一种利用GNSS坐标纠正PTZ摄像机姿态的方法与流程

本发明属于视频安防监控领域，具体涉及一种利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法。

背景技术：

可变焦云台摄像机(简称ptz摄像机)是一种可通过转动云台或变焦达到对不同方位进行监控的摄像机。它有自己的坐标系，可感知自身的位置状态，但无法感知真实的地理方向。在实际应用场景中，多数用户都希望摄像机能感知真实地理的方位及位置。通常采用以下几种方式感知摄像机当前的方位、位置及纠正摄像机光心与摄像机旋转轴不一致问题：

(1)磁传感器。可以通过感应地磁，从而感知摄像机当前朝向与真实地理北极关系。

(2)gps传感器。通过gps传感器感知摄像机当前的位置、海拔信息，不同的传感器有不同误差。

(3)图像标定。图像标定解决由于ptz摄像机旋转轴与光心不重合的问题，通过图像标定，可以得到各转轴的偏离信息。

现有技术方案是ptz摄像机集成磁传感器、gps传感器及水平或垂直转轴位置感应传感器感知当前摄像机朝向与真实地理北极关系、当前gps位置信息、自身水平方位角。通过图像标定的方法，可以计算出摄像机光心与水平转轴及垂直转轴的偏差。现有技术方案是摄像机通过磁传感器感知与真实地理北极的朝向关系。但磁传感器受环境影响较大，周边有较强的电磁环境下精度得不到保障，且磁极与真实的北极也是存在偏差的，导致摄像机朝向与真实地理北极的方位角与真实的方位角有偏差。装有gps传感器的摄像机可以感知gps位置信息，但周围如果有高楼或其他阻挡板遮挡会影响gps传感器的精度，有些摄像机为了节约成本没有安装gps传感器。这样的话摄像机本身的gps信息是不准确的。通过图像标定的方法可以计算摄像机光心与转轴的偏差参数，但图像标定方法无法感知与真实地理北极的方位关系。摄像机在现实场景中的应用是需要知道与真实地理北极的关系的，这些方案都不能满足摄像机感知真实地理北极的关系的需求，以至于某些场景应用受限制。

技术实现要素：

针对上述的不足，本发明提供一种利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法，可以解决摄像机朝向与真实地理北极方位有偏差、gps采集有偏差、摄像机姿态不正问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法，所述的方法包含如下步骤：

第一步，摄像机安装固定后，获取摄像机所在的位置坐标a0，该坐标a0在垂向地心与地平面的交点处为a(aj,aw,0)；

第二步，选点，在摄像机可视范围内均匀选点，在理想情况下，不与a点重合选取任意n个校准点b(bj,bw,bh)，第i个校准点记为该校准点对应的水平角为pi、俯仰角为ti，其中i＝1,2…n；

第三步，计算经度校正值ej、纬度校正ew、水平角校正值ep；

第四步，计算海拔校正值eh、垂向ey、垂度epn以及俯仰角校正值et；

第五步，基于经度校正值ej、纬度校正值ew、海拔校正值eh计算得到摄像机的实际位置a′(a′j,a′w,a′h)；

进一步地，在第三步中，所述计算经度校正值ej、纬度校正值ew、水平角校正值ep，具体包括：

采用逐步查找法在ej、ew、ep的范围内找到使在下列算式中α取得最小的ej、ew、ep：

α＝(∠nab1-p1-ep)²+(∠nab2-p2-ep)²+…+(∠nabn-pn-ep)²(4)

其中，c为中间变量，∠nabi为abi与an的夹角称为abi的方位角，n为地理北极点位置，∠nbia为abi与bin的夹角。

进一步地，在第四步中，所述计算海拔校正值eh、垂向ey、垂度epn，俯仰角校正值et，具体包括：

采用逐步查找法在eh、ey、epn、et的范围内找到使在下列算式中β取得最小的eh、ey、epn、et：

β＝(t1-ttmp1-et)²+(t2-ttmp2-et)²+…+(tn-ttmpn-et)²(7)

其中ttmpi为中间变量。

进一步地，在第五步中，所述基于经度校正值ej、纬度校正值ew、海拔校正值eh计算得到摄像机的实际位置a′(a′j,a′w,a′h)，具体包括：将坐标a0中的经度、纬度、高度坐标值分别加上ej、ew、eh得到实际位置a′(a′j,a′w,a′h)。

优选的，n>3且n<20。

优选的，所述的方法既可用于ptz摄像机，也可以用于无gps传感器模块的非ptz摄像机。

优选的，所述ej的步长为0.00001，查找次数kej＝200；ew步长为0.00001，查找次数kew＝200；ep的步长为0.1，查找次数kep＝3600。

优选的，所述eh的步长为0.1米，查找次数keh＝400；ey步长为0.1，查找次数key＝3600；epn的步长为0.1，查找次数kepn＝100；et的步长为0.1，查找次数ket＝300。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法的步骤。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述程序时实现利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法的步骤。

本发明提供了一种利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法，可以让摄像机坐标系与真实地理坐标系相关连起来，提升了摄像机的应用价值及开拓了业内的应用场景。本发明的关键点在于：

1.利用gps坐标校正摄像机自身姿态(垂向、垂度、水平角0度与正北关系、俯仰角0度与地平面关系)、位置(经纬度、高度)的方法。

2.计算ptz摄像机坐标系与真实地理之间的关系及自身姿态系数过程与技术。

3.使用7个量(ej、ew、ep、eh、ey、epn、et)表示摄像机坐标系与大地坐标系关联。

与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：

1.摄像机系的水平角与大地坐标系的正北关联起来，校正摄像机自身的经纬度、高度和偏移的姿态信息。可用于ptz摄像机或固定枪机，提升业务应用水平；

2.选取校准点方便，可用专用gps工具现场选点或卫星地图选点，方便操作。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明；

图1是本发明的大地坐标系示意图和摄像机坐标系示意图；

图2是本发明查找最优ej、ew、ep的算法流程示意图；

图3是本发明查找最优eh、ey、epn、et的算法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。

为了解决ptz摄像机朝向与真实地理北极方位有偏差、gps采集有偏差、摄像机姿态不正问题，本发明提供一种利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法，可以解决ptz摄像机朝向与真实地理北极方位有偏差、gps采集有偏差、摄像机姿态不正问题。利用该方法可以计算出ptz摄像机坐标系与真实地理之间的关系、自身姿态系数，解决ptz摄像机应用的短板。

设计方案如下：

思路：假定地理北极点位置为n，摄像机所在位置为a′(a′j,a′w,a′h)，a′点在垂向地心与地平面的交点处为位置a(aj,aw,0)，在理想情况下，不与a点重合选取任意一点b(bj,bw,bh)，ab与an的夹角∠nab称为ab的方位角。对于摄像机坐标系，p为b点在摄像机坐标系中的水平角。由于摄像机坐标系受自身传感器和安装位置影响，水平角的起始0点位置相对于北极点是不确定的。因此∠nba与p相差一个固定值ep，ep称为水平角校正值。当摄像机安装固定后，ep为定值。如图1为大地坐标系示意图和摄像机坐标系示意图。

第一步，摄像机安装固定后，由于摄像机gps传感器精度问题或没有gps传感器而手动输入引起与a′实际位置存在经度、纬度、高度的偏差，需要分别加上ej(经度校正值)、ew(纬度校正值)、eh(海拔校正值)才是a′的实际坐标。摄像机由于机芯安装不正导致光心方向与摄像机垂直方向转轴不垂直和安装时导致或表现出的垂直方向与地心不平行，即摄像机设备向哪个方向倾斜了，倾斜了多少角度，本提案分别称为垂向(ey)、垂度(epn)。摄像机设备由于出厂时垂直方向的传感器安装原因，传感器0度时并不是真正的垂直0度，刚好与实际值相差个固定值，这个固定值差值称为俯仰角校正值et。

第二步，选点。在地图或用专用gps测量工具，在摄像机可视范围内均匀选点，选点数一般为5个，可变，点数越多，计算的精度越高，但计算时间越久，选点的复杂度增加。设本提案选取n(n>3且n<20)个校准点,选取的点分别为bn，在摄像机视频中依次找到选的点位，记录对应的水平角pn、俯仰角tn，pn、tn由摄像机传感器反馈，为已知量。校准点的经度ojn，纬度own，高度ohn，其中高度是相对于摄像机设备所在地平面，上正下负。

第三步，计算经度校正值、纬度校正值、水平角校正值，假设经度校正值ej、纬度校正值ew的在±0.001之间，水平角校正值ep在±180，采用逐步查找查在ej、ew、ep的范围内找到，ej的步长为0.00001，查找次数kej＝200；ew步长为0.00001，查找次数kew＝200；ep的步长为0.1，查找次数kep＝3600。步长可以变，越细精度越高，查找的时间越长。在ej、ew、ep的范围内查找ejk、ewj、epl(0<k<200,0<j<200,0<l<3600)使得在下列算式中α取得最小。

α＝(∠nab1-p1-epl)²+(∠nab2-p2-epl)²+…+(∠nabn-pn-epl2(4)

其中c为中间变量，算法流程图如图2示。

第四步，计算海拔校正值、垂向、垂度，俯仰角校正值。假设海拔校正值eh在±20米、垂度epn在10度内，垂向ey在0～360度，俯仰角校正值et的在±15度之间，采用逐步查找查在eh、ey、epn、et的范围内找到，eh的步长为0.1米，查找次数keh＝400；ey步长为0.1，查找次数key＝3600；epn的步长为0.1，查找次数kepn＝100；et的步长为0.1，查找次数ket＝300。步长可变，步长越细精度越高，但查找的时间越长。在eh、ey、epn、et的范围内查找ehk、eyj、epnl、ett(0<k<400,0<j<3600,0<l<100,0<t<300)使得在下列算式中β取得最小。

β＝(t1-ttmp1-ett)²+(t2-ttmp2-ett)²+…+(tn-ttmpn-ett)²(7)

其中ttmpn为中间变量，且n≥3，算法流程图如图3示。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法的步骤。

本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中所述处理器执行所述程序时实现云利用gnss坐标纠正ptz摄像机姿态的方法的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，同样属于本发明的保护范围之内。