CN102143324A - 一种云台自动平滑跟踪目标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种云台自动平滑跟踪目标的方法，包括：(1)获取目标位置信息和云台状态信息，并进行实时更新；(2)根据目标位置信息和云台状态信息，计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向，其计算方法为：计算目标相对于云台运动的角速度和方向，然后根据云台当前实际的旋转角度与使目标居于图像中心的理论旋转角度的偏差，对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正，得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向；(3)根据云台跟踪运动目标的实际转速和方向，控制云台旋转以跟踪运动目标。本发明设计合理，实现了对运动目标的智能监控功能，使得运动目标始终位于监控画面的中心范围内，同时具有实现方法简单、跟踪迅速、精度高、实时性强等特点。

Description

一种云台自动平滑跟踪目标的方法

技术领域

本发明属于安防监控领域，尤其是一种云台自动平滑跟踪目标的方法。

背景技术

目前，云台摄像机是监控领域中使用最为普遍的监控前端设备之一。监控人员可以手动控制云台摄像机进行旋转和缩放，以实现对监控景物和监控对象的观察。随着智能视频分析技术的发展，具有智能功能的监控设备越来越受到用户的喜爱，例如，带有自动跟踪目标功能的监控设备可通过对摄像机摄取进来的视频图像进行智能视频分析，发现并找到运动目标所在的位置，控制监控设备旋转和缩放以实现对运动目标的自动跟踪功能。这种自动跟踪方式可以实现运动目标在整个监控场景的活动情况的拍摄，较手动跟踪方式具有更高的准确度，并可以解除监控人员时刻在岗的烦恼，是未来监控市场的重要发展趋势之一。

实现云台对运动目标进行自动跟踪功能的一般方法是：首先获取运动目标所在的位置，然后控制云台摄像机进行旋转和缩放实现对目标的自动跟踪。目前，对于获取运动目标所在位置的方法较多，例如可通过视频分析或者通过运动目标挂载卫星定位追踪设备回传位置信息等方法实现，但是，如何控制云台摄像机进行旋转和缩放以实现对运动目标的自动跟踪功能是关键技术，控制方法不当将直接导致目标自动跟踪失败。目前，实现控制云台自动跟踪目标的方法可通过控制云台直接转动到目标所在位置的方法实现，待目标要脱离监控视野时再控制云台转动使目标居于图像中心，以保证运动目标始终在监控视野范围内。但是，该方法不能保证运动目标始终在监控视野的中心范围内，并需要对运动目标是否要脱离监控视野判断准确，否则容易丢失目标；当目标快速运动时，需要在较小时间间隔下连续控制云台转动，使监控画面一动一静，视觉效果不好，也不利于对运动目标的良好观察。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种跟踪精度高、跟踪迅速且实时性强的一种云台自动平滑跟踪目标的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种云台自动平滑跟踪目标的方法，包括以下步骤：

(1)获取目标位置信息和云台状态信息，并进行实时更新；

(2)根据目标位置信息和云台状态信息，计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向；

(3)根据云台跟踪运动目标的实际转速和方向，控制云台旋转以跟踪运动目标；

步骤(2)计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向的方法为：首先计算目标相对于云台运动的角速度和方向，然后根据云台当前实际的旋转角度与使目标居于图像中心的理论旋转角度的偏差，对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正，得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向。

而且，所述运动目标位置信息是通过视频分析方法获取或通过运动目标挂载卫星跟踪定位设备回传位置信息方法获取的。

而且，所述计算目标相对于云台运动的角速度和方向是根据不同时刻获取到的目标位置信息得到的，其计算公式为：

水平方向角速度w1：

垂直方向角速度w2：

式中：α1和β1分别代表前一时刻t1的水平旋转角度和垂直旋转角度，α2和β2分别当前时刻t2的水平旋转角度和垂直旋转角度，Δt1代表从t1时刻到t2时刻所经历的时间。

而且，所述对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正的方法为：当云台超前于目标运行时，云台运动的角速度和方向修正为：水平方向的角速度为

垂直方向的角速度为

当云台落后于目标运行时，云台运动的角速度和方向修正为：水平方向的角速度为

垂直方向的角速度为

式中：w1和w2分别为目标相对于云台在水平方向和垂直方向运动的角速度，和

分别代表云台角速度在水平方向和垂直方向的变化量。

而且，所述云台角速度的在水平方向和垂直方向的变化量

和

的计算公式为：

式中：

γ1和θ1分别代表云台实际的水平旋转角度和垂直旋转角度，γ2和θ2分别代表云台理论水平旋转角度和垂直旋转角度，Δt2代表追赶上运动目标的时间间隔。

而且，所述的理论旋转角度的获取包括以下方法：(1)采用广角摄像机和云台摄像机配合的方法，用广角摄像机摄取到图像进行智能视频分析获取到目标在图像上的确切位置，根据云台摄像机和广角摄像机的相对位置关系，获取到云台的理论旋转角度；(2)将运动目标挂载卫星定位设备，通过无线网络传输运动目标的地理信息数据，通过目标与云台的相对位置的计算得到使目标居于图像中心的云台理论旋转角度；(3)通过当前云台的位置及目标在云台摄像机所摄取的图像上的位置得到使目标居于图像中心时云台的理论旋转角度。

而且，所述云台当前实际的旋转角度通过云台系统查询或反馈得到。

而且，所述步骤(3)在得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向后，通过选择云台各速度级别中与实际转速最接近的速度级别控制云台旋转。

本发明的优点和积极效果是：

1、本方法通过计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向方法控制云台自动连续旋转可保证运动目标始终在监控画面的中心范围内，有利于对运动目标的观察，同时具有实现方法简单、跟踪迅速、精度高、实时性强等特点。

2、本方法采用视频分析方法或通过运动目标挂载卫星跟踪定位设备回传位置信息方法获取运动目标位置信息，增加了系统扩充的灵活性。

3、本发明设计合理，实现了对运动目标的智能监控功能，使得运动目标始终位于监控画面的中心范围内，降低了职业监控人员的劳动强度，同时又增强了目标跟踪算法的健壮性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明实施例的流程图；

图3是本发明实施例计算目标相对于云台运动速度的原理示意图；

图4是本发明实施例计算云台跟踪目标的速度变化量的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种云台自动平滑跟踪目标的方法，通过控制云台连续旋转以保持运动目标始终在监控画面的中心范围内。云台承载摄像机可使云台摄像机实现水平方向360度旋转、垂直方向90度旋转，当目标处于监控范围的某一位置时，在无遮挡的情况下，通过将云台在水平和垂直方向上旋转到某个角度使目标处于监控画面的中心。当目标在监控范围内运动时，我们可以控制云台旋转到某一角度下使目标继续处于监控画面的中心，这个旋转角度我们称之为云台理论旋转角度，即无论云台当前处于何种旋转角度下，只要控制云台旋转到此理论旋转角度下就可使目标处于监控画面的中心，我们可以用这个理论旋转角度来表示目标的位置信息。要想实现云台对运动目标的自动跟踪下一步就是怎样控制云台旋转以保持目标在监控画面内。本发明提供的方法是控制云台随着运动目标的运动而连续旋转，使监控画面看起来更平滑，我们称之为一种云台自动平滑跟踪目标的方法。下面对本方法进行详细说明。

如图1所示，一种云台自动平滑跟踪目标的方法包括以下步骤：

步骤1：获取目标位置信息和云台状态信息，并进行实时更新。

在该步骤中，运动目标位置信息是采用视频分析方法获取，也可以通过运动目标挂载卫星跟踪定位设备回传位置信息方法获取。

步骤2：根据目标位置信息和云台状态信息，计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向。

本步骤是发明的关键内容，云台跟踪运动目标的实际转速和方向计算的准确性将直接影响到云台自动跟踪目标的效果。其具体计算方法为：根据在不同时刻获取到的目标位置信息计算得到目标相对于云台运动的角速度和方向；根据云台当前实际的旋转角度与使目标居于图像中心的理论旋转角度的偏差，对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正(加速或减速)，从而确定云台跟踪运动目标的实际转速和方向。

上述理论旋转角度的获取有如下方法：(1)采用广角摄像机和云台摄像机配合的方法，用广角摄像机摄取到图像进行智能视频分析获取到目标在图像上的确切位置，根据云台摄像机和广角摄像机的相对位置关系，就可以获取到云台的理论旋转角度，当云台带动摄像机旋转到此角度时，就可使目标处于云台摄像机所摄取的图像的中心；(2)将运动目标挂载卫星定位设备，通过无线网络传输运动目标的地理信息数据，通过目标与云台的相对位置的计算也可以得到使目标居于图像中心的云台理论旋转角度；(3)通过当前云台的位置及目标在云台摄像机所摄取的图像上的位置得到使目标居于图像中心时云台的理论旋转角度。

上述云台当前实际的旋转角度通过云台系统查询或反馈得到。

步骤3：根据云台跟踪运动目标的实际转速和方向，控制云台旋转以跟踪运动目标。

本步骤，在得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向后，通过选择云台各速度级别中与实际转速最接近的速度级别控制云台旋转。

下面以图2所示的具体实施例对本发明做进一步的说明。

当收到跟踪目标信息时，我们首先判断目标是否是新的跟踪目标(即目标是否是第一次出现)。当目标第一次出现时，无论云台此时处于何种位置，我们可以先将云台以最快速度旋转到理论旋转角度下，以使目标出现在监控画面中心范围内，这时云台与目标的实际位置是最接近的，这将非常有利于后续跟踪。也就是判断是第一次出现的跟踪目标后，我们获取到云台的理论旋转角度，然后直接以最快速度将云台旋转到此理论旋转角度。

当目标不是第一次出现时，我们将控制云台以一定速度和方向旋转，保持运动目标在图像的中心范围内。由于不是新目标，因而有了目标前面的位置信息作为参考，所以可判断目标位置信息是否异常：当目标的位置与前面的位置相差太远时，可认为是无效的目标信息，不做处理；当目标的位置信息正常时可做为有效的目标位置信息参加云台跟踪运动目标的处理。其处理方法为：

计算运动目标相对云台的运动速度和方向。运动目标相对于云台的运动速度和方向可通过在不同时刻获取的云台的理论旋转角度计算获取。如图3所示，在目标运动过程中，我们获取了云台在不同时刻下的云台理论旋转角度，即前一时刻t1时的水平旋转角度α1和垂直旋转角度β1，当前时刻t2时的水平旋转角度α2和垂直旋转角度β2，从t1时刻到t2时刻所经历的时间为Δt1。当Δt1太小或太大时，统计速度不会太准确，一般Δt1取120毫秒到600毫秒，典型值可以取280毫秒。就是每隔Δt1时间我们获取一次云台理论旋转角度，那么目标相对于云台在水平方向运动的角速度和垂直方向运动的角速度可以计算得到：

水平方向角速度：

垂直方向角速度：

如果运动目标相对于云台以恒定的角速度运动，那么指挥云台以此速度跟踪就可保持目标始终在图像中心范围内。由于速度统计较控制云台的滞后性，当目标在运动过程中出现加速或减速时，云台以之前的速度运动就会出现落后或超前于目标，如果不迅速做出调整就可能使目标偏离图像中心，甚至跑出监控视野，这时我们就必须对云台的速度进行调整。以目标加速为例，当目标加速时，云台会落后于目标，如图4所示。云台当前的所处的实际位置可以用水平旋转角度γ1和垂直旋转角度θ1表示，但是，由于目标加速，目标已经偏离了图像的中心，也就是根据目标当前的实际位置得到的使目标居于图像中心的云台理论旋转角度γ2和θ2(水平和垂直方向)与云台实际旋转角度γ1和θ1(水平和垂直方向)已经不相等，这时必须对云台的进行加速，使目标重新回到图像的中心。如果我们要求在一定时间间隔Δt2内追赶上运动目标，那么云台就需要在Δt2时间内在原来基础上水平多转动

角度，垂直方向多转动

角度，那么云台的角速度的变化量

水平方向：

垂直方向：

如果我们控制云台以水平方向

垂直方向

的角速度运行就可在Δt2时间后赶上运动目标，Δt2影响了云台追赶目标的快慢，一般Δt2可以取500ms。普通云台的旋转速度是有一定范围的，在这个范围内一般云台也不能以任意速度旋转，而是将速度分为若干等级，每一等级代表一定的旋转角速度，只能以这些等级的角速度控制云台旋转。因而在我们并不能以计算得到的水平方向旋转角速度

和垂直方向旋转角速度控制云台旋转，我们可以根据云台的每个速度等级对应的角速度选择最接近计算所得的角速度的速度等级控制云台旋转。

由于目标运动速度的变化无常及控制云台旋转时只能选择最接近的速度等级控制云台旋转导致云台在跟踪运动目标的过程中可能超前或落后于目标。当云台超前于目标运行时，云台应在目标相对于云台的运动速度的基础上进行减速，即水平方向应以的角速度、垂直方向应以

的角速度选择云台合适的速度等级运行。当云台落后于目标运行时，云台应在目标相对于云台运动的基础上加速运行，即水平应以的角速度、垂直应以

的角速度选择云台合适的速度等级运行。目标相对于云台的运动速度w1和w2可以通过公式(1)和(2)获得。云台在水平和垂直方向的角速度变化量

和

可通过公式(3)和(4)获得。总结云台在跟踪运动目标过程中可能出现的情况，我们得到控制云台旋转的方向和旋转角度的判断和计算方法，以水平方向为例，控制云台跟踪运动目标的转动角速度和方向的计算方法如下表所示。

表1

垂直方向情况用β1，β2，θ1，θ2，w2和

判断和计算，方法与水平方向相同。由此表我们计算得到云台跟踪运动的旋转角速度和方向，根据此角速度和方向控制云台旋转就可以达到控制云台自动平滑跟踪运动目标的目的。

当获取不到跟踪目标的信息时，可能会发生两种情况：一种是目标跑出监控范围，这是正常的目标丢失；另一种就是目标被遮挡或由信息传输问题的原因导致的目标信息获取不到，这就是非正常的目标丢失。从目标丢失的位置可以判断是哪一种原因导致获取不到跟踪目标信息：当目标跑出监控范围时判断为目标为正常的丢失，此时可控制云台停止运行，等待新的目标出现再继续进行跟踪；当目标非正常丢失时，可预测目标的位置，例如可以采用卡尔曼预测的方法预测目标的位置，用预测的结果继续控制云台旋转以跟踪运动目标，以保证目标出现时能及时、平滑的继续跟踪运动目标。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种云台自动平滑跟踪目标的方法，包括以下步骤：

(1)获取目标位置信息和云台状态信息，并进行实时更新；

(2)根据目标位置信息和云台状态信息，计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向；

(3)根据云台跟踪运动目标的实际转速和方向，控制云台旋转以跟踪运动目标；

其特征在于：步骤(2)计算云台跟踪运动目标的实际转速和方向的方法为：首先计算目标相对于云台运动的角速度和方向，然后根据云台当前实际的旋转角度与使目标居于图像中心的理论旋转角度的偏差，对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正，得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向。

2.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述运动目标位置信息是通过视频分析方法获取或通过运动目标挂载卫星跟踪定位设备回传位置信息方法获取的。

3.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述计算目标相对于云台运动的角速度和方向是根据不同时刻获取到的目标位置信息得到的，其计算公式为：

水平方向角速度w1：

$w1=\frac{|\mathrm{\α}1-\mathrm{\α}2|}{\mathrm{\Δt}1}$

垂直方向角速度w2：

$w2=\frac{|\mathrm{\β}1-\mathrm{\β}2|}{\mathrm{\Δt}1}$

式中：α1和β1分别代表前一时刻t1的水平旋转角度和垂直旋转角度，α2和β2分别当前时刻t2的水平旋转角度和垂直旋转角度，Δt1代表从t1时刻到t2时刻所经历的时间。

4.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述对目标相对于云台运动的角速度和方向进行修正的方法为：当云台超前于目标运行时，云台运动的角速度和方向修正为：水平方向的角速度为|w1-Δw1|，垂直方向的角速度为|w2-Δw2|；当云台落后于目标运行时，云台运动的角速度和方向修正为：水平方向的角速度为(w1+Δw1)，垂直方向的角速度为(w2+Δw2)，式中：w1和w2分别为目标相对于云台在水平方向和垂直方向运动的角速度，Δw1和Δw2分别代表云台角速度在水平方向和垂直方向的变化量。

5.根据权利要求4所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述云台角速度的在水平方向和垂直方向的变化量Δw1和Δw2的计算公式为：

$\mathrm{\Δw}1=\frac{|\mathrm{\γ}1-\mathrm{\γ}2|}{\mathrm{\Δt}2}$

$\mathrm{\Δw}2=\frac{|\mathrm{\θ}1-\mathrm{\θ}2|}{\mathrm{\Δt}2}$

式中：

γ1和θ1分别代表云台实际的水平旋转角度和垂直旋转角度，γ2和θ2分别代表云台理论水平旋转角度和垂直旋转角度，Δt2代表追赶上运动目标的时间间隔。

6.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述的理论旋转角度的获取包括以下方法：(1)采用广角摄像机和云台摄像机配合的方法，用广角摄像机摄取到图像进行智能视频分析获取到目标在图像上的确切位置，根据云台摄像机和广角摄像机的相对位置关系，获取到云台的理论旋转角度；(2)将运动目标挂载卫星定位设备，通过无线网络传输运动目标的地理信息数据，通过目标与云台的相对位置的计算得到使目标居于图像中心的云台理论旋转角度；(3)通过当前云台的位置及目标在云台摄像机所摄取的图像上的位置得到使目标居于图像中心时云台的理论旋转角度。

7.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述云台当前实际的旋转角度通过云台系统查询或反馈得到。

8.根据权利要求1所述的一种云台自动平滑跟踪目标的方法，其特征在于：所述步骤(3)在得到云台跟踪运动目标的实际转速和方向后，通过选择云台各速度级别中与实际转速最接近的速度级别控制云台旋转。

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