一种空中远距离目标跟拍系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空中远距离目标跟拍系统和方法。系统包括至少三座基站，每座基站包括基座以及设置在基座内的工控机和显示屏，基座顶部设有分别与工控机连接的无线通讯模块、GPS授时定位模块、跟踪摄像头、跟拍摄像头和云台。基站初始化后开始探测目标，在跟踪目标成功后同时调整两个摄像头的焦距并向系统广播目标的空间位置，所有基站进入跟踪状态后共享目标信息，利用三组目标成像信息确定目标具体的空间位置，预测目标下一时刻位置并提前调整云台角度，基站动态调整跟拍摄像头的焦距，使目标在跟拍画面内始终占据中心区域。本发明专利技术能够迅速探测并稳定跟踪空中远距离目标，清晰拍摄目标的飞行姿态。

【技术实现步骤摘要】
一种空中远距离目标跟拍系统和方法
本专利技术属于目标跟拍
，特别涉及了一种空中远距离目标跟拍系统和方法。
技术介绍
利用摄像机对空中远距离目标进行跟拍时，如果摄像机焦距较大，则容易丢失目标，如果摄像机焦距较小，则难以清晰拍摄目标的飞行姿态；如果由人手持摄像设备进行拍摄，容易出现画面抖动的现象，拍摄效果难以保证，所以需要一种装置自动实现对空中目标的跟拍。现有的对空中目标的自动跟拍装置只采用单个摄像头，由于存在云层，太阳等背景物体的干扰，极易丢失目标；同时，由于单个摄像头监控的空间区域较小，难以迅速地捕捉出现的目标；并且由于摄像头的焦距无法动态地调整至合理范围，所以无法清晰拍摄目标运动时的画面。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
提到的技术问题，本专利技术提出了一种空中远距离目标跟拍系统和方法。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种空中远距离目标跟拍系统，包括至少三座基站，每座基站包括基座以及设置在基座内的工控机和显示屏，基座顶部设有分别与所述工控机连接的无线通讯模块、GPS授时定位模块、跟踪摄像头、跟拍摄像头和云台，所述跟踪摄像头和跟拍摄像头并排固定于云台上并且保持光轴平行；系统利用无线通讯模块建立无线通讯网络，并利用该网络共享目标信息；系统利用GPS授时定位模块进行时间同步，确保各基站同步拍摄目标跟踪图像；系统利用GPS授时定位模块获取各基站的空间位置；通过云台转动带动跟踪摄像头、跟拍摄像头始终对准移动的目标；跟踪摄像头的图像输出接口与工控机连接，将跟踪图像输入工控机进行处理；跟拍摄像头的图像输出接口与显示屏连接，将跟拍图像直接在显示屏上显示。进一步地，基站沿顺光方向面对目标空域，并呈环形分布，相邻基站间隔20米以上。进一步地，基站中的工控机通过跟踪摄像头和跟拍摄像头的控制接口获取和调整摄像头的焦距；所述跟踪摄像头拍摄目标在大视场下的图像，防止目标丢失；所述跟拍摄像头拍摄目标在小视场下的图像，获取目标清晰的画面。进一步地，基站中的工控机通过云台的控制接口获取和调整云台的角度。基于上述空中远距离目标跟拍系统的空中远距离目标跟拍方法，基站初始化后开始探测目标，在跟踪目标成功后同时调整跟踪摄像头和跟拍摄像头的焦距并向系统广播目标的空间位置，所有基站进入跟踪状态后共享目标信息，基站利用三组目标成像信息确定目标具体的空间位置，预测目标下一时刻位置并提前调整云台角度，基站动态调整跟拍摄像头的焦距，使目标在跟拍画面内始终占据中心区域。进一步地，包括以下步骤：(1)系统开机工作后，各基站跟踪摄像头、跟拍摄像头的焦距同时初始化到默认值f0；初始化云台角度，使跟踪摄像头、跟拍摄像头对准目标空域；基站间建立稳定的无线通讯网络；(2)某座基站探测到目标后，调整云台角度，使目标成像在图像中心区域，该基站进入跟踪状态；基站估算目标距离和目标空间位置，计算跟踪摄像头理想的焦距值f1，将跟踪摄像头、跟拍摄像头的焦距同时调整至f1；同时基站向系统广播目标的空间位置，其他基站据此调整云台的角度，发现目标后进入跟踪状态；(3)整个系统进入跟踪状态后，各基站定时、同步向其他基站广播目标的成像信息，各基站利用三组目标成像信息计算目标具体的空间位置；(4)各基站采用卡尔曼滤波与轨迹拟合相结合的位置预测方法，预测目标下一时刻的位置，提前调整云台以保证目标在下一帧中成像在图像中心区域；(5)各基站计算跟拍摄像头理想的焦距值f2，并将跟拍摄像头的焦距逐步调整至f2，根据目标距离的变化，动态调整跟拍摄像头的焦距，使目标在拍摄画面内始终占据1/4的中心区域。进一步地，利用三组目标成像信息确定目标具体的空间位置的方法步骤如下：(a)设三座基站的经度、纬度和海拔分别为(E1,N1,H1)、(E2,N2,H2)、(E3,N3,H3)，其中E1、E2和E3分别为三座基站的经度，N1、N2和N3分别为三座基站的纬度，H1、H2和H3分别为三座基站的海拔；以第一座基站为坐标系的原点，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以竖直向上为Z轴正方向，建立三维空间直角坐标系；近似认为跟踪摄像头的成像平面中心与基站位置重合，且忽略其在工作中的微小变化，则三座基站中的跟踪摄像头的成像平面中心O1、O2、O3的三维空间坐标分别如下：(XO1,YO1,ZO1)＝(0,0,0)(XO2,YO2,ZO2)＝((E2-E1)×111000×cosN1,(N2-N1)×111000,H2-H1)(XO3,YO3,ZO3)＝((E3-E1)×111000×cosN1,(N3-N1)×111000,H3-H1)(b)设从云台控制接口获得的三座基站的跟踪摄像头光轴与正东方向的夹角和俯仰角分别为(α1,β1)、(α2,β2)、(α3,β3)，则三座基站的跟踪摄像头光轴方向的单位方向向量n分别如下：n1＝(cosβ1cosα1,cosβ1sinα1,sinβ1)n2＝(cosβ2cosα2,cosβ2sinα2,sinβ2)n3＝(cosβ3cosα3,cosβ3sinα3,sinβ3)同时得到三个跟踪摄像头成像平面X轴正方向和Y轴正方向的单位方向向量i和j分别如下：(c)设目标在三个跟踪摄像头的成像平面上成像点P1、P2、P3的坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，则其对应的三维空间坐标分别如下：(XP1,YP1,ZP1)＝(XO1,YO1,ZO1)+x1i1+y1j1(XP2,YP2,ZP2)＝(XO2,YO2,ZO2)+x2i2+y2j2(XP3,YP3,ZP3)＝(XO3,YO3,ZO3)+x3i3+y3j3(d)设三个跟踪摄像头的焦距为r1、r2、r3，则三个跟踪摄像头的焦点R1、R2、R3的三维空间坐标分别如下：(XR1,YR1,ZR1)＝(XO1,YO1,ZO1)+r1n1(XR2,YR2,ZR2)＝(XO2,YO2,ZO2)+r2n2(XR3,YR3,ZR3)＝(XO3,YO3,ZO3)+r3n3(e)组成三组点集(O1,P1,R1)、(O2,P2,R2)、(O3,P3,R3)，确定三个平面O1P1R1、O2P2R2、O3P3R3，由这三个平面相交则求得目标的空间坐标；(f)若出现上述三个面共线而无法求解交点的情况，设Q点为第三个成像平面上一点，其坐标为(x4,y4)，且直线QP3不平行于OP3，则Q点的三维空间坐标如下：(XQ,YQ,ZQ)＝(XO3,YO3,ZO3)+x4i3+y4j3再根据平面O1P1R1、O2P2R2、QP3R3相交求得目标的空间坐标。进一步地，卡尔曼滤波与轨迹拟合相结合的位置预测方法的步骤如下：(A)建立目标的运动模型和观测模型：其中，状态转移矩阵观测矩阵B＝[10]；系统噪声wk和测量噪声uk是相互独立的零均值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空中远距离目标跟拍系统，其特征在于，包括至少三座基站，每座基站包括基座以及设置在基座内的工控机和显示屏，基座顶部设有分别与所述工控机连接的无线通讯模块、GPS授时定位模块、跟踪摄像头、跟拍摄像头和云台，所述跟踪摄像头和跟拍摄像头并排固定于云台上并且保持光轴平行；系统利用无线通讯模块建立无线通讯网络，并利用该网络共享目标信息；系统利用GPS授时定位模块进行时间同步，确保各基站同步拍摄目标跟踪图像；系统利用GPS授时定位模块获取各基站的空间位置；通过云台转动带动跟踪摄像头、跟拍摄像头始终对准移动的目标；跟踪摄像头的图像输出接口与工控机连接，将跟踪图像输入工控机进行处理；跟拍摄像头的图像输出接口与显示屏连接，将跟拍图像直接在显示屏上显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种空中远距离目标跟拍系统，其特征在于，包括至少三座基站，每座基站包括基座以及设置在基座内的工控机和显示屏，基座顶部设有分别与所述工控机连接的无线通讯模块、GPS授时定位模块、跟踪摄像头、跟拍摄像头和云台，所述跟踪摄像头和跟拍摄像头并排固定于云台上并且保持光轴平行；系统利用无线通讯模块建立无线通讯网络，并利用该网络共享目标信息；系统利用GPS授时定位模块进行时间同步，确保各基站同步拍摄目标跟踪图像；系统利用GPS授时定位模块获取各基站的空间位置；通过云台转动带动跟踪摄像头、跟拍摄像头始终对准移动的目标；跟踪摄像头的图像输出接口与工控机连接，将跟踪图像输入工控机进行处理；跟拍摄像头的图像输出接口与显示屏连接，将跟拍图像直接在显示屏上显示。


2.根据权利要求1所述空中远距离目标跟拍系统，其特征在于，基站沿顺光方向面对目标空域，并呈环形分布，相邻基站间隔20米以上。


3.根据权利要求1所述空中远距离目标跟拍系统，其特征在于，基站中的工控机通过跟踪摄像头和跟拍摄像头的控制接口获取和调整摄像头的焦距；所述跟踪摄像头拍摄目标在大视场下的图像，防止目标丢失；所述跟拍摄像头拍摄目标在小视场下的图像，获取目标清晰的画面。


4.根据权利要求1所述空中远距离目标跟拍系统，其特征在于，基站中的工控机通过云台的控制接口获取和调整云台的角度。


5.基于权利要求1所述空中远距离目标跟拍系统的空中远距离目标跟拍方法，其特征在于，基站初始化后开始探测目标，在跟踪目标成功后同时调整跟踪摄像头和跟拍摄像头的焦距并向系统广播目标的空间位置，所有基站进入跟踪状态后共享目标信息，基站利用三组目标成像信息确定目标具体的空间位置，预测目标下一时刻位置并提前调整云台角度，基站动态调整跟拍摄像头的焦距，使目标在跟拍画面内始终占据中心区域。


6.根据权利要求5所述空中远距离目标跟拍方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统开机工作后，各基站跟踪摄像头、跟拍摄像头的焦距同时初始化到默认值f0；初始化云台角度，使跟踪摄像头、跟拍摄像头对准目标空域；基站间建立稳定的无线通讯网络；
(2)某座基站探测到目标后，调整云台角度，使目标成像在图像中心区域，该基站进入跟踪状态；基站估算目标距离和目标空间位置，计算跟踪摄像头理想的焦距值f1，将跟踪摄像头、跟拍摄像头的焦距同时调整至f1；同时基站向系统广播目标的空间位置，其他基站据此调整云台的角度，发现目标后进入跟踪状态；
(3)整个系统进入跟踪状态后，各基站定时、同步向其他基站广播目标的成像信息，各基站利用三组目标成像信息计算目标具体的空间位置；
(4)各基站采用卡尔曼滤波与轨迹拟合相结合的位置预测方法，预测目标下一时刻的位置，提前调整云台以保证目标在下一帧中成像在图像中心区域；
(5)各基站计算跟拍摄像头理想的焦距值f2，并将跟拍摄像头的焦距逐步调整至f2，根据目标距离的变化，动态调整跟拍摄像头的焦距，使目标在拍摄画面内始终占据1/4的中心区域。


7.根据权利要求5或6所述空中远距离目标跟拍方法，其特征在于，利用三组目标成像信息确定目标具体的空间位置的方法步骤如下：
(a)设三座基站的经度、纬度和海拔分别为(E1,N1,H1)、(E2,N2,H2)、(E3,N3,H3)，其中E1、E2和E3分别为三座基站的经度，N1、N2和N3分别为三座基站的纬度，H1、H2和H3分别为三座基站的海拔；以第一座基站为坐标系的原点，以正东方向为X轴正方向，以正北方向为Y轴正方向，以竖直向上为Z轴正方向，建立三维空间直角坐标系；近似认为跟踪摄像头的成像平面中心与基站位置重合，且忽略其在工作中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：何紫阳，赵敏，姚敏，李宇辉，郭瑞鹏，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32