CN111461994A - 一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法 - Google Patents

一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法 Download PDF

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CN111461994A CN202010239392.2A CN202010239392A CN111461994A CN 111461994 A CN111461994 A CN 111461994A CN 202010239392 A CN202010239392 A CN 202010239392A CN 111461994 A CN111461994 A CN 111461994A
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毛晓蛟
章勇
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Abstract

本发明公开了一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法，坐标转换矩阵的获取方法包括：控制相机运动到预设的一个PTZ位置，将PTZ位置作为标定场景；从标定场景中选择至少一个标定点；获取在标定场景中标定点在相机对应的相机坐标系中的像素坐标；获取标定点的GPS信息和相机的GPS信息；以相机在地面的投影点为原点建立世界坐标系，利用标定点的GPS信息和相机的GPS信息计算标定点的世界坐标；利用标定点的世界坐标和标定点的像素坐标计算得到世界坐标系与相机坐标系的外参矩阵。本发明无需多次调整PTZ位置，减少了标定工作量，通过利用世界坐标系和相机坐标系之间转换关系的外参矩阵可以将目标点的世界坐标转换为像素坐标，降低了定位计算的难度。

Description

一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法
技术领域
本发明涉及智能视频监控技术领域，具体涉及一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法。
背景技术
随着社会的进步和发展，目标识别、跟踪、场景识别及索引等应用越来越广泛，人们对视频监控的要求也越来越高，例如在新一代的增强现实实景监控***中，利用动态标签展示视频帧画面中的标志性建筑、跟踪移动车辆及关联其他监控设备等功能在智能视频监控领域中受到各大安防监控厂商的重视，通过增强现实标签的富媒体能力建立了三维空间中各类结构化和非结构化数据的空间关系。例如：
现有技术是通过使用标定点的方式，在摄像机的四周做好标定，当某一目标位于摄像机视野任意位置时，通过对比标定位置与目标点的位置关系，选择就近的标定点的参数及当前摄像机的PTZ信息预测目标点的像素坐标，其中，在安防监控应用中PTZ(Pan/Tilt/Zoom)代表云台全方位(左右/上下)移动及镜头变倍、变焦控制。可以实现对位于视野中任意位置上的目标点的像素坐标的转换，从而实现对位于视野中任意位置上的目标点的跟踪，实时展现目标的位置信息。但是该方法中的标定操作需要选定摄像机的多个PTZ位置，带来标定工作量的繁重和不便，尤其当摄像机的某个PTZ位置下有效参照物被遮挡，无法进行标定时，该方法的效果可能会受到影响。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法，解决现有技术中需要通过多个PTZ位置来进行标定操作才能预测目标点的像素坐标，导致标定工作量繁重且不方便，预测目标点的像素坐标的过程中复杂的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种坐标转换矩阵的获取方法，包括：控制相机运动到预设的一个PTZ位置，将所述PTZ位置作为标定场景；从所述标定场景中选择至少一个标定点；获取在标定场景中所述标定点在相机对应的相机坐标系中的像素坐标；获取所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息；以所述相机在地面的投影点为原点建立世界坐标系，利用所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算所述标定点在世界坐标系中的世界坐标；利用所述标定点的世界坐标和所述标定点的像素坐标计算得到所述世界坐标系与所述相机坐标系的外参矩阵，所述外参矩阵用于表示所述世界坐标系与所述相机坐标系的转换关系。
在一实施例中，所述利用所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算所述标定点在世界坐标系中的世界坐标，包括：获取所述相机的GPS信息确定所述相机的地面投影点的GPS信息；利用所述地面投影点的GPS信息和所述标定点的GPS信息，计算所述标定点到所述地面投影点之间的距离和所述标定点相对于地面投影点的方位角；利用所述距离和所述方位角计算得到所述标定点的世界坐标。
在一实施例中，通过以下公式计算所述标定点的世界坐标(Xwi,Ywi,Zwi)：
Xwi＝dicos(βi-1.5π)，Ywi＝-E，Zwi＝disin(βi-1.5π)
其中，Xwi表示标定点在世界坐标系X轴上的坐标值，Ywi表示标定点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zwi表示标定点在世界坐标系Z轴上的坐标值，di表示标定点到地面投影点之间的距离，βi表示标定点相对于地面投影点的方位角，E表示相机GPS信息中的海拔信息。
在一实施例中，通过以下公式计算得到所述外参矩阵：
M1＝[Rr|Tr]
其中，M1表示外参矩阵，Rr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，Tr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的平移矩阵。
第二方面，本发明实施例提供一种监控画面中目标定位方法，包括：采用本发明第一方面及任意一种可选方式所述的坐标转换矩阵的获取方法获取外参矩阵；获取目标点的GPS信息，利用所述目标点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算得到所述目标点的世界坐标；所述内参矩阵表示所述监控画面中的相机参数信息；利用所述外参矩阵、所述内参矩阵和所述目标点的世界坐标计算得到所述目标点在所述标定场景中的像素坐标；利用所述目标点在所述标定场景中的像素坐标以及所述相机在所述标定场景与所述相机当前的视场角的关系计算得到所述目标点在监控画面中的像素坐标。
在一实施例中，所述计算所述相机当前的内参矩阵，包括：获取所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率；利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算所述相机当前的内参矩阵。
在一实施例中，所述利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算所述相机当前的内参矩阵，包括：利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和所述相机成像的分辨率计算所述相机当前的水平焦距和垂直焦距；利用所述相机成像的分辨率计算相机成像平面形成的二维平面上的横坐标和纵坐标；利用所述水平焦距、所述垂直焦距、二维平面上的所述横坐标和所述纵坐标计算得到所述相机当前的内参矩阵。
在一实施例中，通过以下公式计算所述目标点在所述标定场景中的像素坐标(x,y)：
Figure BDA0002432053660000041
其中，x表示目标点的横坐标的像素值，y表示目标点的纵坐标的像素值，M1表示外参矩阵，M2表示内参矩阵，Xw表示目标点在世界坐标系X轴上的坐标值，Yw表示目标点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zw表示目标点在世界坐标系Z轴上的坐标值。
在一实施例中，在利用所述目标点在所述标定场景中的像素坐标以及所述相机在所述标定场景与所述相机当前的视场角的关系计算得到所述目标点在所述监控画面中的像素坐标之后，还包括：判断所述目标点在所述相机标定场景中的像素坐标是否超过所述相机成像的分辨率；当所述目标点在监控画面中的像素坐标超过所述相机成像的分辨率时，提示目标点不在监控画面中。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第一方面的坐标转换矩阵的获取方法，或者，执行本发明实施例第二方面的监控画面中目标定位方法。
第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第一方面的坐标转换矩阵的获取方法，或者，执行本发明实施例第二方面的监控画面中目标定位方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法，通过控制相机运动到一个PTZ位置，也即是采用一个标定场景，选取其中至少一个标定点，然后获取该标定点的像素坐标，并利用建立的世界坐标系计算标定点的世界坐标，从而可以计算出用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵，这样，在进行目标点的监控定位时，可以通过目标点的世界坐标以及上述外参矩阵计算得到其对应的像素坐标。本发明实施例不需要多次调整PTZ位置，只需要选择一个合适的标定场景选取标定点即可，减少了标定工作量，并且通过用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵可以将目标点的世界坐标转换为像素坐标，降低了定位计算的难度。
2.本发明提供的坐标转换矩阵的获取及监控画面中目标定位方法，利用标定点和相机的GPS信息，更准确的计算出世界坐标，最后计算目标点在监控画面中的像素坐标。实现实时定位和跟踪及增强现实功能，丰富视频监控的三维可视化效果，方便实现宏观的指挥调度；基于目标点的世界坐标计算出目标点位于监控画面上的像素坐标，当目标点被物体遮挡时，也可以在画面上显示出目标的位置，更加直观地实现目标定位和跟踪；基于目标点的GPS信息，能够对位于监控画面中的任意目标点进行位置信息实时展示，达到隐形数据的显性化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的坐标转换矩阵的获取方法的一个具体示例的流程图；
图2为本发明实施例提供的监控画面中目标定位方法的一个具体示例的流程图；
图3为本发明实施例提供的监控画面中目标定位方法的另一具体示例的流程图；
图4为本发明实施例提供的电子终端一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种坐标转换矩阵的获取方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤S01：控制相机运动到预设的一个PTZ位置，将PTZ位置作为标定场景。
在实际应用中，相机所处的世界是三维的，而照片是二维的，并且从三维到二维过程的函数是不可逆的，因此需要进行相机标定，相机标定的目标是找一个合适的数学模型，求出这个模型的参数，这样就能够近似这个三维到二维的过程，使这个三维到二维过程的函数找到反函数。本发明实施例中，首先控制相机运动到预设的一个PTZ位置处，将这个预设的PTZ位置确定为标定场景，需要说明的是，标定场景的选择过程可以根据实际需要及精度要求进行选择的，本发明并不以此为限。
步骤S02：从标定场景中选择至少一个标定点。
本发明实施例中，控制相机运动到标定场景中后，在当前标定场景选择至少一个标定点，其中，如果选择的是多个标定点，各个标定点为近地面、分散且有明显标志性特征的点，当一个标定点信息无法确定世界坐标或者标定点位置处的GPS信息无法获取时，就需要多标定几个标定点进行世界坐标的计算。需要说明的是，本发明实施例中标定场景和标定点个数是根据实际需要进行选择的，并且当相机确定位置和其他相机的相关参数后，此相机的监控画面也就确定了，在实际应用中都是根据应用数据进行调整，本发明并不以此为限。
步骤S03：获取在标定场景中所述标定点在相机对应的相机坐标系中的像素坐标。
本发明实施例中，在确定标定点后，利用当前的相机拍摄各标定点后，得到一组图像，然后在图像中利用预先定义好的像素坐标系通过手动的方式测量出标定点在标定场景的监控画面中的像素坐标，以便于后续世界坐标的计算，其中像素坐标包括水平的横坐标和垂直的纵坐标，需要说明的是，在实际应用中相机的视场角、相机的世界坐标以及定义的像素坐标系的不同都可能得到不同的像素坐标，只要各自坐标系的建立前后能保持一致即可，并且标定点的像素坐标可以通过直接测量的方式获取，在实际应用中也可以通过其他方式获取，本发明并不以此为限本发明并不以此为限。
步骤S04：获取标定点的GPS信息和相机的GPS信息。
本发明实施例中，利用现有的卫星定位***，在标定场景中利用设备或地图获取到标定点的GPS信息和相机的GPS信息，其中，GPS信息包括经度、纬度和海拔。需要说明的是，获取GPS信息的过程中，得到的GPS信息可能与卫星定位***及设备有关，因此在实际应用中，根据实验的精度与实际需求选择相应的设备进行测量，本发明并不以此为限。
步骤S05：以相机在地面的投影点为原点建立世界坐标系，利用标定点的GPS信息和相机的GPS信息计算标定点在世界坐标系中的世界坐标。
本发明实施例中，首先需要以相机在地面的投影点为原点建立世界坐标系，其中世界坐标系就是客观三维世界的绝对坐标系，也称客观坐标系，因为数码相机安放在三维空间中，就需要世界坐标系这个基准坐标系来描述数码相机的位置，并且用此世界坐标系来描述安放在此三维环境中的其它任何物体的位置；建立好世界坐标系后，计算标定点的世界坐标。例如：将相机的安装位置的地面投影点确定为世界坐标系原点，地理正北方向为世界坐标系的Z轴正方向，垂直于地面指向天空为世界坐标系的Y轴正方向，建立世界坐标系。
在实际应用中，确定了世界坐标系后，标定点的世界坐标(Xwi,Ywi,Zwi)通过标定点到地面投影点之间的距离、标定点相对于地面投影点的方位角和相机GPS信息中的海拔信息计算得到，其中GPS信息同时包含了经度、纬度和海拔。需要说明的是，在计算标定点的世界坐标时，计算方法还可以在上述计算方法的基础上是再加一个基数或者加权处理，在实际应用中可以根据***的实际需要，各标定点信息的比重等进行相应的调整，本发明并不以此为限。
步骤S06：利用标定点的世界坐标和标定点的像素坐标计算得到世界坐标系与相机坐标系的外参矩阵，外参矩阵用于表示世界坐标系与相机坐标系的转换关系。
本发明实施例中，利用上述计算得到的标定点的世界坐标和在标定场景中的标定点的像素坐标，计算出表示世界坐标系与相机坐标系的转换关系的外参矩阵。例如：一般情况下，世界坐标系和相机坐标系不重合，这时世界坐标系中的某一点要投影到像面上时，先要将该点的坐标转换到相机坐标系下，从世界坐标系转换到相机坐标系的过程，可以通过旋转和平移来得到，因此也就计算出了世界坐标系与相机坐标系的外参矩阵，其中，相机坐标系又称光心坐标系，是在相机上建立的坐标系，为了从相机的角度描述物***置而定义的，作为沟通世界坐标系和图像/像素坐标系的中间一环，例如可以以相机的光心为坐标原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，相机的光轴为Z轴，建立相机坐标系。
可选地，在计算外参矩阵时可以通过以下公式计算得到外参矩阵：
M1＝[Rr|Tr] (1)
其中，M1表示外参矩阵，Rr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，Tr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的平移矩阵。需要说明的是，在实际应用中，可能由于某些特殊的需要，在建立相机坐标系时选择其他的方式，本发明实施例仅举例说明一种建立相机坐标系的情况，本发明并不以此为限。
本发明提供的坐标转换矩阵的获取方法，通过控制相机运动到一个PTZ位置，也即是采用一个标定场景，选取其中至少一个标定点，然后获取该标定点的像素坐标，并利用建立的世界坐标系计算标定点的世界坐标，从而可以计算出用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵，这样，在进行目标点的监控定位时，可以通过目标点的世界坐标以及上述外参矩阵计算得到其对应的像素坐标。本发明实施例不需要多次调整PTZ位置，只需要选择一个合适的标定场景选取标定点即可，减少了标定工作量，并且通过用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵可以将目标点的世界坐标转换为像素坐标，降低了定位计算的难度。
在一具体实施例中，利用标定点的GPS信息和相机的GPS信息计算标定点在世界坐标系中的世界坐标，包括如下步骤：
步骤S051：获取相机的GPS信息确定相机的地面投影点的GPS信息。
本发明实施例中，在相机架设好之后，可以获取得到相机的GPS信息后，就利用相机的GPS信息向地面投影，得到相机的地面投影点的GPS信息，需要说明的是，本发明实施例中的如果相机放在地面拍摄没有架设高度时，相机的地面投影点的GPS信息就与相机的GPS信息一致，在实际应用中根据实际需要进行设定，本发明并不以此为限。
步骤S052：利用地面投影点的GPS信息和标定点的GPS信息，计算标定点到地面投影点之间的距离和标定点相对于地面投影点的方位角。
本发明实施例中，利用地面投影点的GPS信息和标定点的GPS信息，计算标定点到地面投影点之间的距离和标定点相对于地面投影点的方位角，计算过程中由两个点的GPS信息中的经度和纬度值，可以计算这两个点之间的直线距离(单位米或者千米)及终点相对于起始点的方位角(0度方位角表示正北，90度方位角表示正东，180度方位角表示正南，270度方位角表示正西，360度方位角表示角度回归，依然是正北)。需要说明的是，本发明实施例中仅仅举例说明了计算标定点到地面投影点之间的距离和方位角，在实际应用中单位和方向的定义都是可以根据实际需要进行选择设定的，本发明并不以此为限。
步骤S053：利用距离和方位角计算得到标定点的世界坐标。
可选地，通过以下公式计算标定点的世界坐标(Xwi,Ywi,Zwi)：
Xwi＝dicos(βi-1.5π)，Ywi＝-E，Zwi＝disin(βi-1.5π) (2)
其中，Xwi表示标定点在世界坐标系X轴上的坐标值，Ywi表示标定点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zwi表示标定点在世界坐标系Z轴上的坐标值，di表示标定点到地面投影点之间的距离，βi表示标定点相对于地面投影点的方位角，E表示相机GPS信息中的海拔信息。在实际应用中，世界坐标的计算与上述建立的世界坐标系有关，可以根据实际需要进行计算，本发明并不以此为限。
本发明提供的坐标转换矩阵的获取方法，通过控制相机运动到一个PTZ位置，也即是采用一个标定场景，选取其中至少一个标定点，然后获取该标定点的像素坐标，并利用建立的世界坐标系计算标定点的世界坐标，从而可以计算出用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵，这样，在进行目标点的监控定位时，可以通过目标点的世界坐标以及上述外参矩阵计算得到其对应的像素坐标。本发明实施例不需要多次调整PTZ位置，只需要选择一个合适的标定场景选取标定点即可，减少了标定工作量，并且通过用于表示世界坐标系和相机坐标系之间的坐标转换关系的外参矩阵可以将目标点的世界坐标转换为像素坐标，降低了定位计算的难度。
本发明实施例还提供了一种监控画面中目标定位方法，如图2所示，该监控画面中目标定位方法具体包括：
步骤S1：利用上述实施例1中的坐标转换矩阵的获取方法获取外参矩阵。
步骤S2：获取目标点的GPS信息，利用目标点的GPS信息和相机的GPS信息计算得到目标点的世界坐标。
本发明实施例中，需要获取目标点的GPS信息，与获取标定点的GPS信息的方式一样，在此不再赘述，并且目标点的GPS信息也包含了经度、纬度和海拔，然后利用目标点的GPS信息和相机的GPS信息计算得到目标点的世界坐标(Xw,Yw,Zw)，计算目标点的世界坐标和目标点的世界坐标，其中目标点的世界坐标的计算方法与标定点相同且是同一世界坐标系，目标点的世界坐标的计算方法在此就不在赘述。
步骤S3：计算相机当前的内参矩阵，内参矩阵表示监控画面中的相机参数信息。
本发明实施例中，除了上述世界坐标系和相机坐标系的变换关系外，还包括像素坐标系和相机坐标系的变换关系，也就是相机当前的内参矩阵，并且此内参矩阵内各参数只与相机内部参数有关，且不随物***置变化而变化，因此在计算相机当前的内参矩阵时，仅仅需要先计算得到相机内部参数。
步骤S4：利用外参矩阵、内参矩阵和目标点的世界坐标计算得到目标点在标定场景中的像素坐标。
本发明实施例中，计算得到外参矩阵、内参矩阵和目标点的世界坐标后，就能够计算目标点在标定场景中的像素坐标(x,y)，计算过程中可以先通过外参矩阵将目标点的世界坐标转换为相机坐标，然后再利用内参矩阵将得到的相机坐标转换为像素坐标。需要说明的是，各坐标都是根据提前建立的坐标系进行计算的，在实际应用中，可以根据建立的不同的坐标系进行计算，本发明并不以此为限。
可选地，通过以下公式计算目标点在标定场景中的像素坐标(x,y)：
Figure BDA0002432053660000141
其中，x表示目标点的横坐标的像素值，y表示目标点的纵坐标的像素值，M1表示外参矩阵，M2表示内参矩阵，Xw表示目标点在世界坐标系X轴上的坐标值，Yw表示目标点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zw表示目标点在世界坐标系Z轴上的坐标值。
步骤S5：利用目标点在标定场景中的像素坐标以及相机在标定场景与相机当前的视场角的关系计算得到目标点在监控画面中的像素坐标。
具体地，本发明实施例中，计算得到目标点在标定场景中的像素坐标后，获取计算需要用到的信息包括相机的GPS信息，包括经度、纬度和海拔；标定时设定的相机的PTZ信息，包括云台摇射角和云台倾斜角；标定时监控画面中心的地理位置为正北时的相机的摇射角值；标定时的相机的镜头水平视场角和垂直视场角；选定的标定点的GPS信息和海拔、选定标定点在监控画面中的像素坐标；目标点的GPS信息和海拔；相机当前所在位置的PTZ信息、镜头的水平视场角和垂直视场角，利用目标点在标定场景中的像素坐标以及相机在标定场景与相机当前的视场角的关系，通过现有方法计算得到目标点在监控画面中的像素坐标像素坐标(xo,yo)。
其中，利用目标点在标定场景中的像素坐标以及相机在标定场景与相机当前的视场角的关系，将目标点在标定场景中心区域的像素坐标转化成角坐标，然后将目标点确定在监控画面中，当相机运行参数变动后，将目标点在标定场景中心区域的角坐标转换成新场景下(即目标点所在的监控画面)对应的像素坐标，其中，相机运行参数包括云台的遥射角、倾斜角以及视场角中的至少一个。需要说明的是，本发明实施例中仅仅举例说明了计算得到目标点在监控画面中的像素坐标的过程，在实际应用中，也可以通过其他方法进行计算，并且这些计算方法是本领域技术人员公知的方法，本发明并不以此为限。
本发明提供的监控画面中目标定位方法，利用标定点和相机的GPS信息，更准确的计算出世界坐标，最后计算目标点在监控画面中的像素坐标。实现实时定位和跟踪及增强现实功能，丰富视频监控的三维可视化效果，方便实现宏观的指挥调度；基于目标点的世界坐标计算出目标点位于监控画面上的像素坐标，当目标点被物体遮挡时，也可以在画面上显示出目标的位置，更加直观地实现目标定位和跟踪；基于目标点的GPS信息，能够对位于监控画面中的任意目标点进行位置信息实时展示，达到隐形数据的显性化效果。
在一具体实施例中，本发明实施例中计算相机当前的内参矩阵，包括如下步骤：
步骤S31：获取相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率。
步骤S32：利用相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算相机当前的内参矩阵。
在一具体实施例中，利用相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算相机当前的内参矩阵，包括如下步骤：
步骤S321：利用相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算相机当前的水平焦距和垂直焦距。
本发明实施例中，利用相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率，对相机当前的水平视场角的一半进行正切函数取值，然后利用两倍此正切函数值除以相机成像分辨率的水平分辨率，得到相机当前的水平焦距，同理对相机当前的垂直视场角的一半进行正切函数取值，然后利用两倍此正切函数值除以相机成像分辨率的垂直分辨率，得到相机当前的垂直焦距。需要说明的是，在实际应用中，还可以是再加一个基数或者加权处理，在实际应用中可以根据***的实际需要，设备的水平或垂直分辨率的比重等进行相应的调整，本发明并不以此为限。
可选地，通过以下公式计算水平焦距和垂直焦距：
Figure BDA0002432053660000171
其中，fx表示水平焦距，fy表示垂直焦距，αx表示相机当前的水平视场角、αy表示相机当前的垂直视场角，W表示相机成像分辨率的水平分辨率，H表示相机成像分辨率的垂直分辨率。
步骤S322：利用相机成像的分辨率计算相机成像平面形成的二维平面上主点的横坐标和纵坐标。
本发明实施例中，利用相机成像的分辨率，将相机成像分辨率的水平分辨率的一半确定为相机成像平面形成的二维平面上主点的横坐标，同理将相机成像分辨率的垂直分辨率的一半确定为相机成像平面形成的二维平面上主点的纵坐标，需要说明的是，在实际应用中，还可以是再加一个基数或者加权处理，在实际应用中可以根据***的实际需要，设备的水平或垂直分辨率的比重等进行相应的调整，本发明并不以此为限。
可选地，通过以下公式计算相机成像平面形成的二维平面上主点的横坐标和纵坐标：
Figure BDA0002432053660000181
其中，u0表示相机成像平面形成的二维平面上主点的横坐标的值，v0表示相机成像平面形成的二维平面上主点的纵坐标的值，W表示相机成像分辨率的水平分辨率，H表示相机成像分辨率的垂直分辨率。
步骤S323：利用水平焦距、垂直焦距、二维平面上的横坐标和纵坐标计算得到相机当前的内参矩阵。
本发明实施例中，利用水平焦距、垂直焦距、二维平面上的横坐标和纵坐标计算得到相机当前的内参矩阵，由于此内参矩阵内各参数只与相机内部参数有关，且不随物***置变化而变化，因此在计算相机当前的内参矩阵时，仅仅需要先计算得到相机内部参数，得到还包括像素坐标系和相机坐标系的变换关系，也就是相机当前的内参矩阵，并且此内参矩阵内各参数只与相机内部参数有关，且不随物***置变化而变化，因此在计算相机当前的内参矩阵时，仅仅需要先计算得到相机内部参数。
可选地，通过以下公式计算得到内参矩阵：
Figure BDA0002432053660000182
其中，M2表示内参矩阵，fx表示水平焦距，fy表示垂直焦距，u0表示相机成像平面形成的二维平面上主点的横坐标的值，v0表示相机成像平面形成的二维平面上主点的纵坐标的值。
在一具体实施例中，如图3所示，本发明实施例的监控画面中目标定位方法，还包括如下步骤：
步骤S6：判断目标点在相机标定场景中的像素坐标是否超过相机成像的分辨率。
本发明实施例中，在实际应用中，若计算得到的像素坐标超过相机成像分辨率的水平分辨率或垂直分辨率中的任意一个值时，说明该目标点位于相机标定场景的画面的视野之外，此时的监控画面的视野与标定位置有点距离，距离越大，计算得到的像素坐标与实际值相差就越大，需要进行校正，以缩小偏差。
步骤S7：当目标点在相机标定场景中的像素坐标超过相机成像的分辨率时，提示目标点不在监控画面中，对目标点在监控画面中的像素坐标进行校正，得到校正像素坐标。
本发明实施例中，当目标点在相机标定场景中的像素坐标超过相机成像的分辨率时，对目标点在监控画面中的像素坐标进行校正，在这种情况下计算得到的像素坐标与实际值相差较大，对距离标定位置较远的目标点进行像素坐标的校正，得到校正像素坐标。
在实际应用，判断目标点在相机标定场景中的像素坐标是否超过相机成像的分辨率还包括如下步骤：
步骤S8：当目标点在相机标定场景中的像素坐标不超过相机成像的分辨率时，将目标点在监控画面中的像素坐标确定为最后的像素坐标。
在一具体实施例中，本发明实施例的对目标点在监控画面中的像素坐标进行校正，得到校正像素坐标，包括如下步骤：
步骤S71：获取在标定位置处的相机当前的摇射角P0和倾斜角T0，
步骤S72：在标定场景预设范围内的选择新标定场景，在新标定场景的监控画面中选择多组新标定点，通过手动拾取的方式确定各新标定点在新标定场景的监控画面中的记录像素坐标和在新标定位置处的相机当前的摇射角和倾斜角。
本发明实施例中，在标定场景预设范围内的选择新标定场景，在新标定场景的监控画面中选择多组新标定点，通过手动拾取的方式确定各新标定点在新标定场景的监控画面中的记录像素坐标和在新标定位置处的相机当前的摇射角Pi和倾斜角Ti。需要说明的是，在相机架设好后，其监控画面、摇射角及倾斜角等相机参数就确定了，可以根据实际需要进行设定，并且预设范围也是根据实际需要进行选择的，在实际应用中本发明并不以此为限。
步骤S73：计算各新标定点的世界坐标，利用在新标定位置处的相机当前外参矩阵、内参矩阵和各新标定点的世界坐标计算得到各新标定点在新标定场景中的计算像素坐标。
本发明实施例中，计算新标定点的世界坐标、相机当前外参矩阵、内参矩阵计算方法与上述标定点的计算一样，本发明实施例中就不在赘述。
步骤S74：利用各记录像素坐标及各计算像素坐标，计算各新标定点的横坐标差值及纵坐标差值，利用各新标定点的横坐标差值及纵坐标差值，计算多组新标定点的横坐标差值的平均值和纵坐标差值的平均值。
本发明实施例中，利用各记录像素坐标
Figure BDA0002432053660000201
及各计算像素坐标
Figure BDA0002432053660000202
其中K表示有K个新标定点，计算各新标定点的横坐标差值及纵坐标差值，利用各新标定点的横坐标差值及纵坐标差值，计算多组新标定点的横坐标差值的平均值Δxi和纵坐标差值的平均值Δyi。
步骤S75：计算在标定位置处的相机当前的摇射角与在新标定位置处的相机当前的摇射角的摇射角差值ΔPi，计算在标定位置处的相机当前的倾斜角与在新标定位置处的相机当前的倾斜角的倾斜角差值ΔTi。
步骤S76：利用各横坐标差值的平均值、纵坐标差值的平均值、摇射角差值和倾斜角差值拟合多组函数关系，利用各函数关系计算校正像素坐标。
在一具体实施例中，在实际的测量与计算过程中，通过大量的数据发现各横坐标差值的平均值、纵坐标差值的平均值、摇射角差值和倾斜角差值之间存在某种线性关系，本发明实施例的利用各横坐标差值的平均值、纵坐标差值的平均值、摇射角差值和倾斜角差值拟合多组函数关系，还包括如下步骤：
步骤S761：利用各横坐标差值的平均值和摇射角差值，线性拟合横坐标差值的平均值与摇射角差值的函数关系，拟合得到横坐标差值的平均值与摇射角差值的函数关系的横摇射斜率和横摇射截距。
本发明实施例中，利用i组Δxi和ΔPi，线性拟合得到如下表达式：
Δxp＝apxΔP+bPx (7)
其中，apx表示横摇射斜率，bpx表示横摇射截距。
步骤S762：利用各横坐标差值的平均值和倾斜角差值，线性拟合横坐标差值的平均值与倾斜角差值的函数关系，拟合得到横坐标差值的平均值与倾斜角差值的函数关系的横倾斜斜率和横倾斜截距。
本发明实施例中，利用i组Δxi和ΔTi，线性拟合得到如下表达式：
ΔxT＝aTxΔT+bTx (8)
其中，aTx表示横倾斜斜率，bTx表示横倾斜截距。
步骤S763：利用各纵坐标差值的平均值和摇射角差值，线性拟合纵坐标差值的平均值与摇射角差值的函数关系，拟合得到纵坐标差值的平均值与摇射角差值的函数关系的纵摇射斜率和纵摇射截距。
本发明实施例中，利用i组Δyi和ΔPi，线性拟合得到如下表达式：
Δyp＝apyΔP+bPy (9)
其中，apy表示纵摇射斜率，bpy表示纵摇射截距。
步骤S764：利用各纵坐标差值的平均值和倾斜角差值，线性拟合纵坐标差值的平均值与倾斜角差值的函数关系，拟合得到纵坐标差值的平均值与倾斜角差值的函数关系的纵倾斜斜率和纵倾斜截距。
本发明实施例中，本发明实施例中，利用i组Δyi和ΔTi，线性拟合得到如下表达式：
ΔyT＝aTyΔT+bTy (10)
其中，aTy表示纵倾斜斜率，bTy表示纵倾斜截距。
进一步地，通过以下公式计算校正像素坐标(xc,yc)：
Figure BDA0002432053660000221
其中，xc表示校正像素坐标的横坐标像素值，yc表示校正像素坐标的纵坐标像素值，xo表示目标点在监控画面中像素坐标的横坐标像素值，yo表示目标点在监控画面中像素坐标的纵坐标像素值，apx表示横摇射斜率，bpx表示横摇射截距，aTx表示横倾斜斜率，bTx表示横倾斜截距，apy表示纵摇射斜率，bpy表示纵摇射截距，aTy表示纵倾斜斜率，bTy表示纵倾斜截距，P0表示在标定位置处的相机摇射角，T0表示在标定位置处的相机倾斜角，P表示在目标点处的相机摇射角，T表示在目标点处的相机倾斜角。
本发明提供的监控画面中目标定位方法，利用标定点和相机的GPS信息，更准确的计算出世界坐标，最后计算目标点的像素坐标，并且对计算出的像素坐标进行判断，对不在相机标定场景中的目标点进行校正，在标定场景预设范围内拟合手动拾取的各像素坐标和计算像素坐标的差值与相机当前参数的多组函数关系，计算目标点的校正像素坐标。实现实时定位和跟踪及增强现实功能，丰富视频监控的三维可视化效果，方便实现宏观的指挥调度；基于目标点的世界坐标计算出目标点位于监控画面上的像素坐标，当目标点被物体遮挡时，也可以在画面上显示出目标的位置，更加直观地实现目标定位和跟踪；基于目标点的GPS信息，能够对位于监控画面中的任意目标点进行位置信息实时展示，达到隐形数据的显性化效果；并且误差矫正可以提高目标定位和跟踪的准确度，缩小了误差。
本发明实施例提供一种电子设备，如图4所示，包括：至少一个处理器401，例如CPU(Central Processing Unit，中央处理器)，至少一个通信接口403，存储器404，至少一个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏(Display)、键盘(Keyboard)，可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速RAM存储器(Ramdom Access Memory，易挥发性随机存取存储器)，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行上述的坐标转换矩阵的获取方法，或者执行上述的监控画面中目标定位方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行上述坐标转换矩阵的获取方法，或者执行上述的监控画面中目标定位方法。
其中，通信总线402可以是外设部件互连标准(perIPheral componentinterconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(extended industry standardarchitecture，简称EISA)总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器404可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)，硬盘(英文：hard diskdrive，缩写：HDD)或固降硬盘(英文：solid-state drive，缩写：SSD)；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
其中，处理器401可以是中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。
其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(英文：application-specific integrated circuit，缩写：ASIC)，可编程逻辑器件(英文：programmable logic device，缩写：PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(英文：complex programmable logic device，缩写：CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(英文：field-programmable gate array，缩写：FPGA)，通用阵列逻辑(英文：generic arraylogic,缩写：GAL)或其任意组合。
可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本申请执行上述的坐标转换矩阵的获取方法，或者执行上述的监控画面中目标定位方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述的坐标转换矩阵的获取方法，或者执行上述的监控画面中目标定位方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固降硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种坐标转换矩阵的获取方法，其特征在于，包括：
控制相机运动到预设的一个PTZ位置，将所述PTZ位置作为标定场景；
从所述标定场景中选择至少一个标定点；
获取在标定场景中所述标定点在相机对应的相机坐标系中的像素坐标；
获取所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息；
以所述相机在地面的投影点为原点建立世界坐标系，利用所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算所述标定点在世界坐标系中的世界坐标；
利用所述标定点的世界坐标和所述标定点的像素坐标计算得到所述世界坐标系与所述相机坐标系的外参矩阵，所述外参矩阵用于表示所述世界坐标系与所述相机坐标系的转换关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述标定点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算所述标定点在世界坐标系中的世界坐标，包括：
获取所述相机的GPS信息确定所述相机的地面投影点的GPS信息；
利用所述地面投影点的GPS信息和所述标定点的GPS信息，计算所述标定点到所述地面投影点之间的距离和所述标定点相对于地面投影点的方位角；
利用所述距离和所述方位角计算得到所述标定点的世界坐标。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述标定点的世界坐标(Xwi,Ywi,Zwi)：
Xwi＝dicos(βi-1.5π)，Ywi＝-E，Zwi＝disin(βi-1.5π)
其中，Xwi表示标定点在世界坐标系X轴上的坐标值，Ywi表示标定点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zwi表示标定点在世界坐标系Z轴上的坐标值，di表示标定点到地面投影点之间的距离，βi表示标定点相对于地面投影点的方位角，E表示相机GPS信息中的海拔信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算得到所述外参矩阵：
M1＝[Rr|Tr]
其中，M1表示外参矩阵，Rr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的旋转矩阵，Tr表示相机的坐标系相对于世界坐标系的平移矩阵。
5.一种监控画面中目标定位方法，其特征在于，包括：
利用权利要求1-4任一项所述的坐标转换矩阵的获取方法获取外参矩阵；
获取目标点的GPS信息，利用所述目标点的GPS信息和所述相机的GPS信息计算得到所述目标点的世界坐标；
计算所述相机当前的内参矩阵，所述内参矩阵表示所述监控画面中的相机参数信息；
利用所述外参矩阵、所述内参矩阵和所述目标点的世界坐标计算得到所述目标点在所述标定场景中的像素坐标；
利用所述目标点在所述标定场景中的像素坐标以及所述相机在所述标定场景与所述相机当前的视场角的关系计算得到所述目标点在监控画面中的像素坐标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述计算所述相机当前的内参矩阵，包括：
获取所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率；
利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算所述相机当前的内参矩阵。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和相机成像的分辨率计算所述相机当前的内参矩阵，包括：
利用所述相机当前的水平视场角、垂直视场角和所述相机成像的分辨率计算所述相机当前的水平焦距和垂直焦距；
利用所述相机成像的分辨率计算相机成像平面形成的二维平面上的横坐标和纵坐标；
利用所述水平焦距、所述垂直焦距、二维平面上的所述横坐标和所述纵坐标计算得到所述相机当前的内参矩阵。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述目标点在所述标定场景中的像素坐标(x,y)：
Figure FDA0002432053650000041
其中，x表示目标点的横坐标的像素值，y表示目标点的纵坐标的像素值，M1表示外参矩阵，M2表示内参矩阵，Xw表示目标点在世界坐标系X轴上的坐标值，Yw表示目标点在世界坐标系Y轴上的坐标值，Zw表示目标点在世界坐标系Z轴上的坐标值。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在利用所述目标点在所述标定场景中的像素坐标以及所述相机在所述标定场景与所述相机当前的视场角的关系计算得到所述目标点在监控画面中的像素坐标之后，还包括：
判断所述目标点在所述相机标定场景中的像素坐标是否超过所述相机成像的分辨率；
当所述目标点在所述相机标定场景中的像素坐标超过所述相机成像的分辨率时，提示目标点不在监控画面中。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的方法，或者，实现如权利要求5-9中任一项所述的方法。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-4中任一项所述的方法，或者，执行如权利要求5-9中任一项所述的方法。
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