專利名稱：嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)控系統(tǒng)，尤其涉及一種嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)今，各種監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在公安、交通、城市管理、消防、森林、機(jī)場(chǎng)、銀行、商業(yè)、企 業(yè)、學(xué)校等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。這些監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于維護(hù)公共安全、刑事偵查發(fā)揮了重要 作用。然而，由于當(dāng)前使用的監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的照相、攝像鏡頭基本上都是定焦鏡頭。 因此，在許多場(chǎng)合無法根據(jù)記錄的攝像資料，觀察到監(jiān)控范圍內(nèi)的清晰的目標(biāo)圖像。實(shí)際 上，這樣就大大削弱了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果。要想解決問題，可以采用超高分辨率的攝像 機(jī)，但是這樣不僅大大增加了系統(tǒng)的設(shè)備投入費(fèi)用，而且還會(huì)大幅度地增加存儲(chǔ)開銷與網(wǎng) 絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)荷。如果采用手動(dòng)或者電動(dòng)變焦鏡頭，則可以把目標(biāo)拉近，從而能夠觀察到清晰 的目標(biāo)。但是，靠人工操作變焦鏡頭，進(jìn)行24小時(shí)的監(jiān)控顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服監(jiān)控圖像中目標(biāo)圖像分辨率低、模糊不清的不足，本發(fā)明公開了一種嵌 入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)及其方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系 統(tǒng)，它包括智能自動(dòng)變焦抓拍控制器、第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)、攝像機(jī)、硬盤錄 像機(jī)、變焦鏡頭、云臺(tái)、變焦機(jī)構(gòu)；其中，所述第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)攝像機(jī)、硬盤 錄像機(jī)、云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)分別與智能自動(dòng)變焦抓拍控制器相連，攝像機(jī)固定在云臺(tái)上，變焦 鏡頭與攝像機(jī)相連，變焦鏡頭固定在變焦機(jī)構(gòu)上，攝像機(jī)和硬盤錄像機(jī)相連；所述智能自動(dòng) 變焦抓拍控制器包括只讀存儲(chǔ)器、單片機(jī)和存儲(chǔ)器組，其中，所述只讀存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器組分 別與單片機(jī)相連。一種應(yīng)用上述系統(tǒng)的智能自動(dòng)變焦抓拍方法，包括以下步驟(1)視頻輸入攝像機(jī)通過變焦鏡頭獲得監(jiān)控畫面，然后將其輸入到智能自動(dòng)變 焦抓拍控制器；(2)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)智能自動(dòng)變焦抓拍控制器接受來自監(jiān)控?cái)z像機(jī)的數(shù)字視頻流 圖像，對(duì)于接收到的圖像，不斷進(jìn)行新舊圖像的比較，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)及大小范圍；(3) 3D信息的提取當(dāng)智能自動(dòng)變焦抓拍控制器判定存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，觸發(fā)第一 定焦照相機(jī)和第二定焦照相機(jī)同時(shí)攝取監(jiān)控畫面，并把攝取的數(shù)字圖像傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。對(duì) 于獲得的兩幅監(jiān)控照片，通過基于雙視角目標(biāo)的3D信息提取算法得到目標(biāo)的位置及距離 等數(shù)據(jù)；(4)攝像機(jī)云臺(tái)控制智能自動(dòng)變焦抓拍控制器根據(jù)步驟(3)獲得的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在 監(jiān)控畫面中的位置數(shù)據(jù)，控制攝像機(jī)云臺(tái)作水平和垂直旋轉(zhuǎn)；
(5)智能自動(dòng)變焦智能自動(dòng)變焦抓拍控制器根據(jù)步驟(2)和步驟(3)獲得的監(jiān) 測(cè)目標(biāo)的大小范圍以及距離數(shù)據(jù)，控制變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)變焦鏡頭進(jìn)行變焦。從而使得運(yùn)動(dòng) 目標(biāo)在監(jiān)控畫面中最大化，獲得清晰高分辨率的目標(biāo)圖像；(6)硬盤錄像當(dāng)監(jiān)控畫面中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，智能自動(dòng)變焦抓拍控制器控制硬 盤錄像機(jī)開始記錄監(jiān)控畫面。當(dāng)變焦攝像、硬盤錄像完成，并且監(jiān)控畫面中沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 時(shí)，智能自動(dòng)變焦抓拍控制器令系統(tǒng)復(fù)位攝像機(jī)云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)復(fù)位。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明利用一臺(tái)攝像機(jī)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，接著采用兩臺(tái) 不同視角的照相機(jī)估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的3D位置信息；然后控制云臺(tái)上的鏡頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)、進(jìn)行變 焦控制，最后獲得具有較高分辨率、清晰的目標(biāo)圖像。本發(fā)明無需使用高分辨率的照相機(jī)/ 攝像機(jī)就能獲得高分辨率的目標(biāo)圖像，而且不會(huì)增加存儲(chǔ)開銷與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)荷，成本較 低。


圖1是本發(fā)明嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)的工作流程圖；圖3是智能自動(dòng)變焦抓拍控制器的電氣結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明基于高級(jí)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、估計(jì)目 標(biāo)的3D信息、進(jìn)行智能化的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和變焦，從而充分發(fā)揮攝像機(jī)/照相機(jī)的分辨率，抓拍 到清晰的目標(biāo)圖像。本發(fā)明的原理是采用利用一臺(tái)攝像機(jī)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；接著采用兩臺(tái)不同視 角的照相機(jī)估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的3D位置信息；然后控制云臺(tái)上的鏡頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)、進(jìn)行變焦控 制，最后獲得具有較高分辨率、清晰的目標(biāo)圖像的新方法。同時(shí)，利用單片機(jī)/FPGA集成電 路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式自動(dòng)變焦抓拍裝置利用該自動(dòng)變焦抓拍裝置就可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目 標(biāo)、基于雙視角照片估計(jì)目標(biāo)的3D信息、把鏡頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)、變焦拉近，使得目標(biāo)在監(jiān)控畫面 中最大化。從而充分發(fā)揮照相機(jī)/攝像機(jī)的效能，拍攝到較高分辨率的目標(biāo)圖像。如圖1所示，本發(fā)明嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)包括智能自動(dòng)變焦抓拍控制 器、第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)、攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、變焦鏡頭、云臺(tái)、變焦機(jī)構(gòu)。其 中，第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)分別與智能自 動(dòng)變焦抓拍控制器相連，攝像機(jī)固定在云臺(tái)上，變焦鏡頭與攝像機(jī)相連，變焦鏡頭固定在變 焦機(jī)構(gòu)上，攝像機(jī)和硬盤錄像機(jī)相連。具體來說，第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)攝像機(jī)可以通過USB接口或1394接 口接入智能自動(dòng)變焦抓拍控制器；錄像機(jī)、云臺(tái)和步進(jìn)馬達(dá)控制器可以通過RS232或RS485 接入智能自動(dòng)變焦抓拍控制器；攝像機(jī)可以通過HDMI接口或DVI接口接入智能自動(dòng)變焦抓 拍控制器，攝像機(jī)和硬盤錄像機(jī)可以通過DVI接口或RGB接口相連。智能自動(dòng)變焦抓拍控制器可以通過USB編程接口接入PC機(jī)，但是圖中PC機(jī)僅僅 在裝置調(diào)試時(shí)使用。PC機(jī)通過USB接口對(duì)本發(fā)明中的自動(dòng)變焦抓拍裝置進(jìn)行初始化。初始 化工作包括設(shè)置控制參數(shù)和測(cè)量修正參數(shù)。
如圖3所示，智能自動(dòng)變焦抓拍控制器包括只讀存儲(chǔ)器、單片機(jī)和存儲(chǔ)器組。只讀 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器組分別與單片機(jī)相連。單片機(jī)具有2個(gè)USB接口或1394接口，3個(gè)RS232 或RS485接口，1個(gè)HDMI接口或DVI接口，用以跟本發(fā)明嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)其它 部件相連。單片機(jī)可以采用摩托羅拉公司Freescale MC9S12型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于此。如圖2所示，本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍方法包括以下步驟1、視頻輸入攝像機(jī)通過變焦鏡頭獲得監(jiān)控畫面，然后將其輸入到智能自動(dòng)變焦抓拍控制器。2、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍控制器通過HDMI/DVI數(shù)字視頻接口接受來自監(jiān)控?cái)z像 機(jī)的數(shù)字視頻流圖像。對(duì)于接收到的序列圖像，不斷進(jìn)行新舊圖像的比較(圖像相減)，則 可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)及大小范圍。具體的方法如下設(shè)從連續(xù)的視頻流中獲得兩幅大小為MXN的圖像幀f\(i，j)，f2(i，j)，兩幅圖像 的差值圖像g(i，j) = |f\(i，j)_f2(i，j) I。當(dāng)差值圖像的累計(jì)值^ZB^，力大
ieM JeN
于某一閥值s時(shí)，則可以判定在監(jiān)控畫面中存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。而g(i，j)的非零區(qū)域則基本 上就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的區(qū)域。閥值8的選取直接影響到系統(tǒng)的性能閥值8過小，則可能由于某些光電干擾， 而誤觸發(fā)系統(tǒng)；閥值8過大，那么有可能令系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)不了小的運(yùn)動(dòng)物體。閥值8的數(shù)值可 以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來確定。例如，設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)沒有任何運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，通過實(shí)際測(cè)量， 可以得到差值圖像的累計(jì)值A(chǔ)，那么可以令閥值5 = 1.2A。3. 3D信息的提取本發(fā)明中采用了 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB/1394接口作為雙視角數(shù)字照相機(jī)的控制信號(hào)和 照片數(shù)據(jù)的輸入接口。當(dāng)本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍控制器判定存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，則通過該 接口觸發(fā)雙視角數(shù)字照相機(jī)同時(shí)攝取監(jiān)控畫面；然后通過該接口把攝取的數(shù)字圖像傳遞到 本發(fā)明中的存儲(chǔ)器。對(duì)于獲得的兩幅監(jiān)控照片，通過基于雙視角目標(biāo)的3D信息提取算法 (詳細(xì)可以參考楊長(zhǎng)生，姚嘉，‘利用圖象匹配實(shí)現(xiàn)自動(dòng)云層高度分析’，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與 圖形學(xué)報(bào)，1996年9月)得到目標(biāo)的位置及距離等數(shù)據(jù)。4.攝像機(jī)云臺(tái)控制本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍控制器按照獲得的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在監(jiān)控畫面中的位置數(shù)據(jù)， 控制攝像機(jī)云臺(tái)作水平和垂直旋轉(zhuǎn)。例如，如果運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在監(jiān)控畫面偏左，則控制云臺(tái)向 左轉(zhuǎn)；如果目標(biāo)偏下，則控制云臺(tái)向下旋轉(zhuǎn)。最終使得云臺(tái)上的攝像機(jī)鏡頭對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。 即，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)在監(jiān)控畫面的中部。攝像機(jī)云臺(tái)作水平和垂直旋轉(zhuǎn)的角度數(shù)與目標(biāo)在畫面中位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，則 在系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)通過實(shí)驗(yàn)取得。然后，由PC機(jī)通過USB編程接口，把這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為 初始化參數(shù)輸入到本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍控制器。5.智能自動(dòng)變焦根據(jù)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和3D信息提取步驟中已經(jīng)獲得的監(jiān)測(cè)目標(biāo)的大小范圍以及 距離數(shù)據(jù)。本發(fā)明中智能自動(dòng)變焦抓拍控制器通過RS232/485接口控制變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)鏡 頭進(jìn)行變焦。從而使得運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在監(jiān)控畫面中最大化。由此，獲得了清晰的高分辨率的目標(biāo)圖像。當(dāng)變焦攝像、硬盤錄像完成，并且監(jiān)控畫面中沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，本發(fā)明智能自動(dòng)變 焦抓拍控制器則可令系統(tǒng)復(fù)位攝像機(jī)云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)復(fù)位。6.硬盤錄像本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)工作時(shí)，監(jiān)控?cái)z像機(jī)一直處于攝像開啟狀態(tài)。當(dāng)監(jiān) 控畫面中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，本發(fā)明智能自動(dòng)變焦抓拍控制器可以通過RS232/485接口控制 硬盤錄像機(jī)開始記錄監(jiān)控畫面。在云臺(tái)控制、變焦控制和系統(tǒng)復(fù)位過程中，硬盤錄像機(jī)一直 處于記錄狀態(tài)。等到系統(tǒng)復(fù)位，則硬盤錄像機(jī)停止錄像。由于在自動(dòng)變焦抓拍控制器中采用了 2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB/1394接口作為雙視角照相 機(jī)控制與數(shù)字視頻輸入接口，因此本發(fā)明可以采用兩臺(tái)具有USB/1394接口的普通定焦照 相機(jī)組成雙視角照相機(jī)，而不必定制。裝置的輸出是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，因此本發(fā)明智能自動(dòng) 變焦抓拍控制器可以直接與鏡頭云臺(tái)、變焦鏡頭或者變焦機(jī)構(gòu)相連。本發(fā)明智能自動(dòng)變焦 抓拍控制器能獨(dú)立運(yùn)行，無需占用計(jì)算機(jī)資源。
權(quán)利要求
一種嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)，其特征在于，它包括智能自動(dòng)變焦抓拍控制器、第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)、攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、變焦鏡頭、云臺(tái)、變焦機(jī)構(gòu)。其中，所述第一定焦照相機(jī)、第二定焦照相機(jī)攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)、云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)分別與智能自動(dòng)變焦抓拍控制器相連，攝像機(jī)固定在云臺(tái)上，變焦鏡頭與攝像機(jī)相連，變焦鏡頭固定在變焦機(jī)構(gòu)上，攝像機(jī)和硬盤錄像機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)，其特征在于，所述智能自動(dòng)變 焦抓拍控制器包括只讀存儲(chǔ)器、單片機(jī)和存儲(chǔ)器組。其中，所述只讀存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器組分別 與單片機(jī)相連。
3.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的智能自動(dòng)變焦抓拍方法，其特征在于，包括以下步驟(1)視頻輸入攝像機(jī)通過變焦鏡頭獲得監(jiān)控畫面，然后將其輸入到智能自動(dòng)變焦抓 拍控制器。(2)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)智能自動(dòng)變焦抓拍控制器接受來自監(jiān)控?cái)z像機(jī)的數(shù)字視頻流圖 像，對(duì)于接收到的圖像，不斷進(jìn)行新舊圖像的比較，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目標(biāo)及大小范圍。(3)3D信息的提取當(dāng)智能自動(dòng)變焦抓拍控制器判定存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，觸發(fā)第一定焦 照相機(jī)和第二定焦照相機(jī)同時(shí)攝取監(jiān)控畫面，并把攝取的數(shù)字圖像傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器。對(duì)于獲 得的兩幅監(jiān)控照片，通過基于雙視角目標(biāo)的3D信息提取算法得到目標(biāo)的位置及距離等數(shù) 據(jù)。(4)攝像機(jī)云臺(tái)控制智能自動(dòng)變焦抓拍控制器根據(jù)步驟(3)獲得的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在監(jiān)控 畫面中的位置數(shù)據(jù)，控制攝像機(jī)云臺(tái)作水平和垂直旋轉(zhuǎn)。(5)智能自動(dòng)變焦智能自動(dòng)變焦抓拍控制器根據(jù)步驟(2)和步驟(3)獲得的監(jiān)測(cè)目 標(biāo)的大小范圍以及距離數(shù)據(jù)，控制變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)變焦鏡頭進(jìn)行變焦。從而使得運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 在監(jiān)控畫面中最大化，獲得清晰高分辨率的目標(biāo)圖像。(6)硬盤錄像當(dāng)監(jiān)控畫面中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，智能自動(dòng)變焦抓拍控制器控制硬盤錄 像機(jī)開始記錄監(jiān)控畫面。當(dāng)變焦攝像、硬盤錄像完成，并且監(jiān)控畫面中沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，智 能自動(dòng)變焦抓拍控制器令系統(tǒng)復(fù)位攝像機(jī)云臺(tái)和變焦機(jī)構(gòu)復(fù)位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述智能自動(dòng)變焦抓拍方法，其特征在于，所述步驟(2)具體如下 設(shè)從連續(xù)的視頻流中獲得兩幅大小為MXN的圖像幀f\(i，j)，f2(i，j)，當(dāng)兩幅圖像的差值圖像g(i，j) = f^ioO-f^io")的累計(jì)值^^^^'’力-大于某一閥值5時(shí)，則J&4 jeN可以判定在監(jiān)控畫面中存在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，而g(i，j)的非零區(qū)域則基本上就是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的區(qū) 域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種嵌入式智能自動(dòng)變焦抓拍系統(tǒng)及方法，利用一臺(tái)攝像機(jī)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，接著采用兩臺(tái)不同視角的照相機(jī)估計(jì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的3D位置信息；然后控制云臺(tái)上的鏡頭對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)、進(jìn)行變焦控制，最后獲得具有較高分辨率、清晰的目標(biāo)圖像。本發(fā)明無需使用高分辨率的照相機(jī)/攝像機(jī)就能獲得高分辨率的目標(biāo)圖像，而且不會(huì)增加存儲(chǔ)開銷與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)荷，成本較低。
文檔編號(hào)H04N5/232GK101924923SQ201010243828
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月3日
發(fā)明者楊仲琦, 楊長(zhǎng)生, 王琦暉 申請(qǐng)人:杭州翰平電子技術(shù)有限公司