專利名稱：基于全局特性差異的ccd陣列視頻定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種視頻定位技術(shù)，特別是一種使用CCD陣列快速確定和跟蹤目標(biāo)位 置的方法，可用于多種需要快速三維測(cè)量定位的場(chǎng)合，還可以用于警戒性探測(cè)，檢測(cè)是否有 目標(biāo)接近CCD陣列。
背景技術(shù)：
視頻定位是一種非接觸式目標(biāo)定位方法，相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁式和超聲式定位設(shè) 備，視頻定位設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單、不易受外界干擾，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)線和機(jī)器人導(dǎo) 航等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。視頻定位目前主要采用的有基于單攝像機(jī)，基于雙攝像機(jī)和基 于多攝像機(jī)系統(tǒng)的三維信息獲取方法和裝置?，F(xiàn)有方法都基于傳統(tǒng)的視覺幾何計(jì)算，離不 開立體匹配技術(shù)，立體匹配技術(shù)在理論上是完美的，但在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)闊o法快速準(zhǔn)確的 找到匹配點(diǎn)，使以上三維信息獲取方法的魯棒性不高，而且運(yùn)算量大。 基于陣列攝像機(jī)的深度圖實(shí)時(shí)獲取方法(申請(qǐng)?zhí)?00910098790. 0)由一個(gè)3D攝
像機(jī)提供的低分辨率深度圖來得到若干個(gè)可見光攝像機(jī)視點(diǎn)上的高分辨率深度圖。雖然也 采用陣列攝像機(jī)，但是只獲取深度信息，無法得到完整的三維信息，完成目標(biāo)的定位功能。
基于攝像機(jī)陣列的三維實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)(申請(qǐng)?zhí)?00810062878. 2)由多個(gè)高分辨 率攝像機(jī)和一個(gè)較低空間分辨率TOF攝像機(jī)組成陣列，首先利用TOF攝像機(jī)獲取空間分辨 率較低的場(chǎng)景三維信息初始值，通過攝像機(jī)標(biāo)定建立TOF攝像機(jī)與各臺(tái)高分辨率攝像機(jī)位 置關(guān)系的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)性，將深度信息映射優(yōu)化，最終通過配準(zhǔn)獲得三維信息。該系統(tǒng)需要對(duì) TOF攝像機(jī)和各臺(tái)高分辨率攝像機(jī)在所覆蓋的共同空間上達(dá)到嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，一旦配準(zhǔn) 信息稍有誤差，所計(jì)算出的三維信息將出現(xiàn)較大的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有目標(biāo)定位技術(shù)的不足，提供一種利用CCD陣列對(duì)目標(biāo)進(jìn) 行視頻定位的技術(shù)和系統(tǒng)，它利用CCD陣列中各個(gè)彩色面陣CCD拍攝到圖像全局特性的差 異，并利用陣列對(duì)視區(qū)空間的分割特性定位，具有計(jì)算簡(jiǎn)便、實(shí)時(shí)性高、定位范圍大、目標(biāo)接 近陣列時(shí)特別靈敏等特點(diǎn)。特別適用于需要在較大范圍內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速粗略定位的場(chǎng) 合。如虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對(duì)體驗(yàn)者的頭、手、手指等進(jìn)行快速定位，提高交互體驗(yàn)的真實(shí)性。本 發(fā)明具有目標(biāo)越接近陣列，定位方法的目標(biāo)檢測(cè)越靈敏的特點(diǎn)。因此還可以用于警戒性探 測(cè)，檢測(cè)是否有目標(biāo)接近CCD陣列，并獲知接近程度。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案 本發(fā)明基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于包括如下步驟
1)以固定間距將nXm臺(tái)攝像機(jī)安裝在平面板上構(gòu)成彩色面陣CCD陣列，其中n為 每行的攝像機(jī)數(shù)，m為每列的攝像機(jī)數(shù)，每個(gè)攝像機(jī)的焦距和視場(chǎng)角相同，將整個(gè)視場(chǎng)分割 成形狀和坐標(biāo)平面內(nèi)投影面積相同的菱形視場(chǎng)區(qū)域； 2)彩色面陣CCD陣列采集的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過視頻信號(hào)放大與濾波模塊放大去
4噪后，被送入視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為YUV格式的數(shù)字視頻信號(hào)； 3)每個(gè)面陣CCD對(duì)應(yīng)的YUV數(shù)字視頻信號(hào)被送入FPGA處理模塊，按像素將Y、 U、 V分量分別累加，得到第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi ; 4)對(duì)整個(gè)陣列的全局特性向量再求取平均值W^r，分別與第i個(gè)CCD的全局特性 向量Wi求廣義距離|Wi-Waver| :如果|Wi-Waver| > S ，則認(rèn)為目標(biāo)出現(xiàn)在相應(yīng)的攝像機(jī)圖像 中； 5)通過拍攝到目標(biāo)的這些CCD的序號(hào)就可以確定目標(biāo)在視場(chǎng)的哪一個(gè)菱形區(qū)域， 設(shè)定目標(biāo)位置的估計(jì)值為菱形的中心，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速定位。 本發(fā)明有益的效果是無需任何的接收裝置，對(duì)定位目標(biāo)無須任何改裝，如果用來 定位頭、手、手指等沒有任何的束縛感。利用CCD圖像的全局特性信息來快速判斷目標(biāo)是否 出現(xiàn)在圖像中，無需復(fù)雜的計(jì)算機(jī)視覺計(jì)算，就可確定目標(biāo)的三維位置信息。完全的硬件實(shí) 現(xiàn)，便于擴(kuò)展，計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)時(shí)性高。視場(chǎng)不受約束，可以通過增加CCD的數(shù)量來擴(kuò)大用于目 標(biāo)定位的區(qū)域。根據(jù)具體應(yīng)用的要求，還可以靈活地改變目標(biāo)定位的精度。如需提高定位 精度，只需改變CCD的焦距或安裝的間距，減小菱形視場(chǎng)區(qū)域的大小。目標(biāo)越接近陣列，廣 義距離|Wi_WavCT|越大，本發(fā)明的檢測(cè)靈敏度隨目標(biāo)接近陣列而增強(qiáng)。


圖1為基于全局特性差異的攝像機(jī)陣列視頻定位系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖1標(biāo)號(hào)名稱1-待定位的目標(biāo)；2_目標(biāo)在XY平面內(nèi)的投影；3-目標(biāo)在YZ平面內(nèi)的投影；4-CCD器件；5-CCD器件的視場(chǎng)邊界線；6-CCD陣列輸出的模擬視頻信號(hào)；7-經(jīng)濾波放大后的模擬視頻信號(hào)；8-YUV格式的數(shù)字視頻信號(hào)；圖2為攝像機(jī)陣列視頻定位系統(tǒng)視場(chǎng)分割的二維工作原理圖。圖3為基于全局特性差異的攝像機(jī)陣列視頻定位的實(shí)施流程框圖。圖4為基于全局特性差異的攝像機(jī)陣列視頻定位的硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 本發(fā)明以固定間距安裝在平面板上的CCD陣列，每個(gè)彩色面陣CCD的焦距和視場(chǎng) 角相同，可以將整個(gè)視場(chǎng)分割成形狀和坐標(biāo)平面內(nèi)投影面積相同的菱形視場(chǎng)區(qū)域。每個(gè)CCD 輸出的模擬信號(hào)通過視頻信號(hào)放大與濾波模塊進(jìn)行模擬信號(hào)的放大和去噪，再被送入視頻 信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為YUV格式的數(shù)字信號(hào)，然后FPGA處理模塊對(duì)陣列中每個(gè)面陣CCD 的YUV數(shù)字信號(hào)中Y、 U、 V分量按像素分別相加得到各自的整體特征向量，再對(duì)整個(gè)陣列的 全局特性向量求平均值，對(duì)比每個(gè)CCD的全局特性向量和陣列平均全局特性向量就能判斷 目標(biāo)是否出現(xiàn)在各CCD的視頻圖像中。最后通過拍攝到目標(biāo)的這些CCD的序號(hào)就可以計(jì)算出目標(biāo)出現(xiàn)在哪個(gè)菱形視場(chǎng)區(qū)域，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速定位。 如圖l在ZX平面內(nèi)布置nXm個(gè)面陣CCD，利用單CCD的重合視區(qū)或獨(dú)有視區(qū)的空間分布特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)空間區(qū)域的分割。當(dāng)目標(biāo)所在位置不同時(shí)，目標(biāo)將會(huì)出現(xiàn)在不同的空間區(qū)域中，被CCD陣列中不同的CCD器件所捕捉。如圖2所示以在X、 Y平面內(nèi)定位為例敘述本發(fā)明的定位原理。A-F處于整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域的第一層，G-K處于整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域的第二層，L-O處于整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域的第二層，P-R處于整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域的第四層，S-T處于整個(gè)視場(chǎng)的第五層，U處于整個(gè)視場(chǎng)區(qū)域的第六層。以此可類推至整個(gè)CCD陣列的更高層次。其對(duì)空間
的分割能力是CCD個(gè)數(shù)n的函數(shù)，所分割的空間數(shù)等于1>' ， CCD較多時(shí)可獲得很高的空間
區(qū)分度，利用這種空間分割特點(diǎn)，可直接根據(jù)拍攝到目標(biāo)的攝像機(jī)個(gè)數(shù)和攝像機(jī)序號(hào)估算目標(biāo)的空間位置； 如圖3所示，基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于包括如下步驟 1)以固定間距將nXm臺(tái)攝像機(jī)安裝在平面板上構(gòu)成彩色面陣CCD陣列，其中n為每行的攝像機(jī)數(shù)，m為每列的攝像機(jī)數(shù)，每個(gè)攝像機(jī)的焦距和視場(chǎng)角相同，將整個(gè)視場(chǎng)分割成形狀和坐標(biāo)平面內(nèi)投影面積相同的菱形視場(chǎng)區(qū)域； 2)彩色面陣CCD陣列采集的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過視頻信號(hào)放大與濾波模塊放大去噪后，被送入視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為YUV格式的數(shù)字視頻信號(hào)；
3)每個(gè)面陣CCD對(duì)應(yīng)的YUV數(shù)字視頻信號(hào)被送入FPGA處理模塊，按像素將Y、 U、V分量分別累加，得到第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi ; 4)對(duì)整個(gè)陣列的全局特性向量再求取平均值WavCT，分別與第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi求廣義距離|Wi-Waver| :如果|Wi-Waver| > S ，則認(rèn)為目標(biāo)出現(xiàn)在相應(yīng)的攝像機(jī)圖像中； 5)通過拍攝到目標(biāo)的這些CCD的序號(hào)就可以確定目標(biāo)在視場(chǎng)的哪一個(gè)菱形區(qū)域，
設(shè)定目標(biāo)位置的估計(jì)值為菱形的中心，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速定位。
具體方法如下 CCD陣列由ICX405彩色面陣CCD組成，經(jīng)過視頻放大與濾波模塊CXA2096N對(duì)CCD的原始模擬視頻信號(hào)進(jìn)行濾波去噪和信號(hào)放大，然后被送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊CXD3142R轉(zhuǎn)換為YUV格式的數(shù)字視頻信號(hào)； YUV格式的視頻信號(hào)再被送入FPGA大規(guī)模邏輯器件Spartan-3e中，首先YUV格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)被緩存在FIFO中，然后對(duì)每幀圖像的Y、 U、 V值按像素分別累加，得到全局特性向量 『，=
raw co/
SIX SIX SIX 其中row為圖像行數(shù)，col為圖像列數(shù)，Ypq、 Upq、 Vpq分別為圖像坐標(biāo)(p， q)點(diǎn)像素的Y、 U、 V的值。接著對(duì)所有CCD全局特性向量求取平均值，得到
『
附^ W
6
最后求取Wi和WavCT之間的廣義距離I Wi_WavCT I ，通過對(duì)具體目標(biāo)的試驗(yàn)可以確定一個(gè)閾值S ，距離大于S則表示當(dāng)前這個(gè)CCD中的圖像全局特性向量與陣列平均特性向量差異明顯，認(rèn)為該CCD拍攝到了目標(biāo)； 獲知CCD陣列中哪些CCD拍攝到目標(biāo)后，由于所有CCD的焦距和視場(chǎng)角相同，所以CCD陣列形成的菱形視場(chǎng)區(qū)域A、B、C...形狀面積相同。設(shè)菱形高度為h，菱形寬度為d(即攝像機(jī)排列間隔為d，第一個(gè)攝像機(jī)距坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平距離也為d)，目標(biāo)位置的估計(jì)值為菱形的中心。在X軸方向m行攝像機(jī)中找出拍到目標(biāo)最多的一行攝像機(jī)，在這一行攝像機(jī)中序號(hào)為第a至b臺(tái)攝像機(jī)中拍攝到了目標(biāo)，拍攝到目標(biāo)的攝像機(jī)臺(tái)數(shù)c = b-a+l，b > a，則通過以下公式獲得目標(biāo)位置 其中x和y分別為目標(biāo)在XY平面內(nèi)求得的X軸和Y軸坐標(biāo)。 在Z軸方向n列攝像機(jī)中找出拍到目標(biāo)最多的一列攝像機(jī)，在這一列攝像機(jī)中序號(hào)為第e至f臺(tái)攝像機(jī)中拍攝到了目標(biāo)，拍攝到目標(biāo)的攝像機(jī)臺(tái)數(shù)g = f-e+l，f > e，則通過以下公式獲得目標(biāo)位置<formula>formula see original document page 7</formula>
其中z和y分別為目標(biāo)在ZY平面內(nèi)求得的Z軸和Y軸坐標(biāo)。 Z方向也可以采用另一種攝像機(jī)間隔，從而使X和Z方向的定位精度不同。在Z、Y平面應(yīng)用上述算法求得的y坐標(biāo)可以和在Z、Y平面內(nèi)求得的y坐標(biāo)平均后作為最終坐標(biāo)值。 如圖1和4所示，基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位系統(tǒng)，包括nXm臺(tái)攝像機(jī)安裝在平面板上構(gòu)成的彩色面陣CCD陣列、視頻信號(hào)放大與濾波模塊、視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及FPGA處理模塊，其中nXm臺(tái)攝像機(jī)依次通過視頻信號(hào)放大與濾波模塊、視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后與FPGA處理模塊連接，其中n為每行的攝像機(jī)數(shù)，m為每列的攝像機(jī)數(shù)，每個(gè)攝像機(jī)的焦距和視場(chǎng)角相同。
權(quán)利要求
一種基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于包括如下步驟1)以固定間距將n×m臺(tái)攝像機(jī)安裝在平面板上構(gòu)成彩色面陣CCD陣列，其中n為每行的攝像機(jī)數(shù)，m為每列的攝像機(jī)數(shù)，每個(gè)攝像機(jī)的焦距和視場(chǎng)角相同，將整個(gè)視場(chǎng)分割成形狀和坐標(biāo)平面內(nèi)投影面積相同的菱形視場(chǎng)區(qū)域；2)彩色面陣CCD陣列采集的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過視頻信號(hào)放大與濾波模塊放大去噪后，被送入視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為YUV格式的數(shù)字視頻信號(hào)；3)每個(gè)面陣CCD對(duì)應(yīng)的YUV數(shù)字視頻信號(hào)被送入FPGA處理模塊，按像素將Y、U、V分量分別累加，得到第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi；4)對(duì)整個(gè)陣列的全局特性向量再求取平均值Waver，分別與第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi求廣義距離|Wi-Waver|如果|Wi-Waver|≥δ，則認(rèn)為目標(biāo)出現(xiàn)在相應(yīng)的攝像機(jī)圖像中；5)通過拍攝到目標(biāo)的這些CCD的序號(hào)就可以確定目標(biāo)在視場(chǎng)的哪一個(gè)菱形區(qū)域，設(shè)定目標(biāo)位置的估計(jì)值為菱形的中心，即可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速定位。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于步 驟3)所述的第i個(gè)CCD的全局特性向量Wi的求取方法如下首先YUV格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)被緩存在FIFO中，然后對(duì)每幀圖像的Y、U、V值按像素分 別累加，得到全局特性向量<formula>formula see original document page 2</formula>其中row為圖像行數(shù)，col為圖像列數(shù)，YM、Upd分別為圖像坐標(biāo)(p，q)點(diǎn)像素的Y、 U、V的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于步 驟4)所述的確認(rèn)目標(biāo)的方法如下對(duì)所有CCD全局特性向量求取平均值，得到<formula>formula see original document page 2</formula>求取Wi和W^r之間的廣義距離IWi-W,l，當(dāng)所述廣義距離距離大于閾值S則表示當(dāng) 前這個(gè)CCD中的圖像全局特性向量與陣列平均特性向量差異明顯，認(rèn)為該CCD拍攝到了目 標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于步 驟5)所述的定位方法如下在X軸方向m行攝像機(jī)中找出拍到目標(biāo)最多的一行攝像機(jī)，在這一行攝像機(jī)中序號(hào)為 第a至b臺(tái)攝像機(jī)中拍攝到了目標(biāo)，拍攝到目標(biāo)的攝像機(jī)臺(tái)數(shù)c = b-a+l，b > a，則通過以 下公式獲得目標(biāo)位置<formula>formula see original document page 2</formula>其中x和y分別為目標(biāo)在XY平面內(nèi)求得的X軸和Y軸坐標(biāo)；在Z軸方向n列攝像機(jī)中找出拍到目標(biāo)最多的一列攝像機(jī)，在這一列攝像機(jī)中序號(hào)為第e至f臺(tái)攝像機(jī)中拍攝到了目標(biāo)，拍攝到目標(biāo)的攝像機(jī)臺(tái)數(shù)g = f-e+l，f > e，則通過以 下公式獲得目標(biāo)位置<formula>formula see original document page 3</formula>其中z和y分別為目標(biāo)在ZY平面內(nèi)求得的Z軸和Y軸坐標(biāo)，最終得到目標(biāo)在XYZ平面 內(nèi)的坐標(biāo)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法，其特征在于在 Z、Y平面應(yīng)用上述算法求得的y坐標(biāo)可以和在Z、Y平面內(nèi)求得的y坐標(biāo)平均后作為最終坐 標(biāo)值。
6. —種基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位系統(tǒng)，其特征在于包括nXm臺(tái)攝像機(jī)安 裝在平面板上構(gòu)成的彩色面陣CCD陣列、視頻信號(hào)放大與濾波模塊、視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊以及FPGA處理模塊，其中nXm臺(tái)攝像機(jī)依次通過視頻信號(hào)放大與濾波模塊、視頻信號(hào)模 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊后與FPGA處理模塊連接，其中n為每行的攝像機(jī)數(shù)，m為每列的攝像機(jī)數(shù)，每個(gè) 攝像機(jī)的焦距和視場(chǎng)角相同。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于全局特性差異的CCD陣列視頻定位方法及系統(tǒng)，以固定間距安裝在平面板上的CCD陣列。每個(gè)CCD輸出的模擬信號(hào)通過視頻信號(hào)放大與濾波模塊進(jìn)行模擬信號(hào)的放大和去噪，再被送入視頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為YUV格式的數(shù)字信號(hào)，然后FPGA處理模塊對(duì)陣列中每個(gè)面陣CCD的YUV數(shù)字信號(hào)中Y、U、V分量按像素分別相加得到各自的整體特征向量，再對(duì)整個(gè)陣列的全局特性向量求平均值，對(duì)比每個(gè)CCD的全局特性向量和陣列平均全局特性向量就能判斷目標(biāo)是否出現(xiàn)在各CCD的視頻圖像中。最后通過拍攝到目標(biāo)的這些CCD的序號(hào)就可以計(jì)算出目標(biāo)出現(xiàn)在哪個(gè)菱形視場(chǎng)區(qū)域，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行快速定位。
文檔編號(hào)H04N5/14GK101778303SQ20101010235
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者吳東蘇, 周來, 顧宏斌 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)