CN104822020A - 基于视频目标跟踪的自动跟焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，包括：云台、云台电机、云台电机驱动器；用于实时测量移动目标距离的测距传感器，测距传感器安装于云台上；用于接收摄影机的视频信号，并输出给视频终端的视频采集卡；预装有视频目标跟踪软件、并用于接收视频采集卡的视频信号，并输出所跟踪的目标相对于图像的坐标值的视频终端；包括分别用于驱动镜头对焦圈和变焦圈的第一镜头电机和第二镜头电机；用于驱动第一镜头电机和第二镜头电机的镜头电机驱动器；用于接收测距传感器输出的目标距离值及视频终端输出的目标坐标值，控制云台电机驱动器及镜头电机驱动器的主控器。本发明具有自动计算摄影机视场角、无需校准、操作简单。

Description

基于视频目标跟踪的自动跟焦装置

技术领域

本发明涉及广播电视电影器材领域，特别是一种基于视频目标跟踪的自动跟焦装置。

背景技术

在现有的技术中，已有利用测距传感器及视频目标跟踪进行自动对焦的设备，但需要手工校准摄影机视场角，无法利用镜头焦距计算摄影机的视场角，因此无法应用于变焦镜头上，造成测距仪跟随目标不够精准。一般来说，云台的安装位置与摄影机的光轴在水平方向或垂直方向有一定的的位置偏差，现有的基于视频目标跟踪的自动跟焦无法根据目标与焦平面的垂直距离自动修正水平或者垂直方向的位置偏差。

因此，亟需一种具有自动计算摄影机视场角、无需校准、操作简单的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有自动计算摄影机视场角、无需校准、操作简单的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，包括：

可绕水平方向和垂直方向转动的云台；

用于驱动所述云台绕水平方向与垂直方向转动的云台电机，所述云台电机一般为步进电机或伺服电机；

用于实时测量移动目标距离的测距传感器，所述测距传感器安装于所述云台上；所述测距传感器是指激光测距传感器或超声波测距传感器，尤其指测量频率在50Hz及以上，测量误差在5cm及以内的高速测距仪；

用于驱动云台电机的云台电机驱动器；

用于接收摄影机的视频信号，并输出给视频终端的视频采集卡，尤其指SDI或HDMI视频信号转USB视频信号的视频采集卡；

预装有视频目标跟踪软件、并用于接收视频采集卡的视频信号，并输出所跟踪的目标相对于图像的坐标值的视频终端；

镜头电机，包括两个镜头电机，分别用于驱动镜头对焦圈和变焦圈的第一镜头电机和第二镜头电机；

用于驱动所述第一镜头电机和第二镜头电机的镜头电机驱动器；

用于接收所述测距传感器输出的距离值及所述视频终端输出的目标坐标值，控制所述云台电机驱动器及所述镜头电机驱动器的主控器。

所述摄影机的水平视场角θ可由以下公式推导：tan(θ/2)＝(L/2)/f

θ＝2·arctan((L/2)/f)

其中θ表示所述摄影机的水平视场角，L表示所述摄影机感光芯片水平宽度，f表示所述摄影机镜头焦距，同理，可以计算出摄影机垂直视场角。

所述第二镜头电机为带闭环***的伺服电机，所述镜头电机驱动器可检测所述第二镜头电机齿轮的转动角度、所述第二镜头电机齿轮与镜头齿轮啮合，也就可检测到变焦圈转动的角度，并根据预先存储于所述主控器的镜头转动角度与镜头变焦圈刻度对应关系，可计算出镜头当前的焦距。

所述视频目标跟踪软件输出目标坐标值，结合所述水平视场角及垂直视场角，所述主控器可控制所述测距传感器精确跟随目标运动。

所述云台安装于所述摄影机上边或者下边，所述摄影机的光轴与所述测距传感器指向视频坐标中心点时的光轴会形成一定的夹角ψ1，推导公式为：

ψ1＝arctan(d2/d1)

其中d2为所述测距传感器的原点到所述摄影机光轴的垂直距离，d1为所述测距传感器原点与垂直于所述摄影机光轴且目标所在的平面的垂直距离。

d2是跟焦装置的固有值，d1可由以下公式推导：

H1＝L1·sinθ₁，H2≈H1，

L2＝L1/cosβ₁，

       $d1=\sqrt{H2\·H2+L2\·L2}$

其中L1表示测距仪测量到的距离值

θ₁表示测距传感器指向目标的直线与水平面的夹角

β₁表示测距传感器指向目标的直线与垂直面的夹角

所述视频目标跟踪软件可以同时跟踪多个目标，且可快速切换测距传感器所指向的跟踪目标。

与现有技术相比，本发明基于视频目标跟踪的自动跟焦装置中，由于包括所述云台电机、云台电机驱动器、视频采集卡、镜头电机及主控器，所述云台电机可驱动所述云台绕水平方向与垂直方向转动，而所述云台电机由所述云台电机驱动器进行驱动，所述镜头电机由所述镜头电机驱动器进行驱动，驱动所述第一镜头电机和第二镜头电机的镜头电机驱动器，且所述云台电机驱动器、所述镜头电机及驱动器均由所述主控器进行控制，因此所述主控器能够统一控制，而且能够自动计算摄影机视场角，无需校准，操作也比较简单。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明基于视频目标跟踪的自动跟焦装置的一个实施例的电路原理模块图。

图2为本发明的摄影机的水平视场角θ的示意图。

图3为摄影机的光轴与所述测距传感器指向视频坐标中心点时的光轴所形成一定的夹角ψ1推导示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，如图1-3所示，本发明提供一种基于视频目标跟踪的自动跟焦装置100，包括：

可绕水平方向和垂直方向转动的云台2；

用于驱动所述云台2绕水平方向与垂直方向转动的云台电机3，所述云台电机3一般为步进电机或伺服电机；

用于实时测量移动目标距离的测距传感器1，所述测距传感器1安装于所述云台2上；所述测距传感器1是指激光测距传感器或超声波测距传感器，尤其指测量频率在50Hz及以上，测量误差在5cm及以内的高速测距仪；

用于驱动云台电机3的云台电机驱动器4；

用于接收摄影机5的视频信号，并输出给视频终端6的视频采集卡7，尤其指SDI或HDMI视频信号转USB视频信号的视频采集卡；

预装有视频目标跟踪软件、并用于接收视频采集卡7的视频信号，并输出所跟踪的目标相对于图像的坐标值的视频终端6；该视频终端可以为平板电脑、智能手机等设备。

镜头电机8，包括两个镜头电机，分别用于驱动镜头对焦圈和变焦圈的第一镜头电机81和第二镜头电机82；

用于驱动所述第一镜头电机81和第二镜头电机82的镜头电机驱动器9；

用于接收所述测距传感器1输出的距离值及所述视频终端6输出的目标坐标值，控制所述云台电机驱动器4及所述镜头电机驱动器9的主控器10。

如图2所示，所述摄影机5的水平视场角θ可由以下公式推导：tan(θ/2)＝(L/2)/f

θ＝2·arctan((L/2)/f)

其中θ表示所述摄影机5的水平视场角，L表示所述摄影机5感光芯片水平宽度，f表示所述摄影机5镜头焦距，同理，可以计算出摄影机5垂直视场角。

一个实施例中，所述第二镜头电机82为带闭环***的伺服电机，所述镜头电机驱动器9可检测所述第二镜头电机82齿轮的转动角度、所述第二镜头电机82齿轮与镜头齿轮啮合，也就可检测到变焦圈转动的角度，并根据预先存储于所述主控器9的镜头转动角度与镜头变焦圈刻度对应关系，可计算出镜头当前的焦距。

一个实施例中，所述视频目标跟踪软件输出目标坐标值，结合所述摄影机视场角，所述主控器10可控制所述测距传感器1精确跟随目标运动。

一个实施例中，所述云台2安装于所述摄影机5上边或者下边，所述摄影机5的光轴与所述测距传感器1指向视频坐标中心点时的光轴会形成一定的夹角ψ1，推导公式为：

ψ1＝arctan(d2/d1)

其中d2为所述测距传感器1的原点到所述摄影机5光轴的垂直距离，d1为所述测距传感器1的原点与垂直于所述摄影机5光轴且目标所在的平面的垂直距离。

d2是跟焦装置的固有值，d1可由以下公式推导：

H1＝L1·sinθ₁，H2≈H1，

L2＝L1/cosβ₁，

       $d1=\sqrt{H2\·H2+L2\·L2}$

其中L1表示测距仪测量到的距离值

θ₁表示测距传感器指向目标的直线与水平面的夹角

β₁表示测距传感器指向目标的直线与垂直面的夹角

一个实施例中，所述视频目标跟踪软件可以同时跟踪多个目标，且可快速切换所述测距传感器1所指向的跟踪目标。

与现有技术相比，结合图1-3，本发明基于视频目标跟踪的自动跟焦装置100，由于包括所述云台电机3、云台电机驱动器4、视频采集卡7、镜头电机8及主控器10，所述云台电机3可驱动所述云台2绕水平方向与垂直方向转动，而所述云台电机3由所述云台电机驱动器4进行驱动，所述镜头电机8由所述镜头电机驱动器9进行驱动，驱动所述第一镜头电机81和第二镜头电机82的镜头电机驱动器9，且所述云台电机驱动器4与所述镜头电机驱动器9均由所述主控器10进行控制，因此所述主控器10能够统一控制，而且能够自动计算摄影机视场角，无需校准，操作也比较简单。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，包括：

可绕水平方向和垂直方向转动的云台；

用于驱动所述云台绕水平方向与垂直方向转动的云台电机；用于驱动云台电机的云台电机驱动器；

用于实时测量移动目标距离的测距传感器，所述测距传感器安装于所述云台上；

用于接收摄影机的视频信号，并输出给视频终端的视频采集卡；

预装有视频目标跟踪软件、并用于接收视频采集卡的视频信号，并输出所跟踪的目标相对于图像的坐标值的视频终端；

镜头电机，包括两个镜头电机，分别用于驱动镜头对焦圈和变焦圈的第一镜头电机和第二镜头电机；

用于驱动所述第一镜头电机和第二镜头电机的镜头电机驱动器；

用于接收所述测距传感器输出的目标距离值及所述视频终端输出的目标坐标值，控制所述云台电机驱动器及所述镜头电机驱动器的主控器。

2.如权利要求1所述的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，所述摄影机的水平视场角θ可由以下公式推导：tan(θ/2)＝(L/2)/f

θ＝2·arctan((L/2)/f)

其中θ表示所述摄影机的水平视场角，L表示所述摄影机感光芯片水平宽度，f表示所述摄影机镜头焦距。

如权利要求2所述，依据同样的方法，所述摄影机的垂直视场角可由以下公式推导：

tan(β/2)＝(H/2)/f

β＝2·arctan((H/2)/f)

其中β表示所述摄影机的垂直视场角，H表示所述摄影机感光芯片垂直高度，f表示所述摄影机镜头焦距。

3.如权利要求2所述的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，所述第二镜头电机为带闭环***的伺服电机，所述镜头电机驱动器可检测所述第二镜头电机齿轮的转动角度、所述第二镜头电机齿轮与镜头齿轮啮合，也就可检测到变焦圈转动的角度，并根据预先存储于所述主控器的镜头转动角度与镜头变焦圈刻度对应关系，可计算出镜头当前的焦距。

4.如权利要求3所述的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，所述视频目标跟踪软件输出目标坐标值，结合所述水平视场角θ及垂直视场角β，所述主控器可控制所述测距传感器精确跟随目标运动。

5.如权利要求4所述的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，所述云台安装于所述摄影机上边或者下边，所述摄影机的光轴与所述测距传感器指向视频坐标中心点时的光轴会形成一定的夹角ψ1，推导公式为：

ψ1＝arctan(d2/d1)

其中d2为所述测距传感器的原点到所述摄影机光轴的垂直距离，d1为所述测距传感器原点与垂直于所述摄影机光轴且目标所在的平面的垂直距离。

d2是跟焦装置的固有值，d1可由以下公式推导：

H1＝L1·sinθ₁，H2≈H1，

L2＝L1/cosβ₁

其中L1表示测距仪测量到的距离值

θ₁表示测距传感器指向目标的直线与水平面的夹角

β₁表示测距传感器指向目标的直线与垂直面的夹角。

6.如权利要求5所述的基于视频目标跟踪的自动跟焦装置，其特征在于，所述视频目标跟踪软件可以同时跟踪多个目标。且可快速切换测距传感器所指向的跟踪目标。