發射的編碼紅外線，識別並定位不同的目標物體，計算得到攝像機鏡頭對準目標物所需要調整的水平、俯仰、焦距等參數，驅動相應伺服器工作，帶動承載於系統上的攝像機移動對準目標物體，目標物移動時，系統仍能完成跟蹤。加入編碼的紅外線不僅避免了環境光帶來的幹擾，而且能區分多個目標物從而實現多目標識別。該系統能被應用在家用攝像機智能拍攝、遠程電視電話會議，視頻監視、機器人視覺、新聞採訪等諸多領域。
文檔編號H04N5/225GK101014097SQ200610104740
公開日2007年8月8日 申請日期2006年10月17日 優先權日2006年10月17日
發明者馬濤 申請人:馬濤