一种地面坐标与PTZ摄像机的画面坐标转换方法、系统以及装置与流程

本发明涉及安防领域，特别涉及一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法、系统以及装置。

背景技术：

在安防领域，经常会涉及gnss坐标与球机画面坐标之间的互换，如当球机在转动的过程中，我们希望在球机画面上显示一个标签，标注建筑物的名称等，并且随着球机的转动，标签也跟着移动，总是显示在正确的位置。

要实现这种标注，目前的一般方法是：手动在球机画面上标注。在标注时记录下标注点如建筑物的球机坐标，当球机转动时，通过将球机坐标转换为画面坐标，从而实现球机在转动的过程中标签一直跟随建筑物。

虽然上述人工标注的方法准确可靠，但是存在效率低下，无法实现自动化标注的问题。

技术实现要素：

为了克服如上所述的技术问题，本发明提出一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法、系统以及装置，该方法通过获取到目标位置的地面坐标，得到ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角再将所述垂直高度角θ和水平方位角自动转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标，实现目标位置在ptz摄像机画面中的自动标注，效率高且准确可靠。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提出一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法，包括：

获取目标位置的地面坐标；

根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角

根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标。

进一步地，所述第一坐标转换机制通过下述步骤建立：

建立地面坐标系以及ptz摄像机坐标系；

确定所述目标位置的地面坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的坐标转换关系，所述坐标转换关系包含相关转换参数，其中，所述相关转换参数通过下述步骤确定：

在所述地面坐标系与所述ptz摄像机坐标系中进行标定，包括：将所述ptz摄像机定位到水平方位角的位置，随机选取至少两个不同的垂直高度角θ1和θ2，并得到对应的ptz摄像机画面中心指向地面上的两个点的地面坐标(x1,y1)和(x2,y2)；

通过标定得到的θ1和θ2以及(x1,y1)和(x2,y2)确定上述坐标转换关系中的所述相关转换参数。

进一步地，所述第二坐标转换机制通过下述步骤建立：

以ptz摄像机垂直向下时的光心方向为z轴建立三维直角坐标系xyz，ptz摄像机画面为与单位ptz摄像机球面相切的平面，所述平面与ptz摄像机单位球面切点在球机机芯光轴与所述单位ptz摄像机球面的交点，记为p点，ptz摄像机画面中任意点的坐标记为(sx，sy)，所述任意点在所述三维直角坐标系中的坐标记为(xptz,yptz,zptz)，ptz摄像机画面的高度为h，宽度为w，单位为像素，

所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角与所述ptz摄像机画面中任意点坐标之间的转换关系之间的转换关系为：

其中，θ'为所述ptz摄像机当前垂直高度角，为所述ptz摄像机当前水平方位角，f为所述ptz摄像机机芯当前焦距，为所述ptz摄像机当前的放大倍数和机芯最小焦距的乘积，单位为毫米。

第二方面，本发明提出一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换系统，包括：

地面坐标获取模块，用于获取目标位置的地面坐标；

ptz摄像机坐标确定模块，用于根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角

画面坐标确定模块，用于根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标。

第三方面，本发明提出一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有至少一段程序，所述程序由所述处理器执行以实现如第一方面所述的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

第四方面，本发明提出一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一段程序，所述至少一段程序由所述处理器执行以实现如第一方面所述的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明首先获取目标位置的地面坐标；根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标，这样能够实现目标位置在ptz摄像机画面中的自动标注，效率高且准确可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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所示为本发明的一种地面坐标与ptz摄像机的坐标转换方法流程图；

图2为本发明中一种第一坐标转换机制的建立方法流程图；

图3为本发明中一种ptz摄像机坐标系的示意图；

图4为本发明一种坐标转换关系中转换参数的确定方法流程图；

图5所示为本发明一种以摄像机垂直向下时的光心方向为z轴建立三维直角坐标系的示意图；

图6中所示为本发明中一种当球机在其画面中心对准所述目标位置时的示意图；

图7所示为本发明示出的一种当球机坐标变化时对目标位置在球机画面中的坐标进行自动标注的示意图；

图8所示为本发明示出的另一种当球机坐标变化时对目标位置在球机画面中的坐标进行自动标注的示意图；

图9所示为本发明公布的一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换系统示意图；

图10示出了本发明实施例所涉及的一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方案作进一步地详细描述。

需要说明的是，本发明所提出的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法的适用场景广泛。在现今的安防领域中，在一种可能的实际操作中，对于城市或重点小区中的某些重点关注目标，我们往往需要实时跟踪这些目标位置的情况，并在摄像机画面中进行准确标注，以使得通过监控摄像机能够观察到目标位置，以有效保证这些安防区域的安全情况。

如图1所示为本发明的一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法流程图，示出了该方法的具体实施流程，包括：

在步骤101中，获取目标位置的地面坐标；

这里的目标位置是为当前感兴趣的对象，在一种可能的目标跟踪场景中，可以是部署在安防区的巡逻车队或警车。在一种可能的实现中，这些需要被跟踪的目标对象会主动上报自身的地面坐标，可选的，为目标对象的地面坐标，本发明中还可以采取其他可行的能够获取目标位置的地面的方式，在本发明中并不作限制。

在步骤102中，根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角

通过步骤101获取到目标位置的地面坐标后，可通过第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角需要说明的是，上述第一坐标转换机制应能够表示所述目标位置的地面坐标和ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角之间的转换关系，在一种可能的实现中，已知目标位置的地面坐标，根据第一坐标转换机制可以得到ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角在另一种可能的实现中，已知ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角根据该第一坐标转换机制也可以得到其画面中心对准所述目标位置的地面坐标。

需要说明的是，本申请的技术方案中的地面坐标，包括所有在地球表面所建立的地面坐标系，容易理解的是，这种地面坐标系均有一种假设前提，就是在一定距离范围内将地面看作一个平面，可选的，可以为gnss坐标，所述gnss坐标，可选的，包括gps坐标，在进行方案的具体描述时，下述内容将均以gps坐标进行说明，但并不以此限定gnss坐标为gps坐标，本领域技术人员应该能够理解包括其他gnss坐标的地面坐标也能作为本发明技术方案的可选实施条件。需要说明的是，对于在本发明方案中采用经纬度坐标来表示目标对象的gps坐标，如：(经度,纬度)。

另外，还需要说明的是，本申请的技术方案中的ptz摄像机，可选的，包括球机，即球型摄像机，在进行方案的具体描述时，下述内容将均以球机为例进行说明，但并不以此限。

如图2为本发明中一种第一坐标转换机制的建立方法流程图，示出了该方法的具体实施步骤，包括：

在步骤201中，建立地面坐标系以及ptz摄像机坐标系；

所述地面坐标系就是在一定距离范围内将地面看作一个平面所建立的坐标系，在一种可能的实现中，所述地面坐标系通过gnss坐标系建立，所述地面坐标为gnss坐标。

如图3为本发明中一种ptz摄像机坐标系的示意图，示出了本发明技术方案在具体实施过程中的一种参考坐标系，可选的，所述gnss坐标系为gps坐标系，所述gnss坐标为gps坐标，所述的gps坐标系的x和y轴分别代表地球表面gps坐标系统的经纬度坐标方向，所述gps坐标系的x和y轴建立所述摄像机坐标系的x和y轴，且所述摄像机坐标系的z轴垂直于所述x和y轴，所述摄像机为球机，图3中(x0,y0)为球机在地面投影点的gps坐标，需要说明的是，考虑到普通球机的可视距离只有1到3公里，因此在本发明技术方案中可以假设x，y轴为一个平面，同时，假设球机坐标系的z轴垂直于地面，那么便可以建立如图3所示的xyz三维坐标系，该坐标系为下述实施步骤提供了参考坐标系，是进行坐标转换的基础。

在步骤202中，确定所述目标位置的地面坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的坐标转换关系，所述坐标转换关系包含相关转换参数。

通过上述步骤201建立ptz摄像机坐标系后，基于该坐标系的描述，确定所述目标位置的地面坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的坐标转换关系，所述坐标转换关系包含相关转换参数。在本步骤的描述中，结合如图3的坐标系作为示例性描述说明。

基于上述步骤201建立的参考坐标系，坐标转换公式如下：

其中，(x0,y0)为球机安装位置的gps经纬度坐标，为已知条件，(x,y)为球机画面中心指向的地面经纬度坐标，是球机处于水平零位时与gps坐标x轴的固定偏移量(球机水平零位光轴与gps坐标x轴平行时的球机角度)，是球机画面中心指向(x,y)时球机与x轴的水平夹角，在上图中其中，如图2中对φ的进一步说明示意部分所示，ob为球机画面中心指向(x,y)时球机的中心轴，与oa的夹角为即球机的水平坐标(pan)，θ是球机指向(x,y)时的垂直夹角，h是指所述球机的安装高度。

从坐标转换公式(1)和(2)中可以看出，该坐标转换关系的转换参数包括所述球机的安装高度h和球机水平角度的固定偏移量可以理解的是，当所述球机的安装高度h和球机水平角度的固定偏移量已知时，所述目标位置的gps坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的转换关系便被确定。

在一种可能的实现中，如图4为本发明一种坐标转换关系中转换参数的确定方法流程图，示出了该方法的具体实施步骤，包括：

在下述步骤的描述中，结合如图3的坐标系作为示例性描述说明。

在步骤401中，在所述地面坐标系与所述ptz摄像机坐标系中进行标定，包括：将所述ptz摄像机定位到水平方位角的位置，随机选取至少两个不同的垂直高度角θ1和θ2，并得到对应的ptz摄像机画面中心指向地面上的两个点的地面坐标(x1,y1)和(x2,y2)；

在步骤402中，通过标定得到的θ1和θ2以及(x1,y1)和(x2,y2)确定上述坐标转换关系中的所述相关转换参数。

将球机旋转到水平方位角的位置，选取两个不同的高度球机垂直角θ1和θ2，并得到对应的球机中心指向地面上的两个点的坐标(x1,y1)，(x2,y2)，通过(1)和(2)式可以得到：

通过(3)和(4)式中可以得到：

由(5)式代入(3)式或(4)式，均可以得到此时球机的安装高度h的计算式，可选的，由(4)式可以得到：

然后，将(5)式代入(6)式便可以得到此时球机的安装高度h。

因此，在(x0,y0)、和h已知时，如(1)和(2)式揭示了所述目标位置的gps坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的相互转换关系。

需要说明的是，根据上述步骤201至202可以确定所述目标位置的地面坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的相互转换关系，即建立二者之间的坐标转换机制，上述(1)和(2)式只是以gps坐标为例进行说明，其他包括gnss坐标的地面坐标也是可以得到相应坐标转换关系的。

那么，容易理解的是，通过本发明所建立的所述第一坐标转换机制还能实现将ptz摄像机在其画面中心对准目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置的地面坐标。

在一种可能的实际操作中，已知ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角通过步骤201和步骤202所建立的第一坐标转换机制，可以获取所述目标位置的地面坐标，可选的，可以为gps坐标。

在步骤103中，根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标。

如图5所示为本发明一种以摄像机垂直向下时的光心方向为z轴建立三维直角坐标系的示意图，图中，ptz摄像机画面为与单位ptz摄像机球面相切的平面，可记为puv平面，所述平面与ptz摄像机单位球面切点在球机机芯光轴与所述单位ptz摄像机球面的交点，记为p点，ptz摄像机画面中任意点的坐标记为(sx，sy)，所述任意点在所述三维直角坐标系中的坐标记为(xptz,yptz,zptz)，ptz摄像机画面的高度为h，宽度为w，单位为像素，

所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角与所述ptz摄像机画面中任意点坐标之间的转换关系之间的转换关系为：

而由图5所示的几何变换关系，可知：

(8)式中：px表示向量op在x方向的单位长度，等于py表示向量op在y方向的单位长度，等于pz表示向量op在z方向的单位长度，等于cosθ；xu表示向量pu在x方向的单位长度，等于yu表示向量pu在y方向的单位长度，等于zu表示向量pu在z方向的单位长度，等于0；xv表示向量pv在x方向的单位长度，等于yv表示向量pv在y方向的单位长度，等于zv表示向量pv在z方向的单位长度，等于sinθ，f为所述ptz摄像机机芯当前焦距，为所述ptz摄像机当前的放大倍数和机芯最小焦距的乘积，单位为毫米。那么，进一步地，可以得到：

需要说明的是，通过(7)至(9)式，能够实现所述ptz摄像机的当前坐标和ptz摄像机画面中的任意坐标之间的相互转换。

由上述描述可知，当通过步骤101获取到目标位置的地面坐标后，通过步骤102得到与该目标位置对应的ptz摄像机坐标，当摄像机转到任意其他位置时，通过将(9)式代入到(7)式中，便可以求解出此时与目标位置的地面坐标对应的摄像机画面坐标(sx，sy)，进而完成对该地面坐标在摄像机画面中进行标注的工作。

本发明还公开一种将所提出的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法进行实际应用的具体实施过程，包括：

第一步：获取目标位置的地面坐标；

通过gps仪表读出目标位置的gps坐标为(118.0461140321，24.6128424820)。

第二步，根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角

通过图2所对应的实施例步骤中得到的第一坐标转换机制公式(1)式和(2)式，计算得到对应的球机坐标为(水平方位角-0.810444，垂直高度角-0.725556)，需要说明的是，这里将球机水平方位角(范围为0～360度)映射到了(-1，1)区间，将垂直高度角(范围为0～90度)映射到了(-1，1)区间，以水平方位角为例，其映射公式为：水平方位角(范围为-1～1)＝-1+1/180*水平方位角(范围为0～360度)，类似地，球机垂直高度角也可以按照相应的映射规律进行转换，下述球机坐标均采用映射后的表达形式，更加符合实际场景。如图6中所示为本发明中一种当球机在其画面中心对准所述目标位置时的示意图，其中，图6中所述目标位置通过“x”符号601来进行标记。

第三步：根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标。

球机的当前坐标可以通过球机私有协议来获取，也可以通过onvif协议来获取，本发明技术方案并不作限制。这里获取到球机当前坐标为(-0.834667，-0.705556)。

通过上述步骤103中的第二坐标转换机制中的(7)式至(9)式以及球机当前坐标为(-0.834667，-0.705556)，能够计算得到给出的球机坐标对应的球机画面坐标为(432，156)，其中本实施例中的球机整个画面大小为704*576。如图7所示为本发明示出的一种当球机坐标变化时对目标位置在球机画面中的坐标进行自动标注的示意图，其中标记701为图6中所示的目标位置在球机画面中进行自动标注的坐标点。对比图6和图7可以看出，对于给定的gps坐标(118.0461140321，24.6128424820)，当球机移动时，也就是当前球机坐标发生变化时，通过本发明技术方案转换计算出来的球机画面坐标与真实的地理位置始终一致，说明采用本发明技术方案进行球机画面坐标自动标注的准确性。

如图8所示为本发明示出的另一种当球机坐标变化时对目标位置在球机画面中的坐标进行自动标注的示意图，其中标记801为所述目标位置在球机画面中进行自动标注的坐标点。当球机再次转动到处于相对于图6和图7的一个新的坐标位置时，通过上述步骤103中的第二坐标转换机制中的(7)式至(9)式，此时的目标位置的gps坐标仍然为(118.0461140321，24.6128424820)，对应的球机画面坐标为(512，320)，从图8画面中可以看出，自动标注出的画面坐标与gps坐标所对应的地理位置仍然保持一致，再一次说明采用本发明技术方案进行球机画面坐标自动标注的准确性。

本实施例首先获取目标位置的地面坐标；根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标，这样能够实现目标位置在ptz摄像机画面中的自动标注，效率高且准确可靠。

本发明还公布一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换系统，如图9所示为本发明公布的一种地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换系统示意图，包括：

在模块901中，地面坐标获取模块，用于获取目标位置的地面坐标；

在模块902中，ptz摄像机坐标确定模块，用于根据第一坐标转换机制将所述目标位置的地面坐标转换为ptz摄像机在其画面中心对准所述目标位置时的垂直高度角θ和水平方位角

在模块903中，画面坐标确定模块，用于根据第二坐标转换机制以及ptz摄像机的当前垂直高度角θ'和水平方位角将所述垂直高度角θ和水平方位角转换为所述目标位置在所述ptz摄像机画面中的坐标。

进一步地，所述坐标转换模块，包括：

坐标系建立模块，用于建立ptz摄像机坐标系；

坐标转换确定模块，用于确定所述目标位置的gnss坐标与所述ptz摄像机的垂直高度角θ和水平方位角之间的坐标转换关系，所述坐标转换关系包含相关转换参数，其中，所述相关转换参数通过下述子模块确定：

标定子模块，用于在所述ptz摄像机坐标系中进行标定，包括：将所述ptz摄像机定位到水平方位角的位置，随机选取至少两个不同的垂直高度角θ1和θ2，并得到对应的ptz摄像机画面中心指向地面上的两个点的坐标(x1,y1)和(x2,y2)；

参数确定子模块，用于将上述通过标定模块得到的θ1和θ2以及(x1,y1)和(x2,y2)确定上述坐标转换关系中的所述相关转换参数。

图10示出了本发明实施例所涉及的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换装置的结构示意图，该装置主要包括处理器1001、存储器1002和总线1003，所述存储器存储有至少一段程序，所述程序由所述处理器执行以实现如上述实施例所述的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

处理器1001包括一个或一个以上处理核心，处理器1001通过总线1003与存储器1002相连，存储器10用于存储程序指令，处理器1001执行存储器1002中的程序指令时实现上述方法实施例提供的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

可选的，存储器1002可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随时存取存储器(sram)，电可擦除可编程只读存储器(eeprom)，可擦除可编程只读存储器(eprom)，可编程只读存储器(prom)，只读存储器(rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由所述处理器加载并执行以实现上述方法实施例提供的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

可选的，本发明还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述各方面所述的地面坐标与ptz摄像机的画面坐标转换方法。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储与一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。