CN101325660A - 摄像装置和摄像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摄像装置和摄像方法。所述摄像装置包括：图像输入部件，该图像输入部件被配置用于捕获图像；光学部件，该光学部件被配置用于调整捕获倍率；旋转台，该旋转台被配置用于调整捕获角度；存储部件，该存储部件被配置用于存储图像输入部件的读取区域的中心和光学部件的光轴之间的偏移量；以及控制部件，该控制部件被配置用于计算修正量并且基于修正量执行对旋转台的角度控制，以消除所述偏移量。

Description

摄像装置和摄像方法

技术领域

本发明涉及一种摄像装置和摄像方法，其中，光学装置调整捕获倍率并且旋转台调整捕获角度，以便捕获摄像对象的图像。

背景技术

可以通过网络获取远距离图像并且将所获取的图像显示在监视器上的网络摄像机具有被称为区域缩放显示功能的功能，如果用户在监视器上指定摄像机图像的任意部分要被矩形包围，则被包围的部分处于放大状态。例如，在日本专利申请早期公开No.2004-271802中公开了上述类型的网络摄像机中的示例性网络摄像机。

发明内容

然而，通常，在远摄端(tele end)被成像在监视器的屏幕的中心的摄像对象由于作为光学装置的变焦镜头和作为图像输入装置的摄像器件的安装误差或者其它某些原因而在广角端(wide end)偏离显示屏幕的中心。相反，在广角端被成像在屏幕中心的摄像对象在远摄端偏离显示屏幕的中心。因此，具有相对比较大的安装误差的摄像机会经历作为目标物的摄像对象偏离显示屏幕中心的问题。

因此，期望提供一种用来解决上述问题的摄像装置和摄像方法。

根据本发明的一个实施例，提供了一种摄像装置，该摄像装置包括：图像输入装置、光学装置、旋转台、存储装置和控制装置。图像输入装置捕获图像。光学装置调整图像输入装置捕获图像时的捕获倍率。旋转台调整图像输入装置捕获图像时的捕获角度。存储装置存储图像输入装置的读取区域的中心和所述光学装置的光轴之间的偏移量。控制装置在光学装置把所述捕获倍率调整为预定的捕获倍率并且旋转台把所述捕获角度调整为预定的捕获角度以便图像输入装置捕获图像时，使用在存储装置中存储的所述偏移量来计算与所述预定的捕获倍率和所述预定的捕获角度相对应的的修正量。控制装置还基于所述修正量执行对旋转台的角度控制，以便消除所述偏移量。

在该摄像装置中，图像输入装置的读取区域的中心和光学装置的光轴之间的偏移量(即机械位置偏移量)被存储在存储装置中。然后，参考预定的捕获倍率和预定的捕获角度使用所存储的偏移量来计算修正量，并且基于所述修正量执行针对旋转台的角度控制。因此，无论以任何倍率和角度来捕获图像，都可以将作为目标物的摄像对象的图像捕获到中心位置。

当摄像对象的、在光学装置在摄远端捕获图像时作为监视器的显示中心的图像在光学装置在广角端捕获该摄像对象的图像时从监视器的显示中心偏移而被显示时，存储装置把这时的竖直偏移量和水平偏移量存储作为所述偏移量。

该摄像装置可以被配置使得所述旋转台可以在水平方向和竖直方向上调整图像输入装置的旋转角度，并且控制装置计算针对旋转台在所述水平方向和所述竖直方向上的修正量，以便执行对旋转台的角度控制。

根据本发明的另一实施例，提供了一种摄像方法，该方法包括调整和计算步骤。所述调整步骤当图像输入装置将要捕获图像时，光学装置调整捕获倍率并且旋转台调整捕获角度。所述计算步骤使用提前存储的图像输入装置的读取区域的中心和光学装置的中心之间的偏移量来计算与预定的捕获倍率和预定的捕获角度相对应的修正量，并且基于所述修正量执行对旋转台的角度控制，以便消除所述偏移量。

在该摄像方法中，图像输入装置的读取区域的中心和光学装置的光轴之间的偏移量(即机械位置偏移量)被提前存储。然后，参考预定的捕获倍率和预定的捕获角度使用所存储的偏移量来计算修正量，并且基于所述较正量执行针对旋转台的角度控制。因此，无论以任何倍率和角度来捕获图像，都可以将作为目标物的摄像对象的图像捕获到中心位置。

因此，利用该摄像装置和该摄像方法，即使由光学装置执行了倍率调整并且/或者由旋转台进行了捕获角度调整，作为目标物的摄像对象也可以被正常地显示在显示器的中心。

附图说明

图1是示出本发明的实施例所适用于的摄像装置的配置的示意图；

图2是示出由图1的摄像装置中的CPU形成的控制块的框图；

图3A和图3B是图示光轴中心的偏移的示意图；

图4是图示本发明的实施例所适用于的摄像方法中的偏移测量方法的示意图；以及

图5是图示在所述摄像方法中使用的区域缩放功能的示意图。

具体实施方式

现在，将基于附图描述本发明的实施例。

<摄像装置的配置>

首先参考图1，图1示出了本发明的实施例所适用于的摄像装置的配置。所示摄像装置被形成作为可以主要通过网络而被远程控制的网络摄像机。该摄像装置1包括摄像机10和变焦镜头11，摄像机10作为用于捕获图像的图像输入装置，变焦镜头11作为用于当摄像机10捕获图像时调整捕获倍率的光学装置。该摄像装置1还包括云台(pan head)20，云台20作为用于当摄像机10捕获图像时调整捕获角度的旋转台。该摄像装置1还包括非易失性存储器30和CPU(中央处理单元)40，非易失性存储器30作为存储用于各种计算的参数的存储装置，CPU 40作为用于控制网络N和摄像机10的控制装置。

摄像机10是借助图像传感器(诸如CCD(电荷耦合器件)图像传感器或者CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器)捕获图像并且将该图像转变为电信号的设备。摄像机10对图像的捕获控制是根据来自CPU40的指令执行的。

变焦镜头11是附接到摄像机10并且根据来自CPU 40的指令调整捕获倍率的光学装置。变焦镜头11具有的倍率可以从广角端或短焦端被连续调整到远摄端或长焦端。

云台20是用于调整摄像机10对图像的捕获方向的旋转台，并且包括转动马达(pan motor)21和倾斜马达(tilt motor)22，转动马达21用于在水平方向上调整摄像机10的角度，倾斜马达22用于在竖直位置上调整摄像机10的角度。转动马达21和倾斜马达22分别由马达驱动器31和32控制，并且可以根据来自CPU 40的指令设置所期望的捕获角度。

非易失性存储器30存储在CPU 40进行对各种控制的计算时所要使用的各种参数。在本实施例中，非易失性存储器30存储摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移量，并且该偏移量被CPU 40用于计算对偏移量的补偿。

CPU 40是用于控制网络N、用于控制针对转动马达21和倾斜马达22的马达驱动器31和32并且用于执行诸如对摄像机10所捕获的图像的图像数据进行压缩之类的各种处理的数学运算部件。

在本实施例中，当摄像机10将要捕获图像时，变焦镜头11把倍率调整到预定的捕获倍率。然后，当云台20被用于把摄像机10的捕获角度调整到预定的捕获角度时，CPU 40使用存储在非易失性存储器30中的偏移量计算与所述预定的捕获倍率和所述预定的捕获角度相对应的修正量。然后，CPU 40基于所述修正量执行对云台20的角度控制，以使得可以消除所述偏移量。

在摄像装置1被用作网络摄像机时，诸如LAN(局域网)之类的网络N被连接到摄像装置1的网络端口33，并且还连接到个人计算机PC。如果在个人计算机PC中预定的浏览器软件被启动，则由摄像机10捕获到的图像被CPU 40转换成具有浏览器软件可以显示的数据格式的数据。之后，图像数据通过网络N被发送给个人计算机PC。这样，个人计算机PC通过网络N得到具有上述数据格式的数据，并且通过浏览器软件对该图像数据进行解释，以显示图像。

此外，浏览器软件提供用于接受控制摄像机10的指令的控制区域，例如，浏览器软件显示的诸如箭头标记之类的软件按钮。因此，如果用户使用诸如鼠标之类的输入设备操作该控制区域，则可以以所期望的摄像机角度或者所期望的倍率捕获图像。应当注意，不仅是鼠标，而且设在监视器上的诸如触控面板、书写板(pan tablet)等之类的其它设备也可用作这种输入设备。

例如，如果用户操作鼠标35或类似设备来选择浏览器软件的控制区域中的软件按钮以发出进行向左或向右的转动操作的指令，则该指令通过网络N被发送给摄像装置1的CPU 40。CPU 40对该指令进行解释并且将该指令发送给针对转动马达21的马达驱动器31。结果，转动马达21以预定量进行旋转，以执行摄像机10的转动操作。

类似地，如果用户操作鼠标35或类似设备以发出进行向上或向下的倾斜操作的指令，则该指令通过网络N被发送给摄像装置1的CPU 40。CPU 40对该指令进行解释并且将该指令发送给针对倾斜马达22的马达驱动器32。同时，倾斜马达22以预定量进行旋转，以执行摄像机10的倾斜操作。

变焦镜头11的缩放操作也可以被类似地执行。具体地，如果用户操作鼠标35或类似设备来选择浏览器软件的控制区域中的软件按钮以发出进行缩放操作的指令，则该指令通过网络N被发送给摄像装置1的CPU40。CPU 40对该指令进行解释并且将该指令发送给针对变焦镜头11的缩放马达(未示出)。结果，变焦镜头11可以被调整到所期望的倍率。

此外，在本实施例中，摄像装置1具有下述区域缩放功能，即如果使用鼠标等类似设备在浏览器软件的显示区域显示的图像中指定具有矩形形状的预定区域，则执行缩放和调度调制，以使所指定的区域被设置成显示区域的整个区域。

具体地，如果用户使用鼠标35等类似设备在显示区域中指定所期望的区域，则摄像机10的角度和变焦镜头11的倍率基于该区域的中心和大小而被计算。之后，CPU 40进行控制，以使所指定的区域被扩大为显示区域的整个区域。因此，如果用户仅仅指定中心位于目标物处的区域，则可以立即得到中心位于目标物处的经过缩放的图像。

<CPU的控制块>

图2示出由CPU形成的控制块。参考图2，在CPU 40中所形成的控制块包括***控制部件401、摄像机控制部件402和网络控制部件403。

***控制部件401控制摄像装置的整个***。摄像机控制部件402计算将被提供给马达驱动器31和32的用于调整摄像机10对图像的捕获角度的控制值。网络控制部件403执行诸如协商建立与网络N的连接之类的通信控制。

在本实施例中，摄像装置1的特征尤其在于由摄像机控制部件402执行的计算。具体地，摄像机控制部件402计算修正量，该修正量用于消除当转动、倾斜和缩放被执行时出现的以及因摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移而产生的捕获中心位置的偏移量。之后，摄像机控制部件402在考虑该修正量的情况下基于提供给转动马达21和倾斜马达22的控制值来抑制光轴的偏移。

<摄像方法>

本发明的实施例所适用于的摄像方法涉及摄像机10的角度调整，包括由摄像机控制部件402执行的计算。该摄像方法一般按照如下方式被执行。具体地，在摄像机10捕获图像之前，变焦镜头11对捕获倍率等进行调整，并且云台20对捕获角度进行调整。之后，紧接着此调整，使用提前存储在非易失性存储器30中的摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移值来计算与预定的捕获倍率和预定的捕获角度相对应的修正值。之后，执行对云台20的角度调整，以基于修正量来消除偏移。

在本实施例中，在执行修正量的计算之前，摄像机10的捕获区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移量被测量并被存储在非易失性存储器30中。图3A和图3B图示摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移。从图3A看出，诸如CCD单元之类的摄像器件被集成在摄像机10中。诸如CCD单元之类的摄像器件被这样定位，以使得其中心与设置在摄像机外壳中的光轴一致。然而，在安装时会出现误差。

同时，变焦镜头11还被定位为使得其中心与针对摄像机10设置的光轴一致。因此，理想地，摄像机10的读取区域的中心与变焦镜头11的光轴彼此一致。然而，由于在实际进行组装时会出现安装误差，因此在本实例中的安装误差或者偏移导致了显示位置的偏移。

例如，如果在将变焦镜头11设置到广角端并且调整摄像机10的角度以使得预定对象位于屏幕中心的状态下执行提高变焦镜头11的倍率的放大，则在长焦端出现如下现象：当变焦镜头11被设置到广角端时成像在屏幕中心的对象的显示位置偏离屏幕的中心。该偏移是因摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移引起的。

在本实施例中，摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移被提前测量，并且所测量的偏移被用于计算修正量。图4图示出偏移的测量方法。首先，将变焦镜头11设置到远摄端，并且调整摄像机10的角度，以使得预定对象成像到屏幕中心，如图4所示。然后，如图4所示，将变焦镜头设置到广角端。之后，如果之前被调整到屏幕中心的对象显示在偏离屏幕中心的位置，则测量距离屏幕中心的水平方向的偏移量Δh和竖直方向的偏移量Δv。之后，所测量的偏移量被存储在存储器中。

<修正值的计算方法>

摄像机控制部件402使用提前测量得到的摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移量来计算修正值。首先，当云台20的预定捕获倍率和预定角度被设定时，根据如下公式执行将被实际应用的水平误差Δx和将被实际应用的竖直误差Δy的计算：

Δx＝Δh(n1-n0)/(Nt-Nw)    (1)

Δy＝Δv(n1-n0)/(Nt-Nw)

其中，n0是当前的镜头倍率，n1是所期望的设定镜头倍率，Nt是在远摄端的镜头倍率，Nw是在广角端的镜头倍率。

由于提前得到的偏移量Δh和Δv是广角端和远摄端之间的偏移量，因此上述计算将所测量的误差转换成当透镜倍率实际被改变时的偏移量，即，实际适用的水平误差和实际适用的竖直误差。摄像机控制部件402使用由上述计算确定的实际适用的水平误差和竖直误差的值来执行对云台20的转动马达21和倾斜马达22的操作角度的修正。经过修正，可以消除任何因摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移引起的位置偏移。

<云台的角度修正的具体示例>

在本实施例中，区域缩放功能的角度修正是按照如下方式执行的。在角度修正中，当以另外的倍率和另外的角度捕获已经以预定倍率和预定角度捕获的图像的指令被发出时，摄像机的倍率和角度被控制，以使得在整个显示区域中被用户指定的矩形区域形式的区域被控制。

图5图示出区域缩放功能。作为示例，在图5图示的区域缩放功能中，屏幕大小在水平方向上为640像素并且在竖直方向上为480像素。此外，假定与上述屏幕大小相对应的摄像机10的视角在水平方向上为±20°，在竖直方向上为±15°。

在区域缩放操作中，基于用户指定的区域缩放框来计算预定倍率以及云台的转动和倾斜角度，并且基于计算出的值来控制镜头和云台，以使得区域缩放框可以变成整个显示区域。

由用户操作鼠标等类似设备而指定的矩形区域被用于区域缩放框。应当注意，当所指定的区域缩放框具有与屏幕不同的宽高比时，执行对区域缩放框的调整，以参考区域缩放框的竖直大小和水平大小中的一个来使屏幕的宽高比与区域缩放框的宽高比一致。此调整可以仅在内部执行，或者可以直接反映在将被显示在屏幕中的区域缩放框上。

在图5图示的示例中，假定中心位置(240，160)和水平方向上为80像素并且竖直方向为60像素的大小被指定为区域缩放框。由于在水平方向上的视角为40°(±20°)并且在竖直方向上的视角为30°(±15°)，因此为了使区域缩放框中的图像可以被显示在扩大的范围中，应当将摄像机向右旋转15°并且向上旋转10°。此外，镜头倍率应当设置为8倍缩放。

转动和倾斜角度以及缩放倍率按照如下计算确定：

θp＝(屏幕区域的水平视角/屏幕区域的水平大小)×(区域缩放框的水平中心位置)

θt＝(屏幕区域的竖直视角/屏幕区域的竖直大小)×(区域缩放框的竖直中心位置)

n1＝(屏幕区域的水平大小/区域缩放框的水平大小)×当前的镜头倍率

其中，θp是转动角度，θt是倾斜角度，n1是缩放倍率。

虽然，在区域缩放功能中，转动和倾斜角度以及缩放倍率是由上述计算确定的，但是，由于在实际中存在上述的摄像机的读取区域的中心和变焦镜头的光轴之间的一定偏移，因此目标物的图像不一定成像到所指定的区域缩放框的中心。

因此，根据如下表达式执行计算，以修正转动和倾斜角度。通过修正，可以执行如下区域缩放，其中消除了摄像机的读取区域的中心和变焦镜头的光轴之间的偏移。

θp＝(屏幕区域的水平视角/屏幕区域的水平大小)×(区域缩放框的水平中心位置-实际适用的水平误差Δx)

θt＝(屏幕区域的竖直视角/屏幕区域的竖直大小)×(区域缩放框的竖直中心位置-实际适用的竖直误差Δy)

实际适用的水平误差Δx和实际适用的竖直误差Δy根据上面给出的式(1)确定。

在根据上述表达式执行的计算中，摄像机控制部件402基于提前存储在非易失性存储器30中的偏移量Δh和Δv以及区域缩放框的大小和中心位置来计算实际适用的水平误差Δx和竖直误差Δy。摄像机控制部件402还计算转动马达21的旋转角度θp和倾斜马达22的旋转角度θt。之后，摄像机控制部件402将通过计算得到的值发送给相应的马达驱动器31和32。

结果，当所期望的区域缩放被执行时，可以执行其中消除了摄像机10的读取区域的中心和变焦镜头11的光轴之间的偏移的准确的区域缩放。

应当注意，在前面的描述中使用的像素大小、角度等等的数值仅仅是示例，并且本发明不限于这些特定值。此外，虽然在上述实施例中为了简化对区域缩放的描述，用于描述区域的转动坐标轴和倾斜坐标轴在屏幕上彼此垂直地延伸，但是如果倾斜角变成大角度，则转动坐标轴和倾斜坐标轴将在屏幕中表示为曲线。在应用刚刚所述的区域时，不能简单通过根据视角和像素数目的比例的计算来计算转动和倾斜角度。然而，即使在刚刚描述的情况中，如果利用实际适用的水平误差Δx和竖直误差Δy作为预处理而修正区域缩放框的中心位置，也可以提高中心位置的准确度。此外，虽然在具体描述的实施例中，摄像装置是根据网络摄像机形成的，但是本发明还可应用于摄像装置和监视器直接彼此连接而无需网络介入的配置中。

本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素可以出现各种修改、组合、子组合和替代，只要它们在所附权利要求书或其等同物的范围内。

本发明包含与2007年6月13日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-155895有关的主题，其全部内容通过引用而被结合于此。

Claims (4)

1.一种摄像装置，包括：

图像输入装置，该图像输入装置用于捕获图像；

光学装置，该光学装置用于调整所述图像输入装置捕获图像时的捕获倍率；

旋转台，该旋转台用于调整所述图像输入装置捕获图像时的捕获角度；

存储装置，该存储装置用于存储所述图像输入装置的读取区域的中心和所述光学装置的光轴之间的偏移量；以及

控制装置，该控制装置用于当所述光学装置把所述捕获倍率调整为预定的捕获倍率并且所述旋转台把所述捕获角度调整为预定的捕获角度以便所述图像输入装置捕获图像时，使用存储在所述存储装置中的所述偏移量来计算与所述预定的捕获倍率和所述预定的捕获角度相对应的的修正量，并且基于所述修正量执行对所述旋转台的角度控制，以便消除所述偏移量。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其中，当摄像对象的、在所述光学装置以摄远端捕获图像时作为监视器的显示中心的图像在所述光学装置以广角端捕获该摄像对象的图像时从监视器的显示中心偏移而被显示时，所述存储装置把这时的竖直偏移量和水平偏移量存储作为所述偏移量。

3.如权利要求1所述的摄像装置，其中，所述旋转台可以在水平方向和竖直方向上调整所述图像输入装置的旋转角度，并且所述控制装置计算针对所述旋转台在所述水平方向和所述竖直方向的修正量，以便执行对所述旋转台的所述角度控制。

4.一种摄像方法，包括以下步骤：

当图像输入装置将要捕获图像时，光学装置调整捕获倍率并且旋转台调整捕获角度；以及

使用提前存储的所述图像输入装置的读取区域的中心和所述光学装置的中心之间的偏移量来计算与预定的捕获倍率和预定的捕获角度相对应的修正量，并且基于所述修正量执行对所述旋转台的角度控制，以便消除所述偏移量。

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