一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，包括有以下步骤：(1)建立像素坐标系、相机坐标系以及世界坐标系；(2)构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S；(3)构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K；(4)计算坐标转换模型S的未知量

【技术实现步骤摘要】
一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法
本专利技术涉及计算机视觉领域，具体涉及一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法。
技术介绍
近年来，随着“天网工程”的逐步建成,交通要道、治安卡口、公共聚集场所、宾馆、学校、田地等都可以通过相机进行视频监控。而其中典型的就部署有PTZ相机头。云台可以控制PTZ相机进行全方位(左右/上下)移动、镜头变倍以及变焦。在PTZ相机的相机姿态可知的情况下，目标点的GPS坐标和视频画面上的像素坐标是唯一确定的。因此PTZ相机的部署，为GPS坐标与像素坐标的转换方法技术的应用提供了可能。例如GPS坐标与像素坐标的转换方法可以将国土局的地块GPS信息可视化到视频图像中，并提供地块跟随功能。此外，该方法也允许在视频图像上进行地块绘制，并转换为GPS信息。当前与本专利技术相关的坐标转换方法有：专利技术专利(申请号：CN201811366347.2，名称：一种地面坐标和广角摄像机画面坐标的转换方法、系统以及装置)公开了一种地面坐标和广角摄像机画面坐标的转换方法，但没有考虑并计算相机的初始垂直偏转角，因此相机的转换存在更大的误差，而且相机标定步骤相复杂；专利技术专利(申请号：CN201811366346.8，名称：一种地面坐标与PTZ摄像机的坐标转换方法及系统)存在着同样的不足。
技术实现思路
为克服现有技术上的不足，实现快速的相机标定以及良好的坐标转换精度，本专利技术提供了一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法。为实现上述专利技术，采用的技术方案如下：一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)建立像素坐标系、相机坐标系以及世界坐标系；步骤2)构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S；步骤3)构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K；步骤4)计算坐标转换模型S的未知量步骤5)计算坐标转换模型K的未知量(fx,fy)；步骤6)进行GPS坐标点到像素坐标点的映射；步骤7)进行像素坐标点到GPS坐标点的映射。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的像素坐标系为以图像左上角为原点，水平向右方向为U轴，垂直向下方向为V轴。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的相机坐标系为以相机的光心为原点O，X轴与Y轴分别与像素坐标系的U和V轴平行，Z轴为相机光轴方向，建立右手直角坐标系。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的世界坐标系为以GPS经纬度为0的坐标点为原点，以经度向东递增方向为X轴，以纬度向北递增方向为Y轴，建立右手直角坐标系。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S为公式(1)和公式(2)；其中，xc、yc和zc分别为目标点在相机坐标系上的X、Y和Z轴上的值；xw和yw分别为目标点在世界坐标系上的X和Y轴上的值，x0、y0和h分别为相机在世界坐标系上的X、Y和Z轴上的值，θ0和分别为相机的初始垂直偏转角和初始水平偏转角，θ和分别为相机的垂直偏转角和水平偏转角，可直接通过PTZ相机获取得到；R(.)为矩阵运算函数；符号T表示矩阵转置；此外，为未知量，(x0,y0)为已知量。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K为公式(3)和公式(4)；[uv1]T＝Q*[xc/zcyc/zc1]T(3)其中，Q为相机内参数矩阵，u和v分别为目标点在像素坐标系上U轴和V轴的值,ω为当前相机的缩放倍数，γ为相机的畸变系数，(u0,v0)为相机的光学中心点，fx和fy分别为相机在像素坐标系上U轴和V轴上的归一化焦距，为未知量；相机缩放倍数ω可直接由PTZ相机获取得到。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的计算坐标转换模型S的未知量包含以下步骤：4.1:设置相机内参数矩阵Q中γ＝0，u0＝(W-1)/2，v0＝(H-1)/2；其中W和H分别为图像分辨率宽和高；4.2:对于处于相机光学中心处的目标点数据集代入公式(1)可以获得等式(5)；其中，X＝xw-x0，Y＝yw-y0；xw和yw分别为该目标点在世界坐标系上的X和Y轴上的值；u和v分别为该目标点在像素坐标系上U轴和V轴上的坐标；θ、和ω分别为该目标所处相机的垂直偏转角、水平偏转角以及缩放倍数；4.3:将等式(5)进一步化简，可得到关于θ0和的关系式(6)；其中，4.4:通过云台控制PTZ相机进行标定，以得到处于相机光学中心的不同目标点的数据集并且当i为奇数时，满足条件(xwi-x0)/(ywi-y0)＝(xw(i+1)-x0)/(yw(i+1)-y0)；其中n为目标点的个数，n的取值要求为大于等于2的偶数；xwi和ywi分别为第i个目标点在世界坐标系上的X和Y轴上的值；ui和vi分别为第i个目标点在像素坐标系上U轴和V轴上的坐标；θi、和ωi分别为第i个目标所处相机的垂直偏转角、水平偏转角以及缩放倍数；4.5:将一对满足(xwi-x0)/(ywi-y0)＝(xw(i+1)-x0)/(yw(i+1)-y0)条件的目标点代入等式(6)，并进行化简，可以得到关于因子θ0的等式(7)；F*sinθ0+G*cosθ0＝0(7)其中，F＝a1-a2，G＝b1-b2；a1与a2分别为两点代入公式(6)得到的变量a的值，b1与b2分别为两点代入公式(6)得到的变量b的值；4.6:根据等式(7)可以解得关于未知量θ0的两个解，取其中接近π的值；将计算得到的θ0代入关系式(6)，可以求得未知量进一步将求得的θ0与代入等式(5)，可求得未知量h；4.7:对于多组数据集根据步骤4.1至4.6，可计算得到对应的多个解集根据式(8)、(9)、(10)、(11)和(12)可得到最终的相机高度h、初始垂直偏转角θ0和初始水平偏转角其中，k为该解集{hj|j＝1,2,…k}的大小；hj为该解集中第j个解；θ0j为该解集中第j个解，θ01为该解集中第1个解；为该解集中第j个解，为该解集中第1个解。所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(5)中，计算坐标转换模型K的未知量(fx,fy)包含以下步骤：5.1:对于目标点数据集首先根据公式(13)进行缩放倍数转换；5.2:将缩放倍数转换后的目标点数据集代入等式(3)，经过化解可以得到公式(14)；其中，(xc,yc,z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)建立像素坐标系、相机坐标系以及世界坐标系；/n2)构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S；/n3)构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K；/n4)计算坐标转换模型S的未知量

【技术特征摘要】
1.一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)建立像素坐标系、相机坐标系以及世界坐标系；
2)构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S；
3)构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K；
4)计算坐标转换模型S的未知量
5)计算坐标转换模型K的未知量(fx,fy)；
6)进行GPS坐标点到像素坐标点的映射；
7)进行像素坐标点到GPS坐标点的映射。


2.如权利要求1所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的像素坐标系为以图像左上角为原点，水平向右方向为U轴，垂直向下方向为V轴。


3.如权利要求1所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的相机坐标系为以相机的光心为原点O，X轴与Y轴分别与像素坐标系的U和V轴平行，Z轴为相机光轴方向，建立右手直角坐标系。


4.如权利要求1所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的世界坐标系为以GPS经纬度为0的坐标点为原点，以经度向东递增方向为X轴，以维度向北递增方向为Y轴，建立右手直角坐标系。


5.如权利要求1所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的构建世界坐标系到相机坐标系的坐标转换模型S为公式(1)和公式(2):






其中，xc、yc和zc分别为目标点在相机坐标系上的X、Y和Z轴上的值；xw和yw分别为目标点在世界坐标系上的X和Y轴上的值，x0、y0和h分别为相机在世界坐标系上的X、Y和Z轴上的值，θ0和分别为相机的初始垂直偏转角和初始水平偏转角，θ和分别为相机的垂直偏转角和水平偏转角，直接通过PTZ相机获取得到；R(.)为矩阵运算函数；符号T表示矩阵转置；此外，为未知量，(x0,y0)为已知量。


6.如权利要求5所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的构建相机坐标系到像素坐标系的坐标转换模型K为公式(3)和公式(4)：
[uv1]T＝Q*[xc/zcyc/zc1]T(3)



其中，Q为相机内参数矩阵，u和v分别为目标点在像素坐标系上U轴和V轴的值,ω为当前相机的缩放倍数，γ为相机的畸变系数，(u0,v0)为相机的光学中心点，fx和fy分别为相机在像素坐标系上U轴和V轴上的归一化焦距，为未知量；相机缩放倍数ω可直接由PTZ相机获取得到。


7.如权利要求6所述的一种基于PTZ相机的GPS坐标与像素坐标的转换方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的计算坐标转换模型S的未知量包含以下步骤：
4.1:设置相机内参数矩阵Q中γ＝0，u0＝(W-1)/2，v0＝(H-1)/2；其中W和H分别为图像分辨率宽和高；
4.2:对于处于相机光学中心处的目标点数据集代入公式(1)获得等式(5)；



其中，X＝xw-x0，Y＝yw-y0；xw和yw分别为该目标点在世界坐标系上的X和Y轴上的值；u和v分别为该目标点在像素坐标系上U轴和V轴上的坐标；θ、和ω分别为该目标所处相机的垂直偏转角、水平偏转角以及缩放倍数；
4.3:将等式(5)进一步化简，得到关于θ0和的关系式(6)；



其中，
4.4:通过云台控制PTZ相机进行标定，以得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘远超，吴宗林，姜世强，杨进，陈钦鸿，
申请(专利权)人：浙江浩腾电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33