專利名稱：雙目非標(biāo)定空間定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及錄播拍攝時(shí)對目標(biāo)進(jìn)行空間定位的方法。
背景技術(shù)：
目前行業(yè)上解決目標(biāo)定位問題有基于攝像機(jī)標(biāo)定的方法，該方法通過測試攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)(即標(biāo)定)再根據(jù)目標(biāo)在拍攝畫面上的數(shù)據(jù)結(jié)合標(biāo)定得到的參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，計(jì)算得到目標(biāo)在實(shí)際場景中的位置數(shù)據(jù)；該算法的缺點(diǎn)是，標(biāo)定過程復(fù)雜，施工工作量大，且無法精確獲取攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)。也有單目(單相機(jī))定位的算法，但只能求得目標(biāo)方位及角度，無法精確算得目標(biāo)景深數(shù)據(jù)，無法對目標(biāo)進(jìn)行焦距進(jìn)行拉伸拍攝。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有定位方法的缺陷與不足，本發(fā)明的目的是提供雙目非標(biāo)定空間定位方法，該方法能精確獲取運(yùn)動目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，使得在拍攝時(shí)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行焦距拉伸拍攝。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)雙目非標(biāo)定空間定位方法，包括以下步驟第一步、啟動第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)，通過背景差分法分別獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)；第二步、通過攝像機(jī)成像原理，計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)在場景中相對于當(dāng)前分析畫面的拍攝光軸的角度、方向數(shù)據(jù)，同時(shí)計(jì)算運(yùn)動點(diǎn)與第一、二攝像機(jī)拍攝點(diǎn)的相對位置數(shù)據(jù)；第三步、在拍攝場景中建立虛擬坐標(biāo)系，虛擬坐標(biāo)系的橫軸為X軸，縱軸為y軸，根據(jù)攝像機(jī)的成像靶面和焦距參數(shù)求取第一攝像機(jī)光軸、第二攝像機(jī)光軸與跟y軸平行的邊的角a、角c的值；所述虛擬坐標(biāo)系的建立過程如下取場景的場地平面作為坐標(biāo)平面，取場地平面的最大外接矩形作為矩形ABCD，取矩形ABCD的某一邊所在直線為坐標(biāo)系的x軸，與x軸所在邊垂直且平行于矩形AB⑶另一組對邊的直線為y軸建立平面直角坐標(biāo)系，將兩個(gè)攝像機(jī)分別擺放在矩形ABCD的兩個(gè)頂點(diǎn)B、C ；第四步、根據(jù)第一攝像機(jī)與第二攝像機(jī)之間的距離BC，以及角a的值、角c的值求解運(yùn)動點(diǎn)E相對于虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)0的坐標(biāo)值，，再根據(jù)拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)動點(diǎn)E相對于第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的角度及方向。所述背景差分法獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)，其過程如下當(dāng)監(jiān)控場景中出現(xiàn)物體運(yùn)動時(shí)，被拍攝視頻或圖像序列的幀與幀之間出現(xiàn)差別，兩幀相減，得到兩幀圖像中各像素點(diǎn)亮度差的絕對值，通過判斷所述絕對值是否大于閾值來分析視頻或圖像序列的運(yùn)動特性，確定視頻或圖像序列中有無物體運(yùn)動；通過背景差分法得到畫面變化的二值圖，再通過對圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕操作，對噪聲點(diǎn)過濾，然后提取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。
本發(fā)明主要設(shè)計(jì)思路為用兩個(gè)固定的攝像機(jī)，實(shí)時(shí)獲取場景的現(xiàn)場畫面，通過圖像分析中的背景差分法對畫面進(jìn)行分析得到畫面中某些運(yùn)動的區(qū)域，再通過成像原理，分別計(jì)算出運(yùn)動區(qū)域中心點(diǎn)相對當(dāng)前相機(jī)光軸的水平角度，然后建立現(xiàn)場空間直角坐標(biāo)系，根據(jù)幾何學(xué)知識，得出運(yùn)動點(diǎn)與拍攝點(diǎn)的各自坐標(biāo)，再計(jì)算出運(yùn)動點(diǎn)相對于拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過三角函數(shù)計(jì)算出角度值，以完成目標(biāo)定位。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果采用基于虛擬的坐標(biāo)系模型，定位準(zhǔn)確，準(zhǔn)確測得目標(biāo)景深數(shù)據(jù)；且對場景場地形狀無特殊要求，因而在設(shè)備部署及調(diào)試時(shí)都比較簡單。也無需進(jìn)行復(fù)雜的攝像機(jī)標(biāo)定，對攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)上無苛刻要求。


圖I是本發(fā)明完成定位過程的流程圖；圖2是本發(fā)明獲取運(yùn)動目標(biāo)中心數(shù)據(jù)的流程圖；圖3是透鏡成像原理圖；圖4是現(xiàn)場空間直角坐標(biāo)系模型圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例如圖I所示，本發(fā)明雙目非標(biāo)定空間定位方法，包括以下步驟第一步、啟動第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)，分別獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)。所述運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)通過背景差分法獲取。如圖2所示，獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)包括以下步驟背景差分法是一種通過對視頻圖像序列中的幀作差分運(yùn)算來獲得運(yùn)動目標(biāo)輪廓的方法，它可以很好地適用于存在多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)的情況。當(dāng)監(jiān)控場景中出現(xiàn)物體運(yùn)動時(shí)，被拍攝視頻或圖像序列的幀與幀之間會出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，得到兩幀圖像中各像素點(diǎn)亮度差的絕對值，判斷它是否大于閾值來分析視頻或圖像序列的運(yùn)動特性，確定視頻或圖像序列中有無物體運(yùn)動。視頻或圖像序列逐幀的差分，相當(dāng)于對視頻或圖像序列進(jìn)行了時(shí)域下的高通濾波。通過背景差分法得到畫面變化的二值圖，再通過對圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕操作，對噪聲點(diǎn)過濾，以確保無噪聲點(diǎn)干擾，然后提取運(yùn)動區(qū)域的中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。即場景點(diǎn)運(yùn)動目標(biāo)輪廓的中心點(diǎn)在畫面中的位置數(shù)據(jù)，包括在圖像中的水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)，以及目標(biāo)在畫面中的大小比例。第二步、通過攝像機(jī)成像原理，計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)在場景中相對于當(dāng)前分析畫面的拍攝光軸的角度、方向等數(shù)據(jù)，得出運(yùn)動點(diǎn)與拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)。
圖3為透鏡成像簡單原理圖。根據(jù)攝像機(jī)成像原理，在像平面上取一點(diǎn)A’，根據(jù)0’ A’、00’兩條線段的長，通過三角函數(shù)求解角A’ 00’，即角A’ 00’的弧度值為actan (O’ A’ /0’ 0)，又因?yàn)榻茿OZ等于A’ 00’，所以A點(diǎn)與Z軸的角度可求得，同理可求得場景中任意點(diǎn)與Z軸在X、Y軸方向的角度。第三步、在拍攝場景中建立虛擬坐標(biāo)系，虛擬坐標(biāo)系的橫軸為X軸，縱軸為y軸，根據(jù)攝像機(jī)的成像靶面和焦距參數(shù)求取第一攝像機(jī)光軸、第二攝像機(jī)光軸與跟y軸平行的邊的角a、角c的值。如圖4所示，虛擬坐標(biāo)系的建立過程如下取場景的場地平面做為坐標(biāo)平面,不論場景的場地平面為何種形狀，均取場地平面的最大外接矩形作為圖中的矩形ABCD，取矩形AB⑶的某一邊所在直線為坐標(biāo)系的X軸，與X軸所在邊垂直且平行于矩形AB⑶另一組對邊的直線為I軸建立平面直角坐標(biāo)系，將兩個(gè)攝像機(jī)分別擺放在矩形ABCD的兩個(gè)頂點(diǎn)B、C。第一攝像機(jī)光軸、第二攝像機(jī)光軸與跟y軸平行的邊的夾角分別為角a、角c ;設(shè)場景中存在一個(gè)運(yùn)動點(diǎn)E，通過第二攝像機(jī)分析，可求得E點(diǎn)與第二攝像機(jī)光軸所成的角b的值；通過第一攝像機(jī)分析，可求得E點(diǎn)與第一攝像機(jī)光軸所成的角d的值，在設(shè)備安裝時(shí)，可測得矩形ABCD的邊BC的長度，再通過調(diào)試，結(jié)合攝像機(jī)的成像靶面和焦距參數(shù)可測得角a、角c的值。比如如果攝像機(jī)成像靶面大小為三分之一英寸，焦距為3. 6mm,即靶面尺寸為寬4. 8mm、高3. 6mm、對角線6mm,可算得攝像機(jī)的水平視角為2*actan (2. 4/3. 6) = 67. 38,垂直視角為2*actan(1.8/3. 6) =53. 13 ;在攝像機(jī)安裝時(shí)，讓要進(jìn)行定位分析區(qū)域的場景的邊沿(即矩形AB⑶的邊沿AB，⑶)處于攝像機(jī)畫面的邊沿部位，即讓進(jìn)入攝像機(jī)透鏡的光線中最邊沿的光線與矩形的平行于y軸方向的邊中的一條重合，這樣攝像機(jī)光軸與y軸方向的邊的夾角就等于攝像機(jī)水平視角的一半。從而可得角a( Z a)、角c( Z c)的值。第四步、根據(jù)第一攝像機(jī)與第二攝像機(jī)之間的距離BC (距離BC是可預(yù)先測量得知的，且一般來說是確定的)，以及角a的值、角c的值通過三角函數(shù)求解運(yùn)動點(diǎn)E相對于虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)0的坐標(biāo)值，即獲取運(yùn)動點(diǎn)在虛擬坐標(biāo)系的位置，再根據(jù)拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)動點(diǎn)相對于第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的角度及方向。即定位問題可轉(zhuǎn)換為E點(diǎn)相對于坐標(biāo)原點(diǎn)0的坐標(biāo)值的求解過程。從運(yùn)動點(diǎn)E點(diǎn)處做虛擬坐標(biāo)系的X軸的垂線交X軸于E’點(diǎn)，根據(jù)上面的描述可得出已知條件線段BC長度，Z a，Z b，Z c，Z d，0(0，0);求點(diǎn)E的坐標(biāo)。根據(jù)圖像可得出Ze = 90° _Za_ZbZf = 90° -Z c+Zd根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得tane = EE，/BE’tanf = EE，/E，Ctane/tanf = E，C/BE’BE，= E，Otanf/tane又因?yàn)锽E，+E，C = BCE，C = BOtane/(tanf+tane)可求得BE’ = BC* (1-tane/(tanf+tane))；可求得E，C = BC-BE，；可求得EE’ = tanf*E，C通過推導(dǎo)我們分別可得到線段BE’、EE’、E’ C的長度。至此，我們已經(jīng)完成E點(diǎn)運(yùn)動目標(biāo)的定位，線段0E’、EE’的長分別為E點(diǎn)在虛擬坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，同時(shí)EE’也是E點(diǎn)距離X軸的景深。
如果是要做智能跟蹤拍攝，我們可將帶云臺的攝像機(jī)裝在BC邊上的任意點(diǎn)，假設(shè)安裝在坐標(biāo)原點(diǎn)0點(diǎn)，安裝時(shí)可測出0點(diǎn)離C點(diǎn)的距離，然后可以得到0E’ = OC-E^ C，假設(shè)拍攝像機(jī)云臺水平0度位置為平行于Y軸的方向，那么如果需要跟蹤E點(diǎn)的運(yùn)動目標(biāo)，在水平方向的轉(zhuǎn)動角度及方向則為向右arctan(0E’ /EE’)，這樣相機(jī)云臺只需在水平方向向左轉(zhuǎn)動這個(gè)角度即可跟蹤目標(biāo)拍攝，如果需要在垂直方向上也讓目標(biāo)居中，只需測得拍攝像機(jī)安裝的高度，與目標(biāo)的高度，同理，通過高度差與EE ’的值，可求得云臺在垂直方向需調(diào)整的角度。然后發(fā)送云臺轉(zhuǎn)動指令讓相機(jī)在垂直方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度即可。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，.均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.雙目非標(biāo)定空間定位方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步、啟動第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)，通過背景差分法分別獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)； 第二步、通過攝像機(jī)成像原理，計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)在場景中相對于當(dāng)前分析畫面的拍攝光軸的角度、方向數(shù)據(jù)，得出運(yùn)動點(diǎn)與拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)； 第三步、在拍攝場景中建立虛擬坐標(biāo)系，虛擬坐標(biāo)系的橫軸為X軸，縱軸為y軸，根據(jù)攝像機(jī)的成像靶面和焦距參數(shù)求取第一攝像機(jī)光軸、第二攝像機(jī)光軸與跟y軸平行的邊的角a、角c的值； 所述虛擬坐標(biāo)系的建立過程如下取場景的場地平面作為坐標(biāo)平面，取場地平面的最大外接矩形作為矩形ABCD，取矩形ABCD的某一邊所在直線為坐標(biāo)系的x軸，與x軸所在邊垂直且平行于矩形AB⑶另一組對邊的直線為I軸建立平面直角坐標(biāo)系，將兩個(gè)攝像機(jī)分別擺放在矩形ABCD的兩個(gè)頂點(diǎn)B、C ； 第四步、根據(jù)第一攝像機(jī)與第二攝像機(jī)之間的距離BC，以及角a的值、角c的值通過三角函數(shù)求解運(yùn)動點(diǎn)E相對于虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O的坐標(biāo)值,再根據(jù)拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)動點(diǎn)E相對于第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的角度及方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙目非標(biāo)定空間定位方法，其特征在于，所述背景差分法獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)在第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)的位置數(shù)據(jù)，其過程如下 當(dāng)監(jiān)控場景中出現(xiàn)物體運(yùn)動時(shí)，被拍攝視頻或圖像序列的幀與幀之間出現(xiàn)差別，兩幀相減，得到兩幀圖像中各像素點(diǎn)亮度差的絕對值，通過判斷所述絕對值是否大于閾值來分析視頻或圖像序列的運(yùn)動特性，確定視頻或圖像序列中有無物體運(yùn)動；通過背景差分法得到畫面變化的二值圖，再通過對圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕操作，對噪聲點(diǎn)過濾，然后提取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了雙目非標(biāo)定空間定位方法，通過背景差分法獲取運(yùn)動目標(biāo)中心點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)；通過攝像機(jī)成像原理，計(jì)算出運(yùn)動目標(biāo)在場景中相對于當(dāng)前分析畫面的拍攝光軸的角度、方向數(shù)據(jù)，得出運(yùn)動點(diǎn)與拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)；在拍攝場景中建立虛擬坐標(biāo)系，根據(jù)攝像機(jī)的成像靶面和焦距參數(shù)求取攝像機(jī)光軸與跟虛擬坐標(biāo)系縱軸平行的邊的角a、角c的值；根據(jù)兩個(gè)攝像機(jī)之間的距離BC，以及角a的值、角c的值通過三角函數(shù)求解運(yùn)動點(diǎn)E相對于虛擬坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O的坐標(biāo)值，再根據(jù)拍攝點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)動點(diǎn)E相對于兩個(gè)攝像機(jī)的角度及方向。該方法能精確獲取運(yùn)動目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)，在拍攝時(shí)能夠進(jìn)行焦距拉伸拍攝。
文檔編號G06T7/20GK102622767SQ201210055870
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者吳少鴻, 唐武雷, 張林玲, 曾子丹, 蔡志峰 申請人:廣州樂庚信息科技有限公司