一种视频监控的定位方法及视频监控系统与流程

本申请涉及视频技术领域，特别是涉及一种视频监控的定位方法及视频监控系统。

背景技术：

在指挥调度的视频控制画面中，有一种视频标签效果，可以标记视频中的位置，并且可以随着摄像机的旋转而移动。在高空球机产生的视频流中加入视频标签，如果球机进行旋转或者倍率放大缩小，视频标签也需要跟随球机的变化进行相应计算而移动。

本申请的发明人在长期的研发过程中发现，相关技术中，利用球面极坐标原理实时计算出目标物体在屏幕中的位置，即将真实的点映射到以摄像机为圆心的球面极坐标系上，进行2d-3d转换，当摄像机旋转、变焦后，再由球面极坐标转换成2d屏幕坐标，在屏幕上显示。此方法只能计算手动在屏幕上添加的视频标签的计算，具有一定的局限性。

技术实现要素：

本申请主要解决的技术问题是提供一种视频监控的定位方法及视频监控系统，能够实时跟踪被摄目标在显示屏中的位置。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种视频监控的定位方法，应用于视频监控系统，视频监控系统包括摄像机，摄像机用于拍摄被摄目标，该方法包括：获取被摄目标的三维坐标；根据三维坐标，计算得到被摄目标在世界坐标系中的世界坐标；获取世界坐标系与相机坐标系的第一转换关系，根据世界坐标和第一转换关系计算得到被摄目标的相机坐标；获取相机坐标系和图像坐标系的第二转换关系，根据相机坐标和第二转换关系计算得到被摄目标的图像坐标；获取相机坐标系和像素坐标系的第三转换关系，根据图像坐标和第三转换关系计算得到被摄目标的像素坐标。

进一步地，根据三维坐标，计算得到被摄目标在世界坐标系中的世界坐标的步骤包括：将摄像机和被摄目标的高度差设置为预设值，三维坐标包括水平偏移角和垂直偏移角,并根据水平偏移角和垂直偏移角计算得到世界坐标，世界坐标满足以下公式：

z＝-1

zw＝-1，

其中，高度差为1，α为水平偏移角、β为垂直偏移角(xw，yw，zw)为世界坐标。

进一步地，第一转换关系满足以下公式：

其中，(xc，yc，zc)为相机坐标，(xw，yw，zw)为世界坐标，

θ＝270°-β，ω＝90°-α。

进一步地，第二转换关系满足以下公式：

其中，fp和ft为摄像机的镜头焦距，(xi，yi)为图像坐标，(xc，yc，zc)为相机坐标。

进一步地，第三转换关系满足以下公式：

其中，(xi，yi)为图像坐标，(dx，dy)为像素坐标，width、height分别为摄像机的成像画面的宽和高。

进一步地，镜头焦距的计算公式为：和其中v为摄像机的水平视角、u为摄像机的垂直视场角，width、height分别为摄像机的成像画面的宽和高。

进一步地，获取被摄目标的三维坐标的步骤包括:

根据摄像机的经纬度、被摄目标的经纬度以及摄像机与被摄目标的高度差，计算得到三维坐标；三维坐标包括水平偏移角和垂直偏移角；水平偏移角和垂直偏移角满足以下公式：

β＝arctan(dist/h),

ρ＝arccos(cos(90-bw)×cos(90-aw)+sin(90-bw)×sin(90-aw)×cos(bj-aj)),

其中，α为水平偏移角、β为垂直偏移角，(aj，aw)为摄像机的经度和纬度，(bj，bw)为被摄目标的经度和纬度，h为高度差，dist为被摄目标与摄像机之间的距离。

进一步地，被摄目标与摄像机之间的距离满足以下公式：

其中，dist为被摄目标与摄像机之间的距离，r为地球赤道半径。

进一步地，获取相机坐标系和像素坐标系的第三转换关系，根据图像坐标和第三转换关系计算得到被摄目标的像素坐标的步骤之后还包括：在像素坐标系中的像素坐标(dx，dy)处显示预设的标签。

进一步地，该方法还包括：以摄像机为原点建立世界坐标系和相机坐标系，基于摄像机的成像画面建立图像坐标系和像素坐标系。

进一步地，获取被摄目标的三维坐标的步骤包括：获取被摄目标的第一像素坐标；获取第一像素坐标系和第一图像坐标系之间的第四转换关系，根据第一像素坐标和第四转换关系，得到被摄目标第一图像坐标；获取第一图像坐标系和第一相机坐标系的第五转换关系，根据第一图像坐标和第五转换关系，得到被摄目标第一相机坐标；获取第一相机坐标系和第一世界坐标系的第六转换关系，根据第一相机坐标和第六转换关系，得到被摄目标第一世界坐标；根据第一世界坐标，得到被摄目标的三维坐标。

进一步地，第四转换关系满足以下公式：

xi1＝dx1-width/2

yi1＝dy1-height/2，

其中(dx1，dy1)为第一像素坐标，(xi1，yi1)为第一图像坐标，width、height分别为摄像机的成像画面的宽和高。

进一步地，第五转换关系满足以下公式：

其中，(xc1，yc1，zc1)为第一相机坐标，fp1和ft1为摄像机的镜头焦距。

进一步地，第六转换关系满足以下公式：

其中，(xw1，yw1，zw1)为第一世界坐标，

φ1＝90°+β，ψ1＝270°+α，(α、β)为被摄目标的三维坐标。

进一步地，根据第一世界坐标，得到被摄目标的三维坐标的步骤包括：

被摄目标的三维坐标满足以下公式：α＝arctan(yw1/xw1)和

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种视频监控系统，该视频系统包括摄像机、显示装置以及处理器，摄像机用于拍摄被摄目标，显示装置用于显示摄像机拍摄的被摄目标的图像，处理器用于实现如上述任一实施例的方法。

本申请实施例的有益效果是：本申请视频监控的定位方法，应用于视频监控系统，该方法通过获取被摄目标的三维坐标，根据三维坐标计算出被摄目标的世界坐标，根据被摄目标的世界坐标计算得到其相机坐标，根据被摄目标的相机坐标计算得到其图像坐标，最后再根据被摄目标的图像坐标计算得到其像素坐标。计算出了被摄目标的像素坐标即得到了被摄目标在显示屏中的位置。通过此种方式不仅可以计算出固定目标在显示屏中的实时位置，还可计算出移动目标在显示屏中的实时位置，且定位精度较高，应用范围较广。

附图说明

图1是本申请视频监控的定位方法一实施方式的流程示意图；

图2是图1的s11中世界坐标系的坐标图；

图3是图1的s13中相机坐标系的坐标图；

图4是图1的s13中世界坐标系的旋转坐标图；

图5是图1的s14中图像坐标系的坐标图；

图6是图1的s15中像素坐标系的坐标图；

图7是图1中s11的另一实施例的流程示意图；

图8是本申请视频监控系统一实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

为了能够实时跟踪被摄目标在屏幕显示画面中位置，本申请提供了一种视频监控的定位方法，该方法计算过程较简单，且定位精度较高。本申请提供的方法可应用于视频监控系统，该视频监控系统包括有摄像机，摄像机用于拍摄被摄目标。当需要在视频画面中添加标签时，也可通过该计算方法，让添加的标签跟随被摄目标进行移动。

请参阅图1，图1是本申请视频监控的定位方法一实施方式的流程示意图，该方法具体包括：

s11：获取被摄目标的三维坐标。

获取被摄目标的三维坐标，该被摄目标可以为需要添加标签的跟踪对象。且被摄目标可以为移动的目标，比如马路上的小车，行走的人等，还可以为在显示屏幕上的固定目标，比如一栋大楼，一条马路等。

选定被摄目标后，首先建立世界坐标系。如图2所示，本实施例中，世界坐标系以摄像机所在的位置为原点ow，zw轴垂直水平面向上，xw轴为水平正北方向，yw轴为水平正西方向。在其他实施例中，世界坐标系还可选择本领域技术人员容易理解的其他方向。

在一个具体的实施例中，被摄目标的三维坐标包括水平偏移角α和垂直偏移角β，水平偏移角α为被摄目标和摄像机的连线与正北方向的夹角，垂直偏移角β为被摄目标和摄像机的连线与地面的夹角。

本实施例中，可根据被摄目标的gps信息得到被摄目标的三维坐标。具体地可根据摄像机的经纬度、被摄目标的经纬度以及摄像机与被摄目标的高度差，计算得到被摄目标的三维坐标(α，β)。

被摄目标的三维坐标满足以下公式：

β＝arctan(dist/h),

ρ＝arccos(cos(90-bw)×cos(90-aw)+sin(90-bw)×sin(90-aw)×cos(bj-aj)),

其中，(aj，aw)为摄像机的经度和纬度，(bj，bw)为被摄目标的经度和纬度，h为摄像机与被摄目标的高度差，dist为被摄目标与摄像机之间的距离。在一个具体的实施例中，被摄目标与摄像机之间的距离dist满足以下公式：

本实施例中的摄像机的经纬度信息和被摄目标的经纬度信息可以从对应的gps系统中获得，比如可以从移动终端、对讲机、汽车等各种gps数据源中获取到。

s12：根据三维坐标，计算得到被摄目标在世界坐标系中的世界坐标。

获取到被摄目标的三维坐标后，可根据三维坐标计算得到被摄目标的世界坐标。由于在具体计算被摄目标的世界坐标时，只需知道坐标间的比例即可，而不需要知道精确的坐标值。因此，计算时可将被摄目标与摄像机的高度差设置为预设值，比如可直接投设为1，然后再根据水平偏移角和垂直偏移角计算得到被摄目标的世界坐标，在一个具体的实施例中，世界坐标满足以下公式：

zw＝-1

其中，被摄目标与摄像机的高度差为1，(xw，yw，zw)被摄目标在世界坐标系中的世界坐标。

s13：获取世界坐标系与相机坐标系的第一转换关系，根据世界坐标和第一转换关系计算得到被摄目标的相机坐标。

获取到被摄目标的世界坐标后，可根据世界坐标系和相机坐标系的第一转换关系计算得到被摄目标对应的相机坐标。具体地，本实施例中，建立相机坐标系，如图3所示，相机坐标系以摄像机为原点oc，摄像机的主光轴方向为zc轴，yc轴为平面zwoczc(过zw和zc的平面)与过原点且垂直zc的平面的交线，yc轴的方向与zw成锐角，再采用左手定则确定xc轴的方向。在其他实施例中，相机坐标系还可选择本领域技术人员容易理解的其他方向。

从世界坐标系变换到相机坐标系属于刚体变换：即被摄目标不会发生形变，只需要进行旋转和平移。而世界坐标系与相机坐标系的原点相同，所以只进行旋转即可。由图3中的几何关系可知，xc在xwowyw平面中。因此，将世界坐标系旋转两次即可与相机坐标系重合：第一步，将世界坐标系绕zw轴逆时针旋转ω，使xw与xc重合，记此时的坐标系为(xw0，yw0，zw0)；第二步，将坐标系(xw0，yw0，zw0)绕xw逆时针旋转θ，使zw与zc重合，这时yw与yc也自动重合，旋转完成，旋转效果如图4所示。

在一个具体的实施例中，世界坐标系与相机坐标系的第一转换关系满足以下公式：

θ＝270°-β，ω＝90°-α，

其中，(xc，yc，zc)为被摄目标在相机坐标系中的相机坐标。

将获取到世界坐标代入到上述公式即可获得被摄目标在相机坐标系中的相机坐标。

s14：获取相机坐标系和图像坐标系的第二转换关系，根据相机坐标和第二转换关系计算得到被摄目标的图像坐标。

获取到被摄目标的相机坐标后，可根据相机坐标系与图像坐标系的第二转换关系计算得到被摄目标的图像坐标。在一个具体的实施例中，建立图像坐标系，图像坐标系基于摄像机的成像画面，以成像画面中心为原点oi，xi轴水平向右，yi轴垂直向下，如图5所示。在其他实施例中，图像坐标系还可选择本领域技术人员容易理解的其他方向。

由相机成像原理可以推导出相机坐标与图像坐标的比例关系，相机坐标系和图像坐标系的第二转换关系满足以下公式：

其中，fp和ft为摄像机的镜头焦距，(xi，yi)为图像坐标。

镜头焦距fp和ft满足以下公式：和其中v为摄像机的水平视场角、u为摄像机的垂直视场角。其中，摄像机的水平视场角v和垂直视场角u可通过在摄像机的相关参数中查表获得。

s15：获取图像坐标系和像素坐标系的第三转换关系，根据图像坐标和第三转换关系计算得到被摄目标的像素坐标。

获取到被摄目标的图像坐标后，根据图像坐标系和像素坐标系的第三转换关系计算得到被摄目标的像素坐标。具体地，建立像素坐标系，像素坐标系基于摄像机的成像画面。本实施例中，如图6所示，像素坐标系以成像画面左上角原点o，dx轴水平向右，dy轴垂直向下。在其他实施例中，像素坐标系还可选择本领域技术人员容易理解的其他方向。图像坐标系和像素坐标系的第三转换关系满足以下公式：

其中，(dx，dy)为被摄目标在像素坐标系中的像素坐标，width、height分别为摄像机成像画面的宽和高。

将获取到的图像坐标代入到上述第三转换关系的公式即可得到被摄目标的像素坐标。

区别于现有技术的情况，上述实施例可通过gps信息得出被摄目标的像素坐标，实现了被摄目标在显示屏幕上的实时定位，且定位较为准确，即本申请不仅可以计算出固定目标在显示屏中的实时位置，还可以很简单、准确地对移动目标进行实时跟踪，具有较强的实用性。当需要在被摄目标上设置标签时，则可在对应的像素坐标上显示预设的标签，能够使添加的预设的标签跟随被摄目标移动。

本申请还提供了一种视频监控的定位方法，区别于上一实施例，如图7所示，本实施例中获取被摄目标的三维坐标的步骤包括：

s111：获取被摄目标的第一像素坐标。

建立第一像素坐标系，其中第一像素坐标系可以和上述实施例中的像素坐标系相同。第一像素坐标系也基于摄像机的成像画面建立，以成像画面左上角为原点，dx1轴水平向右，dy1轴垂直向下。

当在显示屏幕上选取某被摄目标或者手动添加标签时，此时已知被摄目标的第一像素坐标，根据第一像素坐标也可以反向推导出被摄目标相对摄像机的水平偏移角α和垂直偏移角β，(α,β)即为被摄目标的三维坐标。

s112：获取第一像素坐标系和第一图像坐标系之间的第四转换关系，根据第一像素坐标和第四转换关系，得到被摄目标第一图像坐标。

建立第一图像坐标系，第一图像坐标系可与上述实施例中的图像坐标系相同。第一图像坐标系基于摄像机的成像画面，具体可参阅图5中图像坐标系的建立，在此不再赘述。

获取到第一像素坐标系和第一图像坐标系之间的第四转换关系，然后再根据第一像素坐标和获取到的第四转换关系，得到被摄目标的第一图像坐标。

第一像素坐标系和第一图像坐标系第四转换关系满足以下公式：

xi1＝dx1-width/2，

yi1＝dy1-height/2，

其中(dx1，dy1)为第一像素坐标，(xi1，yi1)为第一图像坐标，width、height分别为摄像机的成像画面的宽和高。

s113：获取第一图像坐标系和第一相机坐标系的第五转换关系，根据第一图像坐标和第五转换关系，得到被摄目标第一相机坐标。

建立第一相机坐标系，第一相机坐标系可与上述实施例中的相机坐标系相同，具体可参与图3中的相机坐标系的建立，在此不再赘述。由于从第一相机坐标系到第一图像坐标系属于透视投影，而透视投影是一种多对一的关系，所以在将第一图像坐标(xi1，yi1)转换为第一相机坐标(xc1，yc1，zc1)时无法确定相机坐标zc1。但本实施例所要计算的是被摄目标的水平偏移角α和垂直偏移角β，即各个坐标间的比例关系。因此，在计算第一相机坐标xc1，yc1时，可将zc1设为第一预设的值，比如可将zc1直接设为1。

获取到第一图像坐标系与第一相机的第五转换关系后，根据该第五转换关系和第一图像坐标，计算得到被摄目标的第一相机坐标。第五转换关系满足以下公式：

其中，(xc1，yc1，zc1)为被摄目标在第一相机坐标系中的第一相机坐标，fp1和ft1为摄像机对应的镜头焦距。

s114：获取第一相机坐标系和第一世界坐标系的第六转换关系，根据第一相机坐标和第六转换关系，得到被摄目标第一世界坐标。

建立第一世界坐标系，第一世界坐标系的建立可参阅图2中的世界坐标系的建立。将第一相机坐标(xc1，yc1，zc1)转换为第一世界坐标(xw1，yw1，zw1)也可通过坐标系的旋转来实现，第一步，将第一相机坐标系绕xc1逆时针旋转ψ1，使zc1与zw1重合；第二步，将相机坐标系绕zc1逆时针旋转φ1，使xc1与xw1重合，这时yc1与yw1也自动重合，旋转完成。

获取到第一相机坐标系和第一世界坐标系的第六转换关系，根据所第一相机坐标和所获得的第六转换关系，得到被摄目标第一世界坐标，第六转换关系满足以下公式：

其中，(xw1，yw1，zw1)为被摄目标在第一世界坐标系中的第一世界坐标，φ1＝90°+β，ψ1＝270°+α，(α、β)为被摄目标的三维坐标。

s115：根据第一世界坐标，得到被摄目标的三维坐标。

获取到被摄目标的第一世界坐标(xw1，yw1，zw1)后，根据该第一世界坐标(xw1，yw1，zw1)，得到被摄目标的三维坐标，该三维坐标满足以下公式：

α＝arctan(yw1/xw1)

本实施例中，可以通过显示屏幕上某被摄目标的像素坐标，推导出该点对应的三维坐标，当摄像机转动时可根据此三维坐标计算出其在成像画面中的新的像素坐标。通过此种方式，当在屏幕上手动添加标签时，添加的标签可跟随被摄目标移动，且定位精度较高。因此，本申请提供的定位方法，计算过程简单，定位精度高，具有较广的应用范围。

请参阅图8，图8是本申请提供的视频监控系统一实施方式的结构示意图。本视频监控系统包括有包括摄像机81、显示装置82及处理器83。

摄像机81用于拍摄被摄目标，摄像机81包括高空球机、针孔摄像机等视频拍摄设备。

显示装置82与摄像机81建立连接，显示装置82用于显示摄像机81拍摄的被摄目标的图像。

处理器83用于实现上述任一实施例的视频监控的定位方法。该视频监控的定位方法具体请参阅上述实施例的附图及文字说明，在此不再赘述。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。