专利名称：监控摄像机位置校准设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及安保摄像机，且更具体地涉及经历摇摄运动和俯仰运动的安保摄像机。
背景技术：
监控摄像机系统通常被零售商店、银行、娱乐场和其它组织使用来监视给定区域内的活动。摄像机常常设置有摇摄和俯仰的能力，以便获取在宽域上的图像。摄像机的俯仰通常指摄像机围绕平行于地板的水平轴的枢转，使得摄像机的镜头可在向上指向的位置和向下指向的位置之间俯仰。摄像机的摇摄指摄像机围绕垂直于地板的垂直轴旋转，使得镜头可从一侧扫描到另一侧。摄像机可能也能够变焦，以便减小或扩大视场。常常，每个摄像机被链接到安保监控房间中的视频显示单元，该安保监控房间中具有监视该多个视频显示单元的监控人员。在圆顶状摄像机系统中，一般有两个运动轴，该两个运动轴包括摇摄轴和俯仰轴。使用步进电动机的圆顶状摄像机通常是依赖于电动机的扭矩来保持正确位置的开环系统。然而，在上电时，摄像机的中央处理单元(CPU)不知道摄像机的PT (摇摄和俯仰)位置，所以CPU必须具有找到起始点或原始位置的某种方法。一般，原始位置是在圆顶的半球中的单个点，且使用两个传感器来找到这个点，一个传感器针对摇摄而另一传感器针对俯仰。开环电动机控制系统利用电子脉冲来将步进电动机移动某一数量的旋转步长，且没有任何反馈设备来验证所命令的位置是否被达到。尽管没有反馈，这个开环系统由于恰当设计的步进电动机及其相关的控制电子设备的鲁棒定位特性而很好地工作。摇摄-俯仰-变焦监控摄像机必须能够在用于该单元的电力的失去和随后恢复之后准确地获取预设的视角。因为大部分电动机在被断电时并不保持其位置或不包括在电力移除时准确地冻结系统位置的装置，所以需 要用于提供始终如一的重新启动的装置。可能较容易的是，提供使系统经历“复位(homing)”或“校准”例程以建立始终如一的起始点，控制电子设备可接着根据该起始点提供可再现的位置。被转让给Philips Electronics的美国专利5627616 (博世安保系统的前身)公开了在摇摄-俯仰-变焦(PTZ)摄像机上的摇摄和俯仰电动机的开环控制。该专利教导了通过使用被称为摇摄电动机开关并由标记(flag)致动的光学复位传感器来校准摇摄原始位置。该标记/传感器方法将设计约束强加于摄像机系统上。首先，必须为摇摄轴和俯仰轴提供一对标记/传感器。其次，必须将布线设置到传感器位置。第三，必须提供间隙以允许标记旋转360度。相反，一些PTZ摄像机利用编码器来确定用于闭环控制的旋转位置。转让给General Electric的美国专利6715940教导使用光学传感器来读取印刷在轴承座圈上的伪随机或链式码编码图案。这样的方案需要高精确度，这实现起来是昂贵的。现有技术既没有公开也没有提议的是一种克服了现有技术的上述问题的建立监控摄像机的原始摇摄位置和原始俯仰位置的方法。
发明内容
本发明提供了一种PTZ摄像机系统，其中IR发射器(LED)和IR探测器中的一个被放置在固定台上，而另一个被定位在附到摄像机镜头模块的移动台上，摄像机镜头模块经历相对于固定台的摇摄和俯仰运动。从通过LED光输出的照明得到的探测器信号输出被用于确定在摇摄和俯仰方向上移动台相对于固定台的相对对准。当摄像机镜头光轴处于观看水平线的水平俯仰位置处并且处于某个摇摄旋转位置时这两个设备被配置成对准。足够的发射器辐射功率被提供以到达探测器传感器的表面并产生足够的信号水平。监控摄像机位置校准序列包括a)用于设置相对于机械限位器的初始俯仰位置的俯仰运动；b)用于实现发射器和探测器的初始“粗略”对准的摇摄运动；以及c)用于实现发射器和探测器的最终精确对准的摇摄和俯仰运动。本发明在其一种形式中包括一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法。摄像机耦合到固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动，并可执行围绕多个第二轴的俯仰运动。第二轴中的每个基本上垂直于第一轴。光学发射器固定地附着到固定结构或摄像机。光学接收器固定地附着到固定结构和摄像机中的另一个。使用摄像机来执行俯仰和摇摄运动，直到如从接收器响应于接收到来自发射器的光能而输出的信号来确定的，发射器和接收器相对于彼此处于预定位置上。本发明在其另一形式中包括监控摄像机装置，该装置包括耦合到固定结构的摄像机。致动器装置使摄像机执行围绕垂直轴的摇摄运动并执行围绕多个水平轴中的任意的俯仰运动。光学发射器固定地附着到固定结构或摄像机。光学接收器固定地附着到固定结构和摄像机中的另一个，并响应于接收到来自光学发射器的光能来产生输出信号。处理器从光学接收器接收输出信号。处理器根据来自光学接收器的输出信号来驱动致动器装置以使摄像机执行俯仰和摇摄运动，直到来自光学接收器的输出信号的振幅被最大化。本发明在其又一形式中包括一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法。摄像机耦合到固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动，并可执行围绕多个第二轴的 俯仰运动。第二轴中的每个基本上垂直于第一轴。光学发射器固定地附着到固定结构或摄像机。光学接收器固定地附着到固定结构和摄像机中的另一个。响应于接收器接收到来自发射器的光能，从接收器输出信号。使用摄像机来执行摇摄运动，直到来自光学接收器的输出信号中的第一局部最大值被识别出。将摄像机移动到与该局部最大值相关联的摇摄位置。使用摄像机来执行俯仰运动，直到来自光学接收器的输出信号中的第二局部最大值被识别出。将摄像机移动到与第二局部最大值相关联的俯仰位置。反复和交替地重复执行摇摄运动、将摄像机移动到摇摄位置、执行俯仰运动、将摄像机移动到俯仰位置这些步骤，直到来自光学接收器的输出信号中的局部最大值大致等于最大可能的值。本发明在其再一形式中包括一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法。摄像机耦合到第一固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动，并可执行围绕多个第二轴的俯仰运动。第二轴中的每个基本上垂直于第一轴。光学图像源固定地附着到第二固定结构。摄像机用来捕获光学图像源所产生的图像。使用摄像机来执行俯仰和摇摄运动，直到摄像机所捕获的光学图像源的图像的特性基本上是最佳化的。本发明的优点是，需要仅仅一个传感器来找到摇摄原始位置和俯仰原始位置。本发明的另一优点是，不需要经由滑环(slip ring)来传输俯仰原始信号。因此，使用一个传感器而不是两个传感器通过降低部件的数量并减少滑环中的环的数量而减小了系统成本。又一优点是，本发明消除了对在摇摄轴和俯仰轴上的两个复位/校准传感器的需要，并允许对于单个传感器的放置的设计灵活性。
通过参考结合附图做出的本发明的实施例的下面描述，本发明的上述和其它特征以及目的和实现它们的方式将变得更明显，并且本发明本身将被更好地理解，在附图中:图1是本发明的监控摄像机装置的一个实施例的示意图。图2是本发明的监控摄像机位置校准方法的一个实施例的流程图。图3是本发明的监控摄像机装置的另一实施例的示意图，该监控摄像机装置已经历俯仰运动以便达到相对于机械限位器的初始位置。图4是在图3的监控摄像机装置经历了摇摄运动以实现发射器和探测器的初始粗略对准之后的监控摄像机装置的示意图。图5是探测器输出信号相对于从在图3中达到的原始位置开始的摇摄运动的角的示例性图。图6是在图4的监控摄像机装置经历了另外的摇摄和俯仰运动以实现发射器和探测器的最终精确对准之后的监控摄像机装置的示意图。图7是图3的监控摄像机装置的电子设备的简化方框图。图8是本发明的监控摄像机装置的另一实施例的电子设备的简化方框图。图9是用于根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的本发明的方法的一个实施例的流程图。图10是在本发明的监控摄像机装置经历了摇摄和俯仰运动以最大化摄像机所接收的光量之后的监控摄像机装置的又一实施例的示意图。图11是在本发明的监控摄像机装置经历了摇摄和俯仰运动以捕获在附近壁上的可识别的光学图案之后的监控摄像机装置的另一实施例的示意图。图12是用于根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的本发明的方法的另一实施例的流程图。相应的附图标记指示在全部几个视图中相应的部件。虽然本文阐述的范例示出以几种形式的本发明的实施例，下面公开的实施例并非旨在是穷尽的或并非被解释为将本发明的范围限制到所公开的精确形式。
具体实施例方式现在参考附 图，且特别是参考图1，其中示出了包括IR (红外)发射器(LED) 12和IR探测器传感器(光电二极管或光电晶体管)14的本发明的监控摄像机装置10的一个实施例。在图1的实施例中，发射器12被布置在固定台16上，且探测器14被布置在被附到摄像机镜头t旲块20的移动台18上，摄像机镜头t旲块20经历相对于固定台16的摇摄和俯仰运动。然而，探测器被布置在固定台上而发射器被布置在移动台上也在本发明的范围内。移动台18包括移动电路板22，移动电路板22上布置了探测器14。探测器14包括具有轴26的视场24。摄像机镜头模块20包括在其前端上的物镜28。镜头28具有光轴30。摄像机镜头模块20包括延伸到图1的页面中且从图1的页面延伸出的俯仰轴32。移动台18可在弓形fif头34所指不的方向上相对于固定台16围绕轴32俯仰。摄像机镜头模块20还包括摇摄轴36，移动台18可围绕该摇摄轴36相对于固定台36旋转或摇摄。固定台16包括固定电路板38，固定电路板38上布置IR LED发射器12。固定台16还包括具有孔42的固定的不透明平面挡板40，孔42被尺寸调整成允许发射器光束46的中心部分44穿过其中。如图1所示，发射器光束46的中心部分44可以比探测器14的视场窄，且因此探测器14可以能够接收整个中心部分44。
探测器14通过发射器12的光输出的这个照明导致探测器14输出探测器信号，该探测器信号可用于确定移动台18在摇摄方向和俯仰方向上相对于固定台16的相对对准。发射器12具有足够的辐射功率用于使来自其的光到达探测器传感器的表面并使探测器14响应于此而产生足够和可测量的信号水平。当摄像机镜头光轴30处于水平俯仰位置处(例如，观看水平线，和/或被定向在相对于垂直轴的90度处)并处于某个或预定摇摄旋转位置时，移动台18和固定台16可对准。当移动台18和固定台16彼此对准时，则发射器12和探测器14也可彼此对准，且探测器14的视场24的轴26也是发射器光束46的轴。当发射器12和探测器14的这样的对准被实现时，则移动台18处于参考原始位置上，且校准完成。当摄像机指向水平线时，发射器12和探测器14可粗略面向彼此，所以发射器光束46的中心部分44的中心轴和探测器14的视场24的中心轴可粗略地彼此对准。如孔42所提供的光束46的宽度的减小可促进以下过程:经由找到光束的相对边缘之间的中点的技术，例如通过在建立俯仰原始位置时找到发射器光束的顶边缘和底边缘的位置，来找到发射光束的中心的位置。如果发射器光束太宽并与机械限位器重叠，则摄像机将在找到光束的上边界之前碰撞机械限位器。参考图2描述本发明的监控摄像机位置校准方法200的一个实施例。在第一步骤202中，移动台18经历俯仰运动以设置移动台18相对于机械限位器(例如仅在图1中示意性示出的机械限位器48)的初始俯仰位置。也就是说，机械限位器48可阻碍移动台18的进一步的俯仰运动。机械限位器48可以是相对于俯仰方向不能移动的挡板，但可以或可以不连同摄像机镜头模块20 —起经历摇摄运动。在图3所示的监控摄像机装置300的实施例中，机械限位器348是以布置在摄像机镜头模块320之上并在摇摄运动中连同摄像机镜头模块320 —起旋转的不完全地描绘的环形环的形式。监控摄像机装置300还包括被布置在固定台316的固定电路板338上的IR LED发射器312。发射器312输出发射器光束346。固定台316可限定摇摄轴336，摄像机镜头模块320可围绕摇摄轴336旋转。移动台318除了摄像机镜头模块320以外还包括具有光轴330的物镜328。移动台318经历围绕俯仰轴332的俯仰运动。移动台318包括移动电路板332，移动电路板332上布置IR探测器314。探测器314包括视场324。
如上所述，移动台可经历俯仰运动，以便设置相对于机械限位器的初始俯仰位置。最初在上电时，摄像机镜头模块320的CPU 350 (图7)并不知道摄像机镜头模块的现有摇摄或俯仰位置。然而，CPU知道相对于水平面(例如，摄像机镜头模块的水平方位)的俯仰范围(例如，以度为单位)的机械限制，且因此可使用这个认知来驱动俯仰电动机352以将摄像机镜头模块320俯仰至靠近水平方位。也就是说，CPU控制俯仰电动机的致动并使摄像机镜头模块在最大操作俯仰范围之外俯仰，以确保摄像机镜头模块到达并啮合上机械限位器348，上机械限位器348位于如CPU内的软件所定义的摄像机镜头模块的操作俯仰范围之外的几度。CPU可知道在摄像机镜头模块320啮合下机械限位器348时摄像机镜头模块320的方位与当光轴330具有水平方位时摄像机镜头模块320的方位之间的固定角度。在一个实施例中，这个角度可大约在10度和15度之间。在另一实施例中,这个角度可大约在5度和30度之间。一旦CPU确信它已充分操作俯仰电动机以使机械限位器与摄像机镜头模块啮合，CPU就可接着在相反的方向上操作俯仰电动机，以便使摄像机镜头模块从机械限位器向下俯仰回机械限位器与水平面之间的已知角度(例如，在10度和15度之间)。因此，摄像机镜头模块被从与机械限位器的啮合俯仰回到水平方位，该水平方位类似于图1所示的方位。俯仰位置的精度可以不是关键的，因为IR LED和探测器(例如发射器312和探测器314) —般分别具有宽发射光束角和宽探测角。例如，在一个实施例中，发射光束角354(图3)为大约30度，而探测角356为大约120度。因此，发射光束346可容易与探测的圆锥体324重叠(即使具有不精确的俯仰角)，且因此探测器314可仍然容易从发射器312接收光能。CPU350可以或可以不控制发射器312的操作，例如经由滑环(未示出)来控制。在第二步骤204中，摄像机镜头模块经历摇摄运动以实现发射器和探测器的初始“粗略”对准。例如，如图4所示，摄像机镜头模块320已经历围绕轴336的摇摄运动，直到发射器光束346与探测器314的视场324粗略地对准。在一个实施例中，摄像机镜头模块320完成围绕轴336的完整的360度旋转的摇摄运动，并跟踪在整个旋转中探测器输出信号的变化。摄像机镜头模块320 接 着返回到探测器输出信号在最大值处的旋转位置，且这个位置被认为是发射器312和探测器314粗略地对准的地方。在另一实施例中，摄像机镜头模块320不一定需要完成围绕轴336的完整的360度旋转的摇摄运动，而是在摄像机镜头模块320找到探测器输出信号中的局部最大值之后结束摇摄运动。例如，图5是探测器输出信号相对于从在图3中达到的原始位置开始的摇摄运动的角度的示例性图。在从原始位置开始完成大约240度的摇摄运动之后，摄像机镜头模块320根据分析探测器输出信号数据来确定了探测器输出信号中的局部最大值出现在摄像机镜头模块320从原始位置开始完成大约173度的摇摄运动时。因此，摄像机透镜模块320返回到从原始位置移动大约173度的位置，且这个位置被认为是发射器312和探测器314粗略地对准的地方。如上所述，CPU可操作摇摄电动机358 (图7)以使摄像机镜头模块320经历摇摄运动以实现发射器312和探测器314的初始“粗略”对准。也就是说，在CPU 350和俯仰电动机352使摄像机镜头模块320俯仰使得摄像机的光轴330在水平面(类似于图1所示的方位，但发射器和探测器不一定甚至几乎彼此对准)处或附近时，则CPU可通过在一个方向上操作摇摄电动机358直到探测器传感器314探测到如图4所示的发射器光束来找到摄像机镜头模块的大致或粗略的原始摇摄位置。在一个实施例中，CPU通过在一个方向上操作摇摄电动机358直到探测器传感器314探测到发射器光束的强度中的局部最大值已被找出并摇摄过(例如图5所示)，来找到摄像机镜头模块的大致或粗略原始摇摄位置。然后，CPU在相反的方向上操作摇摄电动机358回到局部最大发射器光束强度被识别出的摇摄位置。虽然图4所示的这个特定的摇摄位置可得到针对摄像机镜头模块的特定和当前的俯仰位置的局部最大发射器信号强度，但是这个摇摄位置可以不一定是与当摄像机镜头模块在用于接收发射器光束的最佳俯仰位置处时使接收的信号强度最大化的“精确”摇摄位置相同的位置。存在为什么这个粗略摇摄位置可以不与用于优化光能接收的精确摇摄位置相同的各种原因，该原因包括例如:当摄像机镜头模块不在最佳俯仰位置上时从周围的部件反射到探测器上的光能、或发射光束346中和/或探测的圆锥体324中的非线性度。因此，可能需要执行摄像机镜头模块的俯仰位置和摇摄位置的额外调节，以便到达并识别俯仰位置和摇摄位置的组合，在这两个位置处光能的接收被最大化，且在这两个位置处发射光束346的中心轴很可能与探测的圆锥体324的中心轴对准。在最后的步骤206中，摄像机镜头模块经历俯仰和摇摄运动的进一步的重复以实现发射器和探测器的最终“精确”对准。例如，摄像机镜头模块320可具有围绕俯仰轴332的90度范围的俯仰运动。在一个实施例中，摄像机镜头模块320扫掠过围绕轴332的俯仰运动的完整90度角范围，并跟踪在整个俯仰运动中探测器输出信号的变化。摄像机镜头模块320接着返回到探测器输出信号处于最大值的俯仰位置，且这个位置被认为是发射器312和探测器314仍然粗略地对准但比在仅仅摇摄运动之后的图4中更精确地对准的位置。在另一实施例中，摄像机镜头模块320不一定需要扫掠过围绕轴332的俯仰运动的整个90度角，而相反在摄像机镜头模块320找到探测器输出信号中的局部最大值之后结束俯仰运动。例如，类似于上面参考图5描述的摇摄技术，摄像机模块320可通过俯仰运动确定在某处探测器输出 信号已经穿过探测器输出信号中的局部最大值。因此，摄像机镜头模块320返回到局部最大值出现的俯仰位置，且这个位置被认为是在图4的粗略对准位置上的对准的改进。如上所述，摄像机镜头模块可能必须经历交替的摇摄运动和俯仰运动的几次重复，以便实现发射器和探测器的最终精确对准(如该装置的物理约束给出的光能的最大可能接收所指示的)。一旦探测器传感器314在发射器光束的路径上，CPU就缓慢地摇摄摄像机镜头模块并在摇摄方向上搜索发射器光束的中心。这可使用将探测器314和CPU 350互连的A/D (模拟到数字)转换器来完成。数字化的探测器输出信号可被跟踪并记录为摇摄位置的函数，且这样的跟踪的数据的例子在图5中示出。一旦初始粗略摇摄原始位置被找到(在该位置处，数字化探测器输出信号相对于给定俯仰位置(如图4所示)的摇摄位置被最大化)，CPU就反转摇摄的方向并将摄像机镜头模块返回到粗略摇摄原始位置。在现在摄像机镜头模块处于粗略摇摄原始位置的情况下，CPU缓慢地使摄像机镜头模块上下俯仰，直到发射光束的中心在俯仰位置上被粗略地找到。找到粗略原始俯仰位置的这个过程可类似于找到粗略原始摇摄位置的过程。更具体地，可在俯仰位置的整个扫掠中对探测器输出信号进行数字化，且可在俯仰运动的过程期间在相应的俯仰位置被经过之后识别出探测器输出信号的强度中的第二局部最大值。探测器输出信号中的这个局部最大值可与给定的粗略摇摄原始位置的相应粗略俯仰原始位置相关。在一个实施例中，找到摄像机镜头模块的原始位置的过程在这里以与粗略俯仰原始位置结合的粗略摇摄原始位置结束。也就是说，虽然这个位置可能不严格地导致实现所接收的光能的最大可能水平，且可能不符合发射器和探测器的严格对准，但是它是可被认为是精确的(如果不是完全准确的话)的位置，并且它是可在未来始终和重复地实现的位置，且因此这个位置可很好地起到用于摄像机镜头模块的原始位置的作用。然而，摄像机镜头模块可以可替代地在摇摄和俯仰方向上经历交替的运动和校准的额外重复，以便实现光能的真实最大接收，以及发射器光束和探测圆锥体的真实和更精确的对准。在一个实施例中，在摄像机镜头模块已被放置在粗略原始摇摄位置和粗略原始俯仰位置上之后，CPU使摄像机镜头模块再次扫描一定范围的摇摄位置，虽然该范围的摇摄位置也许与在初始摇摄运动中的范围相比处于粗略原始摇摄位置周围的更窄范围内。探测器输出信号的第三局部最大值被识别为与比初始粗略原始摇摄位置稍微更精确的第二原始摇摄位置相对应。CPU将摄像机镜头模块移动到这个第二原始摇摄位置，且CPU接着使摄像机镜头模块经历沿着俯仰位置的第二摇摄，但该俯仰位置再次处于与在初始摇摄运动中的范围相比在粗略原始摇摄位置周围的更窄范围内。探测器输出信号的第四局部最大值被识别为与比初始粗略原始俯仰位置稍微更精确的第二原始俯仰位置相对应。CPU将摄像机镜头模块移动到这个第二原始俯仰位置。如果探测器输出信号的第三或第四局部最大值超过第二局部最大值的量小于阈值量，则可推断出，在发射器和探测器之间的对准的精确度足以将第二原始摇摄位置和第二原始俯仰位置的组合考虑为用于未来的基准的移动台的摇摄俯仰原始位置。建立移动台的摇摄俯仰原始位置的过程因此结束。然而，如果探测器输出信号的第三或第四局部最大值超过第二局部最大值的量大于阈值量，则可推断出，在发射器和探测器之间的对准的精确度可能还不足以将第二原始摇摄位置和第二原始俯仰位置的组合考虑为用于未来的基准的移动台的摇摄俯仰原始位置。也就是说，在发射器和 探测器之间的对准中实现进一步的改进是可能的。因此，CPU使摄像机镜头模块再次扫描过一定范围的摇摄位置，且探测器输出信号的第五局部最大值被识别为与比第二原始摇摄位置稍微更精确的第三原始摇摄位置相对应(也许因为相应的第二原始俯仰位置比初始原始俯仰位置更精确XCPU将摄像机镜头模块移动到这个第三原始摇摄位置，且CPU接着使摄像机镜头模块经历沿着俯仰位置的第三扫描。探测器输出信号的第六局部最大值被识别为与第三原始俯仰位置相对应，且CPU将摄像机镜头模块移动到这个第三原始俯仰位置。如果探测器输出信号的第五或第六局部最大值超过第三和第四局部最大值的量小于阈值量，则可推断出，在发射器和探测器之间的对准的精确度现在足以将第三原始摇摄位置和第三原始俯仰位置的组合考虑为用于未来的基准的移动台的摇摄俯仰原始位置。建立移动台的摇摄俯仰原始位置的过程因此结束。然而，如果探测器输出信号的第五或第六局部最大值超过第三和第四局部最大值的量大于阈值量，则上面的重复过程继续，直到探测器输出信号中的进一步大的增大不再被实现。此时，建立移动台的摇摄俯仰原始位置的过程结束。
在摄像机镜头模块的位置已被调节到如上所述的光束路径的中心以及类似于图6所示的位置之后，CPU可将其摇摄和俯仰计数器重置到表示摄像机镜头模块的摇摄俯仰原始位置的数量。如上所述，可只使用单个IR发射器/探测器对来确定原始摇摄位置和原始俯仰位置的组合。在一些实施例中，在探测器在光束的中心时探测器输出信号不一定在最大值处，而相反，无论探测器被布置在光束内什么地方，探测器输出信号都具有相当大的值，并在光束的边界处突然下降。在这些实施例中，CPU可使用光束的几何结构和所探测的边界来定位光束的几何中心。也就是说，当在俯仰方向上扫描时，CPU可在探测器进入光束时识别第一光束边界而在探测器离开光束时识别第二光束边界。CPU可接着将第一光束边界位置与第二光束边界位置之间半中间的俯仰位置识别为与光束的中心相对应，并可将这视为摄像机镜头模块的圆顶状俯仰位置。然而，根据发生器光束的直径或发射器光束的“展度”，可能没有足够的俯仰范围来使CPU找到光束的中心。也就是说，如果摄像机镜头模块的俯仰范围不足够大以允许探测器越过整个光束行进，则CPU可能不能确定光束的中心的位置。在这种情况下，可将具有孔的挡板放置在发射器光束和探测器传感器之间，从而如图1所示那样适当地限制光束的宽度，因而优化操作。更具体地，监控摄像机装置可包括例如具有孔的光学挡板，例如具有孔42的固定不透明挡板40 (图1)。在本发明的监控摄像机装置800的另一实施例中，探测器814布置在固定台816上，而发射器812布置在移动台818上。探测器输出信号可经由滑环传输到CPU 850，如在860示出的那样。CPU 850通过对俯仰电动机852和摇摄电动机858的操作来控制摄像机镜头模块的方位。CPU 850还可控制发射器812的操作，如在862示出的那样。然而，发射器850可以可替代地在没有任何外部控制的情况下连续地发射光能864。装置800的其它方面可基本上类似于装置300的那些方面，且因此不在本文详细描述装置800的其它方面，以便避免不需要的重复。
在图9中示出了用于根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的本发明的方法900的一个实施例。在第一步骤902中，摄像机耦合到固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动，并可执行围绕多个第二轴的俯仰运动，每个第二轴基本上垂直于第一轴。例如，在图3的实施例中，摄像机镜头模块320内的摄像机可执行围绕轴336的摇摄运动，并可执行围绕垂直于轴336并垂直于光轴330的轴332的俯仰运动。对于摄像机镜头模块320围绕轴336的每个离散的摇摄位置，摄像机镜头模块320围绕垂直于光轴330和摇摄轴336的各自俯仰轴俯仰。摄像机镜头模块320可由任何固定结构支撑，模块320通过该任何固定结构间接地耦合到固定台316。此外，摄像机镜头模块320可以直接耦合到固定台316。在下一步骤904中，光学发射器固定地附着到固定结构或摄像机。如图3所示，光学发射器312可固定地附着到固定台316的电路板338。然而，如图8所示，光学发射器812可包括在移动台818中，并可固定地附着到摄像机镜头模块820。因此，光学发射器812可至少间接地固定地附着到摄像机镜头模块820内的摄像机。接着，在步骤906中，光学接收器固定地附着到固定结构和摄像机中的另一个。如图3所不，光学接收器314可包括在移动台318内，并可固定地附着到摄像机镜头t旲块320。因此，光学接收器314可至少间接地固定地附着到摄像机镜头模块820内的摄像机。然而，如图8所示，光学接收器814也可固定地附着到固定台816。在步骤908中，响应于接收器接收到来自发射器的光能，信号从接收器输出。甚至在图3所示的位置(其中发射光束346不与接收的圆锥体324交叉)处，探测器314也从发射器312接收足够的散射光能，从而探测器314输出可测量的输出信号。在图5绘制出这样的探测器输出信号。在下一步骤910中，使用摄像机来执行摇摄运动，直到来自光学接收器的输出信号中的第一局部最大值被识别出。也就是说，CPU 350可操作摇摄电动机358，使得移动台318执行围绕摇摄轴336的完整的360度旋转。CPU 350可接着识别在360度内的哪个摇摄位置导致探测器输出信号的最大值。可替代地，CPU 350可操作摇摄电动机358，使得移动台318执行围绕摇摄轴336的旋转，但在探测器输出信号的局部最大值可被识别出时摇摄停止。例如，如图5的曲线图中示出的，在移动台318到达大约在200度和240度之间的摇摄位置之后，探测器输出信号中的最大值可清楚地在173度的摇摄位置处被识别出。在图5的特定例子中，移动台318在识别出在173度的最大值之前到达240度的摇摄位置。CPU350可推断出，在173度处的这个摇摄位置是如利用给定的俯仰位置所能实现的那样接近发射器312和探测器314之间的对准。接着，在步骤912中，摄像机移动到与局部最大值相关的摇摄位置。也就是说，在图5的例子中，CPU 350可操作摇摄电动机358以将该移动台318的摇摄位置从它的摇摄运动被停止时所在的240度位置移动回到对应于探测器输出信号的最大值的173度位置。在步骤914中，使用摄像机来执行俯仰运动，直到来自光学接收器的输出信号中的第二局部最大值被识别出。例如，在移动台处于步骤912中识别出的173度的近似最佳的摇摄位置处的情况下，CPU 350可操作俯仰电动机352以将移动台318移动经过其完整范围的俯仰位置。给定在步骤912中建立的摇摄位置的情况下，CPU 350可接着确定这些俯仰位置中的哪个对应于最高探测器输出信号。可替代地，CPU 35可操作俯仰电动机352以到目前为止只在必要时将移动台318移动过其俯仰位置的完整范围，以便确定对应于探测器输出信号中的局部最大值的俯仰位置。接着，在步骤916中，摄像机被移动到与第二局部最大值相关的俯仰位置。也就是说，类似于图5的例子，CPU 350可操作俯仰电动机352以将该移动台318的俯仰位置从它的俯仰运动被停止时所在的240度位置移动回到对应于探测器输出信号的最大值的所识别的俯仰位置。在最后的步骤918中，执彳丁摇摄运动、将摄像机移动到摇摄位直、执彳丁俯仰运动、将摄像机移动到俯仰位置的步骤被反复和交替地重复，直到来自光学接收器的输出信号中的局部最大值大约等于最大可能的值。也就是说，CPU 350可使移动台318以那个顺序根据需要多次地重复步骤910、912、914和916，以便达到扫描位置和俯仰位置的一组合，从该组合，不能实现探测器输出信号中的进一步的增大。例如，可重复步骤910、912、914和916，直到从这些步骤的一次循环到下一随后的循环，不存在探测器输出信号的增大，或直到该增大低于阈值。
在上述实施例中，可在找到粗略摇摄原始位置之前，定位粗略俯仰位置。例如，在保持恒定的俯仰位置的同时执行摇摄运动，以便找到探测器输出信号中的最大值。随后，在保持恒定的与探测器输出信号中的最大值相关的摇摄位置的同时执行俯仰运动，以便找到探测器输出信号中的另一最大值。然而，应理解，在本发明的范围内，执行摇摄运动并接着执行俯仰运动的这个顺序可反转，使得可在执行摇摄运动之前执行一定范围的俯仰运动。虽然发射器光束和接收圆锥体在本文被示为具有垂直方位，但是在本发明的范围内，发射器光束和接收圆锥体具有水平方位或在垂直方位和水平方位之间的某处成角度的方位也是可能的。在图10所示的又一实施例中，监控摄像机装置1000使用现有的房间照明作为光能的发射器，并使用摄像机作为光能的探测器。更具体地，装置1000包括机械限位器1048，该机械限位器1048以布置在摄像机镜头模块1020之上并可连同摄像机镜头模块1020 —起在摇摄运动中旋转的不完全地描绘的环形环的形式。监控摄像机装置1000还包括固定地安装在固定台1016所附着到的同一天花板中的常规荧光或白炽顶灯1012。顶灯1012可如天花板照明常规的那样，在天花板之下的所有半球形方向上输出光。固定台1016可限定摇摄轴1036，摄像机镜头模块1020可围绕摇摄轴1036旋转。移动台1018除了摄像机镜头模块1020以外还包括具有光轴1030的物镜1028。移动台1018经历围绕俯仰轴1032的俯仰运动。
如上所述，移动台可经历俯仰运动，以便设置相对于机械限位器的初始俯仰位置。最初在上电时，摄像机镜头模块1020的CPU (未示出)不知道摄像机镜头模块的现有摇摄位置或俯仰位置。然而，CPU知道相对于水平面(例如，摄像机镜头模块的水平方位)的俯仰范围(例如，以度为单位)的机械限制，并因此可使用这个认知来驱动俯仰电动机(未示出)以使摄像机镜头模块俯仰靠近水平方位。也就是说，CPU控制俯仰电动机的致动并使摄像机镜头模块在最大操作俯仰范围之外俯仰，以确保摄像机镜头模块到达并啮合上机械限位器1048，该上机械限位器1048处于在如CPU内的软件所定义的摄像机镜头模块的操作俯仰范围之外的几度。机械限位器1048也可以处于摄像机镜头模块1020在被直接指向灯1012时的俯仰位置之外的几度，如图10所示那样。CPU可知道在摄像机镜头模块1020啮合上机械限位器1048时摄像机镜头模块1020的方位与当光轴1030具有水平方位时摄像机镜头模块1020的方位之间的固定角度。在一个实施例中，这个角度可大约在30度和60度之间。一旦CPU确信它已充分操作俯仰电动机以使机械限位器与摄像机镜头模块啮合，CPU就可接着在相反的方向上操作俯仰电动机，以便使摄像机镜头模块从机械限位器向下俯仰回在机械限位器与水平面之间的已知角度(例如，在30度和60度之间)。因此，摄像机镜头模块从与机械限位器的啮合俯仰回到类似于图1所示的方位的水平方位。CPU可接着使摄像机镜头模块1020经历在上文参考其它实施例描述的摇摄和俯仰运动，直到摄像机所接收的光的水平被最大化。灯1012可具有足够水平的亮度，从而摄像机通过指向灯1012来接收最大水平的光，如图10所示的那样，或当摄像机的视场以灯1012为中心时。例如，灯1012可以是房间中和视场中的最亮的灯，和/或灯1012可以是最靠近摄像机的灯。装置1000及其操作的其它特征可基本上类似于上述其它实施例的那些特征，且因此在本文未被描述，以便避免不需要的重复。在图11所示的又一实施例中，监控摄像机装置1100使用摄像机来识别在摄像机附近的壁上的固定位置处张贴的预定图案。更具体地，装置1100包括机械限位器1148，该机械限位器1148以布置在摄像机镜头模块1120之上并可连同摄像机镜头模块1120 —起在摇摄运动中旋转的不完全地描绘的环形环的形式。监控摄像机装置1100还包括永久地安装在附近壁1113上并容易由在摄像机镜头模块1120内的CPU可使用的图案识别软件可识别的图案1112。图案1112和摄像机的视场1115可使得CPU能够容易确定图案1112何时居中于视场1115内。在图11所示的实施例中，图案1112是类似于测试图案的圆形棋盘类型的图案。固定台1116可限定摇摄轴1136，摄像机镜头模块1120可围绕摇摄轴1136旋转。移动台1118除了摄像机镜头模块1120以外还包括具有光轴1130的物镜1128。移动台1118经历围绕俯仰轴1132的俯仰运动。如上所述，移动台可经历俯仰运动，以便设置相对于机械限位器的初始俯仰位置。最初在上电时，摄像机镜头模块1120的CPU (未示出)不知道摄像机镜头模块的现有摇摄位置或俯仰位置。然而，CPU知道相对于水平面(例如，摄像机镜头模块的水平方位)的俯仰范围(例如，以度为单位)的机械限制，并因此可使用这个认知来驱动俯仰电动机(未示出)以使摄像机镜头模块俯仰靠近水平方位，其中图案1112可居中。也就是说，CPU控制俯仰电动机的致动并使摄像机镜头模块在最大操作俯仰范围之外俯仰，以确保摄像机镜头模块到达并啮合上机械限位器1148，上机械限位器1148处于如CPU内的软件所定义的摄像机镜头模块的操作俯仰范围之外的几度。CPU可知道在摄像机镜头模块1120啮合上机械限位器1148时摄像机镜头模块1120的方位与当光轴1130具有水平方位时摄像机镜头模块1120的方位之间的固定角度。在一个实施例中，这个角度可大约在30度和60度之间。一旦CPU确信它已充分操作俯仰电动机以使机械限位器与摄像机镜头模块啮合，CPU就可接着在相反的方向上操作俯仰电动机，以便使摄像机镜头模块从机械限位器向下俯仰回在机械限位器与水平面之间的已知角度(例如，在10度和15度之间)。因此，摄像机镜头模块从与机械限位器的啮合俯仰回到类似于图1所示的方位的水平方位。因为图案1112被张贴在垂直方位上，所以当图案1112的中心如所示沿着水平轴1130布置`时，摄像机可具有对图案1112的最佳视野。CPU可接着使摄像机镜头模块1020经历在上文参考其它实施例描述的摇摄和俯仰运动(然而也许只有俯仰位置的精细调节被要求)，直到CPU确定图案1112已居中于摄像机的视场内。图案1112可被调整大小为大致匹配在给定距离处和在摄像机的给定焦距处的摄像机的视场的尺寸。装置1100及其操作的其它特征可基本上类似于上述其它实施例的那些特征，且因此在本文未被描述，以便避免不需要的重复。图12示出用于根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的本发明的方法1200的又一实施例。在第一步骤1202中，摄像机耦合到第一固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动并可执行围绕多个第二轴的俯仰运动。每个第二轴基本上垂直于第一轴。例如，在图10的实施例中，在摄像机镜头模块1020内的摄像机可执行围绕轴1036的摇摄运动，并可执行围绕垂直于轴1036并垂直于光轴1030的轴1032的俯仰运动。对于摄像机镜头模块1020围绕轴1036的每个离散的摇摄位置，摄像机镜头模块1020围绕垂直于光轴1030和摇摄轴1036两者的相应俯仰轴俯仰。摄像机镜头模块1020可由任何固定结构支撑，模块1020经由该任何固定结构直接耦合到固定台1016。此外，摄像机镜头t旲块1020可直接f禹合到固定台1016。
在下一步骤1204中，光学图像源固定地附着到固定结构。例如，在图10的实施例中，以灯1012的形式的光学图像源固定地附着到以天花板的形式的第二固定结构。作为另一例子，在图11的实施例中，以图案1112的形式的光学图像源固定地附着到以壁的形式的
第二固定结构。接着，在步骤1206中，摄像机用于捕获光学图像源所产生的图像。也就是说，摄像机镜头模块1020的摄像机可用于捕获灯1012的图像。此外，摄像机镜头模块1120的摄像机可用于捕获图案1112的图像。在最后的步骤1208中，使用摄像机来执彳丁俯仰和摇摄运动，直到摄像机所捕犾的光学图像源的图像的特性基本上被最优化。在图10的例子中，使用摄像机来执行俯仰和摇摄运动，直到摄像机所捕获的来自灯1012的光的水平被最大化。在图11的例子中，使用摄像机来执行俯仰和摇摄运动，直到图案1112居中于摄像机的视场内。虽然本发明被描述为具有示例性设计，本发明可在本公开的精神和范围内被进一步修改。本申请因此旨在覆 盖使用其一般原理的本发明的任何变型、使用或调整。
权利要求
1.一种根据摇摄运动和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法，所述方法包括下列步骤: 将所述摄像机耦合到固定结构，使得所述摄像机能够执行围绕第一轴的所述摇摄运动，并能够执行围绕多个第二轴的所述俯仰运动，所述第二轴中的每个基本上垂直于所述第一轴； 将光学发射器固定地附着到所述固定结构或所述摄像机； 将光学接收器固定地附着到所述固定结构和所述摄像机中的另一个；以及使用所述摄像机执行所述俯仰运动和所述摇摄运动，直到所述发射器和接收器位于根据所述接收器响应于接收到来自所述发射器的光能而输出的信号来确定的相对于彼此的预定位置上。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述执行步骤包括: 使用所述摄像机执行所述俯仰运动，直到来自所述光学接收器的输出信号中的第一局部最大值被识别出； 将所述摄像机移动到与所述局部最大值相关联的俯仰位置； 使用所述摄像机执行所述摇摄运动，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的第二局部最大值被识别出； 将所述摄像机移动到与所述第二局部最大值相关联的摇摄位置；以及反复和交替地重复执行俯仰运动、将所述摄像机移动到所述俯仰位置、执行摇摄运动并且将所述摄像机移动到所述摇摄位置这些步骤，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于最大可能的值。
3.如权利要求1所述的 方法，其中，所述执行步骤包括:执行俯仰运动，直到所述摄像机啮合机械限位器。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述执行步骤包括:在所述摄像机已啮合所述机械限位器之后，执行俯仰运动，直到所述摄像机的光轴在水平方位上。
5.如权利要求1所述的方法，其中，当所述发射器和所述接收器在预定位置上时，来自所述发射器的发射光束和所述接收器的接收圆锥体基本上彼此对准。
6.如权利要求1所述的方法，其中，由所述接收器通过平面的固定挡板的孔来接收所述光能。
7.一种监控摄像机装置，包括: 摄像机，其耦合到固定结构； 用于致动所述摄像机以执行围绕垂直轴的摇摄运动并执行围绕多个水平轴中的任意的俯仰运动的装置； 光学发射器，其固定地附着到所述固定结构或所述摄像机； 光学接收器，其固定地附着到所述固定结构和所述摄像机中的另一个，并且所述光学接收器被配置为响应于接收到来自所述光学发射器的光能来产生输出信号；以及处理器，其被配置成: 接收来自所述光学接收器的所述输出信号；以及 根据来自所述光学接收器的所述输出信号来驱动所述致动装置，以使所述摄像机执行所述俯仰运动和摇摄运动，直到来自所述光学接收器的所述输出信号的振幅基本上被最大化。
8.如权利要求7所述的监控摄像机装置，其中，当来自所述光学接收器的所述输出信号被最大化时，所述发射器和接收器位于相对于彼此的预定位置上。
9.如权利要求7所述的监控摄像机装置，其中，所述处理器被配置成驱动所述致动装置以使所述摄像机: 执行所述俯仰运动，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的第一局部最大值被识别出； 移动到与所述第一局部最大值相关联的俯仰位置； 执行所述摇摄运动，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的第二局部最大值被识别出； 移动到与所述第二局部最大值相关联的摇摄位置；以及 反复和交替地重复执行俯仰运动、移动到所述俯仰位置、执行摇摄运动、以及移动到所述摇摄位置这些步骤，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于最大可能的值。
10.如权利要求7所述的监控摄像机装置，其中，所述致动装置被配置成致动所述摄像机执行俯仰运动，直到所述摄像机啮合机械限位器。
11.如权利要求10所述的监控摄像机装置，其中，所述致动装置被配置成:在所述摄像机已啮合所述机械限位器之后，致动所述摄像机执行俯仰运动，直到所述摄像机的光轴在水平方位上。
12.如权利要求7所述的布置，其中，当来自光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于最大可能的值时，来自所述发射器的发射光束和所述接收器的接收圆锥体基本上彼此对准。
13.如权利要求7所述的监控摄像机装置，其中，由所述接收器通过平面的固定挡板的孔来接收所述光能。
14.如权利要求7所述的监控摄像机装置，其中，所述光学发射器包括红外发光二极管。
15.一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法，所述方法包括下列步骤: 将所述摄像机耦合到固定结构，使得所述摄像机能够执行围绕第一轴的所述摇摄运动，并能够执行围绕多个第二轴的所述俯仰运动，所述第二轴中的每个基本上垂直于所述第一轴； 将光学发射器固定地附着到所述固定结构或所述摄像机； 将光学接收器固定地附着到所述固定结构和所述摄像机中的另一个； 响应于所述接收器接收到来自所述发射器的光能，从所述接收器输出信号； 使用所述摄像机执行所述摇摄运动，直到来自所述光学接收器的输出信号中的第一局部最大值被识别出； 将所述摄像机移动到与所述局部最大值相关联的摇摄位置； 使用所述摄像机执行所述俯仰运动，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的第二局部最大值被识别出；将所述摄像机移动到与所述第二局部最大值相关联的俯仰位置；以及 反复和交替地重复执行摇摄运动、将所述摄像机移动到所述摇摄位置、执行俯仰运动、以及将所述摄像机移动到所述俯仰位置这些步骤，直到来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于最大可能的值。
16.如权利要求15所述的方法，其中，来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于所述最大可能的值是表示:所述发射器和接收器处于从所述接收器所接收的光学信号确定的相对于彼此的预定位置上。
17.如权利要求15所述的方法，其中，根据来自所述光学接收器的所述输出信号不再随着每次重复而增大来确定来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于最大可能的值。
18.如权利要求15所述的方法，其中，当来自所述光学接收器的所述输出信号中的所述局部最大值大致等于所述最大可能的值时，所述发射器和所述接收器基本上彼此对准。
19.一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法，所述方法包括下列步骤: 将所述摄像机耦合到第一固定结构，使得所述摄像机能够执行围绕第一轴的所述摇摄运动，并能够执行围绕多个第二轴的所述俯仰运动，所述第二轴中的每个基本上垂直于所述第一轴； 将光学图像源固定地附着到第二固定结构； 使用所述摄像机捕获由所述光学图像源产生的图像；以及 使用所述摄像机执行所述俯仰运动和所述摇摄运动，直到所述摄像机所捕获的所述光学图像源的所述图像的特性基本上是最优化的。
20.如权利要求19所述的方 法，其中，当所述摄像机所捕获的所述光学图像源的所述图像的所述特性基本上是最优化的时，所述摄像机的视场基本上以最优的图像源为中心。
全文摘要
一种根据摇摄和俯仰运动将监控摄像机放置在已知的参考方位上的方法包括将摄像机耦合到固定结构，使得摄像机可执行围绕第一轴的摇摄运动，并可执行围绕多个第二轴的俯仰运动。第二轴中的每个基本上垂直于第一轴。光学发射器固定地附着到固定结构或摄像机。光学接收器固定地附着到固定结构和摄像机中的另一个。使用摄像机来执行俯仰和摇摄运动，直到发射器和接收器位于如从接收器响应于接收到来自发射器的光能而输出的信号确定的相对于彼此的预定位置上。
文档编号H04N7/18GK103229501SQ201180055909
公开日2013年7月31日 申请日期2011年10月6日 优先权日2010年10月7日
发明者L·J·斯瓦尔 申请人:罗伯特·博世有限公司