專利名稱：便攜式考場全方位監(jiān)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及考場監(jiān)控設(shè)備，尤其是一種全方位視覺傳感器技術(shù)、
嵌入式微處理器軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在考場監(jiān)控方面的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
考試是一種選拔人才的重要手段。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的不斷發(fā) 展，考場舞弊手段呈現(xiàn)出高科技、多樣化、隱蔽性強的特點，傳統(tǒng)的 人力監(jiān)考已滿足不了預(yù)期的監(jiān)考要求。同時舞弊現(xiàn)象也開始向各個領(lǐng) 域中蔓延，除了公知的中考和高考以外，在公務(wù)員、醫(yī)生、律師、建 筑師、監(jiān)理師、技能培訓(xùn)、研究生入學、申報職稱等考試中舞弊現(xiàn)象 也常被媒體曝光，且這些應(yīng)試者的作弊行為更加嚴重，因為它導(dǎo)致的 后果是直接污染官風、學風和社會風氣，使整個社會的羞恥感喪失。 因此，對考場智能化管理的要求也越來越迫切。保證公平、公正的考 試，是社會公平競爭的必然趨勢，是國家教育發(fā)展的必然要求。鑒于 考試舞弊現(xiàn)象的嚴重危害，必須采用可靠的方法把舞弊過程記錄下 來，取得有效的證據(jù)，從而遏制舞弊現(xiàn)象的發(fā)生。圖像處理技術(shù)、網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、存儲技術(shù)等重要數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，便攜式 的數(shù)字考場監(jiān)控的設(shè)計也成為可能。
目前的考場視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用模擬監(jiān)控方式，需要在每一臺前端 攝像設(shè)備和監(jiān)控中心之間敷設(shè)視頻電纜、音頻信號線和控制信號線， 而通常情況下各考場和監(jiān)控中心距離較遠，為此需花費大量人力物力 穿墻打洞埋管敷線。以一個學校二十個定點考場、每個考場兩套攝像 設(shè)備、每個考場平均距監(jiān)控中心200米為例，總共需敷設(shè)24000米 的各種線材。而且如果某些考場和監(jiān)控中心之間距離過長的話，為避 免影響傳輸控制效果，還需要加一些特定的中繼設(shè)備。此外，在監(jiān)控 中心，為實現(xiàn)控制、顯示、錄像功能，需配備監(jiān)視器、長延時錄像機、 畫面分割器、控制切換矩陣等諸多繁雜設(shè)備，而操作者也需要經(jīng)過一 定的培訓(xùn)才能掌握對眾多的電器設(shè)備的操作。
因此，無論從建設(shè)成本、施工難度或系統(tǒng)應(yīng)用的便捷性方面考慮， 傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控方式已越來越不適應(yīng)于考場集中監(jiān)控系統(tǒng)的實際應(yīng) 用需要。
大規(guī)模的考試，比如高考，具有分布范圍廣、考試時間比較集中、 考試周期短(最長也只是數(shù)天)等特點，這些特點決定了固定式考場 的視頻監(jiān)控設(shè)備年使用率低的性質(zhì)，造成了監(jiān)控設(shè)備閑置期的浪費； 從監(jiān)控效果來看要求室內(nèi)監(jiān)看無死角，即攝像機的監(jiān)控區(qū)域必須覆蓋 整個考場，因此每個考場必須配置有兩個以上的攝像機。另外每年如 此之多的考試都要建設(shè)監(jiān)控，建設(shè)投資成本巨大，會造成很大的浪費。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的考試監(jiān)控設(shè)備的使用率低、應(yīng)用不方便、成本高 的不足，本發(fā)明提供一種能提高使用率、應(yīng)用方便、成本低的便攜式 考場全方位監(jiān)控裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，包括用于獲取考場全景視視頻 信息的全方位視覺傳感器、用于獲取考場內(nèi)聲音信息的麥克風、用于 傳輸考場內(nèi)視音頻信號的數(shù)字有線/無線傳輸模塊、用于保存考場內(nèi)視 音頻數(shù)據(jù)的存儲卡以及微處理器，所述全方位視覺傳感器安裝在考場
中間上方，所述的全方位視覺傳感器包括一次折反射鏡面、二次折反 射鏡面、透明外罩、攝像頭和廣角鏡頭，攝像頭的鏡頭安置在一次折 反射鏡面后面的視點位置上，所述攝像頭的鏡頭通過一次折反射鏡面 的小孔獲得由二次折反射鏡面所反射的全景圖像； 一次折反射鏡面和 二次折反射鏡面安裝在透明外罩上，所述廣角鏡頭與攝像頭進行組合 形成組合攝像單元；所述的微處理器包括
圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將全方位視覺傳感器傳送過來的標準TV信 號轉(zhuǎn)換成4: 2: 2的YUV數(shù)字信號進行壓縮；
語音數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將所述的聲音控制芯片處理后的聲音數(shù)字信
號進行壓縮；
存儲模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行保存，將音視頻數(shù)據(jù)寫入 存儲卡內(nèi)；
數(shù)字傳輸及射頻收發(fā)模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行發(fā)送處理； 所述攝像頭通過所述的A/D接口與所述微處理器進行連接，所述
的麥克風與聲音控制芯片進行連接，所述的微處理器與所述的數(shù)字有
線/無線傳輸模塊進行連接，所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊與天線進
行連接，所述的微處理器設(shè)有存儲卡存儲接口，所述的存儲卡插入所
述存儲卡存儲接口中。
作為優(yōu)選的一種方案所述的廣角鏡頭配置在一次折反射鏡的前
方和二次折反射鏡面上，攝像頭鏡頭、廣角鏡頭、 一次折反射鏡和二
次折反射鏡的中心軸配置在同一軸心線上。
作為優(yōu)選的另一種方案所述的一次折反射鏡面和二次折反射鏡
面的曲線設(shè)計要求為從頂視角度來看水平方向上的物體不變形，用
以下方法來進行設(shè)計；
根據(jù)成像原理， 一次入射光線VI與折反射主軸Z的夾角為O， 一次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為《，過S點^，。的切線與 1由的夾角為"，法線與Z軸的夾角為、二次反射光線V3與折反射 主軸Z的夾角為《，過^點^，《)的切線與z軸的夾角為"，法線與Z
軸的夾角為A，基于上述關(guān)系可以得到公式(1):
o" = 1800 -s d)
= ^ -《 0"1=1800 -q
tan ^ =-^-, tan《=^-^~, tan 6*,-丄
其中 ^"-力 F2-A F2
式中，巧是一次折反射鏡面曲線，《是二次折反射鏡面曲線；
利用三角關(guān)系并進行簡化整理，得到公式(2)、 (3): < -2"F/-1 = 0 (2)
《2 _2/ F2'-1 = 0 。) 上式中，
(F廣力(尸2H-O
解公式(2)、 (3)可以得到公式(4)、 (5); =a± Va2 +1 (4)
F; = / ±^2 +i
(5)
式中巧'為《曲線的微分，《為巧曲線的微分；
所述的成像平面上的點與水平面上的點之間的關(guān)系具有線性關(guān)系，與 視點S的距離為C并與Z軸相垂直的水平面L上的任意點P，在成像 平面上的有一個對應(yīng)的像素點P，將水平面上的坐標用極坐標表示，
這時水平面L上的任意點P(r， z)用以下公式來表示， <formula>formula see original document page 11</formula> (6)
為了設(shè)計水平面上具有平均分辨率0DVS，即水平方向不變形的0DVS，
在水平面L上的任意點P與Z軸相垂直方向的坐標r和像素點p與Z
軸的距離^《("之間要保證具有線性關(guān)系，得到以下公式 <formula>formula see original document page 11</formula> (7)根據(jù)成像原理有以下關(guān)系成立，入射角用公式<formula>formula see original document page 11</formula>(8)表示，
Fl-5 (8) 將公式(6)、 (8)代入公式(7)并整理，得到在水平方向不變形的 條件，用公式(9)表示，<formula>formula see original document page 11</formula> (9)
滿足公式(9)的鏡面曲線設(shè)計符合水平方向平均分辨率要求； 然后通過對公式(2)、 (3)、 (9)利用4階Runge-Kutta算法求《和^ 的數(shù)字解，求得的《和^的數(shù)字解是一次折反射鏡面和二次折反射鏡 面的曲線。
進一步，通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭與攝像頭鏡頭之
ii
間成像，稱為第一成像點，將攝像頭鏡頭的焦點距離作為fl、廣角 鏡頭的焦點距離作為f2、攝像頭鏡頭與攝像頭鏡頭的焦點的距離作
為Sl、從攝像頭鏡頭到第一成像點的焦點距離作為S2、從廣角鏡頭 到第一成像點的距離作為S3、從廣角鏡頭到實物點的距離作為S4，
根據(jù)鏡頭的成像公式得到以下關(guān)系式
<formula>formula see original document page 12</formula>要使公式(12)成立，將圖3中的從第一折反射鏡面后的攝像頭 鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭，得到圖2中圖像中部所顯示的廣 角成像圖；將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作為一個約束條 件，只有通過設(shè)計廣角鏡頭的焦點距離f2來滿足公式(12)的要求；
對于將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭作為一個組合鏡頭來考慮，其焦距
f由下式來表示<formula>formula see original document page 12</formula>(13)
另外，將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)由下式來表示 "』(14)
為了將合成鏡頭的視場與0DVS的死角部分相吻合，在設(shè)計合成 鏡頭時需要滿足以下公式
式中，《皿是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為近年發(fā)展起來的全方位視覺傳感器
0DVS(0mniDirectional Vision Sensors)為實時獲取場景的全景圖像 提供了一種新的解決方案。ODVS的特點是視野廣(360度)，能把一個 半球視野中的信息壓縮成一幅圖像， 一幅圖像的信息量更大；獲取一 個場景圖像時，ODVS在場景中的安放位置更加自由；監(jiān)視環(huán)境時ODVS 不用瞄準目標；檢測和跟蹤監(jiān)視范圍內(nèi)的運動物體時算法更加簡單； 可以獲得場景的實時圖像。因此基于0DVS的全方位視覺系統(tǒng)近幾年 迅速發(fā)展，正成為計算機視覺研究中的重要領(lǐng)域，IEEE從2000年開 始舉辦每年一次的全方位視覺的專門研討會(IEEE workshop on 0mni-directional vision)。由于在考場內(nèi)的中央上方安裝ODVS就 能很好地把握整個考場內(nèi)的考試狀況，目前還沒有檢索到將全方位視 覺傳感器運用到視頻監(jiān)考上的論文與專利。
隨著高速無線通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，同時也因為無線通信網(wǎng)絡(luò)的 固有優(yōu)點即適用于移動及架設(shè)靈活方便等，綜合語音、數(shù)據(jù)、視頻業(yè) 務(wù)的無線多媒體通信的應(yīng)用也越來越普遍。無線多媒體通信是多媒體 和無線通信這兩個領(lǐng)域技術(shù)相互交叉的產(chǎn)物，它一方面向人們提供了 多媒體服務(wù)，另一方面也展現(xiàn)了一個廣闊的技術(shù)領(lǐng)域，成為通信界乃 至信息產(chǎn)業(yè)界的一個熱點。按照現(xiàn)今通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢，無論是目前 正在試運行的3G網(wǎng)絡(luò)還是寬帶無線通信網(wǎng)絡(luò)，都考慮了對無線多媒 體終端接入業(yè)務(wù)的支持，這為便攜式考場全方位監(jiān)控裝置的實施打下 了良好的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)。
無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主要應(yīng)用于被監(jiān)控點和中央監(jiān)控中心相距較 遠且位置分布較分散的場合。無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 可以將多個監(jiān)控點與中央監(jiān)控中心連接起來，且搭建迅速，可以在最 短的時間內(nèi)迅速建立起無線網(wǎng)絡(luò)鏈路，達到無線視頻監(jiān)控的目的。利 用無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)搭建迅速的優(yōu)點，在舉行考試以前，通過無 線網(wǎng)絡(luò)攝像機迅速建立起無線通信網(wǎng)絡(luò)，這樣可以提高考場的視頻監(jiān) 控設(shè)備的利用效率，減少建設(shè)投資成本和設(shè)備維護成本。
SD存儲卡(Secure Digital Memory Card )，具有體積小(只有一 般郵票大小)、重量輕(約2g)、攜帶方便、兼容性佳、價格低廉等 優(yōu)點，可以作為記錄考場視音頻數(shù)據(jù)的一種選擇。特別是在無網(wǎng)絡(luò)通 信條件、考點非常分散的情況下是一種最可行的方案，特別適用于臨 時性的考場。且利用SD存儲卡價格低廉的優(yōu)點，將存儲著考場視音 頻數(shù)據(jù)的SD存儲卡與考場紙質(zhì)記錄一起保存，方便事后的考場情況 的確認。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、采用一個ODVS就實現(xiàn)了覆 蓋整個考場，實現(xiàn)了考場無死角的全方位視頻監(jiān)控；2、實現(xiàn)了應(yīng)用的 便捷化、組網(wǎng)的快速化、音視頻同步記錄；3、裝置的適用范圍廣，適 用于大、中、小型考場；4、采用SD卡的數(shù)字式存儲并與考場直接對 號，檢索和鑒定質(zhì)量提高，降低了鑒定成本；5、降低了系統(tǒng)一次性投 入成本和維護管理成本，提升了考務(wù)管理的質(zhì)量，對缺少經(jīng)費的地區(qū) 和學?？梢酝ㄟ^租賃的方式來快速建立數(shù)字監(jiān)考系統(tǒng)，減少了項目建設(shè)費用；6、由于便攜式考場全方位監(jiān)控裝置具有各種網(wǎng)絡(luò)通信能力， 與現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)進行連接形成多級考場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，容易構(gòu)建國 家級、省級、市級、區(qū)級的考場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。


圖l為無死角的全方位視覺傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖2為全方位視覺傳感器所拍攝的視頻圖像示意圖3為攝像頭鏡頭與廣角鏡頭進行組合的光學原理圖4為按二次折反射原理以及水平方向平均分辨率來設(shè)計的0DVS 說明圖5為按水平方向平均分辨率來設(shè)計的成像平面投影原理圖6為利用4階Runge-Kutta算法求Fl和F2的數(shù)字解的折反射鏡面 曲線圖7為考場內(nèi)安裝全方位視覺傳感器的位置說明圖； 圖8為便攜式考場全方位監(jiān)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖1 圖8， 一種便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，包括用于獲取 考場全景視視頻信息的全方位視覺傳感器8、用于獲取考場內(nèi)聲音信 息的麥克風13 、用于傳輸考場內(nèi)視音頻信號的數(shù)字有線/無線傳輸模塊 16、用于保存考場內(nèi)視音頻數(shù)據(jù)的存儲卡15以及微處理器10，所述 全方位視覺傳感器8安裝在考場中間上方，所述的全方位視覺傳感器 8包括一次折反射鏡面、二次折反射鏡面、透明外罩、攝像頭和廣角 鏡頭，攝像頭的鏡頭安置在一次折反射鏡面后面的視點位置上，所述 攝像頭的鏡頭通過一次折反射鏡面的小孔獲得由二次折反射鏡面所 反射的全景圖像； 一次折反射鏡面和二次折反射鏡面安裝在透明外罩 上，所述廣角鏡頭與攝像頭進行組合形成組合攝像單元；所述的微處 理器10包括
圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將全方位視覺傳感器傳送過來的標準TV信 號轉(zhuǎn)換成4: 2: 2的YUV數(shù)字信號進行壓縮；
語音數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將所述的聲音控制芯片處理后的聲音數(shù)字信 號進行壓縮；
存儲模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行保存，將音視頻數(shù)據(jù)寫入
存儲卡內(nèi)；
數(shù)字傳輸及射頻收發(fā)模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行發(fā)送處理； 所述攝像頭通過所述的A/D接口 9與所述微處理器10進行連接， 所述的麥克風13與聲音控制芯片14進行連接，所述的微處理器10 與所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊16進行連接，所述的數(shù)字有線/無 線傳輸模塊16與天線17進行連接，所述的微處理器10設(shè)有存儲卡
存儲接口 ，所述的存儲卡15插入所述存儲卡存儲接口中。
本實施例將全方位視覺傳感器8通過鏈索吊裝在考場中間的天花 板上，如圖7所示，安裝要求是全方位視覺傳感器能捕捉到整個考場 內(nèi)的視頻圖像，從俯視的視角來監(jiān)控考場的狀況，從而保證了整個考 場無死角、考生之間無遮擋；
結(jié)合圖8說明便攜式考場全方位監(jiān)控裝置的工作原理，全方位視 覺傳感器8中的攝像頭3將獲取的考場全景視頻信息通過A/D9轉(zhuǎn)換 成YUV數(shù)字信號，嵌入式數(shù)字信號微處理器10對傳送過來的YUV數(shù) 字信號進行壓縮，然后發(fā)送給數(shù)字有線/無線傳輸模塊16經(jīng)天線17 發(fā)射出去；在選擇SD卡存儲情況下，嵌入式數(shù)字信號微處理器10 對傳送過來的YUV數(shù)字信號進行壓縮，然后將壓縮后的YUV數(shù)字信號 寫入SD存儲卡；另一方面，在全方位視覺傳感器8中的麥克風13 將獲取的考場內(nèi)聲音信息通過聲音控制芯片14傳輸給i^入式數(shù)字信
號微處理器10，嵌入式數(shù)字信號微處理器10對語音信息進行壓縮， 然后發(fā)送給數(shù)字有線/無線傳輸模塊16經(jīng)天線17發(fā)射出去；在選擇 SD卡存儲情況下，嵌入式數(shù)字信號微處理器10對傳送過來的語音信 號進行壓縮，然后將壓縮后的語音信號寫入SD存儲卡；
說明本實施例中提出采用無死角的水平方向不變形的全方位視覺 傳感器如何來獲得從整個考場頂視的全景視頻圖像，設(shè)計目標是實現(xiàn)
整個考場頂視的全景視頻圖像不變形要求和考場無死角；因此首先需
要進行水平方向平均分辨率設(shè)計，以滿足整個考場頂視的全景視頻圖
像不變形要求 ，所以在0 D V S設(shè)計上可以歸結(jié)于折反射鏡面曲線的 設(shè)計，如附圖4所示，空間上的一個光源點P的入射光VI在主反射鏡 面(tl，巧)點上進行反射，反射光V2反射到次反射鏡面(t2， fO 點上再進行反射，反射光V3以角度9 1進入攝像裝置的鏡頭，在攝像 單元(CCD或者CMOS)上成像。
根據(jù)成像原理， 一次入射光線V1與折反射主軸Z的夾角為①，一 次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為《，過^點"，巧)的切線與f軸 的夾角為"，法線與Z軸的夾角為、二次反射光線V3與折反射主軸
Z的夾角為《，過A點("，巧)的切線與1由的夾角為"，法線與Z軸的
夾角為A，基于上述關(guān)系可以得到公式(1):
<formula>formula see original document page 17</formula>
其中 力 <formula>formula see original document page 17</formula>
式中，F(xiàn)1是一次折反射鏡面曲線，F(xiàn)2是二次折反射鏡面曲線；
利用三角關(guān)系并進行簡化整理，得到公式(2)、 (3):
<formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 18</formula>
上式中，
<formula>formula see original document page 18</formula>)
解公式(2)、 (3)可以得到公式(4)、 (5); <formula>formula see original document page 18</formula>
式中^為《曲線的微分，《為^曲線的微分；
所述的成像平面上的點與水平面上的點之間的關(guān)系來說具有某種 線性關(guān)系，與視點S的距離為C并與Z軸相垂直的水平面L上的任意 點P，在成像平面上的有一個對應(yīng)的像素點P，如附圖4所示，將水平 面上的坐標用極坐標表示，這時水平面L上的任意點P (r， z)可以用以 下公式來表示，
<formula>formula see original document page 18</formula>
為了設(shè)計水平面上具有平均分辨率0DVS，即水平方向不變形的 0DVS，在水平面L上的任意點P與Z軸相垂直方向的坐標r和像素點 P與Z軸的距離^《("之間要保證具有線性關(guān)系。使得以下公式能成
<formula>formula see original document page 18</formula>
根據(jù)成像原理有以下關(guān)系成立，入射角用公式(8)表示，
<formula>formula see original document page 19</formula> (8)
將公式(6)、 (8)代入公式(7)并整理，得到在水平方向不變形
的條件，用公式(9)表示，
<formula>formula see original document page 19</formula> (9)
滿足公式(9)的鏡面曲線設(shè)計符合水平方向平均分辨率要求； 更進一步，通過對公式(2)、 (3)、 (9)利用4階Runge-Kutta
算法求^和A的數(shù)字解，這樣計算得到的一次折反射鏡面和二次折反 射鏡面曲線能實現(xiàn)水平方向平均分辨率；圖6是利用4階Rimge-Kutta
算法求《和A的數(shù)字解的折反射鏡面曲線設(shè)計透明外罩2，為了使得透明外罩2不會產(chǎn)生內(nèi)壁的反射干擾 光，如圖1所示。具體做法是將透明外罩設(shè)計成碗狀，即設(shè)計成半圓 球，這樣能避免在透明外罩2發(fā)生反射干擾光，0DVS的結(jié)構(gòu)如圖1所 示；
在一次折反射鏡面的頂部留出一個小孔，攝像機3通過該小孔能 拍攝到一次折反射鏡面后面的圖像信息，但是通過該小孔能拍攝到一 次折反射鏡面后面的圖像信息的大部分二次折反射鏡面上所折反射的 圖像，仍然有一些空間圖像信息被二次折反射鏡面所遮擋；本發(fā)明中 將廣角鏡頭配置在二次折反射鏡面上，設(shè)計廣角鏡頭以及確定廣角鏡 頭的位置是本發(fā)明的一個任務(wù)。圖3是攝像頭鏡頭與廣角鏡頭的位置 關(guān)系圖。在圖3中將廣角鏡頭配置在一次折反射鏡的前方和二次折反 射鏡面上，攝像頭鏡頭、廣角鏡頭、 一次折反射鏡和二次折反射鏡的
中心軸配置在同一軸心線上；通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭 與攝像頭鏡頭之間成像，稱為第一成像點，該成像點通過攝像頭鏡頭 在視點處成像。這里將攝像頭鏡頭的焦點距離作為fl、廣角鏡頭的焦
點距離作為f2、攝像頭鏡頭與攝像頭鏡頭的焦點的距離作為Sl、從攝 像頭鏡頭到第一成像點的焦點距離作為S2、從廣角鏡頭到第一成像點 的距離作為S3、從廣角鏡頭到實物點的距離作為S4，根據(jù)鏡頭的成像 公式可以得到以下關(guān)系式 <formula>formula see original document page 20</formula>要使公式(12)成立的話，也就是將圖3中的從第一折反射鏡面 后的攝像頭鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭的話，就可以得到圖2 中圖像中部所顯示的廣角成像圖；但是本發(fā)明中是將廣角鏡頭配置在 第二折反射鏡面上，因此將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作 為一個約束條件，只有通過設(shè)計廣角鏡頭的焦點距離f2來滿足公式 (12)的要求；
對于圖3中將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭作為一個組合鏡頭來考慮的
話，其焦距f可以由下式來表示 <formula>formula see original document page 20</formula>
將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)可以由下式來表示n=D/f (14)
另外，
為了將合成鏡頭的視場與ODVS的死角部分相吻合，在設(shè)計合成鏡
頭時需要滿足以下公式
式中，"i皿是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角；經(jīng)過
上述設(shè)計的ODVS拍攝出來的圖像效果圖如圖2所示，從單個ODVS來 說消除了原來ODVS的死角部分，并且通過攝像頭鏡頭與廣角鏡頭的組 合方式加上第一折反射鏡面以及第二折反射鏡面的設(shè)計，能有效地覆 蓋原來的ODVS的死角部分。
所述的第一折反射鏡面、第一折反射鏡面上的小孔、攝像機、透 明外罩、第二折反射鏡面、廣角鏡頭在同一中心軸線上；攝像機的鏡 頭安置在第一折反射鏡面后部的視點位置上，如圖l所示；
所述的透明外罩，主要用于支撐第一折反射鏡面、第二折反射鏡 面、廣角鏡頭以及保護第一折反射鏡面和第二折反射鏡面不受到外界 粉塵的污染而影響折反射的質(zhì)量；
0DVS與無線通信網(wǎng)絡(luò)單元的連接方案，0DVS中的攝像機通過視頻 接口與無線通信網(wǎng)絡(luò)單元進行連接，無線通信網(wǎng)絡(luò)單元中包括嵌入式 數(shù)字信號微處理器、麥克風、有線和無線數(shù)字傳輸模塊、用于把模擬 視頻標準TV信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻YUV信號的A/D芯片；有線和無線數(shù) 字傳輸模塊中的傳輸軟件基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，無線通信使用 802. llg(b)協(xié)議，并支持無線和有線傳輸，支持公網(wǎng)、專網(wǎng)、局域網(wǎng) 靜態(tài)IP地址接入，提供圖像和聲音的壓縮及傳輸功能，壓縮算法采用 H. 264或者MPEG4;嵌入式數(shù)字信號微處理器連接SD存儲卡；
所述的A/D芯片中，把標準TV信號轉(zhuǎn)換成4: 2: 2的YUV數(shù)字信 號，并經(jīng)過數(shù)字信號微處理器中的H.264或者MPEG4壓縮；
除了按模塊進行組織以外，為了便于系統(tǒng)的實現(xiàn)，將裝置按視頻、 音頻、信道、射頻及控制五個部分來實現(xiàn)；視頻部分包括視頻采集、 A/D;音頻部分包括A/D、音頻壓縮；信道部分包括復(fù)用、糾錯編碼、 加密、數(shù)字調(diào)制；射頻部分重點解決2.4GHz頻段的發(fā)射；控制部分包 括了整個裝置的協(xié)同運行，將采用嵌入式數(shù)字信號微處理器來實現(xiàn)；
硬件部分如A/D、射頻處理等考慮采用成熟的芯片來實現(xiàn)，軟件 部分考慮采用嵌入式數(shù)字信號微處理器來實現(xiàn)，視頻采用H. 264或者 MPEG4壓縮解壓縮算法，包含在嵌入式數(shù)字信號微處理器中；下面闡 述視音頻信號的傳輸及存儲原理；
視頻信號傳輸及存儲原理經(jīng)0DVS采集的考場內(nèi)全景視頻圖像通 過感光芯片將圖像信息轉(zhuǎn)換成標準的TV電信號，經(jīng)過視頻處理A/D 模塊，把標準TV信號轉(zhuǎn)換成4: 2: 2的YUV數(shù)字信號，然后經(jīng)過嵌入 式數(shù)字信號微處理器中的H. 264或者MPEG4壓縮后，由數(shù)字傳輸及射 頻模塊發(fā)射出去；同時在選擇SD存儲卡進行保存時，將壓縮后的圖像 寫入到SD存儲卡中；
語音信號傳輸及存儲原理經(jīng)安置在0DVS內(nèi)的麥克風采集考場 內(nèi)的模擬語音電信號，經(jīng)過聲音控制器芯片的處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號， 傳到嵌入式數(shù)字信號微處理器中進行軟壓縮，然后傳到無線數(shù)字傳輸 及射頻收發(fā)模塊發(fā)射，通過模塊的天線發(fā)送出去；同時在選擇SD存儲 卡進行保存時，將壓縮后的音頻信息寫入到SD存儲卡中；
所述的數(shù)字傳輸及射頻收發(fā)模塊支持IEEE802. 11b/g協(xié)議，頻率 為2.4GHz，采用WEP128bit加密，并且通過軟件界面操作實現(xiàn)
IEEE802. lli安全標準，使得系統(tǒng)之間的通信更加安全，同時該模塊 可設(shè)置成普通模式或者Adh0C模式，配置成普通模式也就是通過交換 機或路由器等，數(shù)率可高至54Mbps，配置成Adhoc點對點模式也就是 兩者直接通信，數(shù)率可高至llMbps，完全可以傳輸壓縮后的音視頻數(shù) 據(jù)。接受靈敏度高達-85dbm，支持無線傳輸信道和功率可以設(shè)置，功 率最高可達17dbm;傳輸距離室內(nèi)情況達100米，室外可達300米；
所述的數(shù)字傳輸采用有線方式，當用戶具備了網(wǎng)絡(luò)接線情況下并 將網(wǎng)絡(luò)接線的水晶頭插入裝置時，裝置能自動感知到可以使用有線方 式進行組網(wǎng)，這時音視頻數(shù)據(jù)傳到嵌入式數(shù)字信號微處理器中進行壓 縮后直接通過有線局域網(wǎng)絡(luò)傳輸出去；
ODVS在考場中的配置方案，本發(fā)明中采用懸掛式的ODVS方式， 即將ODVS懸掛在考場的中心離地面2米處，在考場的中心天花板上引 出一條懸掛鏈，懸掛鏈一端與ODVS連接，通入電源后便攜式考場全方 位智能監(jiān)控裝置就能正常工作。
考試過程中，便攜式考場全方位監(jiān)控裝置自動采集整個考場內(nèi)的 音視頻數(shù)據(jù)，如果有多個考場的話，可以非常方便的架構(gòu)出無線數(shù)字 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由遠程監(jiān)控中心、0DVS、前端機和后端機四個部 分組成。遠程監(jiān)控中心采用廣域網(wǎng)技術(shù)與ODVS進行實時通信，在遠 程監(jiān)控中心的監(jiān)視屏上能監(jiān)控到任何一個考場內(nèi)的全景視頻圖像；
考試結(jié)束后，監(jiān)考人員可以快速的從懸掛鏈上卸下ODVS，從0DVS 中取出SD存儲卡，將SD存儲卡與考場記錄一起存封以便后續(xù)的檢査。 因此這種便攜式考場全方位監(jiān)控裝置本身及存儲單元均具有裝卸攜 帶方便等眾多優(yōu)點。
對于中小型的考場，集中在一個建筑物內(nèi)的情況，首先考慮采用
搭建局域網(wǎng)的方式來建成無線通信網(wǎng)絡(luò)，便攜式考場全方位監(jiān)控裝置 在室內(nèi)的無線傳輸距離可以達到100米，只要將中心集線器(hllb)配 置在多個考場的中間位置，對于建筑物的樓層面積大、樓層高的情況 可以考慮在樓層間多設(shè)幾個中心集線器；
對于大型的考場，比如分布在多個建筑物的情況，可以考慮采用 搭建遠距離無線局域網(wǎng)來實現(xiàn)遠程監(jiān)控，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)點對 點型、點對多點型、橋接中繼型和混合型；
所述的點對點型，常用于固定的要連網(wǎng)的兩個位置之間，是無線 連網(wǎng)的常用方式，使用這種連網(wǎng)方式建成的網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點是傳輸距離遠， 傳輸速率高，受外界環(huán)境影響較小。這種類型結(jié)構(gòu)一般由一對橋接器
和一對天線組成；
所述的點對多點型，常用于有一個中心點，多個遠端點的情況下。 其最大優(yōu)點是組建網(wǎng)絡(luò)成本低、維護簡單，其次，由于中心使用了全 向天線，設(shè)備調(diào)試相對容易。該種網(wǎng)絡(luò)的缺點也是因為使用了全向天 線，波束的全向擴散使得功率大大衰減，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率低，對于較遠 距離的遠端點，網(wǎng)絡(luò)的可靠性不能得到保證；
所述的橋接中繼型，當需要連接的兩個局域網(wǎng)之間有障礙物遮擋 而不可視時，可以考慮使用無線中繼的方法繞開障礙物，來完成兩點 之間的無線橋接。無線中繼點的位置應(yīng)選擇在可以同時看到網(wǎng)絡(luò)A與 網(wǎng)絡(luò)B的位置，中繼無線網(wǎng)橋連接的兩個定向天線分別對準網(wǎng)絡(luò)A與 網(wǎng)絡(luò)B的定向天線，無線網(wǎng)橋A與無線網(wǎng)橋B的通訊通過中繼無線網(wǎng) 橋來完成；
所述的混合型，適用于所建網(wǎng)絡(luò)中有遠距離的點，近距離的點， 還有建筑物或山脈阻擋的點，在組建這種網(wǎng)絡(luò)時，綜合使用上述幾種
類型的網(wǎng)絡(luò)方式，對于遠距離的點使用點對點方式，近距離的多個點 采用點對多點方式，有阻擋的點采用中繼方式。
權(quán)利要求
1、一種便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，其特征在于所述監(jiān)控裝置包括用于獲取考場全景視視頻信息的全方位視覺傳感器、用于獲取考場內(nèi)聲音信息的麥克風、用于傳輸考場內(nèi)視音頻信號的數(shù)字有線/無線傳輸模塊、用于保存考場內(nèi)視音頻數(shù)據(jù)的存儲卡以及微處理器，所述全方位視覺傳感器安裝在考場中間上方，所述的全方位視覺傳感器包括一次折反射鏡面、二次折反射鏡面、透明外罩、攝像頭和廣角鏡頭，攝像頭的鏡頭安置在一次折反射鏡面后面的視點位置上，所述攝像頭的鏡頭通過一次折反射鏡面的小孔獲得由二次折反射鏡面所反射的全景圖像；一次折反射鏡面和二次折反射鏡面安裝在透明外罩上，所述廣角鏡頭與攝像頭進行組合形成組合攝像單元；所述的微處理器包括圖像數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將全方位視覺傳感器傳送過來的標準TV信號轉(zhuǎn)換成422的YUV數(shù)字信號進行壓縮；語音數(shù)據(jù)壓縮模塊，用于將所述的聲音控制芯片處理后的聲音數(shù)字信號進行壓縮；存儲模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行保存，將音視頻數(shù)據(jù)寫入存儲卡內(nèi)；數(shù)字傳輸及射頻收發(fā)模塊，用于對壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)進行發(fā)送處理；所述攝像頭通過所述的A/D接口與所述微處理器進行連接，所述的麥克風與聲音控制芯片進行連接，所述的微處理器與所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊進行連接，所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊與天線進行連接，所述的微處理器設(shè)有存儲卡存儲接口，所述的存儲卡插入所述存儲卡存儲接口中。
2、 如權(quán)利要求1所述的便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，其特征在于-所述的廣角鏡頭配置在一次折反射鏡的前方和二次折反射鏡面上，攝 像頭鏡頭、廣角鏡頭、 一次折反射鏡和二次折反射鏡的中心軸配置在 同一軸心線上。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，其特征在于所述的一次折反射鏡面和二次折反射鏡面的曲線設(shè)計要求為從 頂視角度來看水平方向上的物體不變形，用以下方法來進行設(shè)計；根據(jù)成像原理， 一次入射光線VI與折反射主軸z的夾角為o ， 一次反射光線V2與折反射主軸Z的夾角為& ，過^點的切線與 巧由的夾角為"，法線與Z軸的夾角為s; 二次反射光線V3與折反射 豐軸Z的夾角為《，過A點"2，^)的切線與r軸的夾角為"，法線與Z軸的夾角為^，基于上述關(guān)系可以得到公式(1):<formula>formula see original document page 3</formula>式中，^是一次折反射鏡面曲線，《是二次折反射鏡面曲線；利用三角關(guān)系并進行簡化整理，得到公式(2)、 (3): <formula>formula see original document page 3</formula> (2)<formula>formula see original document page 3</formula>上式中， <formula>formula see original document page 4</formula><formula>formula see original document page 4</formula>解公式(2)、 (3)可以得到公式(4)、 (5);<formula>formula see original document page 4</formula>(4) <formula>formula see original document page 4</formula>(5) 式中《為《曲線的微分，《為《曲線的微分；所述的成像平面上的點與水平面上的點之間的關(guān)系具有線性關(guān)系，與視點S的距離為C并與Z軸相垂直的水平面L上的任意點P，在成像平而卜.的有一個對應(yīng)的像素點P，將水平面上的坐標用極坐標表示，這時水平面L上的任意點P(r， z)用以下公式來表示， <formula>formula see original document page 4</formula> (6)為了設(shè)計水平面上具有平均分辨率ODVS，即水平方向不變形的ODVS， 在水平面L上的任意點P與Z軸相垂直方向的坐標r和像素點p與Z軸的距離^《⑥之間要保證具有線性關(guān)系，得到以下公式<formula>formula see original document page 4</formula> (7)根據(jù)成像原理有以下關(guān)系成立，入射角用公式(8)表示， <formula>formula see original document page 4</formula> (8) 將公式(6)、 (8)代入公式(7)并整理，得到在水平方向不變形的 條件，用公式(9)表示， <formula>formula see original document page 5</formula>(9)滿足公式(9)的鏡面曲線設(shè)計符合水平方向平均分辨率要求； 然后通過對公式(2)、 (3)、 (9)利用4階Runge-Kutta算法求A和^ 的數(shù)字解，求得的《和^的數(shù)字解是一次折反射鏡面和二次折反射鏡 面的曲線。
4、如權(quán)利要求2所述的便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，其特征在于 通過一次折反射鏡上的圓孔在廣角鏡頭與攝像頭鏡頭之間成像，稱為 第一成像點，將攝像頭鏡頭的焦點距離作為fl、廣角鏡頭的焦點距 離作為f2、攝像頭鏡頭與攝像頭鏡頭的焦點的距離作為Sl、從攝像 頭鏡頭到第一成像點的焦點距離作為S2、從廣角鏡頭到第一成像點 的距離作為S3、從廣角鏡頭到實物點的距離作為S4，根據(jù)鏡頭的成 像公式得到以下關(guān)系式<formula>formula see original document page 5</formula>(10)<formula>formula see original document page 5</formula>(11) <formula>formula see original document page 5</formula>3 (12)要使公式(12)成立，將圖3中的從第一折反射鏡面后的攝像頭 鏡頭距離為d的地方配置廣角鏡頭，得到圖2中圖像中部所顯示的廣 角成像圖；將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭的之間的距離d作為一個約束條 件，只有通過設(shè)計廣角鏡頭的焦點距離f2來滿足公式(12)的要求;對于將攝像頭鏡頭與廣角鏡頭作為一個組合鏡頭來考慮，其焦距f由下式來表示<formula>formula see original document page 6</formula>(13)另外，將合成鏡頭的直徑作為D，其放大倍數(shù)由下式來表示 " (14)<formula>formula see original document page 6</formula>為了將合成鏡頭的視場與0DVS的死角部分相吻合，在設(shè)計合成 鏡頭時需要滿足以下公式式中，《，是二次反射光線V3與折反射主軸Z的最大夾角。
全文摘要
一種便攜式考場全方位監(jiān)控裝置，包括用于獲取考場全景視視頻信息的全方位視覺傳感器、用于獲取考場內(nèi)聲音信息的麥克風、用于傳輸考場內(nèi)視音頻信號的數(shù)字有線/無線傳輸模塊、用于保存考場內(nèi)視音頻數(shù)據(jù)的存儲卡以及微處理器，所述全方位視覺傳感器安裝在考場中間上方，攝像頭通過所述的A/D接口與所述微處理器進行連接，所述的麥克風與聲音控制芯片進行連接，所述的微處理器與所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊進行連接，所述的數(shù)字有線/無線傳輸模塊與天線進行連接，所述的微處理器設(shè)有存儲卡存儲接口，所述的存儲卡插入所述存儲卡存儲接口中。本發(fā)明能提高使用率、應(yīng)用方便、成本低。
文檔編號H04N7/18GK101365113SQ20081016165
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者軍 姜, 李小暢, 楊冠寶, 湯一平, 湯曉燕 申請人:浙江工業(yè)大學