本發(fā)明涉及監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種全景360度空間還原高清智能球PTZ監(jiān)控方法。

背景技術(shù)：

魚眼全景監(jiān)控?cái)z像機(jī)稱得上是對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的改造與升級(jí)。一般的監(jiān)控探頭視場(chǎng)角度在60度—90度左右，如果監(jiān)控場(chǎng)所有大范圍的監(jiān)控需求，就不得不依賴多支攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控區(qū)域的覆蓋，這無疑會(huì)增加攝像頭成本與安裝成本，而且后端的顯示與存儲(chǔ)成本也會(huì)相應(yīng)的增加；即便是球機(jī)可以通過云臺(tái)實(shí)現(xiàn)360度全范圍監(jiān)控，但卻不能達(dá)到同時(shí)監(jiān)控360度的范圍，而且在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，多數(shù)球機(jī)都通過設(shè)置預(yù)置位對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)控，難以避免重要事件被“漏控”的情況出現(xiàn)。隨著視頻監(jiān)控盲點(diǎn)越發(fā)不被人們所忍受，市場(chǎng)對(duì)無盲點(diǎn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求也愈來愈烈。相比傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控探頭，全景攝像機(jī)可以填補(bǔ)特定監(jiān)控場(chǎng)所因視場(chǎng)角受限而需要跟換前端探頭的市場(chǎng)空缺，恰恰這個(gè)空缺也只有全景攝像機(jī)產(chǎn)品能勝任。全景攝像機(jī)的出現(xiàn)可在真正意義上消除監(jiān)控盲區(qū)，確保視頻的可靠性、完整性，對(duì)用戶乃至對(duì)社會(huì)而言意義非凡。

全景攝像機(jī)特殊的構(gòu)造造就其獨(dú)有的無盲區(qū)監(jiān)控，讓其在民用、商用、警用或是特殊領(lǐng)域中的應(yīng)用都十分適合。具體而言，全景攝像機(jī)的實(shí)際應(yīng)用需求一般可分為高分辨率監(jiān)控需求和標(biāo)準(zhǔn)分辨率監(jiān)控 需求。高分辨率的場(chǎng)所是指在那些容易發(fā)生搶劫、盜竊等安全事件的場(chǎng)合，如銀行、商場(chǎng)、超市等，這類場(chǎng)所需要高清晰的圖像畫質(zhì)，不僅需要將整個(gè)作案過程全景監(jiān)控錄像，更需要清晰的辨認(rèn)嫌疑人的面孔，對(duì)后期的刑偵調(diào)查提供便利。標(biāo)準(zhǔn)分辨率的監(jiān)控場(chǎng)所只要求監(jiān)控全范圍局勢(shì)，對(duì)視頻細(xì)節(jié)要求不高，如空曠的廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、大范圍的公共場(chǎng)所、交通路口、交通樞紐等。這類場(chǎng)所只需要有清晰的大范圍監(jiān)控畫面從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控調(diào)度即可，對(duì)視頻質(zhì)量要求并不高，而且也很難專為監(jiān)控?cái)z像機(jī)建立太多的支點(diǎn)，所以在制高點(diǎn)設(shè)置一臺(tái)全景攝像機(jī)完全可以滿足應(yīng)用需求。魚眼攝像機(jī)獲得的全方位圖像存在嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象，要有效的利用圖像信息進(jìn)行導(dǎo)航跟蹤，需恢復(fù)還原圖像，研究雙魚眼鏡頭的成像機(jī)理，魚眼鏡頭投影成像規(guī)律，進(jìn)而開發(fā)一種算法，使魚眼圖像得到實(shí)時(shí)、精確的恢復(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三維空間信息的重建復(fù)原。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種彌補(bǔ)了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，能夠?qū)⒊上裼蓤A型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場(chǎng)景信息的技術(shù)方案：

一種全景360度空間還原高清智能球PTZ監(jiān)控方法，涉及基于球面投影模型的魚眼鏡頭成像的復(fù)原與校正，該方法包括以下步驟：

(1)建立魚眼圖像的球面投影模型；

(2)建立3D球面投影模型的坐標(biāo)系；

(3)建立球面投影模型還原后坐標(biāo)系以及坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系；

(4)建立平面投射坐標(biāo)系與以及坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系。

作為優(yōu)選，全景360度空間還原高清智能球的結(jié)構(gòu)為：主要包括球形攝像體、魚眼鏡頭、成像裝置及PTZ控制裝置，魚眼鏡頭設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的為第一魚眼鏡頭、第二魚眼鏡頭，第一魚眼鏡頭與所述第二魚眼鏡頭鏡像對(duì)稱設(shè)置在球形攝像體上，球形攝像體頂部與PTZ控制裝置配合連接，第一魚眼鏡頭、第二魚眼鏡頭之間設(shè)有成像裝置，成像裝置連接外部監(jiān)視器；

第一魚眼鏡頭或第二魚眼鏡頭主要包括框架、第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及濾光片，從物方至像方依次設(shè)置第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、濾光片；

第一透鏡、第二透鏡的焦距均為負(fù)焦距，第三透鏡為雙凸透鏡，其焦距為正焦距，第一透鏡設(shè)置在魚眼鏡頭的最前端，第一透鏡為凸面透鏡，濾光片設(shè)置在魚眼鏡頭的最末端。

作為優(yōu)選，PTZ控制裝置包括外殼，外殼內(nèi)部設(shè)有縱向電機(jī)、水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)、主控電路及圖像處理設(shè)備，主控電路分別與縱向電機(jī)、水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)及圖像處理設(shè)備電連接，圖像處理設(shè)備與魚眼鏡頭相互導(dǎo)通，縱向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸垂直水平面向下設(shè)置，縱向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸頂端與水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸相互連接，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)外側(cè)固定設(shè)置在球形攝像體外殼上。

作為優(yōu)選，全景360度空間還原高清智能球還包括第四透鏡，第四透鏡為粘合透鏡，粘合透鏡分為第一鏡片和第二鏡片，第一鏡片的光焦度為0.3-0.5，第二鏡片的光焦度為-0.3—-0.2，所述第四透鏡 設(shè)置在沿光軸方向的第三透鏡與濾光片之間，所述第一鏡片與所述第二鏡片的粘合面傾斜角度為35°-45°。

作為優(yōu)選，步驟(1)主要為通過球面投影模型，把魚眼圖像上每個(gè)2D像平面點(diǎn)(x,y)映射到3D場(chǎng)景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點(diǎn)和對(duì)應(yīng)光線3D向量間關(guān)系，再將空間分成如正立體的六個(gè)成像面中的五個(gè)面，將(X,Y,Z)分別映射到五個(gè)面中的(x’，y’)，再將兩個(gè)攝像頭各自的五個(gè)面合成，可以組合成完全表達(dá)空間的六面成像。

作為優(yōu)選，步驟(2)主要為：P為空間中任意一點(diǎn)，連接單位球的圓心O與空間點(diǎn)P得到射線OP，射線OP映射到球面上，得到與球面的交點(diǎn)p，將p平行于Z軸投影到XOY平面上，得到魚眼圖像上的成像點(diǎn)m，空間中的點(diǎn)與魚眼圖像上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，其中投影球面可以表達(dá)為：x²+y²+z²＝R²。

作為優(yōu)選，步驟(3)主要為：p(x,y,z)是空間點(diǎn)P與球面交點(diǎn)，m(u,v)為p(x,y,z)的球面投影點(diǎn)，由于m與同P是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，他們之間的坐標(biāo)變換關(guān)系如下：

$\frac{x}{u}=\frac{y}{u}=\frac{z}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}=\frac{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}{R}$

根據(jù)上式可得：

$x=\frac{\mathrm{zu}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}},y=\frac{\mathrm{zv}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}$

通過以上公式可以從魚眼圖像點(diǎn)m(u,v)求得p(x,y,z)。從而還原空間點(diǎn)P的光路PO。

作為優(yōu)選，步驟(4)主要為：以XOZ平面作為投射面，OP與平面XOZ平面的交點(diǎn)n(x,z)是點(diǎn)P在XOZ平面的投射點(diǎn)，其中m(u,v)與n(x,z)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

$\frac{u}{n_x}=\frac{v}{L}$根據(jù)公式可得：$n_x=\frac{\mathrm{uL}}{v}$

$\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}{n_z}=\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{\sqrt{{n_x}^2+L^2}}$

根據(jù)上式可得：

$n_z=\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}\sqrt{{n_x}^2+L^2}}{\sqrt{u^2+v^2}}$

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明基于魚眼鏡頭的球面成像模型，彌補(bǔ)了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，可以還原側(cè)面任意方向的信息，將成像由圓型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場(chǎng)景信息。

(2)本發(fā)明采用雙魚眼鏡頭，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控探頭不能真正實(shí)現(xiàn)立體360度全景監(jiān)控，能夠同時(shí)連續(xù)監(jiān)控360度全景空間，一覽無遺，不會(huì)漏掉或錯(cuò)過突發(fā)事件，真正無盲點(diǎn)。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明球形攝像體正視圖。

圖3為本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明的3D球面投影模型。

圖5為本發(fā)明的平面投射圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

如圖1-3所示，一種全景360度空間還原高清智能球裝置，包括球形攝像體1、魚眼鏡頭2、成像裝置3及PTZ控制裝置5，魚眼鏡頭2設(shè)置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的為第一魚眼鏡頭21、第二魚眼鏡頭22，第一魚眼鏡頭21與第二魚眼鏡頭22鏡像對(duì)稱設(shè)置在球形攝像體1上，球形攝像體1頂部與PTZ控制裝置5配合連接，第一魚眼鏡頭21、第二魚眼鏡頭22之間設(shè)有成像裝置3，成像裝置3連接外部監(jiān)視器。

常規(guī)的魚眼鏡頭2成像模型有兩種，分別是球面投影模型和拋物面投影模型，由于拋物面投影模型實(shí)現(xiàn)算法比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)可行性差和成本相對(duì)較高，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，球面投影模型算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可行性更高，比較適合。在發(fā)明中第一魚眼鏡頭21或第二魚眼鏡頭22主要包括框架2a、第一透鏡2b、第二透鏡2c、第三透鏡2d以及濾光片2e，從物方至像方依次設(shè)置第一透鏡2b、第二透鏡2c、第三透鏡2d以及濾光片2e。

第一透鏡2b、第二透鏡2c的焦距均為負(fù)焦距，第三透鏡2d為雙凸透鏡，其焦距為正焦距，第一透鏡2b設(shè)置在魚眼鏡頭2的最前端，第一透鏡2b為凸面透鏡，濾光片2e設(shè)置在魚眼鏡頭2的最末端。

其中的，PTZ控制裝置5包括外殼5a，外殼5a內(nèi)部設(shè)有縱向電機(jī)5b、水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)5c、主控電路5d及圖像處理設(shè)備5e，主控電路5d分別與 縱向電機(jī)5b、水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)5c及圖像處理設(shè)備5e電連接，圖像處理設(shè)備5e與魚眼鏡頭2相互導(dǎo)通，縱向電機(jī)5b的驅(qū)動(dòng)軸垂直水平面向下設(shè)置，縱向電機(jī)5b的驅(qū)動(dòng)軸頂端與水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)5c的旋轉(zhuǎn)軸相互連接，水平旋轉(zhuǎn)電機(jī)5c外側(cè)固定設(shè)置在球形攝像體1外殼上。解決了傳統(tǒng)監(jiān)控探頭不能真正實(shí)現(xiàn)立體360度全景監(jiān)控，能夠同時(shí)連續(xù)監(jiān)控360度全景空間，一覽無遺，不會(huì)漏掉或錯(cuò)過突發(fā)事件，真正無盲點(diǎn)。于此同時(shí)加設(shè)PTZ控制裝置，使得本發(fā)明具備安裝簡(jiǎn)單，能夠提供對(duì)目標(biāo)的大范圍覆蓋和無盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。

并且，發(fā)明中還包括第四透鏡4，第四透鏡4為粘合透鏡，粘合透鏡分為第一鏡片41和第二鏡片42，第一鏡片41的光焦度為0.3-0.5，第二鏡片42的光焦度為-0.3—-0.2，第四透鏡4設(shè)置在沿光軸方向的第三透鏡2d與濾光片2e之間，第一鏡片41與第二鏡片42的粘合面傾斜角度為35°-45°。作為輔助，能夠?qū)蓚€(gè)魚眼鏡頭2的成像立體360度全景完全地顯示在六個(gè)方位的畫面中，將成像由圓型立體變換成平面，最大程度地利用全景資源保存場(chǎng)景信息。

一種全景360度空間還原高清智能球監(jiān)控方法，涉及基于球面投影模型的魚眼鏡頭成像的復(fù)原與校正，其特征在于：該方法包括以下步驟：

(1)建立魚眼圖像的球面投影模型；

(2)建立3D球面投影模型的坐標(biāo)系；

(3)建立球面投影模型還原后坐標(biāo)系以及坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系；

(4)建立平面投射坐標(biāo)系與以及坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系。

步驟(1)主要為通過球面投影模型，把魚眼圖像上每個(gè)2D像平面點(diǎn)(x,y)映射到3D場(chǎng)景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點(diǎn)和對(duì)應(yīng)光線3D向量間關(guān)系，再將空間分成如正立體的六個(gè)成像面中的五個(gè)面，將(X,Y,Z)分別映射到五個(gè)面中的(x’，y’)，再將兩個(gè)攝像頭各自的五個(gè)面合成，可以組合成完全表達(dá)空間的六面成像。

步驟(1)主要為通過球面投影模型，如圖4所示，把魚眼圖像上每個(gè)2D像平面點(diǎn)(x,y)映射到3D場(chǎng)景(X,Y,Z)，根據(jù)圖像像素點(diǎn)和對(duì)應(yīng)光線3D向量間關(guān)系，再將空間分成如正立體的六個(gè)成像面中的五個(gè)面，將(X,Y,Z)分別映射到五個(gè)面中的(x’，y’)，再將兩個(gè)攝像頭各自的五個(gè)面合成，可以組合成完全表達(dá)空間的六面成像。

步驟(2)主要為：P為空間中任意一點(diǎn)，連接單位球的圓心O與空間點(diǎn)P得到射線OP，射線OP映射到球面上，得到與球面的交點(diǎn)p，將p平行于Z軸投影到XOY平面上，得到魚眼圖像上的成像點(diǎn)m，空間中的點(diǎn)與魚眼圖像上的點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，其中投影球面可以表達(dá)為：x²+y²+z²＝R²。

步驟(3)主要為：p(x,y,z)是空間點(diǎn)P與球面交點(diǎn)，m(u,v)為p(x,y,z)的球面投影點(diǎn)，由于m與同P是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，他們之間的坐標(biāo)變換關(guān)系如下：

$\frac{x}{u}=\frac{y}{u}=\frac{z}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}=\frac{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}{R}$

根據(jù)上式可得：

$x=\frac{\mathrm{zu}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}},y=\frac{\mathrm{zv}}{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}$

通過以上公式可以從魚眼圖像點(diǎn)m(u,v)求得p(x,y,z)。從而還原空間點(diǎn)P的光路PO。

如圖5所示，步驟(4)主要為：以XOZ平面作為投射面，OP與平面XOZ平面的交點(diǎn)n(x,z)是點(diǎn)P在XOZ平面的投射點(diǎn)，其中m(u,v)與n(x,z)是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

$\frac{u}{n_x}=\frac{v}{L}$根據(jù)公式可得：$n_x=\frac{\mathrm{uL}}{v}$

$\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}}{n_z}=\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{\sqrt{{n_x}^2+L^2}}$

根據(jù)上式可得：

$n_z=\frac{\sqrt{R^2-u^2-v^2}\sqrt{{n_x}^2+L^2}}{\sqrt{u^2+v^2}}$

上述表達(dá)式，其中L代表放大系數(shù)，n(x,z)是m(u,v)在XOZ平面的映射點(diǎn)。同上所述，可以分別求得兩個(gè)球面各五個(gè)平面的映圖像，根據(jù)兩球面所得各五平面圖像，將除XOY平面外的其它四個(gè)平面對(duì)應(yīng)合成四面圖像，從面可以獲得空間六平面還原圖像。

本發(fā)明基于魚眼鏡頭的球面成像模型，彌補(bǔ)了單魚眼鏡頭展開圖像的缺陷，將兩個(gè)魚眼鏡頭的成像將立體360度全景完全地顯示在六個(gè)方位的畫面中。利用180°魚眼鏡頭180*360的成像特性，雙高清攝像頭就可以組成360*360成像效果，將成像由圓型立體變換成平 面，最大程度地利用全景資源保存場(chǎng)景信息。

本發(fā)明安裝簡(jiǎn)單，可以吊裝，可以平放，不需要完全像單魚眼球一定要在高空吊裝，能夠提供對(duì)目標(biāo)的大范圍覆蓋和無盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用鏡像對(duì)稱設(shè)置的雙魚眼鏡頭，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控探頭不能真正實(shí)現(xiàn)立體360度全景監(jiān)控，能夠同時(shí)連續(xù)監(jiān)控360度全景空間，一覽無遺，不會(huì)漏掉或錯(cuò)過突發(fā)事件，真正無盲點(diǎn)。

上述實(shí)施例只是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)即可在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利的權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。