CN111167052A - 基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法。首先利用透视变换对应摄像机成像平面与地平面，再通过球心投影将地平面坐标转换为经纬度坐标。该方法与高度、距离等参数无关，真正意义上实现了实时计算。进一步地，本发明提出了当摄像机坐标系与转动轴坐标系不一致情况下的误差来源及解决方案，并为单摄像机指导多台消防炮同时定位目标提供了理论依据及计算方法。更进一步地，本发明所述计算方法不仅适应于消防领域定位地面坐标同样适应于天空例如定位无人机等场景。

Description

基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法

技术领域

本发明涉及图像处理和消防自动炮领域，具体地是一种基于摄像机的自动消防炮定位坐标计算方法以及在摄像机与消防炮坐标系不一致情况下的改进方法。

背景技术

目前所有采用图像定位的自动消防炮都是将摄像机与消防炮水嘴绑定，使得摄像机光轴与消防炮水嘴中轴线尽量平行。这样，在摄像机检测到着火点时通知消防炮传动***进行旋转，转至着火点位于摄像机成像中心时停下。因为摄像机光轴与消防炮水嘴中轴线平行，在不考虑误差前提下，默认此时消防炮水嘴同样已对准着火点，可进行下步喷水补偿等操作。

《自动化仪表》（题目：“基于CCD图像的自动定位灭火***的开发”，作者：谢志冰、费敏锐，日期：2007年7期，页码：67-69）提出了基于 CCD图像信息的消防炮自动定位灭火***的设计方案和具体实现。消防炮收到定位指令后，先带动摄像头在水平和俯仰方向上对其监控区域自动进行火灾确认和火源空间定位，当确认火源后，消防炮微调将火源置于画面中央，从而得到火源的三维空间坐标。

中国专利（专利申请号：201510390154.0 “基于火焰规模的自适应灭火方法”）通过单目视觉定位地面火点。首先，他们设“视场截面”这一辅助平面。该平面与摄像机成像平面平行并与地平面相交。利用该平面，可以计算出图像中的点在此平面中的辅助坐标。然后，实际空间坐标再由视场截面的辅助坐标计算得到。该方法引入实际并不存在的“视场截面”概念，同时引入了相关参数，例如摄像机距视场截面距离，视场截面坐标等等，增加了算法复杂度。

《光学技术》（题目：“基于CCD图像的火灾空间定位方法”，作者：陈涛、袁宏永、苏国锋、刘炳海，日期：2003年3期，页码：292-294）从双目立体视觉出发，利用双目视差计算着火点位置。与一般的立体视觉模型不同，为了适应于消防炮***，他们采用的是旋转单目摄像机在两处不同位置计算视差从而获得着火点坐标方式。该方法虽然可以计算出着火点与消防炮距离及夹角，但在摄像机两处采集位置必须保证在同一竖直线上，且距离要尽可能大，以保证精准度。

目前消防水炮采用的处理器多是单片机，处理能力有限。而定位过程要求实时性较高，因此处理不能复杂。更重要的，水炮安装高度不一，现场无法测量每个水炮高度。因此，实际应用中需要一种无须后期给定高度等参数，同时能够实时计算的快速方法。

另一方面，由于摄像机光轴与消防炮水嘴轴线并不重合，光心亦与旋转中心不重合。因此，理想情况下的模型会造成角度偏差，从而使消防炮定位不准。然而，考虑此类误差的计算方法并没有被相关文献或专利所探讨。

更进一步的，目前摄像机与消防炮固定在同一炮体内，以一比一配置。对于摄像机位于炮体外，引导一台甚至多台炮体旋转定位，以形成1对多，多对多的配比格局的情况，其相关计算方法同样没有被提及。

发明内容

针对现有技术参数多、计算复杂、无法解决坐标系变换等问题，本发明提供一种与高度等参数无关的地面坐标及经纬度快速计算方法，以及在存在坐标系变换前提下的改进计算方法。

本发明具有以下有益效果及优点:

1. 本发明提出的基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法能够解决目前现有技术参数多、计算复杂问题，可以做到真正实时计算；

2. 本发明提出的基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法可对摄像机坐标系与消防炮坐标系不一致情况进行处理，实现无误差计算；

3. 本发明提出的基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法可实现单摄像机指导多台消防水炮设备对地面目标进行锁定跟踪；

4. 本发明提出的基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法亦可应用于需要利用摄像机计算某一水平平面上点位经纬度坐标的应用，水平面可以是地平面、天空平面等。例如无人机位置计算与追踪。

附图说明

图1为本发明方法中摄像机相关参数示意图；

图2为本发明方法中透视投影示意图；

图3为本发明方法中图像定位自动消防炮摄像机与转动轴安装示意图；

图4为本发明方法中单台摄像机指导多台消防炮定位目标示意图；

图5为本发明方法中摄像机坐标系与转动坐标系存在俯仰角示意图；

图6为本发明方法中摄像机坐标系与转动坐标系存在横滚角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

图1显示的本方法中摄像机相关参数示意图。图中I₃为光轴中心，即光心。w、h分别为摄像机水平及垂直分辨率，单位是像素。β、γ为摄像机的水平及竖直视场角。a₁至a₄点为图像的四个角点。这里设a₁点为图像坐标原点，则a₁至a₄点坐标分别为：

、

、

、

。

图2为摄像机透视投影示意图。图中h₁为成像平面，可绕光心I₄自由旋转，光心高度为S，光轴与z方向夹角为α。平面h₁经透视投影到x-y平面h₂。a₁至a₄点分别投影至A₁至A₄点。经三角函数计算，A₁至A₄点坐标分别为：

、

、

、

。

世界坐标系中一点

光线经过图像平面交点

到达光心I。设

、

、

，则

均为已知参量，原A1至A4点坐标变为：

、

、

、

。将a₁至a₄点及其对应A₁至A₄点坐标带入到透视投影公式计算可得世界坐标系下地平面点坐标

与图像坐标系下像素坐标

关系式：

此时，可将x-y平面看作以I为球心，S为半径、

为投影角度的球心投影。由球心投影公式可计算x-y平面任一点

的经度

及维度

。

将平面坐标公式带入，我们得到P点图像坐标与经纬度角的计算公式：

此公式中

均为已知数，与摄像机视野及光轴初始角度有关，w、h为摄像机横向及纵向像素个数，为已知。原x-y坐标公式中高度相关量S被消掉。给定任意摄像机像素坐标

，可直接计算该点的经度

及纬度

。因此，若需要将此坐标移至摄像机中心点，那么所需要旋转的经度角和纬度角分别为

和

。公式中仅有简单乘法及三角函数计算，并且大部分参数可以提前计算好带入即可，适合于单片机等嵌入式处理器实时计算。

以上计算均以摄像机光心即为转动中心为前提，一旦存在摄像机光心与转动中心不一致或两者坐标轴不一致情况，上述计算公式将出现误差甚至错误，不再适用。

图3为典型图像定位自动消防炮摄像机与转动轴安装示意图。图中I为摄像机光心，OO’为转动轴，O点为转动中心。摄像机与消防炮出水嘴刚性固定在一起，尽量保证摄像机光轴与转动轴平行。即便如此，光心与转动中心不重合，坐标系也存在偏差，沿用上述公式计算会产生误差。但在实际应用中，由于保护半径远远大于坐标系偏差，定位误差往往被忽略。

图4为单台摄像机指导多台消防炮定位目标示意图。图中有两台消防炮V₁与V₂，分别位于不同坐标系O₁与O₂。虽然图中所示为两台消防炮，但本例适用于多台消防炮情况。摄像机位于坐标系O₃。P点为实际被定位目标。在此情况下，因三个坐标系间差距较大，之前公式不再适用。这里讨论坐标系O₃与O₂情况，结论同样适用于O₃与O₁。

用齐次坐标表示的O₂坐标系中任意一点坐标为

，O₃坐标系下该点坐标为

。根据坐标系变换公式，存在如下关系：

其中，

为单位正交矩阵及

为三维平移矢量

矩阵可由三组围绕不同坐标轴的矩阵乘积得到：

其中，

分别为围绕z、y、x轴旋转的偏摆角、翻滚角和俯仰角。

当坐标系O₃与O₂不一致时，我们需要提前知道坐标系旋转矩阵R以及平移矢量t的值，再通过上面坐标系变换公式直接将O₃下P点坐标转换成O₂下坐标。然后再利用前面的经纬度计算公式计算角度。

然而，在所有六种基本情况，即分别沿x、y、z轴平移和旋转中，沿z轴平移、翻滚和俯仰三种操作会造成x-y平面变化，从而产生透视误差。也就是说，原O₃下计算得到的P点不再位于地面，此时若直接采用坐标系变换公式得到的P’点同样有

。而O₂下实际目标却位于

平面，因此误差产生。这里本例对所有六种基本情况逐一说明如何实现无误差计算。1. 无旋转，只有沿x轴平移情况。即

，

，平移量

：根据坐标系变换公式，

，坐标及经纬度可用之前公式计算得到。2. 无旋转，只有沿y轴平移情况。即

，

，平移量

：根据坐标系变换公式，

，坐标及经纬度可用之前公式计算得到。3. 无旋转，只有沿z轴平移情况。即

，

，平移量

：沿z轴平移相当于改变原坐标系中高度参数S，将

带入原公式可得P点于新坐标系坐标，然后再利用经纬角度计算公式即可得到经纬度，需要注意计算经纬度时公式中高度参数S不变。4.无平移，只有绕z轴旋转情况。即

，

，偏摆角

：此情况下，虽然存在坐标系变换，但点P一直位于x-y平面上，因此，P点坐标及其经纬度可仍按原坐标系计算，新坐标系下经度

，纬度不变，即

。5. 无平移，只有绕x轴旋转情况。即

，

，俯仰角

：俯仰角来自于摄像机主轴与实际旋转轴夹角，因此在坐标系不变前提下，俯仰角变化与摄像机平面绕光心旋转等效，如图4。O为世界坐标系原点，I为摄像机光心，L为摄像机成像平面，S为摄像机光心距原点高度。摄像机光轴从原射线IP旋转至IP’，旋转角即为俯仰角

，摄像机原光轴与坐标系z轴夹角为

。由图可见，坐标系没有变化，原投影关系仍有效，可利用之前公式计算x-y平面任意点坐标及其经纬度。注意在计算与新光轴IP’纬度差时，需增加

角度，经度不变。6.无平移，只有绕y轴旋转情况。即

，

，翻滚角

：坐标系存在翻滚角变化时，无法采用保持坐标系不变只旋转摄像机成像平面方法，因为透视投影关系会发生改变（例如与x轴平行的线的平行关系会打破），之前坐标计算公式无法继续使用。如图5，I为摄像机光心，I’为旋转后光心，P为实际着火点，P’为P点在原摄像机坐标系地平面透视投影点，可由之前公式计算得出坐标。若直接对P’点做坐标系变换，可以看到，无论是P’点对x-y平面做正投影还是透视投影，所得坐标均与实际P点存在误差。因此，我们需要直接计算出P点坐标。做辅助线P’N垂直于y轴于N点、辅助线NM垂直于y轴交直线OP于M点、Q点为P点对直线OP’垂线交点、辅助线QE垂直于y轴于E点、辅助角δ=∠P’OM。由于平面NOP’是原坐标系中地平面，因此直线IO⊥NOP’，平面IOP⊥平面NOP’，∠P’IO=φ，∠NOP’=λ。由三角形关系可证明直线EP垂直于y轴，则∠QEP=

，即横滚角。P点经度角

，纬度角

解得如下：

至此，坐标系变换的6种基本情况都已分别处理完成。在实际应用中，往往存在一种与几种叠加情况，例如既有平移，又有偏转。由于本例对各种基本变换已分别单独处理，因此在使用本文方法时需要将复杂变换拆解成简单变换再逐个处理。

Claims (4)

1.基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法，其特征在于：给定任意点图像平面坐标

以及光心高度S，世界坐标系中对应点

坐标由以下关系式计算得到：

-----①

其中，w、h分别为图像平面坐标系横、纵坐标极值，优选摄像机水平与垂直分辨率；

、

、

，β、γ为摄像机的水平及竖直视场角，α为摄像机光轴与世界坐标系中z方向夹角。

2.基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法，其特征在于：给定任意点图像平面坐标

，其世界坐标系中对应点的经度角

及纬度角

由以下关系式计算得到：

-----②

其中，w、h、

同公式①。

3.基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法，其特征在于：当摄像机坐标系与转动轴坐标系不一致时，可将复杂坐标系变换拆解成一系列简单变换后按以下情况分别进行处理：⑴无旋转，只有沿x轴平移情况，平移量

：

，坐标及经纬度可用公式①及公式②计算得到；⑵无旋转，只有沿y轴平移情况，平移量

：

，坐标及经纬度可用公式①及公式②计算得到；⑶无旋转，只有沿z轴平移情况，平移量

：将

带入公式①可得新坐标系坐标，再用公式②即可得到经纬度，计算经纬度时公式中高度参数S不变；⑷无平移，仅存在偏摆角

：坐标及其经纬度可仍由公式①及公式②计算得到；新坐标系下经度

，纬度不变；⑸无平移，仅存在俯仰角

：坐标及其经纬度可仍由公式①及公式②计算得到；在计算与新光轴纬度差时，需增加

角度，经度不变；⑹无平移，仅存在翻滚角

：经度角

、纬度角

由以下关系式计算得到：

。

4.按权利要求3所述的基于摄像机定位的自动消防炮目标经纬度计算方法，其特征在于：该计算方法即适于单台消防水炮内的摄像机光轴与机械转动轴不一致，或光心与转动中心不一致情况；也适于摄像机与消防水炮分离安装场合下的摄像机指导1台或多台消防水炮锁定地面目标情况。

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