一种基于PTZ摄像机的定位监控方法与流程

本发明涉及监控技术领域，具体涉及一种基于ptz摄像机的定位监控方法。

背景技术：

ptz摄像机是一种可以全方位移动以及变倍的监控用摄像机，其能调整水平角度、俯仰角度及对镜头变倍变焦控制。因此，相比传统的固定方向的摄像机，ptz摄像机可以根据需求改变拍摄的角度和清晰度，监控效果比传统的摄像机好。

随着物联网技术的发展和智慧城市的建设，接入到系统中的物联网设备将会越来越多，同时也有越来越多的物联网设备需要管理和维护，面对大量的设备管理，如果靠传统的软件方式监控，只能获取当前的设备是否正常接入的状态，而在物联网设备异常时，则需要人工前往故障地来检查发生了什么问题，因此我们需要一种对物联网设备进行远程监控的方法，为物联网设备的维护提供依据。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上所述的缺点，提供了一种基于ptz摄像机的定位监控方法，能对待监控的物联网设备进行远程监控。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：一种基于ptz摄像机的定位监控方法，包括ptz摄像机以及以下步骤：所述控制方法包括：获取并记录ptz摄像机的三维位置信息、待监控的物联网设备的三维位置信息以及ptz摄像机的镜头参数；计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh、需要转动的俯仰角度θv以及ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z；根据上述计算结果，控制ptz摄像机转动相应的水平角度θh以及俯仰角度θv，并控制ptz摄像机缩放相应的镜头倍数z，从而使ptz摄像机拍摄得到待监控的物联网设备的画面。

进一步地，根据ptz摄像机的三维位置信息以及待监控的物联网设备的三维位置信息，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh以及俯仰角度θv；根据ptz摄像机的三维位置信息、待监控的物联网设备的三维位置信息以及ptz摄像机的镜头参数，计算ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z。

进一步地，通过卫星定位系统获取ptz摄像机的三维位置信息以及待监控的物联网设备的三维位置信息；所述ptz摄像机的三维位置信息包括其所在的经度值、纬度值和安装高度值；所述待监控的物联网设备的三维位置信息包括其所在的经度值、纬度值和安装高度值；所述ptz摄像机的镜头参数包括变倍范围参数；所述变倍范围参数包括镜头的最小变倍倍数、最大变倍倍数、最小监控距离、以及最大监控距离。

进一步地，根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值以及纬度值，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh；根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值、纬度值以及安装高度值，计算ptz摄像机需要转动的俯仰角度θv；根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值、纬度值以及ptz摄像机的镜头参数，计算ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z。

进一步地，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh的方法为：建立三维坐标系；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备在y轴方向上的距离差δy以及在x轴方向上的距离差δx；根据函数θh＝arctan2(δy，δx)，计算水平角度θh的值。

进一步地，计算ptz摄像机需要转动的俯仰角度θv的方法为：计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的高度差δh；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s；根据函数θv＝arctan2(δh，s)，计算得出θv值。

进一步地，计算ptz摄像机需要缩放的倍数值z的方法为：建立三维坐标系；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的高度差δh；根据勾股定理，计算在该三维坐标系中的ptz摄像机与待监控的物联网设备之间的直线距离l；根据公式计算缩放的倍数值z，其中zmin为最小变倍倍数、zmax为最大变倍倍数、smin为最小监控距离、smax为最大监控距离。

进一步地，采用球面余弦公式、haversine公式和/或vincenty公式计算球面距离s。

本发明的有益效果是：只需一次性获取ptz摄像机的变倍范围参数以及待监控的物联网设备的三维位置信息，通过对三维位置信息数据以及镜头数据进行运算，就可以实现拍摄待监控的物联网设备的画面，无需繁琐地处理ptz摄像机的获取的画面图像信息。本发明的运算模型简单，运算速度快，计算结果准确。根据计算结果，能自动对整ptz摄像机的云台进行控制，使其能清晰的拍摄待监控的物联网设备的画面，供使用者及时查看异常的物联网设备的具体情况，非常便捷，有利于高效管理。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的三维坐标示意图；

图3为在实际应用中的示意图。

其中，1、ptz摄像机；2、待监控的物联网设备。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，包括ptz摄像机以及以下步骤：获取并记录ptz摄像机的三维位置信息、待监控的物联网设备的三维位置信息以及ptz摄像机的镜头参数；计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh、需要转动的俯仰角度θv以及ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z；根据上述计算结果，控制ptz摄像机转动相应的水平角度θh以及俯仰角度θv，并控制ptz摄像机缩放相应的镜头倍数z，从而使ptz摄像机拍摄得到待监控的物联网设备的画面。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，根据ptz摄像机的三维位置信息以及待监控的物联网设备的三维位置信息，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh以及俯仰角度θv；根据ptz摄像机的三维位置信息、待监控的物联网设备的三维位置信息以及ptz摄像机的镜头参数，计算ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，通过卫星定位系统获取ptz摄像机的三维位置信息以及待监控的物联网设备的三维位置信息；所述ptz摄像机的三维位置信息包括其所在的经度值、纬度值和安装高度值；所述待监控的物联网设备的三维位置信息包括其所在的经度值、纬度值和安装高度值；所述ptz摄像机的镜头参数包括变倍范围参数；所述变倍范围参数包括镜头的最小变倍倍数、最大变倍倍数、最小监控距离、最大监控距离以及镜头焦距范围。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值以及纬度值，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh；根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值、纬度值以及安装高度值，计算ptz摄像机需要转动的俯仰角度θv；根据ptz摄像机与待监控的物联网设备各自的经度值、纬度值以及ptz摄像机的镜头参数，计算ptz摄像机的镜头需要缩放的倍数值z。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，计算ptz摄像机需要转动的水平角度θh的方法为：建立三维坐标系；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备在y轴方向上的距离差δy以及在x轴方向上的距离差δx；根据函数θh＝arctan2(δy，δx)，计算水平角度θh的值。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，计算ptz摄像机需要转动的俯仰角度θv的方法为：计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的高度差δh；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s；根据函数θv＝arctan2(δh，s)，计算得出θv值。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，计算ptz摄像机需要缩放的倍数值z的方法为：建立三维坐标系；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s；计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的高度差δh；根据勾股定理，计算在该三维坐标系中的ptz摄像机与待监控的物联网设备之间的直线距离l；根据公式计算缩放的倍数值z，其中zmin为最小变倍倍数、zmax为最大变倍倍数、smin为最小监控距离、smax为最大监控距离。

如图1-3所示，本实施例所述的一种基于ptz摄像机的定位监控方法，采用球面余弦公式、haversine公式和/或vincenty公式计算球面距离s。

具体地，ptz摄像机为市面常见的ptz摄像机或者其他可实现水平、俯仰移动及镜头变倍变焦控制功能的摄像装置即可，对其结构不作限定。卫星定位系统可以是gps系统、伽利略卫星、北斗卫星导航系统等能获得三维定位信息的系统，以供系统计算ptz摄像机以及待监控的物联网设备的相对位置信息。ptz摄像机的镜头参数包括了变倍范围参数，变倍范围参数包括最大变倍范围、最小变倍范围、最小监控距离以及最大监控距离等参数。

在进行安装时，可以预先确定ptz摄像机的初始安装方位、角度以及安装高度，并将上述数据记录在后台数据库中；其中，由于ptz摄像机中设置方向传感器(例如陀螺仪等感知方位的方向传感器)，因此，每台ptz摄像机的初始安装方位数据能被获取；安装高度可以是ptz摄像机和待监控的物联网设备的自身的高度，也可以是其海拔高度(便于对安装在斜坡上的两个设备进行计算)，计算时，按照实际需求，转换为统一的计算量即可，不影响本实施例的结果。

为了便于计算，进一步地，可以将ptz摄像机在地球上的垂直投影作为三维坐标系的原点o，也就是将ptz摄像机所在的经纬度坐标位置坐标看成三维坐标系的原点o。经过原点o将纬线切线(东西方向)看成x轴，经过原点o将经线切线(南北方向)看成y轴，经过原点o将垂直于水平面的垂线(高度方向)看成h轴，则原点o和三条相互垂直的轴x、y、h构成一个三维空间的坐标系，通过此三维坐标系可以方便求解ptz摄像机和待监控的物联网设备之间的位置关系。

具体的位置关系计算过程如下：

智能终端(如手机、平板电脑)通过卫星定位系统获取ptz摄像机和待监控的物联网设备安装的经、纬度坐标以及其高度信息。根据从卫星定位系统获得的三维位置信息，将ptz摄像机所在的位置和待监控的物联网设备所在的位置在全球位置中进行表示。上述位置信息可以采用经纬度坐标系进行表示，常用的经纬度坐标系有wgs-84(世界标准经纬度坐标系)、gcj-02(中国加偏移经纬度坐标系，又称“火星坐标系”)和bd-09(百度坐标系)，本发明不局限于使用上述任何一种或其他的经纬度坐标系，只需要确保ptz摄像机和待监控的物联网设备同时使用相同的经纬度坐标系即可。如果不同设备之间使用的经纬度坐标系不相同，可以将其转换为同一经纬度坐标系后再进行计算，结果不会影响ptz摄像机定位的准确性。由于经纬度坐标系使用的是角度制坐标，本实施例将其转换为弧度制坐标，转换公式为：式中，π为圆周率，a为角度，r为弧度。

然后，根据ptz摄像机和待监控的物联网设备所在经度、纬度和安装高度使用三维坐标形式表示为：(lon，lat，h)，式中lon表示经度坐标，lat表示纬度坐标，h表示设备安装高度，其中经度lon和纬度lat为弧度制单位，安装高度h的单位为米。于是，将ptz摄像机三维坐标表示为：(lonptz,latptz,hptz)；将待监控的物联网设备三维坐标表示为：(londev,latdev,hdev)。

计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s的方法为：

由于地球为近似球体，ptz摄像机和待监控的物联网设备相当于球面上的两个点，地球表面的ptz摄像机、待监控的物联网设备和地球的球心构成了一个唯一的大圆(黎曼圆)，ptz摄像机和待监控的物联网设备之间的距离就是大圆距离(great-circledistance)，这段弧长是ptz摄像机的垂直投影和待监控的物联网设备的垂直投影之间所经过的最短路径，也就是球面距离s。

计算ptz摄像机和待监控的物联网设备的球面距离s可以采用球面余弦公式、haversine(半正矢)公式和vincenty公式等。由于地球并不是真正的正球体，而是一个不规则的两极稍扁赤道略鼓的扁球体，地球北极稍凸南极略凹并不对称，外部地形起伏多变。上述公式具有各自的定位精度和计算性能，所以需要根据具体的定位精度要求和性能要求进行选择。优选地，本实施例中使用球面余弦公式计算ptz摄像机和待监控的物联网设备的距离，与其他公式相比，球面余弦公式更简单，计算速度更快，性能更高，理论精度也满足实际定位要求。但根据具体业务需求，本发明不排除使用其他球面距离计算公式，采用球面距离公式计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的球面距离s的公式如下：

s＝r*arccos[cos(latptz)*cos(latdev)*cos(lonptz-londev)+sin(latptz)*sin(latdev)]

其中，r为地球半径,本实施例取地球平均半径约为6371393米，arccos为反余弦函数。

同理可得，计算ptz摄像机与待监控的物联网设备在y轴方向(经线方向)上的距离差δy的公式为：

由于经度相同，所以londev-lonptz＝0，即cos(londev-lonptz)＝1，所以上式，再根据两角差余弦公式得△y＝r*arccos[cos(latdev-latptz)]，因此

δy＝r*(latdev-latptz)

计算ptz摄像机和待监控的物联网设备在x轴(纬线方向)的距离差δx的方法为：

在求解上ptz摄像机和待监控的物联网设备在经度lonptz和经度londev之间的直线距离差δx时，由于不同纬度上经度之间的距离不相等(赤道最大，越往两极越小)，所以类似上述求经度之间距离差δy的公式不适用。鉴于ptz摄像机与待监控装置的实际监控距离一般为几米到几百米之间，这个距离相对于地球半径来说，可以球面距离s以及y轴方向上的距离差δy均可以看作为直线，为了简化计算时间，可以结合ptz摄像机和待监控的物联网设备在水平面上的直线距离s，以及它们纬度之间的直线距离差δy，根据勾股定理得出上式。

计算ptz摄像机转动相应的水平角度θh的方法为，

θh＝arctan2(δy，δx)

式中，arctan2为特殊反正切函数，其基于方位角函数atan2而来，因为函数arctan的值域为(-π/2，π/2)，不满足实际使用要求。arctan2的取值范围被扩展到了四个象限，其通过y和x所在象限进行条件判断，得到正确的值，δy为ptz摄像机和待监控的物联网设备在y轴方向上的距离，δx为它们在x轴方向上的距离，θh即为ptz摄像机在水平方向上需要逆时针转动的角度。注意，此处的水平角度θh为与正东方向(x轴)的夹角，在实际应用中，由于ptz摄像机中设置方向传感器，能获知当前的已经转动的角度值，当接收到转动水平角度θh后，ptz摄像机中能够根据水平角度θh指令，转换成实际需要转动的相对的水平转动角度，确保ptz摄像机的拍摄方向为水平角度θh，能正确拍摄到待监控的物联网设备的画面。

计算ptz摄像机与待监控的物联网设备的高度差δh的方法为：

δh＝hdev-hptz

式中，hdev为待监控的物联网设备的安装高度，hptz为ptz摄像机的安装高度。通过根据卫星定位系统获得的安装高度来计算二者的高度差。

计算ptz摄像机需要转动的俯仰角度θv的方法为：

θv＝arctan2(δh，s)

式中，arctan2为值域在[-π，π]的特殊反正切函数，其取值范围被扩展到了四个象限，δh为ptz摄像机和待监控的物联网设备安装的高度差，s为球面距离s，θv即为ptz摄像机在垂直方向需要转动的俯仰角度。

计算ptz摄像机与待监控的物联网设备之间的直线距离l的方法为：

式中，s为球面距离，约等于水平面上的直线距离，δh为高度差，根据勾股定理可以得出ptz摄像机与待监控的物联网设备在三维空间中国的直线距离l。

计算ptz摄像机需要缩放的倍数值z的方法为：

式中，zmin为ptz摄像机镜头最小变倍倍数、zmax为最大变倍倍数、smin为最小监控距离、smax为最大监控距离，l为ptz摄像机与待监控的物联网设备之间的直线距离。

其中，zmin＜zmax，smin≤l≤smax，当zmin＝0，zmax＝1，zmin＝0(即ptz摄像机镜头变倍位数为0到1之间，最小监控距离为0米)时，ptz摄像机的镜头缩放倍数计算方法可以简化为：

此时，ptz摄像机的镜头缩放倍数等于ptz摄像机与待监控的物联网设备在三维空间中的直线距离除以ptz摄像机的最大变倍倍数。

本发明通过计算待监控的物联网设备距离ptz摄像机的直线距离l与ptz摄像机的镜头的监控范围关系，从而得出ptz摄像机的镜头缩放倍数，但并不仅限于通过计算最大变倍范围、最小变倍范围、最小监控距离以及最大监控距离等变倍范围参数的方式来求取ptz摄像机的变倍值，实际应用中可以根据不同镜头的变倍范围参数，例如利用待监控的物联网设备距离ptz摄像机的直线距离l结合ptz摄像机的焦距范围参数，计算出ptz摄像机需要变焦的距离，从而改变镜头的缩放倍数。

然后，再根据水平角度θh、俯仰角度θv和需要缩放的倍数值z，发送控制指令调整ptz摄像机的云台对应的步进电机，使得ptz摄像机能清晰的拍摄待监控的物联网设备的画面，供使用者及时查看异常设备的具体情况。

本发明只需一次性获取ptz摄像机的变倍范围参数以及待监控的物联网设备的三维位置信息，在获取的三维位置信息数据以及镜头数据的基础上进行运算，就可以实现拍摄待监控的物联网设备的画面，无需繁琐地处理ptz摄像机的获取的画面图像信息。本发明的运算模型简单，运算速度快，计算结果准确。根据计算结果，能自动对整ptz摄像机的云台进行控制，使其能清晰的拍摄待监控的物联网设备的画面，供使用者及时查看异常的物联网设备的具体情况，非常便捷，有利于高效管理。

如图3所示，当井盖(待监控的物联网设备2)异常打开时，井盖带有的监测器将告警信息上报，边缘计算网关或平台系统经过分析处理后，自动联动附近的多个ptz摄像机抓拍现场画面或录制视频；同时通过短信、电话、微信以及邮件等方式通知维修人员前往处理，尽早排除安全隐患，极大提高了设备维护的效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，包含在本发明专利申请的保护范围内。