專利名稱：具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及警車領(lǐng)域，尤其是一種結(jié)合全方位視覺傳感器、嵌入 式系統(tǒng)、無線通信等技術(shù)的警燈。
背景技術(shù)：
2006年11月8日中華人民共和國公安部發(fā)布了《警車管理規(guī)定》， 規(guī)定中明確規(guī)定了警車的使用范圍以及標(biāo)志。警車是指公安機(jī)關(guān)、國 家安全機(jī)關(guān)、監(jiān)獄、勞動教養(yǎng)管理機(jī)關(guān)和人民法院、人民檢察院用于
執(zhí)行緊急職務(wù)的機(jī)動車輛。警車包括(一)公安機(jī)關(guān)用于執(zhí)行偵査、
警衛(wèi)、治安、交通管理的巡邏車、勘察車、護(hù)衛(wèi)車、囚車以及其他執(zhí)
行職務(wù)的車輛；(二)國家安全機(jī)關(guān)用于執(zhí)行偵查任務(wù)和其他特殊職 務(wù)的車輛；(三)監(jiān)獄、勞動教養(yǎng)管理機(jī)關(guān)用于押解罪犯、運(yùn)送勞教 人員的囚車和追緝逃犯的車輛；(四)人民法院用于押解犯罪嫌疑人 和罪犯的囚車、刑場指揮車、法醫(yī)勘察車和死刑執(zhí)行車；(五)人民 檢察院用于偵查刑事犯罪案件的現(xiàn)場勘察車和押解犯罪嫌疑人的囚 車。警車應(yīng)當(dāng)安裝固定式警用標(biāo)志燈具。汽車的標(biāo)志燈具安裝在駕駛 室頂部。
警車在執(zhí)行上述任務(wù)時，需要趕赴現(xiàn)場進(jìn)行偵査、警衛(wèi)、治安、 執(zhí)法等工作，有時現(xiàn)場情況千變?nèi)f化，指揮中心的指揮人員需要根據(jù) 現(xiàn)場情況及時調(diào)整警力，警車與警車之間也需要協(xié)作、協(xié)調(diào)進(jìn)行執(zhí)法 工作，這些工作的順利進(jìn)行都是建立在及時把握現(xiàn)場第一手信息的基 礎(chǔ)之上的；另外警員在執(zhí)行任務(wù)過程中，會出現(xiàn)一些危及生命安全的
事件，需要及時的得到增援，要實現(xiàn)這些功能實時獲取現(xiàn)場第一手信 息是非常重要的。目前一些場合，執(zhí)法部門會指派專門人員攜帶攝像 機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場攝像，為執(zhí)法或者破案提供音像資料。然而在一些緊急情 況下，攝像人員一般不能隨車前往，可能會漏掉一些現(xiàn)場證據(jù)和現(xiàn)場 情況的資料，影響執(zhí)法或者破案的及時進(jìn)行，對一些現(xiàn)場突發(fā)事件的 攝像要僅僅靠攝像人員是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求的。
中國實用新型(公開號CN 2780554Y)公開了一種車載云臺警燈， 其主要技術(shù)特征是在警燈中部位置的警燈基座上固裝一攝像機(jī)，該攝 像機(jī)的底座通過螺釘與一連接板固裝，該連接板通過螺釘與警燈基座 固裝。該實用新型可以方便地解決警車執(zhí)行任務(wù)時攝錄現(xiàn)場不方便的 問題，而且該智能云臺攝像機(jī)可以在360°的水平角度和一定的仰角 范圍內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場攝像，提高了警車的工作效率，增加了警車的功能。
從上述實用新型專利來看，由于采用的是云臺攝像機(jī)，那么必定 存在著以下幾個方面的問題l)需要不斷地轉(zhuǎn)動云臺來進(jìn)行監(jiān)控，因 而有機(jī)械磨損，維護(hù)工作量大；2)監(jiān)視對象變動的情況，實現(xiàn)自動跟 蹤等智能化困難；3)在監(jiān)控端會產(chǎn)生較大的等待時間，難以實現(xiàn)對多 目標(biāo)情況的跟蹤與監(jiān)控；4)由于有較大的計算量，采用嵌入式系統(tǒng) 實現(xiàn)十分困難。
近年發(fā)展起來的全方位視覺傳感器ODVS (OmniDirectional Vision Sensors)為實時獲取場景的全景圖像提供了一種新的解決方 案。0DVS的特點(diǎn)是視野廣(360度)，能把一個半球視野中的信息壓縮 成一幅圖像， 一幅圖像的信息量更大；獲取一個場景圖像時，ODVS 由于安放位置自由，可與警燈設(shè)計成一體化；監(jiān)視環(huán)境時0DVS不用 瞄準(zhǔn)目標(biāo)；檢測和跟蹤監(jiān)視范圍內(nèi)的運(yùn)動目標(biāo)時算法更加簡單；可以 獲得車內(nèi)外場景的實時圖像。這種0DVS攝像機(jī)主要由一個CCD(或者 CMOS)攝像機(jī)和正對著攝像單元的一個反光鏡組成。反光鏡面將水平 方向一周的圖像反射給CCD(或者CMOS)攝像機(jī)成像，這樣，就可以在 一幅圖像中獲取水平方向360。的環(huán)境信息。這種全方位攝像機(jī)有著 非常突出的優(yōu)點(diǎn)，特別在對全景實時處理要求下，是一種快速、可靠 的視覺信息采集途徑。
因而需要一種采用全方位視覺傳感器能同時監(jiān)控全方位信息，進(jìn) 行動態(tài)圖像處理和智能計算，可在一個很小的單元中集成傳感、嵌入 式和無線通信技術(shù)，成為智能節(jié)點(diǎn)。
遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)給警車與指揮中心、警車與警車之間的通信 提供了一種新的解決方案。數(shù)字化無線視頻傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線、 模擬傳輸系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)①便于進(jìn)行壓縮、分析、存儲和 顯示;②數(shù)字信息抗干擾能力強(qiáng)，不易受傳輸線路信號衰減的影響等。 正是由于數(shù)字視頻傳輸具有傳統(tǒng)模擬傳輸無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合 當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻 傳輸正在逐步取代模擬傳輸，為提高警車設(shè)備科技含量提供了一種新 的通信手段。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的警車警燈的攝像機(jī)維護(hù)工作量大、不能實現(xiàn)自動 跟蹤、難以實現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤和監(jiān)控、不適用于嵌入式系統(tǒng)的不足，本發(fā) 明釆用一個全方位視覺傳感器，提供一種能有效減少維護(hù)工作量、便 于實現(xiàn)自動跟蹤、多目標(biāo)跟蹤和監(jiān)控、適用于嵌入式系統(tǒng)的具有全方 位計算機(jī)視覺功能的警燈。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，包括警燈本體、基座、 攝像裝置、微處理器以及顯示器，所述警燈本體、攝像裝置安裝在基 座上，所述攝像裝置位于警燈本體的上方，所述攝像裝置連接微處理 器，所述微處理器連接顯示器，所述的微處理器包括圖像數(shù)據(jù)讀取 模塊，用于讀取從攝像裝置傳過來的視頻圖像信息；圖像數(shù)據(jù)文件存 儲模塊，用于將從攝像裝置讀進(jìn)來的視頻圖像信息進(jìn)行保存；圖像顯 示模塊，用于將從攝像裝置讀進(jìn)來的視頻圖像在顯示器上顯示；所述 攝像裝置為全方位視覺傳感器，所述的全方位視覺傳感器包括垂直向 下的外凸折反射鏡面、用以防止光折射和光飽和的黑色圓錐體、透明 外罩、攝像單元以及固定支架，所述的外凸折反射鏡面位于透明外罩 的上方，所述透明外罩安裝在固定支架上，外凸折反射鏡面朝下，黑 色圓錐體固定在折反射鏡面外凸部的中心，攝像單元對著外凸反射鏡 面朝上，所述的攝像單元位于外凸反射鏡面的虛焦點(diǎn)位置，所述攝像 單元安裝在固定支架內(nèi)；所述的固定支架安裝在基座上；
所述的微處理器還包括 圖像展開處理模塊，用于將從全方位視覺傳感器讀進(jìn)來的圓形視頻圖 像展開為前方視角、后方視角、左方視角以及右方視角分割的透視視 頻圖像，通過透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P (i,j)求空間三坐標(biāo)中的A (X,Y,Z)，得到投影平面與空間三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系式用公式
(9)來表示
<formula>formula see original document page 8</formula>
上式中D為透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)Om的距離，卩角度是入 射光線在xy平面上投影的夾角，y角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn)的 水平面的夾角，i軸是與XY平面平行的橫軸，j軸是與i軸和Om — g軸直角相交的縱軸；
將上述用公式(9)求得的P(X，Y,Z)點(diǎn)代入公式(6)和(7)計算與透 視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P(i,j)相對應(yīng)的在成像平面上的P (x， y)點(diǎn)
x— He2) (6)
(V + c2)Z - 2Wl2+" + Z2
〕.— W2-,2) 所述的透明外罩為透明圓柱體。
或者是所述的透明外罩呈碗狀，由半圓球和圓錐構(gòu)成，半圓球 的球心與雙曲面鏡的焦點(diǎn)重合，所述半圓球位于圓錐的下方，在半圓 球部分的半徑處與圓錐部分過渡。
作為優(yōu)選的一種方案所述的微處理器還包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊， 用于將所獲得的現(xiàn)場視頻圖像、加工后的透視圖像以視頻流的方式通 過無線通信單元播放出去，傳輸?shù)街笓]中心或者其他警車。
作為優(yōu)選的另一種方案所述固定支架的下部設(shè)有一個外螺紋的 下座，基座中部位置的上部開有一個與所述下座相同大小的內(nèi)螺紋， 所述的下座安裝到所述內(nèi)螺紋，攝像單元的中心心位置處在全方位視 覺傳感器的雙曲面鏡的虛焦點(diǎn)位置。
所述的微處理器為采用嵌入式Linux系統(tǒng)的處理器。
所述攝像單元通過USB接口與微處理器連接，所述微處理器通過 USB接口與無線網(wǎng)卡連接。
所述的無線通信單元中的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)， 采用WiMAX通信技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為將全方位計算機(jī)視覺傳感器與警燈一體化
設(shè)計，通過采用一個全方位視覺傳感器來獲取現(xiàn)場360°場景的視頻圖
像，嵌入式系統(tǒng)將采集到的全景視頻圖像進(jìn)行加工處理后的數(shù)字化無
線視頻信息傳輸單元發(fā)送給指揮中心或者其他警車，為實現(xiàn)協(xié)同、協(xié)
調(diào)、協(xié)作執(zhí)法工作提供先進(jìn)的技術(shù)手段。
首先是ODVS攝像裝置的光學(xué)部分的制造技術(shù)方案，全方位視覺
傳感器包括直垂向下的折反射鏡、透明外罩、攝像單元、固定支架，
所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝像單元包括聚光透鏡和攝像單
元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡的虛焦點(diǎn)位置；所述雙曲面鏡
構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5個等式表示；
<formula>formula see original document page 10</formula>
yS = tan-'("義) (3) a = tan-1[(62 +c2)sin;k_26c]/(62 +c2)cos;k (4) y = tan-V/V(f+")] (5) 上式中，X,Y,Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點(diǎn)，2c表示 兩個焦點(diǎn)之間的距離，a， b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，卩 表示入射光線在XY平面上的夾角一方位角，a表示入射光線在XZ 平面上的夾角一俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的需焦點(diǎn)的距離。
進(jìn)一步，為了使得透明外罩不會產(chǎn)生內(nèi)壁的反射干擾光，如圖4 所示。具體做法是將透明外罩設(shè)計成碗狀，即半圓球和圓錐構(gòu)成，半 圓球的球心與雙曲面鏡的焦點(diǎn)重合，這樣能避免在透明外罩發(fā)生反射
干擾光，在半圓球部分的半徑處與圓錐部分進(jìn)行過渡，圓錐部分的傾
斜角度為2 3° ，主要是考慮在模具生產(chǎn)時的脫模斜度；ODVS的結(jié) 構(gòu)如圖4所示。
進(jìn)一步，來說明360全方位進(jìn)行攝像的原理，空間上的一個點(diǎn)A (X，Y,Z)經(jīng)折反射鏡面反射到透鏡上對應(yīng)有一個投影點(diǎn)P (x， y)，通過 透鏡的光線變成平行光投射到CCD(CMOS)攝像單元，微處理器通過 視頻接口讀入該環(huán)狀圖像，然后通過軟件算法對該環(huán)狀圖像進(jìn)行透視 圖展開得到前后方視角、左右方視角分割的透視的視頻圖像，如圖6 所示。
為了對透視圖有一個較好的理解，如圖5所示，這里我們從雙曲 面的實焦點(diǎn)0 m到透視投影坐標(biāo)原點(diǎn)G弓I一條距離為D的直線0 m — G，與這條Om—G相垂直的平面作為透視投影平面，從點(diǎn)A(X,Y,Z) 向著焦點(diǎn)Om的光線在透視投影平面上有一個交點(diǎn)P(X,Y,Z)，如果將 該交點(diǎn)P(X,Y,Z)代入到公式(6)、 (7)中就能容易地求的在成像平面 上的P (x, y)點(diǎn)，因此可以通過從上述關(guān)系求得在透視投影平面上 的各個點(diǎn)。
<formula>formula see original document page 11</formula>如圖5所示，雙曲面鏡的光軸為Z軸，攝像單元向著Z軸的正方 向設(shè)置，成像平面是攝像單元的輸入圖像，我們將雙曲面鏡的光軸與 成像平面的交點(diǎn)g作為成像平面的原點(diǎn)，其坐標(biāo)系為x、 y， x軸、y 軸分別與攝像單元中的感光芯片的長短邊相一致，因此O m—XYZ坐
標(biāo)系的X軸與成像平面坐標(biāo)系的X y平面平行。
透視投影平面是與Om — G連接線相垂直的平面，將G點(diǎn)作為原 點(diǎn)的二元平面坐標(biāo)系i ， j ，其中i軸是與XY平面平行的橫軸，j 軸是與i軸和Om — G軸直角相交的縱軸，將從透視投影平面到雙曲 面的焦點(diǎn)Om的距離作為D，定義透視投影平面的橫幅為W，縱幅為 H。由于i軸是與XY平面平行，又是與Z軸垂直的，因此所得到的 透視投影平面是以G點(diǎn)為坐標(biāo)中心與XY平面(水平面)上旋轉(zhuǎn)一個 角度，該角度就是Om — G連接線與Z軸的夾角。
這里我們將Om — G作為變換中心軸，點(diǎn)G作為變換中心點(diǎn)，用 卩(入射光線在XY平面上的夾角一方位角)、Y (入射光線與雙曲面 焦點(diǎn)的水平面的夾角)以及距離D (透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)O m的距離)來表示變換中心軸，(3角度在0° 3 6 0 。范圍內(nèi)，可以 由式(3)計算得到，同樣也可以用式(8)來表示
這里3角度是入射光線在XY平面上投影的夾角，以Z軸為原點(diǎn) (極坐標(biāo)系的原點(diǎn))逆時針方向，在0° 3 6 0 °范圍內(nèi)(這是全方 位視覺的水平視場范圍)；Y角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn)的水平面的 夾角，由式(5)所示，該角度與空間坐標(biāo)與雙曲面焦點(diǎn)位置有關(guān)，如 果在雙曲面焦點(diǎn)上作一個水平面的話，那么就是給水平面與Om—G 軸的夾角，這里將空間坐標(biāo)Z點(diǎn)在雙曲面焦點(diǎn)以上的作為[+ ]，稱為 仰角，Z點(diǎn)在雙曲面焦點(diǎn)以下的作為[一]，稱為俯角；Y角度范圍在 一9 0° +9 0°之間，根據(jù)不同的鏡面設(shè)計就會有不同的Y角度范 圍(這是全方位視覺的垂直視場范圍)；
距離D根據(jù)透視投影平面與雙曲面焦點(diǎn)的直線距離來確定， 一般來說，距離D越長景物越小，距離D越短景物越大；透視投影平面的 橫幅W、縱幅H可以由需要來確定，在確定橫幅W、縱幅H大小時首
先要確定顯示窗的橫縱比，由于在計算機(jī)中是用像素來表示橫幅w、 縱幅H的大小，因此要確定橫幅W、縱幅H的像素值。
通過透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P (i,j)求空間三坐標(biāo)中的A (X，Y，Z)， 這樣就能得到投影平面與空間三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系式用公式 (9)來表示
<formula>formula see original document page 13</formula> ( 9 )
式中D為透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)Om的距離，P角度是 入射光線在XY平面上投影的夾角，Y角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn) 的水平面的夾角，i軸是與XY平面平行的橫軸，j軸是與i軸和Om 一G軸直角相交的縱軸，i軸與j軸的方向由附圖5所示；
將上述用公式(9)求得的P(X,Y,Z)點(diǎn)代入公式(6)和(7)就能 求得與透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P(i,j)相對應(yīng)的在成像平面上的P (x， y) 點(diǎn)。這樣就可以通過在成像平面上得到的圖像信息求得全方位透視 圖，也就是說建立了成像平面上的坐標(biāo)系與透視投影平面的坐標(biāo)系的 對應(yīng)關(guān)系。有了這樣的對應(yīng)關(guān)系，我們就能從成像平面上得到的某個 點(diǎn)的圖像信息；通過兩個坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，將該點(diǎn)的圖像信息正確 地顯示在透視投影平面相對應(yīng)的位置上。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、能有效減少維護(hù)工作量、便于 實現(xiàn)自動跟蹤、多目標(biāo)跟蹤和監(jiān)控、適用于嵌入式系統(tǒng)；2、視頻數(shù)據(jù)
的無線傳輸速度足夠快、傳輸距離足夠遠(yuǎn)且時延也特別短，使得指揮
中心的指揮人員能如親臨現(xiàn)場一樣自如地指揮、協(xié)調(diào)各種執(zhí)法任務(wù)的
順利進(jìn)行。


圖1為具有全方位計算機(jī)視覺功能的警車示意圖； 圖2為警燈示意圖3為全方位視覺傳感器的折反射成像的原理圖4為全方位視覺傳感器的結(jié)構(gòu)圖5為全方位視覺傳感器的透視原理圖6為按警車的前方、后方、左側(cè)方和右側(cè)方展開的透視圖7為嵌入式系統(tǒng)與全方位視覺傳感器以及車內(nèi)LCD的連接示意
圖8為警車與指揮中心、警車與警車之間的無線通信示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。 實施例1
參照圖1 圖8， 一種具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，用于裝 備執(zhí)行偵査、警衛(wèi)、治安、交通管理的巡邏車、勘察車、護(hù)衛(wèi)車、囚 車以及其他執(zhí)行職務(wù)的車輛；采用一個全方位視覺傳感器來獲取現(xiàn)場 360。場景的視頻圖像，嵌入式系統(tǒng)將采集到的全景視頻圖像進(jìn)行加工 處理后的數(shù)字化無線視頻信息傳輸單元發(fā)送給指揮中心或者其他警 車，為實現(xiàn)協(xié)同、協(xié)調(diào)、協(xié)作執(zhí)法工作提供先進(jìn)的技術(shù)手段。所述的 警燈主要完成兩個功能，第一是實時獲取現(xiàn)場的全方位圖像；第二是 實現(xiàn)全方位圖像的采集、加工與無線遠(yuǎn)程傳輸。 所述的實時獲取現(xiàn)場的全方位圖像是通過全方位視覺傳感器來 實現(xiàn)的，因此首先是ODVS攝像裝置的光學(xué)部分的制造技術(shù)方案，如 圖4所示，全方位視覺傳感器包括直垂向下的折反射鏡ll、透明外罩
1、攝像單元2、固定支架3，所述的折反射鏡為雙曲面鏡，所述的攝
像單元包括聚光透鏡和攝像單元，所述的攝像單元位于所述雙曲面鏡
的虛焦點(diǎn)位置，如圖3所示；所述雙曲面鏡構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)由下面5
個等式表示；
<formula>formula see original document page 15</formula> (1)
<formula>formula see original document page 15</formula> (3)<formula>formula see original document page 15</formula> (4)<formula>formula see original document page 15</formula> (5)
上式中，X,Y,Z表示空間坐標(biāo)，c表示雙曲面鏡的焦點(diǎn)，2c表示 兩個焦點(diǎn)之間的距離，a， b分別是雙曲面鏡的實軸和虛軸的長度，(3 表示入射光線在XY平面上的夾角一方位角，a表示入射光線在XZ 平面上的夾角一俯角，f表示成像平面到雙曲面鏡的需焦點(diǎn)的距離。
進(jìn)一步，透明外罩可以為圓柱形或碗形；為了使得透明外罩l不 會產(chǎn)生內(nèi)壁的反射干擾光，如圖4所示。具體做法是將透明外罩設(shè)計 成碗狀，即半圓球和圓錐構(gòu)成，半圓球的球心與雙曲面鏡的焦點(diǎn)重合， 這樣能避免在透明外罩發(fā)生反射干擾光，在半圓球部分的半徑處與圓 錐部分進(jìn)行過渡，圓錐部分的傾斜角度為2~3° ，主要是考慮在模具 生產(chǎn)時的脫模斜度；ODVS的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
進(jìn)一步，來說明360全方位進(jìn)行攝像的原理，空間上的一個點(diǎn)A (X,Y，Z)經(jīng)折反射鏡面反射到透鏡上對應(yīng)有一個投影點(diǎn)P (x， y)，通過
透鏡的光線變成平行光投射到CCD(CMOS)攝像單元，微處理器通過
視頻接口讀入該環(huán)狀圖像，然后通過軟件算法對該環(huán)狀圖像進(jìn)行透視
圖展開得到前后方視角、左右方視角分割的透視的視頻圖像，如圖6所示。
為了對透視圖有一個較好的理解，如附圖5所示，這里我們從雙
曲面的實焦點(diǎn)0 m到透視投影坐標(biāo)原點(diǎn)G引一條距離為D的直線0 m
一G，與這條O m—G相垂直的平面作為透視投影平面，從點(diǎn)A(X，Y,Z)
向著焦點(diǎn)Om的光線在透視投影平面上有一個交點(diǎn)P(X，Y,Z)，如果將
該交點(diǎn)P(X,Y,Z)代入到公式(6)、 (7)中就能容易地求的在成像平面
上的P (x， y)點(diǎn)，因此可以通過從上述關(guān)系求得在透視投影平面上
的各個點(diǎn)。
<formula>formula see original document page 16</formula>如圖5所示，雙曲面鏡的光軸為Z軸，攝像單元向著Z軸的正方 向設(shè)置，成像平面是攝像單元的輸入圖像，我們將雙曲面鏡的光軸與 成像平面的交點(diǎn)g作為成像平面的原點(diǎn)，其坐標(biāo)系為x、 y， x軸、y 軸分別與攝像單元中的感光芯片的長短邊相一致，因此O m—XYZ坐 標(biāo)系的X軸與成像平面坐標(biāo)系的x y平面平行。
透視投影平面是與 m _ G連接線相垂直的平面，將G點(diǎn)作為原 點(diǎn)的二元平面坐標(biāo)系i ， j ，其中i軸是與XY平面平行的橫軸，j 軸是與i軸和Om — G軸直角相交的縱軸，將從透視投影平面到雙曲 面的焦點(diǎn)Om的距離作為D，定義透視投影平面的橫幅為W，縱幅為
H。由于i軸是與XY平面平行，又是與Z軸垂直的，因此所得到的
透視投影平面是以G點(diǎn)為坐標(biāo)中心與XY平面(水平面)上旋轉(zhuǎn)一個
角度，該角度就是Om — G連接線與Z軸的夾角。
這里我們將Om — G作為變換中心軸，點(diǎn)G作為變換中心點(diǎn)，用
卩(入射光線在XY平面上的夾角一方位角)、Y (入射光線與雙曲面
焦點(diǎn)的水平面的夾角)以及距離D (透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)O
m的距離)來表示變換中心軸，(3角度在0° 3 6 0 。范圍內(nèi)，可以
由式(3)計算得到，同樣也可以用式(8)來表示 y^tan-'(J/Z)二tan—'0/x) (8)
這里P角度是入射光線在XY平面上投影的夾角，以Z軸為原點(diǎn) (極坐標(biāo)系的原點(diǎn))逆時針方向，在0° 3 6 0 °范圍內(nèi)(這是全方 位視覺的水平視場范圍)；Y角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn)的水平面的 夾角，由式(5)所示，該角度與空間坐標(biāo)與雙曲面焦點(diǎn)位置有關(guān)，如 果在雙曲面焦點(diǎn)上作一個水平面的話，那么就是給水平面與0 m — G 軸的夾角，這里將空間坐標(biāo)Z點(diǎn)在雙曲面焦點(diǎn)以上的作為[+ ]，稱為 仰角，Z點(diǎn)在雙曲面焦點(diǎn)以下的作為[一]，稱為俯角；Y角度范圍在 一9 0° +9 0°之間，根據(jù)不同的鏡面設(shè)計就會有不同的Y角度范 圍(這是全方位視覺的垂直視場范圍)；
距離D根據(jù)透視投影平面與雙曲面焦點(diǎn)的直線距離來確定， 一般 來說，距離D越長景物越小，距離D越短景物越大；透視投影平面的 橫幅W、縱幅H可以由需要來確定，在確定橫幅W、縱幅H大小時首 先要確定顯示窗的橫縱比，由于在計算機(jī)中是用像素來表示橫幅W、 縱幅H的大小，因此要確定橫幅W、縱幅H的像素值。
通過透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P (i,j)求空間三坐標(biāo)中的A (X，Y，Z)，
這樣就能得到投影平面與空間三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系式用公式
(9)來表示
X = i *cos- —/*sin/
7 = * sin - + / * cos /
Z = D * sin ;r _ * cos ;k
(i = ￡) * cos " + _/ * sin " ( 9 )
式中D為透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)Om的距離，P角度是 入射光線在XY平面上投影的夾角，Y角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn) 的水平面的夾角，i軸是與XY平面平行的橫軸，j軸是與i軸和Om 一G軸直角相交的縱軸，i軸與j軸的方向由圖5所示；
將上述用公式(9)求得的P(X,Y，Z)點(diǎn)代入公式(6)和(7)就能 求得與透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P(ij)相對應(yīng)的在成像平面上的P (x， y) 點(diǎn)。這樣就可以通過在成像平面上得到的圖像信息求得全方位透視 圖，也就是說建立了成像平面上的坐標(biāo)系與透視投影平面的坐標(biāo)系的 對應(yīng)關(guān)系。有了這樣的對應(yīng)關(guān)系，我們就能從成像平面上得到的某個 點(diǎn)的圖像信息；通過兩個坐標(biāo)系的對應(yīng)關(guān)系，將該點(diǎn)的圖像信息正確 地顯示在透視投影平面相對應(yīng)的位置上。
進(jìn)一步是警燈與全方位視覺傳感器一體化的連接方案，其特征在 于在警燈中部位置的警燈底部基座上固裝一個數(shù)字式攝像單元(其 屬于全方位視覺傳感器的一部分)，該攝像單元2的視角向上正對著全 方位視覺傳感器的折反射鏡面11 (雙曲面鏡)，攝像單元2的軸心與 全方位視覺傳感器6的軸心保持一致；全方位視覺傳感器6的下部有 一個外螺紋的下部底座4，警燈中部位置的上部開有一個與全方位視 覺傳感器的下部底座相同大小的內(nèi)螺紋5，裝配時將全方位視覺傳感 器的下座4旋入警燈中部位置的內(nèi)螺紋5的孔內(nèi)固定，如圖2所示，
固定后的攝像單元2的中心位置正好處在全方位視覺傳感器的雙曲面 鏡的虛焦點(diǎn)位置上。警燈通過螺紋固定在警車的頂部，如圖l所示；
所述的全方位圖像的采集、加工與無線遠(yuǎn)程傳輸，完成這個功能 的核心部件是嵌入式系統(tǒng)，如圖8所示；所述的嵌入式系統(tǒng)，本發(fā)明
中選擇嵌入式Linux系統(tǒng)，主要達(dá)到集視頻傳感、通信、移動為一體 的目的，具體選擇三星S3C2410X為嵌入式微處理器，結(jié)合無線通信技 術(shù)，實現(xiàn)全方位視頻數(shù)據(jù)采集和無線傳輸。嵌入式系統(tǒng)中包括了軟件 與硬件技術(shù)，其中嵌入式Linux軟件是核心技術(shù)，它能實現(xiàn)視頻服務(wù) 器的功能。
更進(jìn)一步， 一種全方位計算機(jī)視覺一體化設(shè)計的警燈中需要有兩 個USB接口，如圖8所示； 一個USB接口是將攝像裝置與S3C2410X 進(jìn)行連接，另一個USB接口是將無線網(wǎng)卡與S3C2410X進(jìn)行連接，由于 S3C2410X自帶USB主從接口，不需要專門的USB芯片支持，只要對其 安裝驅(qū)動程序即可進(jìn)行USB傳輸數(shù)據(jù)。
所述的嵌入式微處理器S3C2410X是一款基于A體920T內(nèi)核的 16/32位RISC嵌入式微處理器，該處理器是為手持設(shè)備以及高性價比、 低功耗微控制器而設(shè)計的。它采用了一種叫做AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture)的新總線架構(gòu)。S3C2410X內(nèi)部 的主要資源有內(nèi)存管理單元MMU、系統(tǒng)管理器、各為16KB的指令和數(shù) 據(jù)緩存、LCD控制器(STN& TFT)、 NAND FLASH Boot Loader、 3通道 UART、 4通道DMA、 4個P麗時鐘、1個內(nèi)部時鐘、8通道10為ADC、 觸摸屏接口 、多媒體卡接口 、 I2C和I2S總線接口 、 2個USB主機(jī)接口 、 1個USB設(shè)備接口、 SD主接口、 2SPI接口、 PLL時鐘發(fā)生器以及通用 VO端口等。所述的嵌入式微處理器S3C2410X內(nèi)部包含一個叫MMU的內(nèi)存管理 單元，可以實現(xiàn)虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射。通常嵌入式系 統(tǒng)的程序存放在R0M/FLASH中，系統(tǒng)斷電后程序能夠得到保存，但 ROM/FLASH與SDRAM相比，速度要慢的多，而且嵌入式系統(tǒng)中通常把 異常中斷向量表存放在RAM中，利用內(nèi)存映射機(jī)構(gòu)可以解決這種需要。
所述的ROM/FLASH采用三星公司64MB的K9S1208V0M。它可進(jìn)行 10萬次的編程/擦除，數(shù)據(jù)保存長達(dá)10年，被用來裝載操作系統(tǒng)鏡像 和大容量的數(shù)據(jù)。
所述的SDRAM是采用三星公司的K4S561632C，用來運(yùn)行操作系統(tǒng) 和存儲程序運(yùn)行過程中所需要的數(shù)據(jù)，它是4M*16bit*4bank的同步 DRAM，容量為32MB。用兩片K4S561632C實現(xiàn)位擴(kuò)展，使數(shù)據(jù)總線寬 度為32bit。
所述的嵌入式軟件系統(tǒng)主要包括操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議的移植、 驅(qū)動程序的安裝以及用戶應(yīng)用程序的編寫等。
本發(fā)明中采用了 Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，Linux是從UNIX發(fā) 展而來，繼承了UNIX大多數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，Linux公開的內(nèi)核源代碼使得它 成為目前最流行的操作系統(tǒng)，并且Linux可以從應(yīng)用出發(fā)裁剪其硬件 軟件，這對面向全方位計算機(jī)視覺一體化設(shè)計的警燈這種特殊需要來 說十分必要，這里我們將其稱為定制操作系統(tǒng)，定制步驟如下a) 編寫板基支持包BSP; (2)裁剪和配置操作系統(tǒng)的各個部件，并修改 相應(yīng)的配置文件；(3)編譯Kernel、組件和BSP，生成操作系統(tǒng)鏡像 文件；(4)將鏡像文件下載到目標(biāo)板上，進(jìn)行調(diào)試。
更進(jìn)一步，是全方位視覺傳感器6與嵌入式系統(tǒng)7、 TFTLCD液 晶顯示器與嵌入式系統(tǒng)7的連接方案，其特征在于全方位視覺傳感
器6與嵌入式系統(tǒng)7的USB接口進(jìn)行連接，如圖7所示； 一種方案是 嵌入式系統(tǒng)7可以安置在警燈的中部位置；另一種方案是嵌入式系統(tǒng)
7與TFT LCD液晶顯示器8集成在一起安置在警車內(nèi)駕駛座位的前 方；
更進(jìn)一步，要實現(xiàn)警車與指揮中心、警車與警車之間的通信，本 發(fā)明中采用無線通信技術(shù)，如圖8所示；無線通信單元通過嵌入式系 統(tǒng)7的USB接口進(jìn)行連接；
所述的無線通信技術(shù)，本發(fā)明中采用WiMAX通信技術(shù)，是微波 存取全球互通(Worldwide Interoperability for Microwave Access), 它是 一種新興的無線城域網(wǎng)技術(shù)，它能夠為用戶提供百兆的傳輸速率以及 能夠解決寬帶無線通信的移動性問題。其通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用 IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)，它是WiMAX系列標(biāo)準(zhǔn)中唯一個支持移動性和非
視距傳輸?shù)膶拵到y(tǒng)，能滿足無線通信中高傳輸速率和移動性的要求， 能為警車與指揮中心之間的無線通信高速傳輸視頻圖像的需求提供解
決方案。采用該方案的最大優(yōu)點(diǎn)是視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸速度足夠快、 傳輸距離足夠遠(yuǎn)且時延也特別短，使得指揮中心的指揮人員能如親臨 現(xiàn)場一樣自如地指揮、協(xié)調(diào)各種執(zhí)法任務(wù)的順利進(jìn)行。 實施例2
考慮到目前市場上銷售的警燈，存在著各種形狀，比如圓杯型的 警燈，實現(xiàn)技術(shù)與實施例1相類似，也可以將全方位視覺傳感器集成 到警燈的上部，將全方位視覺傳感器6通過USB接口與車內(nèi)的嵌入式 系統(tǒng)7進(jìn)行連接，嵌入式系統(tǒng)7與TFT LCD液晶顯示器8集成在一起 安置在警車內(nèi)駕駛座位的前方。
上述的實施例1~2所產(chǎn)生的發(fā)明效果是通過全方位視覺傳感器使 得執(zhí)法現(xiàn)場安全監(jiān)控的范屈更寬廣，獲取現(xiàn)場全景視頻圖像的手段更 便捷，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)使得監(jiān)控多媒體傳輸手段更方便、更迅速， 本發(fā)明實現(xiàn)的全方位計算機(jī)視覺一體化設(shè)計的警燈能為偵查、警衛(wèi)、 治安、交通管理的巡邏車、勘察車、護(hù)衛(wèi)車、囚車以及其他執(zhí)行職務(wù) 的車輛提供一種能實現(xiàn)警車之間協(xié)同工作的、指揮中心能通過遠(yuǎn)程進(jìn) 行指揮的先進(jìn)監(jiān)控設(shè)備和裝置。
權(quán)利要求
1、一種具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，包括警燈本體、基座、攝像裝置、微處理器以及顯示器，所述警燈本體、攝像裝置安裝在基座上，所述攝像裝置位于警燈本體的上方，所述攝像裝置連接微處理器，所述微處理器連接顯示器，所述的微處理器包括圖像數(shù)據(jù)讀取模塊，用于讀取從攝像裝置傳過來的視頻圖像信息；圖像數(shù)據(jù)文件存儲模塊，用于將從攝像裝置讀進(jìn)來的視頻圖像信息進(jìn)行保存；圖像顯示模塊，用于將從攝像裝置讀進(jìn)來的視頻圖像在顯示器上顯示；其特征在于所述攝像裝置為全方位視覺傳感器，所述的全方位視覺傳感器包括垂直向下的外凸折反射鏡面、用以防止光折射和光飽和的黑色圓錐體、透明外罩、攝像單元以及固定支架，所述的外凸折反射鏡面位于透明外罩的上方，所述透明外罩安裝在固定支架上，外凸折反射鏡面朝下，黑色圓錐體固定在折反射鏡面外凸部的中心，攝像單元對著外凸反射鏡面朝上，所述的攝像單元位于外凸反射鏡面的虛焦點(diǎn)位置，所述攝像單元安裝在固定支架內(nèi)；所述的固定支架安裝在基座上；所述的微處理器還包括圖像展開處理模塊，用于將從全方位視覺傳感器讀進(jìn)來的圓形視頻圖像展開為前方視角、后方視角、左方視角以及右方視角分割的透視視頻圖像，通過透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P(i，j)求空間三坐標(biāo)中的A(X，Y，Z)，得到投影平面與空間三坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系式用公式(9)來表示X＝R*cosβ-i*sinβ(9)Y＝R*sinβ+i*cosβZ＝D*sinγ-j*cosγ(R＝D*cosγ+j*sinγ)上式中D為透視投影平面到雙曲面的焦點(diǎn)O m的距離，β角度是入射光線在XY平面上投影的夾角，γ角度是入射光線與雙曲面焦點(diǎn)的水平面的夾角，i軸是與XY平面平行的橫軸，j軸是與i軸和O m-G軸直角相交的縱軸；將上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)點(diǎn)代入公式(6)和(7)計算與透視投影平面的坐標(biāo)點(diǎn)P(i，j)相對應(yīng)的在成像平面上的P(x，y)點(diǎn)
2、 如權(quán)利要求1所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在于所述的透明外罩為透明圓柱體。
3、 如權(quán)利要求1所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在于所述的透明外罩呈碗狀，由半圓球和圓錐構(gòu)成，半圓球的球心與 雙曲面鏡的焦點(diǎn)重合，所述半圓球位于圓錐的下方，在半圓球部分的 半徑處與圓錐部分過渡。
4、 如權(quán)利要求l一3之一所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在于所述的微處理器還包括網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，用于將所獲得的現(xiàn)場視頻圖像、加工后的透視圖像以 視頻流的方式通過無線通信單元播放出去，傳輸?shù)街笓]中心或者其他
5、 如權(quán)利要求4所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在 于所述固定支架的下部設(shè)有一個外螺紋的下座，基座中部位置的上 部開有一個與所述下座相同大小的內(nèi)螺紋，所述的下座安裝到所述內(nèi) 螺紋，攝像單元的中心心位置處在全方位視覺傳感器的雙曲面鏡的虛 焦點(diǎn)位置。
6、 如權(quán)利要求5所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在 于所述的微處理器為采用嵌入式Limix系統(tǒng)的處理器。
7、 如權(quán)利要求6所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在 于所述攝像單元通過USB接口與微處理器連接，所述微處理器通過 USB接口與無線網(wǎng)卡連接。
8、 如權(quán)利要求4所述的具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，其特征在 于所述的無線通信單元中的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議采用IEEE802.16e標(biāo)準(zhǔn)， 釆用WiMAX通信技術(shù)。
全文摘要
一種具有全方位計算機(jī)視覺功能的警燈，包括警燈本體、基座、攝像裝置、微處理器及顯示器，攝像裝置為全方位視覺傳感器，其包括垂直向下的外凸折反射鏡面、黑色圓錐體、透明外罩、攝像單元以及固定支架，外凸折反射鏡面位于透明外罩的上方，外凸折反射鏡面朝下，黑色圓錐體固定在折反射鏡面外凸部的中心，攝像單元對著外凸反射鏡面朝上，攝像單元位于外凸反射鏡面的虛焦點(diǎn)位置，攝像單元安裝在固定支架內(nèi)；固定支架安裝在基座上。本發(fā)明使得執(zhí)法現(xiàn)場監(jiān)控的范圍更寬廣，獲取現(xiàn)場全景視頻圖像的手段更便捷，監(jiān)控多媒體傳輸手段更方便、更迅速。適用于裝備執(zhí)行偵查、警衛(wèi)、治安、交通管理的巡邏車、勘察車、護(hù)衛(wèi)車、囚車以及其他執(zhí)行職務(wù)的車輛。
文檔編號F21S8/10GK101201144SQ200710156638
公開日2008年6月18日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者何祖靈, 龐成俊, 湯一平, 陸海峰, 陳耀宇 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)