CN108805940B - 一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的快速算法，属于智能机器人技术领域。本发明包括：包括：在第一倍率下进行定位，获取第一倍率下定位框中心的步骤；获取第一倍率和第二倍率下的视场角，并根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距的步骤；获取第一倍率和第二倍率下相机的光心位置的步骤；计算在第二倍率下相机的定位框的步骤。本发明的一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的快速算法，使得相机在变倍过程中可以快速准确地自动标注感兴趣的对象区域，并且当在第一倍率下存在多个感兴趣的对象区域时，可以同时标注相机在第二倍率下的多个感兴趣的对象区域。

Description

一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法。

背景技术

当今市场上的监控设备中所利用的变倍相机，通常有着在不同倍率下定位感兴趣目标的需求，从而能够获得对感兴趣目标从整体到细节上的观测。

现有相机使用的方法有两种。一种方法是在不同倍率下分别对变倍相机进行定位，因此需要在不同倍率下的模板。模板的获得方式有两种，一种是在不同倍率下重新采集，此方式采集模板的工作量较大；另一种是对某一倍率上的模板进行缩放，但缩放比例过高会导致模板不太清晰。该方法存在的另一个问题是，在不同倍率上分别定位的速度较慢。

另一种方法是在监控过程中先在小倍率下定位感兴趣的目标，然后操纵相机所在的云台使相机的图像中心(光心)对准该目标，这样在相机变倍过程对目标的定位就始终位于相机的图像中心。此方法的问题是，只能定位单个目标物体，而且在实践中发现，由于相机的光心位置会出现一定量的漂移，导致定位框也随之出现漂移，使得定位无法完全准确。

发明内容

本发明目的是提供一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，使得相机在变倍过程中对感兴趣区域能够连续快速跟踪定位，并且支持同时对多个感兴趣区域进行定位。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括：

在第一倍率下进行定位，获取第一倍率下定位框中心的步骤；

获取第二倍率下的视场角，并根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距的步骤；

获取第一倍率和第二倍率下相机的光心位置的步骤；

计算在第二倍率下相机的定位框的步骤。

进一步而言，所述获取第二倍率下的视场角的方法包括以下步骤：

通过获取离散倍率下的视场角方式获取若干个离散倍率下的视场角；

根据这些离散值拟合曲线；

获取所述拟合曲线上第二倍率下的视场角。

进一步而言，所述获取第二倍率下的视场角的方法为：通过获取离散倍率下的视场角方式直接获取第二倍率下的视场角。

进一步而言，所述获取离散倍率下的视场角方式为：在指定的物距D上，将相机调整到某个倍率，用相机拍摄在水平和竖直方向摆放的尺子，从照片上读出水平方向对应的长度L1和垂直方向对应的长度L2，用尺子测量出物距D，通过以下公式获得视场角，

其中，va_x为水平方向的视场角，va_y为垂直方向的视场角。

进一步而言，所述获取离散倍率下的视场角方式为：采用相机厂家提供的相机视场角的张角表，获取若干个离散倍率下的视场角。

进一步而言，所述根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距包括：

根据以下公式计算相机在第一倍率下的焦距f_a(x，y)，

其中，va_x1为第一倍率下相机的水平方向视场角，va_y1为第一倍率下相机的竖直方向视场角，(w，h)为相机预设的分辨率；

根据以下公式计算相机在第二倍率下的焦距f_b(x，y)，

其中，va_x2为第二倍率下相机的水平方向的视场角，va_y2为第二倍率下相机的竖直方向的视场角，(w，h)为相机预设的分辨率。

进一步而言，所述根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距还包括：

根据视场角计算出若干个离散的相应倍率下的焦距；

将这些离散值拟合为一元六次函数曲线；

通过所述曲线获得优化的第一倍率及第二倍率下的焦距。将拟合曲线上获取的第一倍率及第二倍率下的焦距用于优化拟合之前所获得的的第一倍率及第二倍率下的焦距，以减少误差。

进一步而言，所述获取第一倍率和第二倍率下相机的光心位置的步骤包括：

在若干个离散倍率上采用标定板法标定相机的光心位置；

根据这些离散值拟合曲线；

获取所述拟合曲线上第一倍率和第二倍率下相机的光心位置。

进一步而言，所述计算在第二倍率下相机的定位框的步骤的方法为：

通过以下公式，计算在第二倍率下相机的定位框中心(bx，by)，从而获得在第二倍率下相机的定位框，

其中，(ax，ay)为在第一倍率下相机的定位框中心，(ox，oy)为在第一倍率下相机的光心位置坐标，(ox′，oy′)为在第二倍率下相机的光心位置坐标，f_a(x，y)为在第一倍率下相机的焦距，f_b(x，y)为在第二倍率下相机的焦距。

另一方面，本发明还给出了另一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，包括：

在第一倍率下进行定位，获取第一倍率下定位框中心的步骤；

获取第一倍率下相机的光心位置的步骤；

在第一倍率下移动定位框中心，使之与该倍率下相机的光心位置重合的步骤；之后，相机在变倍过程中当倍率改变到其他倍率时，定位框中心的中心与新倍率下相机的光心位置始终重合，从而解决了变倍相机变倍过程中相机的光心位置发生漂移的问题；

获取第二倍率下相机的光心位置的步骤，此光心位置即为相机在第二倍率下的定位框中心。

进一步而言，所述获取第一倍率下相机的光心位置的步骤和获取第二倍率下相机的光心位置的步骤包括：

在若干个离散倍率上采用标定板法标定相机的光心位置；

根据这些离散值拟合曲线；

获取所述拟合曲线上相应倍率下相机的光心位置。

本发明的有益效果如下：本发明的一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，使得相机在变倍过程中可以快速准确地自动标注感兴趣的对象区域(即找到定位框中心)，并且当第一倍率下存在多个感兴趣的对象区域时，可以同时标注相机变倍后的倍率下的多个感兴趣的对象区域。

附图说明

图1是本发明实施例的固定倍率时相机焦距与视场角间的关系示意图。

图2是本发明实施例的相机在某一倍率下的成像模型示意图。

图3是本发明实施例的某台相机的倍率-最佳焦距值拟合曲线图。

图4是本发明实施例中某台相机x方向的倍率-光心位置拟合曲线图。

图5是本发明实施例中某台相机y方向的倍率-光心位置拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

首先，需要说明的是，变倍相机的每个倍率对应唯一一个焦距和唯一一组视场角的张角。参见图1，当相机上预设的分辨率确定时，可以计算出相机的焦距(单位为像素)。某固定倍率下相机预设的分辨率、视场角和焦距之间的计算公式如下：

其中，(w，h)为相机预设的分辨率，va_x和va_y分别为水平和竖直方向的视场角，f(x)和f(y)是相应的水平和竖直方向的焦距。

参见图2，在焦距为f1时，在成像面1上，线段ac的a点的成像位置为d1，c点的成像位置为b1；在焦距为f2时，在成像面2上，线段ac的a点的成像位置为d2，c点的成像位置为b2，o1、o2为光心，oa和oc长度可以不相同。从图2中的等比三角形可以看出，在某一倍率下任一点在相应成像面上的成像位置到光心的距离与相机在该倍率下的焦距成正比。因此，如果已知在某一倍率下任一点在相应成像面上的成像位置，则可以通过公式(3)的等比关系(即不同倍率下任一点的成像位置和焦距之间的关系)计算得出该点在任意倍率下在相应成像面上的成像位置。

其中，o1、o2为光心，b1为任一点在焦距为f1时的成像，b2为任一点在焦距为f2时的成像。

因此，可以先通过现有比较成熟的定位算法(例如模板匹配、神经网络模型)在某一倍率下对感兴趣的区域进行定位，然后通过公式(3)以及相机在任意倍率下的焦距，计算出相机在任一倍率下的定位框。

为获得相机在任意倍率下的焦距，可以根据相机厂家提供的张角表，选取若干个离散倍率下的张角，由此计算出相应的离散的焦距，然后根据这些离散值拟合曲线，以获得任意倍率下的焦距。

实施例1：

本发明的一个实施例，为一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法。具体来说，是通过以下步骤获得在第二倍率下的定位框。

1-1)，在某一个倍率a(第一倍率)下进行定位。

定位算法包括模板匹配，神经网络模型等，是现有比较成熟的算法。假设在倍率为a时，用(ax，ay)表示所获得的相机的定位框中心。

1-2)，获取目标倍率b(第二倍率)下的视场角，并根据视场角计算倍率a和倍率b对应的焦距。

1-2-1)获取目标倍率b下的视场角。

计算若干个离散倍率下的视场角，通过根据这些离散值拟合曲线的方式获得任意倍率下的视场角，其中包括目标倍率下的视场角。可以采用以下两种方式计算若干个离散倍率下的视场角。

一种方式是利用标定的方法。参见图1，在指定的物距上，将相机调整到某个倍率，用相机拍摄在水平和竖直方向摆放的尺子，从照片上读出对应的长度L1和L2，同样用尺子测量出物距D，则视场角可以通过以下公式获得。

另一种方式采用相机厂家提供的一张相机视场角的张角表，其中包含若干个离散倍率下的视场角。该张角表是与相机相关的。

采用以上两种方式计算若干个离散倍率下的视场角时，也能够直接获取第二倍率下的视场角，但相比之下通过拟合曲线获得的第二倍率下的视场角误差更小，精度更高。

1-2-2)，根据视场角计算倍率a和倍率b对应的焦距(单位为像素)。

假定倍率a下相机的水平方向视场角为va_x1，竖直方向视场角为va_y1，相机预设的分辨率为(w，h)，则根据以下公式可以计算出相机在倍率a下的焦距f_a(x，y)(单位像素)。

假设倍率b对应的相机焦距为f_b(x，y)(单位像素)，在倍率b下相机水平方向的视场角为va_x2，竖直方向的视场角为va_y2，则根据以下公式可以计算出相机在倍率b下的焦距。

(可选步骤)优化根据倍率算出的焦距。

利用步骤1-2-1)，获取若干个离散倍率下的视场角，利用步骤1-2-2)计算出若干个离散的相应倍率下的焦距，然后拟合出如图3所示的倍率-最佳焦距值拟合曲线。拟合曲线通常为一元六次函数。通过该拟合曲线，可以获得任意倍率下的焦距。使用拟合曲线获得倍率a和倍率b相应的焦距f_a′(x，y)和f_b′(x，y)，使用f_a′(x，y)和f_b′(x，y)对f_a(x，y)和f_b(x，y)进行优化。

1-3)，获取第一和第二倍率下相机的光心位置。

相机的光心位置是设备相关的。在实践中发现，在变倍相机变倍过程中，相机的光心位置会发生漂移，这会影响到对定位框的预测。

相机的光心位置可以通过标定的方式得出。也可以通过在若干个离散倍率上采用标定板法标定相应倍率下相机的光心位置，参见图4和图5，然后根据这些离散值拟合成倍率-光心位置拟合曲线的方式获得在任意的倍率(包括第一倍率和第二倍率)下相机的光心位置。拟合曲线为一元六次函数。

标定板法是一种比较成熟的算法。标定板法的步骤可以参考

http://www.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/

1-4)，计算在倍率b下相机的定位框。

通过以下公式，计算在倍率b下相机的定位框中心(bx，by)。从(bx，by)可以获得在倍率b下相机的定位框。

其中，(ax，ay)为在倍率a下相机的定位框中心，(ox，oy)为在倍率a下相机的光心位置坐标，(ox′，oy′)为在倍率b下相机的光心位置坐标，f_a(x，y)为在倍率a下相机的焦距，f_b(x，y)为在倍率b下相机的焦距。

上述步骤1-1)、1-2)和1-3)的操作顺序可以互换。

实施例2：

本发明的另一个实施例，其工作原理与实施例1基本相同，采用了和实施例1基本相同的获取第一倍率下定位框中心及相机光心位置的步骤，所不同的主要是获得第二倍率下定位框中心的步骤。具体来说，是通过简化实施例1的成像模型来获得在第二倍率下的定位框。

在实践中发现，如果在某一倍率下将感兴趣区域的中心和该倍率下相机的光心位置调整成重合，则在相机变倍过程中当倍率改变为其他倍率后，该感兴趣区域的中心和新倍率下相机的光心位置始终重合。因此对新倍率下相机的光心位置相对于变倍前该相机的光心位置(即相机变倍过程中相机的光心位置产生的漂移)进行修正，可以得到正确的新倍率下的定位框中心。

例如，在倍率a(第一倍率)下移动感兴趣区域的中心(ax，ay)，使之与该倍率下相机的光心(ox，oy)重合，则此时公式(10)和公式(11)被简化为：

bx＝ox′ (12)

by＝oy′ (13)

其中(bx，by)为在倍率b(第二倍率)下相机的定位框中心，(ox′，oy′)为在倍率b下相机的光心位置坐标。

因此，可以通过以下步骤实现对变倍相机在变倍过程中快速跟踪定位：

步骤2-1)在第一倍率下进行定位，获取第一倍率下定位框中心；

步骤2-2)获取第一倍率下相机的光心位置；

步骤2-3)在第一倍率下移动定位框中心，使之与该倍率下相机的光心位置重合；之后，相机在变倍过程中当倍率改变到其他倍率时，定位框中心的中心与新倍率下相机的光心位置始终重合，从而解决了变倍相机变倍过程中相机的光心位置发生漂移的问题；

步骤2-4)获取第二倍率下相机的光心位置，此光心位置即为相机在第二倍率下的定位框中心。

上述步骤2-1)和步骤2-2)的操作顺序可以互换。

与实施例1中1-3)一样，上述步骤2-2)和步骤2-4)中计算相应倍率下相机的光心位置的方法除了采用标定相机的光心位置的方法外，还可以采用拟合曲线法。采用拟合曲线法计算具体包括以下步骤：

在若干个离散倍率上采用标定板法标定相机的光心位置；

根据这些离散值拟合曲线；

获取所述拟合曲线上相应倍率下相机的光心位置。

通过上述操作可以完成对变倍相机在变倍过程中快速跟踪定位一个感兴趣的区域，但不能同时对多个感兴趣区域进行定位。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (7)

1.一种变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，包括：

在第一倍率下进行定位，获取第一倍率下定位框中心的步骤；

获取第二倍率下的视场角，并根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距的步骤；

获取第一倍率和第二倍率下相机的光心位置的步骤；

计算在第二倍率下相机的定位框的步骤；

所述根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距包括：

根据以下公式计算相机在第一倍率下的焦距f_a(x，y)，

其中，va_x1为第一倍率下相机的水平方向视场角，va_y1为第一倍率下相机的竖直方向视场角，(w，h)为相机预设的分辨率；

根据以下公式计算相机在第二倍率下的焦距f_b(x，y)，

其中，va_x2为第二倍率下相机的水平方向的视场角，va_y2为第二倍率下相机的竖直方向的视场角，(w，h)为相机预设的分辨率；

所述计算在第二倍率下相机的定位框的步骤的方法为：

通过以下公式，计算在第二倍率下相机的定位框中心(bx，by)，从而获得在第二倍率下相机的定位框，

其中，(ax，ay)为在第一倍率下相机的定位框中心，(ox，oy)为在第一倍率下相机的光心位置坐标，(ox′，oy′)为在第二倍率下相机的光心位置坐标，f_a(x′y)为在第一倍率下相机的焦距，f_b(x，y)为在第二倍率下相机的焦距。

2.根据权利要求1所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述获取第二倍率下的视场角的方法包括以下步骤：

通过获取离散倍率下的视场角方式获取若干个离散倍率下的视场角；

根据这些离散值拟合曲线；

获取所述拟合曲线上第二倍率下的视场角。

3.根据权利要求1所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述获取第二倍率下的视场角的方法为：通过获取离散倍率下的视场角方式直接获取第二倍率下的视场角。

4.根据权利要求2或3所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述获取离散倍率下的视场角方式为：在指定的物距D上，将相机调整到某个倍率，用相机拍摄在水平和竖直方向摆放的尺子，从照片上读出水平方向对应的长度L1和垂直方向对应的长度L2，用尺子测量出物距D，通过以下公式获得视场角，

其中，va_x为水平方向的视场角，va_y为垂直方向的视场角。

5.根据权利要求2或3所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述获取离散倍率下的视场角方式为：采用相机厂家提供的相机视场角的张角表，获取若干个离散倍率下的视场角。

6.根据权利要求1所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述根据视场角计算第一倍率和第二倍率对应的焦距还包括：

根据视场角计算出若干个离散的相应倍率下的焦距；

将这些离散值拟合为一元六次函数曲线；

通过所述一元六次函数曲线获得优化的第一倍率及第二倍率下的焦距。

7.根据权利要求1或2或3所述的变倍相机在变倍过程中跟踪定位的方法，其特征在于，所述获取第一倍率和第二倍率下相机的光心位置的步骤包括：

在若干个离散倍率上采用标定板法标定相机的光心位置；

根据这些离散值拟合为光心位置曲线；

获取所述光心位置曲线上第一倍率和第二倍率下相机的光心位置。

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