CN103679687A - 一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，包括：在跟踪过程中，当接收到新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标时，根据所述新选取目标的位置坐标，在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，将匹配结果所对应的所述跟踪图像中的目标作为当前跟踪目标，并提取所述当前跟踪目标的特征；依据所述当前跟踪目标的特征，对当前跟踪目标进行跟踪。本发明在一定的场景中，当出现多目标时，可锁定所关注的目标进行有选择性的跟踪，解决了以往出现的跟踪不是所关心的目标的问题；同时，本发明的方法可以通过人为的锁定，再次将目标选中进行跟踪，解决了目标跟丢的问题。

Description

一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法

技术领域

本发明涉及视频监控领域，特别涉及一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法。

背景技术

高速球机（球形摄像机），简称快球，是监控***中的一种重要的监控前端，它能够适应高密度、最复杂的监控场合。智能跟踪高速球机，集成了云台***、通讯***和摄像机***，可以实现对场景中移动物体的自动跟踪。其中，云台***主要指电机带动的旋转部分，通讯***是指对智能跟踪球机中的电机控制以及对图像信号进行处理的部分，摄像机***是指采用的一体化机芯。几个***之间通过主控制CPU和电源进行横向连接，其中电源向各个***进行供电，主控制CPU实现所有功能的正常运行。

高速球机一般采用精密微分步进电机实现快速、准确的定位、旋转，这些动作都是在CPU的指令控制下实现的。将摄像机的图像、功能写入高速球机的CPU中，可以实现控制云台的同时进行图像的传输，并且能够同时实现摄像机的多种功能控制，例如白平衡、快门、光圈、变焦以及目标跟踪等。

现有技术中，球机会自动进行行为分析报警跟踪，该过程是完全自动的，通过写入CPU的程序实现。但是，当拍摄画面中出现多个目标时，现有的智能跟踪球机中，摄像机会选择最先触发报警的目标进行跟踪。其缺点在于，不能根据实际所关心的目标进行有目的、有选择性的跟踪，并且在跟踪过程中，不能根据需求而更换目标进行跟踪。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法和***，实现在目标跟踪过程中可根据需要进行跟踪目标的切换。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，包括：

在跟踪过程中，当接收到新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标时，根据所述新选取目标的位置坐标，在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，将匹配结果所对应的所述跟踪图像中的目标作为当前跟踪目标，并提取所述当前跟踪目标的特征；

依据所述当前跟踪目标的特征，实时对当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标进行更新；

将更新的当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的水平转动P值、垂直转动T值以及放大倍率Z值；

根据所述Z值实时调整所述球机的放大倍率，根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，以使所述当前跟踪目标始终处于所采集的跟踪图像中。

进一步，在启动所述跟踪过程之前，还包括：

选定监控场景；

标定球机倍率系数。

进一步，所述标定球机倍率系数，包括：

将球机的监控视野设为地平面；

所述球机倍率系数为：Z₀×sin(T₀)；

其中，

在标定球机倍率系数时，Z₀为参考目标与所述球机的距离为已知距离D₀时所对应的球机Z值；

在标定球机倍率系数时，T₀为所述参考目标与所述球机的距离为已知距离D₀时对应的球机T值。

进一步，所述在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，还包括：

将所述新选取目标的位置坐标转换为归一化坐标，所述归一化坐标为相对于图像的长度和宽度进行归一化处理后的坐标值。

进一步，将不断更新的当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的P值、T值以及Z值，包括以下过程：

将当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标转换为以所述球机为中心的球坐标；

根据所述球坐标获得所述P值和T值；

根据所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标位置信息以及球机倍率系数，获得所述Z值。

进一步，所述的根据所述球坐标获得所述P值和T值，依据如下方法进行：

设以所述球机为中心的球坐标系的水平方向由相互垂直的u、v方向构成，所述球坐标系的垂直方向为垂直于u、v方向的w方向；

若当前跟踪目标在以所述球机为中心的球坐标系中的坐标值为(u,v，w)，则

P=arctan(v/u)

$T=\arctan (w/\sqrt{u^2+v^2})$

进一步，所述的根据所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标位置信息以及球机倍率系数，获得所述Z值，依据如下方法实现：

设所述球机倍率系数为Z_ref，当前跟踪目标位置与球机镜头角度信息为T₁，则

Z=Z_ref/sin(T₁)

其中，sin(T₁)为当前跟踪目标位置信息的动态倍率系数调整函数。

进一步，所述的根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，依据如下方法实现：

设当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下的新的P值、T值分别为P_new、T_new，所述球机当前的P值、T值分别为P_cur、T_cur，处理一帧所需要的时间为Δt，根据如下公式确定当前跟踪目标速度的大小和方向：

$V_{\mathrm{pan}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{P_{\mathrm{new}}-P_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}$

$V_{\mathrm{tilt}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{T_{\mathrm{new}}-T_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}$

其中，V_pan为当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下水平转动方向的移动速度，V_tilt为当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下垂直转动方向的移动速度；

根据当前跟踪目标速度的大小和方向控制所述球机进行加减速转动。

进一步，所述的根据当前跟踪目标速度的大小和方向控制所述球机进行加减速转动，包括如下步骤：

步骤a、判断当前跟踪目标移动方向是否与球机的当前转动方向一致，如果是则执行步骤b，否则执行步骤f；

步骤b、判断当前跟踪目标移动速度是否大于球机的当前转动速度，如果是则执行步骤c，否则执行步骤d；

步骤c、对球机的当前转动速度进行加速，并执行步骤d；

步骤d、判断当前跟踪目标移动速度是否等于球机的当前转动速度，如果是则执行步骤i，否则执行步骤e；

步骤e、对球机的当前转动速度进行减速，并执行步骤d；

步骤f、对球机的当前转动速度进行减速，并执行步骤g；

步骤g、判断球机的当前转动速度是否为零，如果是则执行步骤h，否则执行步骤f；

步骤h、调换所述球机的转动方向，并执行步骤b；

步骤i、以当前转动速度追踪所述当前跟踪目标。

从上述方案可以看出，本发明的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，可以满足在一定的场景中，出现多目标时，监控人员可以锁定（选择）自己所关注的目标进行有选择性的跟踪，解决了以往的在多目标出现在场景中时，会出现跟踪不是所关心的目标，而漏掉了所关心的目标，达不到监控的目的的问题；同时，在球机跟踪过程中，由于场景的复杂性和图像分析检查技术的局限性，有可能会出现将目标跟丢，或者被其他目标遮挡的情况，本发明的方法可以通过人为的锁定，再次将目标选中进行跟踪；另外，当在一个场景中，跟踪一个加大目标时，例如大型卡车，传统的跟踪方法中，图像分析的目标点可能在卡车顶部或者其他部分，而不是所关心的车牌位置，这就有可能导致在跟踪过程无法看到车牌，而利用本发明的方法可以选择车牌部分进行跟踪。

附图说明

图1为采用本发明智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法的***示意图；

图2为本发明智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法的流程图；

图3为本发明中设定球机倍率系数的模型示意图；

图4为本发明中进行选取目标的归一化处理的示意图；

图5为不同立体形状在相同变倍下显示于图像上的相同位置的点所对应的视场角的示意图；

图6为本发明中将目标由图像坐标转为P、V、Z值时所使用的模型示意图；

图7为本发明中将当前跟踪目标在图像中的位置坐标转换为以所述球机为中心的球坐标的模型示意图；

图8为本发明中控制所述球机进行平滑转动的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明所适用的智能跟踪高速球机***，其包括一智能跟踪高速球机1和一上位机2。其中，所述上位机2（如监控时所使用的电脑）主要用于进行目标选取，进而将所选取的目标的位置坐标发送给智能跟踪高速球机1，上位机2可以在监控的过程中在跟踪图像中选取所要跟踪的目标；智能跟踪高速球机1用于将上位机2选取的目标作为跟踪目标进行跟踪，并且在跟踪过程中，随着上位机2的新目标的选取，而改变新的跟踪目标进行跟踪。智能跟踪高速球机1中包括中央处理器11、图像采集模块12、变焦电机13、水平转动电机14、垂直转动电机15；其中，图像采集模块12和变焦电机13位于球机的摄像机***，即一体化机芯中，图像采集模块12用于进行图像采集，变焦电机13用于对采集图像进行变焦；水平转动电机14和垂直转动电机15位于云台***，负责球机中摄像机***拍摄角度的调整；智能跟踪高速球机1中还可包括用于驱动变焦电机13、水平转动电机14、垂直转动电机15的驱动电路16；中央处理器11主要用于对摄像机***（通过其中的图像采集模块12）所采集图像进行处理和输出，以及根据所采集的跟踪图像控制球机中变焦电机13、水平转动电机14、垂直转动电机15的运转，以使球机能够跟踪其所拍摄的目标。所述中央处理器11由ARM（AdvancedRISC Machines，高级精简指令机）处理器111和DSP（digital signal processor，数字信号处理器）112组成，其中ARM处理器111用于从上位机2接收选取目标的位置坐标，并进行归一化处理，根据DSP112提供的当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标产生P、T和Z值，以控制水平转动电机14、垂直转动电机15和变焦电机13的运转，进而使得球机根据当前跟踪目标的移动而调整拍摄方向，实现对当前跟踪目标的跟踪拍摄；DSP112用于根据选取目标的归一化坐标和图像采集模块12所采集的跟踪图像相对比以确定与所述选取目标相同的当前跟踪目标，并实时将当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标发送给ARM处理器111。其中的P、T、Z值为球机可识别的信号，P（Pan）为球机的水平转动值，T（Tilt）为球机的垂直转动值，Z（Zoom）为球机的放大倍率值。本发明中所述的球机在本领域中也称为PTZ（Pan-Tilt-Zoom）摄像机，其更加具体的结构和功能模块可参见现有技术，此处不再赘述。

本发明的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法为：将上位机选取的目标作为跟踪目标进行跟踪，并在跟踪过程中根据上位机所选取的新的目标，改变跟踪目标进行跟踪。具体来说，如图2所示，包括在对当前跟踪目标进行跟踪的过程中的如下步骤：

步骤1、判断是否接收到新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标，如果是则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2、根据新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标，在图像采集模块所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，将匹配结果所对应的跟踪图像中的目标作为当前跟踪目标，并提取所述当前跟踪目标的特征，并执行步骤3；

步骤3：依据所述当前跟踪目标的特征，实时对当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标进行更新，并执行步骤4；

步骤4、将不断更新的当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的P（水平转动）、T（垂直转动）、Z（放大倍率）值，并执行步骤5；

步骤5、根据所述Z值实时调整所述球机的放大倍率，根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，以使所述当前跟踪目标始终处于图像采集模块所采集的跟踪图像中，并执行步骤1。

进一步地，在启动智能跟踪高速球机的目标跟踪之前，还需要对监控场景以及球机相关参数进行设定，具体包括：

步骤I、选定监控场景；

步骤II、标定球机倍率系数，以使所跟踪的目标始终以特定尺寸处于所述球机的图像采集模块所采集的跟踪图像中。

另外，在步骤2中，在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，还可包括一归一化操作，即将选取目标的位置坐标转换为选取目标的归一化坐标。

以下结合图1、图2对本发明的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法进行具体介绍。

步骤I、选定监控场景。

对可疑目标的跟踪需要在一定的监控场景中进行，即在智能跟踪高速球机所监控的区域中进行，如银行、车站等监控区域，在选定监控场景时，同时也要调整智能跟踪高速球机的焦距以使其能够在一个较大的视野范围内监测可疑目标。

步骤II、标定球机倍率系数，以使所跟踪的目标始终以特定尺寸处于所述球机的图像采集模块所采集的跟踪图像中。

在随后的跟中阶段，由于跟踪目标的移动，其与智能跟踪高速球机之间的距离会发生变化，因此需要智能跟踪高速球机进行适当的倍率控制，如果跟踪目标远离球机，则放大智能跟踪高速球机的倍率，如果跟踪目标走近球机，则缩小智能跟踪高速球机的倍率，以保证跟踪目标能够始终以一定的尺寸位于智能跟踪高速球机所拍摄的场景视野中。本步骤II中，球机倍率系数的标定通过以下方法进行。

假设智能跟踪高速球机监控的视野范围为地平面，采用如图3所示的简单模型，其中线段BC、BD表示为地面，点A为所述智能跟踪高速球机的安装位置，线段AB垂直于BC，AB的长度即为智能跟踪高速球机距离地面的高度H，点C和D分别为在标定球机倍率时，参考目标在地面上的两个位置，AC的长度D₁为参考目标位于点C时与智能跟踪高速球机之间的距离，设D₁为待求距离，∠ACB为参考目标位于点C时，参考目标与智能跟踪高速球机之间线段AC与地面之间的夹角，∠ACB的值为T₁；AD的长度D₀为参考目标位于点D时与智能跟踪高速球机之间的距离，设D₀为已知距离，∠ADB为参考目标位于点D时，参考目标与智能跟踪高速球机之间线段AD与地面之间的夹角，∠ADB的值为T₀，由图3所示的几何关系以及公知的球机参数、控制方式可知，T₁和T₀即为智能跟踪高速球机的T值，即智能跟踪高速球机的垂直转动（Tilt）值，对应地，当参考目标位于点C时（即待求距离D₁所对应的），智能跟踪高速球机的倍率Z值为待求倍率Z₁，当参考目标位于点D时（即已知距离D₀所对应的）智能跟踪高速球机的倍率Z值为已知倍率Z₀。由几何知识，当参考目标分别位于点C、D时，便可求出待求倍率Z₁和已知倍率Z₀的关系：

$\frac{Z_1}{Z_0}=\frac{D_1}{D_0}=\frac{H/\sin \left(T_1\right)}{H/\sin \left(T_0\right)}=\frac{\sin \left(T_0\right)}{\sin \left(T_1\right)}---\left(1^{,}\right)$

从而可得

$Z_1=\frac{Z_0\×\sin \left(T_0\right)}{\sin \left(T_1\right)}---\left(1\right)$

由公式（1）可知，只要知道Z₀和T₀，以及T₁，便可以动态计算出Z₁。

球机倍率系数即为Z₀×sin(T₀)。球机倍率系数的标定就是确定其中的Z₀和T₀，通过将智能跟踪高速球机的位置（主要指球机T值）和焦距调整到一个合适的倍率（Z值），使得参考目标以合适的大小处于视野中心，此时从智能跟踪高速球机获得对应的T值和Z值分别作为T₀和Z₀，计算求得Z₀×sin(T₀)的大小，即完成了球机倍率系数标定。参照图3所示，参考目标位于点D时，调整智能跟踪高速球机的T值和Z值，使得参考目标以合适的大小处于视野中心，将此时的智能跟踪高速球机的T值和Z值分别作为T₀和Z₀，计算出的Z₀×sin(T₀)，便是球机倍率系数。随后在进行目标跟踪时，当智能跟踪高速球机的T值（即智能跟踪高速球机的垂直转动值，或者说是智能跟踪高速球机的拍摄仰角（俯视角），又或者说是智能跟踪高速球机的垂直地面方向的转动角度）发生变化时，便可通过公式（1）动态的获得该T值所对应的Z值，以实现对Z值的动态调整。

步骤1、判断是否接收到新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标，如果是则执行步骤2，否则执行步骤3。

在监控过程中，上位机2用以选择所监控场景图像中所关心的目标，选择之后进行目标锁定，并将监控场景图像中的目标位置坐标（x，y）传递给智能跟踪高速球机1。智能跟踪高速球机1中，由中央处理器11中的ARM处理器111负责从上位机2接收选取目标的位置坐标（x，y）。

将新选取目标的位置坐标转换为选取目标的归一化坐标。因为不同的摄像机所具有的分辨率可能不同，并且同一摄像机也可能支持多种分辨率。所以可能导致在不同的分辨率下，所选取的目标在同一位置时所表现的坐标值不一样，为了解决这个问题，需要采用归一化处理方式。即在不同分辨率下，将目标坐标经过归一化处理之后，在进行图像分析时，目标位置便变为统一。

步骤2、根据新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标，在图像采集模块所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，将匹配结果所对应的跟踪图像中的目标作为当前跟踪目标，并提取所述当前跟踪目标的特征。本步骤中，在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配过程中，还可包括一归一化操作，即将选取目标的位置坐标转换为选取目标的归一化坐标。本步骤的具体过程如下。

归一化的处理通过ARM处理器111来实现，ARM处理器111接收到的目标位置坐标（x，y）转换为选取目标的归一化坐标（x’，y’），转换之后，再将选取目标的归一化坐标（x’，y’）发送给DSP112进行下一步处理。如图4所示，选取目标的归一化坐标（x’，y’）是相对于图像的长度L和宽度H进行归一化处理后的坐标值，假设图像区域的长度为L，宽度为H，选取目标在图像中的实际坐标为（x，y），即选取目标的位置坐标（x，y），相对于图4所示的255×255平面进行归一化处理后所得到的选取目标的归一化坐标（x’，y’）为：

$x^{\′}=255\×\frac{x}{L}---\left(2\right)$

$y^{\′}=255\×\frac{y}{L}---\left(3\right)$

DSP112从ARM处理器111接收新选取目标位置坐标，并根据新选取目标的位置坐标在图像采集模块12所采集的跟踪图像中进行定位，以在图像采集模块12所采集的跟踪图像中确定与选取目标相同的当前跟踪目标，即在图像采集模块12所采集的跟踪图像中，新选取目标的位置坐标所对应位置的目标，即可确定为当前跟踪目标，随后DSP112提取该当前跟踪目标的特征，进而可以进一步断定当前跟踪目标和新选取目标是否为同一目标。

步骤3、依据所述当前跟踪目标的特征，实时对当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标进行更新。

本步骤中，DSP112依据所述当前跟踪目标的特征实时对当前跟踪目标在图像采集模块12所采集的跟踪图像中的位置坐标进行更新，如以每秒钟25帧的帧率实时对目标在图像中的位置坐标进行更新，并传送给ARM处理器111。

步骤4、将不断更新的当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的P（水平转动）、T（垂直转动）、Z（放大倍率）值。

对于图像采集模块所采集的跟踪图像信息，近似会有这样一种关系，即不论图像中的景物是何种立体形状，在相同变倍下所显示于图像上的相同位置的点所对应的视场角度总是基本相同，如图5所示。

图5中，物体A和物体B具有完全不同的立体形状，但是P₁点和P₂点在所拍摄的图像上的位置可以认为是相同的，对应着一定的视场角，同理对于P₃点和P₄点也一样。因此，图像上的点对应着与镜头（或者图像采集模块）的某个市视场角之间有一定的关系。

该关系需要转化到具体的云台转动，可以考虑如图6所示的几何模型中，镜头所在位置为半球中心O点，OC为镜头的光轴，根据如上所提到的关系，利用一中间平面以代表物体，该平面为球面C点所处的切平面，可等效为跟踪图像中鼠标所点击的平面，图像采集模块所采集的跟踪图像采用一矩形区域表示。因此，根据一体化机芯所在方位角的不同，该矩形区域在空间的位置也随之不同。若鼠标点击该矩形区域内P点，根据立体几何可以计算出直线OP相对于半球的精度和纬度，只需通过云台转动将机芯的光轴方向角调整至这个方向，P点自然就在视频图像中央。以下为当前方案中的计算：

将图像的区域水平和垂直方向分别255等分（即在图6所示的在xy平面内沿x、y方向分别225等分），C点处于该画面的中心处，C点坐标为（centerX，centerY），则P点的坐标为：

x=(centerX-255/2)/ratio

y=(centerY-255/2)

其中，

ratio=tan(a)/tan(b)

其中a为机芯的最小倍率（1倍）下的垂直视场半角，b为机芯的最小倍率（1倍）下的水平视场半角。

球面半径为：

R=OC=255/2/tanα

其中，α为某一变倍下垂直视场的半角；

或者，球面半径可近似为：

R=OC=(255/2/tanβ)×zoom

其中，β为镜头机芯最小倍率（1倍）的垂直视场的半角，zoom为当前的倍率。

为便于计算，可以考虑OC在VOW平面内的情况，此时P点的坐标（u,v,w）如下：

u=U

v=R×cosTilt-v×sinTilt

w=R×sinTilt+v×cosTilt

其中，cosTilt和sinTilt分别为OC与v轴角度的余弦函数和正弦函数。

因此OP轴的经度相对偏移角度为：

P=arctan(u/v)

绝对纬度角为：

$T=\arctan (w/\sqrt{u^2+v^2})$

从上述推倒关系便可以根据所拍摄的跟踪图像中的（x、y）平面坐标获得球面坐标（u、v、w）进而获得P、T值。

因为当前跟踪目标在图像采集模块12所采集的跟踪图像中的位置坐标是实时更新的，所以DSP112是不断的将所更新的坐标实时的传送ARM处理器111，进而使得智能跟踪高速球机1能够实时根据追踪目标的位置变化而调整拍摄方位，以保证对目标的追踪。

若要对当前跟踪目标进行实时追踪，则必须要将图像采集模块12所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标的变化转换为智能跟踪高速球机1所能识别的P、T、Z值，进而自动控制智能跟踪高速球机1的拍摄方位和倍率，因此需要将当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标转换成智能跟踪高速球机1所能识别的P、T、Z值。该转换主要包括以下过程：

步骤III、将当前跟踪目标在图像采集模块所采集的跟踪图像中的位置坐标转换为以所述球机为中心的球坐标；

步骤IV、根据所述球坐标获得所述P值和T值；

步骤V、根据图像采集模块所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标位置信息以及球机倍率系数，获得所述Z值。

具体来说，步骤III至步骤IV依据如下方法实现。

如图5所示的几何模型中，智能跟踪高速球机1所在位置为半球的中心O点，以智能跟踪高速球机1为中心的该半球的球坐标系的水平方向由相互垂直的u、v方向构成，该球坐标系的垂直方向为垂直于u、v方向的w方向，OC为智能跟踪高速球机1镜头的光轴，图5中半球的球面C点所处的切平面即为图4所示的图像平面，即智能跟踪高速球机1中图像采集模块12所采集的跟踪图像平面，该图像平面会随着智能跟踪高速球机1方位角的改变而移动，但相对于智能跟踪高速球机1镜头的光轴是静止的。图5中，坐标（u，v，w）相当于三维坐标的（x，y，z），为了与前述中新选取目标的位置坐标（x，y）以及归一化坐标（x’，y’）进行区别，此处以（u，v，w）进行表示。由三维坐标（u，v，w）与球坐标（r，θ，φ）的换算关系可知：

φ=arctan(v/u)

$\mathrm{\θ}=\arctan (w/\sqrt{u^2+v^2})$

其中，φ为图5所示的半球以O点（即智能跟踪高速球机1）沿水平方向的转角，θ为图5所示的半球以O点（即智能跟踪高速球机1）在垂直方向的转角。该φ和θ值，与智能跟踪高速球机1可识别的P（水平转动）、T（垂直转动）值相对应，即若当前跟踪目标在以所述球机为中心的球坐标系中的坐标值为(u,v,w)，则

P=arctan(v/u)    （4）

$T=\arctan (w/\sqrt{u^2+v^2})---\left(5\right)$

步骤V中Z值可依据如下方法实现（Z的获取可见步骤2、公式1）：

依据前述步骤II获得智能跟踪高速球机1的倍率系数Z_ref，即Z_ref=Z₀×sin(T₀)，设当前跟踪目标位置与球机镜头角度信息为T₁，则

Z=Z_ref/sin(T₁)    （6）

其中，sin(T₁)为当前跟踪目标位置信息的动态倍率系数调整函数。该sin(T₁)可实现：当t1较大时，增大智能跟踪高速球机1的视野范围，以避免跟踪目标特征点的偏移；当T₁较小时，提高倍率值，以得到更丰富的跟踪目标的信息。

上述的P、T、Z值的计算均在所述ARM处理器111中进行。

步骤5、根据所述Z值实时调整所述球机的放大倍率，根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，以使所述当前跟踪目标始终处于图像采集模块所采集的跟踪图像中。

由公式（6）获得Z值后，ARM处理器111通过驱动电路16向变焦电机13输出Z值，以实现倍率的自动控制。

由公式（4）、公式（5）获得P、T值后，ARM处理器111通过驱动电路16向水平转动电机14、垂直转动电机15分别输出P、T值，以实现智能跟踪高速球机1转动的自动控制。

在实际控制中，直接向水平转动电机14、垂直转动电机15分别输出P、T值，可能会造成画面不连续情况的发生。为了使跟踪时图像平稳，本发明采用基于目标速度的控制方法，将所获得的P、T值与当前水平转动电机14、垂直转动电机15的P、T值进行差分：设当前跟踪目标在智能跟踪高速球机1为中心的球坐标系下的新的P、T值分别为P_new、T_new，智能跟踪高速球机1当前的P、T值分别为P_cur、T_cur，处理跟踪图像的一帧所需要的时间为Δt，根据如下公式确定当前跟踪目标速度的大小和方向：

$V_{\mathrm{pan}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{P_{\mathrm{new}}-P_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(7\right)$

$V_{\mathrm{tilt}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{T_{\mathrm{new}}-T_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}---\left(8\right)$

其中，V_pan为当前跟踪目标在智能跟踪高速球机1为中心的球坐标系下水平转动方向的移动速度，V_tilt为当前跟踪目标在智能跟踪高速球机1为中心的球坐标系下垂直转动方向的移动速度；根据当前跟踪目标速度的大小和方向控制智能跟踪高速球机1进行加减速转动，进而使得智能跟踪高速球机1进行平滑转动。具体控制流程参见图6所示，包括：

步骤a、判断当前跟踪目标移动方向是否与智能跟踪高速球机1的当前转动方向一致，如果是则执行步骤b，否则执行步骤f；

步骤b、判断当前跟踪目标移动速度是否大于智能跟踪高速球机1的当前转动速度，如果是则执行步骤c，否则执行步骤d；

步骤c、对智能跟踪高速球机1的当前转动速度进行加速，并执行步骤d；

步骤d、判断当前跟踪目标移动速度是否等于智能跟踪高速球机1的当前转动速度，如果是则执行步骤i，否则执行步骤e；

步骤e、对智能跟踪高速球机1的当前转动速度进行减速，并执行步骤d；

步骤f、对智能跟踪高速球机1的当前转动速度进行减速，并执行步骤g；

步骤g、判断智能跟踪高速球机1的当前转动速度是否为零，如果是则执行步骤h，否则执行步骤f；

步骤h、调换智能跟踪高速球机1的转动方向，并执行步骤b；

步骤i、以当前转动速度追踪所述当前跟踪目标。

本发明的上述各步骤所实现目标追踪的过程中，ARM处理器111可随时等待上位机2再次进行新的目标的选取，当上位机2再次选取新的目标后，可根据步骤1的条件判断而触发新的一次目标追踪过程。

本发明的上述智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，可以满足在一定的场景中，出现多目标时，监控人员可以锁定（选择）自己所关注的目标进行有选择性的跟踪，解决了以往的在多目标出现在场景中时，会出现跟踪不是所关心的目标，而漏掉了所关心的目标，达不到监控的目的的问题；同时，在球机跟踪过程中，由于场景的复杂性和图像分析检查技术的局限性，有可能会出现将目标跟丢，或者被其他目标遮挡的情况，本发明的方法可以通过人为的锁定，再次将目标选中进行跟踪；另外，当在一个场景中，跟踪一个加大目标时，例如大型卡车，传统的跟踪方法中，图像分析的目标点可能在卡车顶部或者其他部分，而不是所关心的车牌位置，这就有可能导致在跟踪过程无法看到车牌，而利用本发明的方法可以选择车牌部分进行跟踪。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，包括：

在跟踪过程中，当接收到新选取目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标时，根据所述新选取目标的位置坐标，在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，将匹配结果所对应的所述跟踪图像中的目标作为当前跟踪目标，并提取所述当前跟踪目标的特征；

依据所述当前跟踪目标的特征，实时对当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标进行更新；

将更新的当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的水平转动P值、垂直转动T值以及放大倍率Z值；

根据所述Z值实时调整所述球机的放大倍率，根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，以使所述当前跟踪目标始终处于所采集的跟踪图像中。

2.根据权利要求1所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，在启动所述跟踪过程之前，还包括：

选定监控场景；

标定球机倍率系数。

3.根据权利要求2所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述标定球机倍率系数，包括：

将球机的监控视野设为地平面；

所述球机倍率系数为：Z₀×sin(T₀)；

其中，

在标定球机倍率系数时，Z₀为参考目标与所述球机的距离为已知距离D₀时所对应的球机Z值；

在标定球机倍率系数时，T₀为所述参考目标与所述球机的距离为已知距离D₀时对应的球机T值。

4.根据权利要求1所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述在所采集的跟踪图像中进行位置坐标匹配，还包括：

将所述新选取目标的位置坐标转换为归一化坐标，所述归一化坐标为相对于图像的长度和宽度进行归一化处理后的坐标值。

5.根据权利要求1所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，将不断更新的当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标实时转换为所述球机可识别的P值、T值以及Z值，包括以下过程：

将当前跟踪目标在所采集的跟踪图像中的位置坐标转换为以所述球机为中心的球坐标；

根据所述球坐标获得所述P值和T值；

根据所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标位置信息以及球机倍率系数，获得所述Z值。

6.根据权利要求5所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述的根据所述球坐标获得所述P值和T值，依据如下方法进行：

设以所述球机为中心的球坐标系的水平方向由相互垂直的u、v方向构成，所述球坐标系的垂直方向为垂直于u、v方向的w方向；

若当前跟踪目标在以所述球机为中心的球坐标系中的坐标值为(u,v，w)，则

P=arctan(v/u)

$T=\arctan (w/\sqrt{u^2+v^2})$

7.根据权利要求5所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述的根据所采集的跟踪图像中的当前跟踪目标位置信息以及球机倍率系数，获得所述Z值，依据如下方法实现：

设所述球机倍率系数为Z_ref，当前跟踪目标位置与球机镜头角度信息为T₁，则

Z=Z_ref/sin(T₁)

其中，sin(T₁)为当前跟踪目标位置信息的动态倍率系数调整函数。

8.根据权利要求1所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述的根据所述P值和T值实时控制所述球机的转动，依据如下方法实现：

设当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下的新的P值、T值分别为P_new、T_new，所述球机当前的P值、T值分别为P_cur、T_cur，处理一帧所需要的时间为Δt，根据如下公式确定当前跟踪目标速度的大小和方向：

$V_{\mathrm{pan}}=\frac{\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{P_{\mathrm{new}}-P_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}$

$V_{\mathrm{tilt}}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{T_{\mathrm{new}}-T_{\mathrm{cur}}}{\mathrm{\Δt}}$

其中，V_pan为当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下水平转动方向的移动速度，V_tilt为当前跟踪目标在所述球机为中心的球坐标系下垂直转动方向的移动速度；

根据当前跟踪目标速度的大小和方向控制所述球机进行加减速转动。

9.根据权利要求8所述的智能跟踪高速球机的目标跟踪的方法，其特征在于，所述的根据当前跟踪目标速度的大小和方向控制所述球机进行加减速转动，包括如下步骤：

步骤a、判断当前跟踪目标移动方向是否与球机的当前转动方向一致，如果是则执行步骤b，否则执行步骤f；

步骤b、判断当前跟踪目标移动速度是否大于球机的当前转动速度，如果是则执行步骤c，否则执行步骤d；

步骤c、对球机的当前转动速度进行加速，并执行步骤d；

步骤d、判断当前跟踪目标移动速度是否等于球机的当前转动速度，如果是则执行步骤i，否则执行步骤e；

步骤e、对球机的当前转动速度进行减速，并执行步骤d；

步骤f、对球机的当前转动速度进行减速，并执行步骤g；

步骤g、判断球机的当前转动速度是否为零，如果是则执行步骤h，否则执行步骤f；

步骤h、调换所述球机的转动方向，并执行步骤b；

步骤i、以当前转动速度追踪所述当前跟踪目标。

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