專利名稱：空間預估和徑向旋轉的方法和實現上述方法的系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及三維坐標系中目標點位置的估計，更具體地，涉及對攝像機視圖 中用戶所選擇的目標點位置的估計。本發明與數字測繪和地理信息系統技術特別相關，下 面就此方面對本發明進行描述。
背景技術：
對現場觀測員看到的目標點建立地圖坐標通常包括比較粗略的近似方法。一種現 有方法是三角測量法(triangulation)，其包含從已知位置以不同角度建立兩個或最好三 個重疊視圖，以建立兩個以上距離向量(根據所述距離向量的交點，可估計目標點的地圖 坐標)。結果可以人工轉換為地圖坐標或格柵坐標，或最好為可在地理編碼(geo-coded) 的電子地形圖表示的緯度值及經度值。另一種可選方法包括利用奧斯本裝置(Osborne Device)確定要定向的方位，并向目標點(例如表明火災大致位置的煙)傾斜/俯仰。上述現有方法耗費時間并占用了大量資源，卻僅提供初步準確性。一些專家提出 采用三角測量技術通常能達到的準確率大約是+/-300米的數量級，并且對于三角測量而 言，需要在理想條件(即，最佳能見度和采用至少3幅重疊視圖)用長達20分鐘或更久的 時間建立坐標。因此，需要提供一種改進方法來估計三維坐標系中的目標點位置，以解決現有方 法存在的至少一個問題。參照結合附圖進行的以下文字說明，本領域普通技術人員會清楚地了解本發明的 其它目的和優點。
發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用于估計三維坐標系中目標點位置的方法， 所述方法包括下列步驟(a)將攝像機轉向所述目標點，使所述目標點在攝像機視圖中可見；(b)檢索攝像機數據，所述攝像機數據包括所述三維坐標系中的攝像機位置、以 及含有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的攝像機方位；(c)查詢相關地形圖數據庫，沿著所述攝像機朝向來確定位于所述地形圖上的一 個或多個坐標，以形成第一數據集；(d)根據攝像機朝向及攝像機俯仰狀態，計算位于所述攝像機與所述目標點之間 的徑向平面上的一個或多個坐標，以形成第二數據集；(e)比較所述第一數據集與所述第二數據集，以確定一對匹配坐標；其中，所述匹配坐標表示所述目標點的三維坐標位置。所述攝像機視圖顯示在所述攝像機的遠程用戶終端提供的圖形用戶界面上。所述 攝像機可以是靜物照相機或更優選地是視頻攝像機。攝像機的位置可以是固定的，因而是 已知的；或者可以是動態的，如攝像機被安裝在正在行駛的車輛或飛機上的情況，在這種情況下該攝像機的位置是通過GPS或其他合適的裝置確定的，并通過服務器實時發送給用戶 終端。根據一個實施例，檢索攝像機數據的步驟包括下列步驟根據所述攝像機俯仰狀 態和左右擺動值來計算與所述目標點對應的攝像機朝向。該方法可以進一步包括下列步驟確定所述攝像機位置與所述目標點之間的高度 或海拔的差值以及水平距離，從而能夠驗證所述目標點的所述三維坐標位置。根據另一個實施例，位于所述攝像機與目標點之間的徑向平面上的一個或多個坐 標是沿所述徑向平面以預設間距計算的。更優選地，所述預設間距對應于可獲得的地形間距。根據又一個實施例，選擇目標點的步驟包括使攝像機轉向以選擇三個或更多點來 限定表示目標區域的多邊形；對于限定所述多邊形的每個點，該方法進一步包括重復步驟 (b)-(e)以估計限定所述目標區域的每個點的方位。可選地，選擇目標點的步驟包括選擇三個或更多點，來限定表示電子地形圖上的 目標區域的多邊形；并查詢所述地形圖數據庫來檢索與限定所述多邊形的每個點相對應的 地形圖坐標。該方法可以進一步包括下列步驟確定所述攝像機位置與限定所述多邊形的每個 點之間的高度或海拔的差值以及水平距離，從而能夠驗證限定表示目標區域的所述多邊形 的每個點的三維坐標位置。在本發明的一種形式中，該方法進一步包括下列步驟向用戶顯示標有與目標點 或限定表示目標區域的多邊形的三個點或更多個點相對應的三維坐標的地形圖。根據本發明的另一個方面，提供了一種用于使用戶所選攝像機對準位于三維坐標 系中的目標點的方法，所述目標點是用戶在地形形用戶界面上選擇的，該方法包括下 列步驟(a)從地形圖數據庫檢索所述目標點的三維坐標位置；(b)檢索攝像機數據，所述攝像機數據包括所述三維坐標系中的攝像機位置、以 及含有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的初始攝像機方位；(c)利用所述三維坐標系中的攝像機位置來確定所需要的攝像機方位，所需攝像 機方位包括所需要的攝像機朝向以及所需要的攝像機俯仰狀態，在該方位目標點將位于攝 像機視圖中；(d)向攝像機發送所需要的攝像機朝向與所需要的攝像機俯仰狀態，使所述攝像 機從初始攝像機方位調整為所需要的攝像機方位。根據本發明的又一個方面，提供了一種確定能夠對位于三維坐標系中的目標點提 供最佳視圖的攝像機的方法，所述目標點是用戶在電子地形圖上選擇的，該方法包括下列 步驟(a)從地形圖數據庫檢索所述三維坐標系中目標點的實際位置；(b)確定鄰近所述目標點的一臺或多臺攝像機；(c)為鄰近所述目標點的每臺攝像機檢索在所述三維坐標系中的攝像機位置；(d)查詢地形圖數據庫以檢索含有在地形圖上沿所述攝像機到所述目標點的攝像 機朝向的地形高程值的坐標；
(e)為鄰近所述目標點的每臺攝像機計算含有理論高程值的一系列理論坐標，所 述一系列理論坐標位于沿所述攝像機與所述目標點之間的徑向平面上；(f)比較所述地形高程值與所述理論高程值；其中，只有當所述理論高程值大于或等于所述地形高程值時，才能從所述攝像機 獲得所述目標點的清晰視圖；以及(g)對鄰近所述目標點的每臺攝像機重復步驟(d)-(f)，確定能夠獲得所述目標點清晰視圖的那些鄰近的攝像機。在一個實施例中，該方法進一步包括下列步驟計算含有提供目標點最佳視圖的 攝像機朝向及攝像機俯仰狀態的攝像機方位，并向所述攝像機發送所需要的攝像機方位， 使所述攝像機從初始攝像機方位調整到使所述目標點位于所述攝像機的攝像機視圖中所 需要的攝像機方位。當能夠從一臺以上鄰近所述目標點的攝像機獲得目標點的清晰視圖時，可以選擇 最接近所述目標點的攝像機來觀測所述目標點的位置。當不能從鄰近所述目標點的攝像機獲得目標點的清晰視圖時，則可以選擇對最接 近所述目標點的備選點提供清晰視圖的攝像機。本發明的一種形式中，攝像機具有坐標系中固定的位置。根據本發明的再一個方面，提供了一種用于估計三維坐標系中目標點位置的系 統，該系統包括(a)轉向目標點的攝像機，使用戶能夠在攝像機視圖中觀測到目標點；(b)用于存儲攝像機數據的第一數據庫，所述攝像機數據包括所述三維坐標系 中的攝像機位置、以及含有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的攝像機方位；(c)用于存儲電子地形圖數據的第二數據庫；(d)處理器，用于確定電子地形圖上沿攝像機朝向的一個或多個坐標以形成第一 數據集，并根據攝像機朝向與攝像機俯仰狀態，計算位于所述攝像機與所述目標點之間的 徑向平面上的一個或多個坐標，以形成第二數據集；其中，比較所述第一數據集與所述第二數據集，來確定表示所述目標點的三維坐 標位置的一對匹配坐標。優選地，該系統進一步包括圖形用戶界面，其將對應于所述目標點三維坐標的位 置顯示在電子地形圖上。更優選地，所述圖形用戶界面進一步顯示來自用戶所選攝像機的 視圖。
為了有助于理解本發明，下面參照附圖對本發明進行詳細說明。然而，附圖及其相 關說明的具體內容不應當理解為對所附權利要求所述的大多數本發明廣義目標的替代。圖1表示根據一個實施例實施本發明方法的示例系統。圖2表示實施本發明方法所需的關鍵要素的圖。圖3表示本發明核心程序的操作流程圖。圖4表示根據本發明一個實施例在目標模式下操作的方法流程圖。圖5表示根據圖4所示方法對目標點坐標的估計值進行驗證的方法。
圖6表示根據本發明一個實施例在地理柵欄(geo-fence)模式下操作的方法流程 圖。圖7表示根據本發明的一個實施例在反向查詢模式下操作的方法流程圖。圖8表示根據本發明的一個實施例在虛擬三角測量模式下操作的方法流程圖。圖9表示根據本發明的一個實施例對系統校準的方法流程圖。圖10表示圖1中的計算機使能系統(computer-enabled system)的各種功能部 件的原理圖。
具體實施例方式首先見圖1，其表示用于實施本發明方法的示例系統100。該系統采用單個攝像機 視圖結合空間數據以確定通過攝像機鏡頭觀測到的目標點在地圖上的位置，例如，火災或 物體的位置。系統100包括位于現場的一臺或多臺攝像機110、提供圖形用戶界面130的用 戶終端120、以及與服務器150和用戶終端120通信的數據庫140。一臺或多臺攝像機110、 用戶終端120和服務器150由合適的通信網絡160比如因特網或專用網絡互聯。圖形用戶界面130向用戶顯示標有目標點空間位置的電子地形圖，即電子地形圖 及現場的攝像機所捕捉的視圖顯示了目標點在現實世界的位置。一般含有地形圖數據的空間數據可以是可購買到的緯度、經度以及高度或海拔形 式的地形圖數據(保存為to，y，z)，并從用戶終端120通過有關管理機構(例如維多利亞地 區(Land Victoria))遠程保存到數據庫140中。對數據庫140中存儲的空間數據的查詢 是由用戶通過用戶終端120啟動的。用戶采用圖形用戶界面130上提供的攝像機觀測功能 和控制器，使攝像機鏡頭朝向目標點(下文也稱之為“Ρ0Ι”)。同時，空間數據可以遠程地 保存到數據庫140中。應當理解，用戶終端120也可以用任何其它便捷方式(比如⑶-ROM 或其他移動數據存儲器或非移動數據存儲器)本地或遠程訪問上述數據。本發明的系統采用攝像機視圖的圖形用戶界面上提供的攝像機控制器(例如左 右擺動、俯仰狀態和變焦(下文也稱之為“PTZ “控制))以及電子地形圖來控制系統的輸 入。根據攝像機的位置和方位，系統從攝像機提取朝向數據和俯仰數據，并將上述數據以及 與攝像機同一朝向或方位的高程數據(可從表示攝像機位置的三維坐標得知該高程數據) 一起處理，從而建立攝像機的軌跡(如圖2中的徑向平面230所示)與地形或地勢交叉的 點。為了在電子地形圖上顯示，該交叉點最好表示為緯度/經度/高度格式。網絡中的其它攝像機可用來配合和/或驗證從單個攝像機視圖得到的數據，以提 供誤差校驗和/或提高精度。此點在能見度差的情況下和/或當目標點被遮擋時是特別有 利的。在上述情況下，可在鄰近所述目標點的攝像機的重疊視圖之間結合虛擬三角測量，以 確定對目標點的可選及最佳的攝像機視圖。為了利用單個攝像機視圖建立目標點位置，攝像機位置三維坐標(“元組”)必須 是已知的。相應地，所有固定的攝像機或運動的攝像機的位置將是已知的并以Cx，y，z的格 式存入攝像機數據庫。對于具有動態位置的運動攝像機，即對于安裝在正在行駛的車輛或 飛機上的攝像機而言，利用定位系統比如GPS或類似裝置確定攝像機位置對應的坐標，并 且向服務器實時發送上述坐標。現場攝像機可以被校準至正北方位(方位角)，并被水平設 置在水平徑向平面上。為此，采用具有Calx，y，ζ格式的已知測量點、或者已預設或已知位置坐標的陸標來校準現場攝像機。概括說來，本發明的系統可在四種不同模式操作1.目標模式操作——用戶采用攝像機(PTZ)控制器使攝像機轉向，直到目標點大致位于攝像 機視圖的中心，所述攝像機視圖在圖形用戶界面上顯示為靜止圖片或視頻圖像。然后，用戶 通過圖形用戶界面啟動“目標”處理程序。結果——在電子地形圖上產生對應于目標點位置(P01x，y，z)的電子標記和坐標。2.地理柵欄(GE0-FENCE)模式操作——用戶選擇至少三個點形成限定目標區域的多邊形。其中可包括用戶利用 攝像機(PTZ)控制使攝像機轉向限定目標區域的多邊形的每個點，和/或用戶可通過在地 圖上直接進行一系列鼠標點擊從而在電子地形圖上形成限定目標區域的多邊形。當實際目 標點被遮擋而無法從視線直線方向觀測時，限定上述目標區域是有用的。結果——在電子地形圖上產生高亮區域或陰影區域(多邊形)，以及限定該多邊 形的每個點所對應的坐標。3.反向查詢模式操作——用戶通過在電子地形圖上直接點擊來選擇在該地圖上的一臺或多臺攝 像機以及目標點。結果——電子標記被設置在該電子地形圖上，向選中的攝像機自動發送所需攝像 機方位，使一臺或多臺攝像機轉向，從而使目標點出現在攝像機視野中。然后，在圖形用戶 界面上向用戶顯示來自每臺攝像機的圖像。4.虛擬三角測量模式操作——用戶選擇至少一臺攝像機和一個目標點，系統確定哪一臺或哪幾臺攝像 機提供對該目標點的最佳視角。然后，可以控制具有該最佳視角的攝像機朝向該點或目標 區域。結果——向用戶提供該目標點的最佳視圖。確定該最佳攝像機視圖，并在圖形用 戶界面上與屏幕標記一并顯示給用戶。此外，對重疊的攝像機視圖位置的點或電子地形圖 上軌跡相交處的點進行計算，并以VTx，y, ζ格式顯示。下面結合附圖2-8詳細說明上述模式。首先見圖2，攝像機210設置為面向目標點(POI) 220，從而可以從攝像機視圖中看 到該目標點。然后，系統檢索已知的攝像機位置坐標(Cx，y，ζ)，并向該攝像機查詢攝像機 方位數據(Cp，t，z)。所述攝像機方位數據(Cp，t，z)用來提供攝像機210的朝向或方位以 及俯仰狀態，使系統能夠確定位于攝像機210以及目標點220之間的徑向平面230或攝像 機軌跡(也就是“直角三角形的斜邊”)。位于攝像機210和目標點220之間、與攝像機同一朝向并且在地形或地勢上的已 知地形坐標，是從地形圖數據庫檢索到的。這些坐標形成含有已知坐標(Gx，y，ζ) 240的第
一數據集。在與攝像機同一朝向、并沿著攝像機210與目標點220之間的徑向平面230計算 第二數據集的臨時坐標250(IP0Ix，y，ζ)。沿徑向平面230以預設和優選的規定間距計算 所述臨時坐標(IPOIx，y，ζ)。例如，該間距可以對應于可從地形圖數據庫得到的原始地形間距(即，已知坐標(Gx, y，ζ) 240之間的距離)。現在參照圖3，用核心程序或子程序計算和比較所述第一數據集與所述第二數據 集(即，檢索到的已知坐標(Gx，y，z)與計算出的臨時坐標(IP0Ix，y，z)，尤其是高程數據 (IPOIz和( ))。所述子程序包括在步驟310根據攝像機方位數據(Cp，t，ζ)計算徑向平 面230的斜率，在步驟320設定要處理的最大距離(d)(見圖幻。在步驟330，從地形圖數 據庫檢索與攝像機同一朝向上的已知坐標位置(Gx，y，ζ)。在步驟340，對每組已知坐標(Gx，y，ζ)計算其與起點(即攝像機位置Cx，y，ζ)的 距離，并利用徑向平面的斜率計算在相同的Gx，y位置的臨時坐標的理論高程值(IPOIz)。 假設沿著與攝像機相同運動方向如徑向平面的每個點的X，y位置是容易推算的(即Gx，y 與IPOIx，y匹配)，則本發明特別關心的即為ζ坐標或高程值。因而，在步驟350，對每個x， y位置的比較基本成為已知高程值(Gz)與計算出的理論高程值(IPOIz)的比較。當發生匹 配時(S卩，( = IPOIz),即確定實際目標點(POI)的x，y，z坐標。正是在該點處徑向平面 (或攝像機軌跡)與地形或地勢相交。然后，在步驟360，系統記錄上述X，y, ζ坐標并保存 為實際的P01x，y，z坐標。可以預設“命中”和“幾近命中(near miss) ”閾值來記錄匹配，從而使( 與IPOIz 的差值不必為精確的0值就能構成匹配。在“命中”閾值內的匹配被記錄為匹配。不匹配 則被記錄為“幾近命中”。現在參照圖4，該圖表示描述在“目標”模式下估計目標點位置的方法流程圖。在 步驟410，通過定位攝像機來選擇目標點，從而在攝像機視圖中可以觀測到目標點。在步驟420，一旦該目標點位于攝像機視圖中，用戶通過圖形用戶界面啟動“目標” 模式中的估計程序。然后，系統在步驟430檢索已知的攝像機位置坐標(Cx，y，z)，并在步 驟440向該攝像機查詢攝像機方位數據(Cp，t，z)。在步驟450，將攝像機方位數據(Cp，t， ζ)轉換為度數并進行校準修正，以提供攝像機的朝向或方位以及俯仰狀態。然后在步驟460，系統運行如圖3所示的核心程序，以計算和比較第一數據集與第 二數據集。在步驟470，如果核心程序返回“命中”，即匹配，其中( 與IPOIz的差值為0或 在定義“命中”的預設閾值內，則在步驟480向地形圖數據庫查詢任何相關數據比如街道地 址或其它空間數據，并且在步驟490系統記錄X，y，ζ坐標并保存為實際的POI坐標(POIx， y，ζ)。現在參照圖5，在步驟510，利用攝像機位置Cz與目標點POIz之間高度或高程的 差值，計算徑向平面的長度(I)(即直角三角形的斜邊)以及攝像機與目標點的水平間距 (d)，可以驗證實際目標點坐標P01x，y，z的估計值(也可以參見圖2)。上述變量用于驗證 攝像機俯仰狀態，并確定偏差都在容許的誤差范圍內。也可以采用其它三角檢驗法來進一 步驗證數據。現在參照圖6，如果用戶選擇目標區域(其可能包圍目標點或其它物體)，則在“地 理柵欄”模式下操作系統可以獲得該目標區域位置的估計值。用戶通過選擇至少三個點 來限定可以包圍目標點的多邊形或簡單限定感興趣的一般區域，來選定目標區域。在步驟 610，用戶利用如圖4所示的攝像機視圖功能和/或通過在電子地形圖上點擊鼠標，可以選 擇限定多邊形的多個點。在步驟620，用戶通過圖形用戶界面啟動“地理柵欄”模式下的程 序。
如果用戶通過在電子地形圖上進行一連串鼠標點擊，來選擇限定多邊形的多個點 中的一個點或多個點，每次鼠標點擊會向地形圖數據庫查詢對應于限定目標區域的每個點 的已知坐標(Gx，y，z)。對于限定目標區域的多邊形的任何一個點或多個點(這些點是通過使攝像機轉 向以標注構成該多邊形的一部分來確定的)而言，系統在步驟630檢索攝像機位置數據 (Cx, y，ζ)，并在步驟640向攝像機查詢相應的攝像機方位或偏移數據(Cp，t，ζ)。在步驟 650，將攝像機方位數據(Cp，t，ζ)轉換為度數并進行校準修正，以提供攝像機的朝向及俯 仰狀態。然后在步驟660，系統運行如圖3所示的核心程序，計算和比較對應于限定多邊 形的第一個點的第一數據集與第二數據集。在步驟670，對所述第一數據集與第二數據集 (艮P，檢索到的已知坐標Gx，y，ζ與計算出的臨時坐標(IPOIx，y，ζ)進行比較。當發生匹 配，限定多邊形的第一個點的x，y，z坐標即被確定(即P01x，y，z)，并在電子地形圖上設置 相應的標記。對限定多邊形的剩余的每個點都重復上述步驟。然后，在圖形用戶界面所提 供的電子地形圖上，完成的多邊形以陰影區域或高亮區域向用戶顯示。現在參照圖7，“反向查詢”模式使用戶能夠把在步驟710為參與“反向查詢”會話 而選擇的一臺或多臺攝像機朝向用戶在步驟720選擇的目標點。利用鼠標選點來選定上述 目標點。可選地，可以通過輸入物理地址(例如，街道地址)來選擇一個點。然后，在步驟 730，系統從地形圖數據庫檢索對應于目標點位置的已知坐標(即，Gx，y，ζ = POIx, y，ζ)。在步驟740，對于參與“反向查詢”會話的每臺攝像機，系統檢索所選攝像機的攝像 機位置數據(Cx，y，ζ)以及當前的攝像機方位數據(Cp，t，ζ)。在步驟750，利用目標點的 已知坐標(POIx，y, ζ)和攝像機位置(Cx，y, ζ)，系統計算所需攝像機方位，即所需攝像機 朝向與攝像機俯仰狀態，以使攝像機轉向目標點。在步驟760，向攝像機發送所需攝像機方 位，使攝像機從其當前方位變換為朝向目標點。現在參照圖8，“虛擬三角測量”模式基于目標點的最佳視線向用戶提供最佳的攝 像機視圖。在步驟810，用戶選擇主攝像機并啟動“虛擬三角測量”模式。在步驟820，目標 點被用戶選定。在步驟830，系統查詢地形圖數據庫以便從地形圖數據庫檢索對應于目標點的已 知坐標WP，Gx，y，Z = P0Ix，y，Z)。然后，系統查詢攝像機數據庫以確定哪些攝像機離目 標點最近，或可選地，用戶可以手動選擇與主攝像機鄰近的一臺或多臺攝像機來參與虛擬 三角測量會話。在攝像機備選列表中，用戶選擇或系統選擇的鄰近所述目標點的攝像機被 標記為虛擬三角測量的成員。在步驟840，對于每臺參與的攝像機，系統利用已知的攝像機位置(Cx，y，ζ)和檢 索到的目標點已知坐標(P01x，y，z)(即在步驟830獲得)來計算所需攝像機方位，并執行 如圖3所示的理論核心程序，從而計算并比較第一數據集與第二數據集。在步驟860，根據 核心程序產生的“命中”與(在步驟830獲得的Gx，y，ζ格式的)P0Ix，y，ζ之間的距離，系 統對攝像機備選列表進行排序，從而使攝像機備選列表的第一個就是提供最接近結果的攝 像機。在步驟870，系統計算使攝像機備選列表中的第一臺攝像機轉向目標點所需要的攝像 機方位。在步驟880，把所需攝像機方位發送至攝像機，使該攝像機從其當前方位調整為朝 向目標點。
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當“命中”結果與(在步驟830獲得的Gx，y，ζ格式的)POIx, y，ζ發生匹配時，該 攝像機被視為具有對目標點的“清晰視線”。對于可以從一臺以上鄰近目標點的攝像機清楚 地看到目標點的情形，可以選擇最接近目標點的攝像機來觀測目標點的位置。可選地，當系統在虛擬三角測量模式操作時，可以在電子地形圖上提供每臺攝像 機與目標點之間的跡線(其表示該攝像機的朝向或方位)。上述跡線向用戶提供可視向導， 從而能夠對系統確定的目標點坐標進行進一步檢驗，其中目標點應當位于跡線的交點。系 統還具有傳統三角測量法的特點根據兩臺或多臺攝像機的跡線或軌跡的交叉來計算和顯
7j\ POIx, γ, ζ。現在參照圖9，系統具有試圖建立攝像機相對正北偏移量(offset-to-north)的 交互校準功能，以彌補現場每臺攝像機在安裝方面的不足或其它任何可能會影響攝像機水 平對準方面的不足。其目的是為了使現場或區域中所有攝像機都校準至正北方向，并平放 在水平徑向平面上。對應于已知陸標或校準點的位置的經度/緯度/高度數據按Callx，y, ζ、Cal2x, y，ζ等格式輸入系統的數據庫。當攝像機轉向觀測數據庫中保存的上述陸標時，每臺攝像 機需要與其有關的至少兩個校準點以及相應的攝像機方位。校準程序包括首先，在步驟910，系統使攝像機轉向以觀測校準點Call。然后，在 步驟920，提示用戶根據需要稍加調整(利用PTZ控制器)，以確保攝像機視圖完全捕獲并 被集中于校準點Call的陸標。在步驟930，一旦用戶確認攝像機直接瞄準Call，則向該攝 像機查詢攝像機方位數據(Cp，t，ζ)。然后，在步驟940，使攝像機轉向以觀測校準點Cal2。在步驟950，提示用戶根據 需要稍加調整(利用PTZ控制)，以確保攝像機視圖完全捕獲并被集中于校準點Cal2的陸 標。在步驟960，一旦用戶確認攝像機直接瞄準Cal2，向該攝像機查詢攝像機方位數據(Cp，
t, Ζ) O然后，在步驟970計算攝像機相對正北的偏移量。校準程序利用攝像機位置(Cx， 1，ζ)和至少一個已知的校準點位置(例如，Callx, y，ζ和/或Cal2x，y，ζ)建立攝像機與 校準點之間的格柵方位。系統計算下列兩值之差(a)攝像機的位置與校準點之間的前方 位角；(b)當攝像機轉向校準點時攝像機的左右擺動值。這樣為攝像機確立相對正北的偏 移量。優選地，利用一個以上校準點并對結果求平均來確定相對正北的偏移量。在步驟980，當設置攝像機觀測校準點時，通過比較從攝像機至校準點的期望傾斜 角與攝像機報告的實際傾斜角/俯仰角，來計算需要施加的所需俯仰補償量。然后，根據期 望傾斜角與攝像機在兩個校準點報告的俯仰角的差值，系統確定對于每單位左右擺動量需 要調整的俯仰量。計算出徑向平面中需要施加的俯仰補償量等于0的兩點，并稱之為0交 點O在步驟990，系統將計算結果保存為新的校準數據。系統100可以采用硬件、軟件或軟硬件結合的方式運行，并可以運行在一個或多 個計算機系統或處理系統上。尤其，用戶終端120及其圖形用戶界面130以及服務器150 的功能，可以用一個或多個能夠執行上述功能的計算機系統實現。上述計算機系統如圖10所示。在該圖中，例舉的計算機系統1000包括一個或多 個處理器，比如處理器1005。處理器1005連接到通信基礎設施1010。計算機系統1000可以包括顯示接口 1015，顯示接口 1015將來自通信基礎設施1010的圖像、文字及其它數據 傳送到顯示單元1020。計算機系統1000還可以包括主存儲器1025，優選隨機存取存儲器 (RAM)，還可以包括輔助存儲器1030。輔助存儲器1030可以包括，例如，硬盤驅動器1035、磁帶驅動器、光盤驅動器等 等。移動存儲驅動器1040以已知方式對移動存儲單元1045進行讀和/或寫。移動存儲單 元1045表示軟盤、磁帶、光盤等等。應當理解，移動存儲單元1045包括計算機可用存儲介質，該計算機可用存儲介質 含有內部存有一系列指令形式使處理器1005執行所需功能的計算機軟件。在可選實施例 中，輔助存儲器1030可以包括允許將計算機程序或指令裝入計算機系統1000的其它類似 裝置。上述裝置可包括，例如移動存儲單元1050和接口 1055。計算器系統1000還可包括通信接口 1060。通信接口 1060允許在計算器系統1000 與外設之間傳輸軟件及數據。通信接口 1060的例子可包括調制解調器、網絡接口、通信端 口、PCMCIA插槽及PCMCIA卡等等。通過通信接口 1060傳輸的軟件和數據是如下形式的信 號1065:電磁、電、光或能夠被通信接口 1060接收的其它形式的信號。上述信號通過通信 路徑1070(如導線或電纜、光纖、電話線、移動電話鏈路、射頻或其它通信信道)傳輸至通信 接口 1060。盡管在上述實施例中本發明主要是用計算機軟件實現的，在其它實施例中本發明 也可以用硬件實現，例如硬件元件(如專用集成電路(ASIC))。相關領域的技術人員清楚地 了解如何執行硬件狀態機以實現在此描述的功能。在其它實施例中，本發明可以用軟硬件 結合的方式實現。現場中目標點坐標的估計值可以由其他特征補充。例如，在利用估計目標點位置 的系統來估計著火位置時，該系統可以進一步包括如下裝置，用于通過網絡、短信(SMS)、 email、音頻或在線聊天或語音通信的方式將著火位置電子地通知大家(例如，消防隊或公 眾)，并根據系統產生的導航數據為現場人員計算路線(例如，根據現場人員或公眾、目標 點的當前位置，將往返目標點的路線發送給現場人員或公眾)。還可以將其他空間數據、天 氣、衛星照片或數據、閃電探測用作系統的輸入信息。本發明的系統使不具備測繪或三角測量法專業知識的、完全沒有經過專業訓練的 用戶能夠啟動程序，并在幾秒鐘內用單個攝像機得出精確結果。該程序提高了對位置估計的精度水平和速度，大大降低了進行上述操作所需要的 人力資源技術水平，并使處理時間從傳統技術的分鐘級別(通常是15-20+分鐘或更久)縮 短至幾秒鐘。盡管本發明是結合有限個實施例描述的，本領域技術人員應當理解，也可以對前 面的描述進行各種替換、修改或變型。相應地，本發明旨在涵蓋可落入本發明公開的精神和 保護范圍內的所有替換、修改和變型。
權利要求
1.一種用于估計三維坐標系中目標點位置的方法，所述方法包括下列步驟(a)將攝像機轉向所述目標點，使所述目標點在攝像機視圖中可見；(b)檢索攝像機數據，所述攝像機數據包括所述三維坐標系中的攝像機位置、以及含 有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的攝像機方位；(c)查詢相關地形圖數據庫，沿著所述攝像機朝向以確定地形圖上的一個或多個坐標， 以形成第一數據集；(d)根據攝像機朝向與攝像機俯仰狀態，計算位于所述攝像機與所述目標點之間的徑 向平面上的一個或多個坐標，以形成第二數據集；(e)比較所述第一數據集與所述第二數據集，以確定一對匹配坐標；其中，所述匹配坐標表示所述目標點的三維坐標位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述檢索攝像機數據的步驟包括下列步驟根據 所述攝像機俯仰狀態和左右擺動值來計算與所述目標點對應的攝像機朝向。
3.根據權利要求1或2所述的方法，進一步包括下列步驟確定所述攝像機位置與所 述目標點之間的高度或海拔的差值以及水平距離，從而能夠驗證所述目標點的所述三維坐 標位置。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的方法，其中位于所述攝像機與目標點之間的徑向 平面上的一個或多個坐標是沿所述徑向平面以預設間距計算的。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述預設間距對應于可獲得的地形間距。
6.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其中選擇目標點的步驟包括使攝像機轉向 以選擇三個或更多點來限定表示目標區域的多邊形；對于限定所述多邊形的每個點，該方 法進一步包括重復步驟(b)-(e)以估計限定所述目標區域的每個點的方位。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的方法，其中選擇目標點的步驟包括選擇三個或 更多點，來限定表示電子地形圖上的目標區域的多邊形；并查詢所述地形圖數據庫來檢索 與限定所述多邊形的每個點相對應的地形圖坐標。
8.根據權利要求6或7所述的方法，進一步包括下列步驟確定所述攝像機位置與限 定所述多邊形的每個點之間的高度或海拔的差值以及水平距離，從而能夠驗證限定所述目 標點所在的所述多邊形的每個點的三維坐標位置。
9.根據權利要求6、7或8所述的方法，進一步包括下列步驟向用戶顯示標有與目標 點或限定所述目標點所在的多邊形的三個點或更多點相對應的三維坐標的地形圖。
10.一種用于使攝像機對準位于三維坐標系中的目標點的方法，所述目標點是用戶在 地形形用戶界面上選擇的，該方法包括下列步驟(a)從地形圖數據庫檢索所述目標點的三維坐標位置；(b)檢索攝像機數據，所述攝像機數據包括所述三維坐標系中的攝像機位置、以及含 有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的初始攝像機方位；(c)利用所述三維坐標系中的攝像機位置來確定所需要的攝像機方位，所述所需要的 攝像機方位包括所需要的攝像機朝向以及所需要的攝像機俯仰狀態，在該方位目標點將位 于攝像機視圖中；(d)向攝像機發送所需要的攝像機朝向與所需要的攝像機俯仰狀態，使所述攝像機從 初始攝像機方位調整到所需的攝像機方位。
11.一種確定能夠對位于三維坐標系中的目標點提供最佳視圖的攝像機的方法，所述 目標點是用戶在電子地形圖上選擇的，該方法包括下列步驟(a)從地形圖數據庫檢索所述三維坐標系中的目標點的實際位置；(b)確定與所述目標點鄰近的一臺或多臺攝像機；(c)為鄰近所述目標點的每臺攝像機檢索在所述三維坐標系中的攝像機位置；(d)查詢地形圖數據庫以檢索含有在地形圖上沿所述攝像機到所述目標點的攝像機朝 向的地形高程值的坐標；(e)為鄰近所述目標點的每臺攝像機計算一系列理論坐標，包括沿所述攝像機與所述 目標點之間的地形圖上的理論高程值；(f)比較所述地形高程值與所述理論高程值；其中，只有當所述理論高程值大于或等于所述地形高程值時，才能從所述攝像機獲得 所述目標點的清晰視圖；以及(g)對鄰近所述目標點的每臺攝像機重復步驟(d)-(f)，確定能夠獲得所述目標點清 晰視圖的那些鄰近的攝像機。
12.根據權利要求11所述的方法，其中該方法進一步包括下列步驟計算含有提供目 標點最佳視圖的攝像機朝向及攝像機俯仰狀態的攝像機方位，并向所述攝像機發送所需要 的攝像機方位，使所述攝像機從初始攝像機方位調整至使所述目標點位于所述攝像機的視 圖中所需要的攝像機方位。
13.根據權利要求11或12所述的方法，其中當能夠從一臺以上鄰近所述目標點的攝像 機獲得目標點的清晰視圖時，選擇最接近所述目標點的攝像機來觀測所述目標點的位置。
14.根據權利要求11或12所述的方法，當不能從鄰近所述目標點的攝像機獲得目標點 的清晰視圖時，選擇對最接近所述目標點的備選點提供清晰視圖的攝像機。
15.根據前面權利要求中任一項所述的方法，其中所述攝像機具有坐標系中固定的位置。
16.一種用于估計三維坐標系中目標點位置的系統，該系統包括(a)轉向目標點的攝像機，使用戶能夠在攝像機視圖中觀測到目標點；(b)用于存儲攝像機數據的第一數據庫，所述攝像機數據包括所述三維坐標系中的 攝像機位置、以及含有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的攝像機方位；(c)用于存儲地形圖數據的第二數據庫；(d)處理器，用于確定地形圖上沿攝像機朝向的一個或多個坐標以形成第一數據集，并 根據攝像機朝向與攝像機俯仰狀態，計算位于所述攝像機與所述目標點之間的徑向平面上 的一個或多個坐標，以形成第二數據集；其中，比較所述第一數據集與所述第二數據集，來確定表示所述目標點的三維坐標位 置的一對匹配坐標。
17.根據權利要求16所述的系統，進一步包括地形圖界面，對應所述目標點的三維坐 標位置在所述地形圖界面上向用戶顯示。
18.一種用于估計三維坐標系中目標點位置的系統，該系統包括處理器和相連的存儲 器，所述存儲器用于存儲一系列指令使所述處理器執行如權利要求1-15中任一項所述的方法。
19.一種用于估計三維坐標系中目標點位置的系統中的計算機軟件，所述系統包括處 理器和相連的存儲器，所述存儲器用于存儲具有一系列指令的計算機軟件以使所述處理器 執行如權利要求1-15中任一項所述的方法。
20.一種基本如上文所述的、與附圖所示任一個具體實施例有關的、用于估計三維坐標 系中目標點位置的方法。
全文摘要
本發明提供一種用于估計三維坐標系中目標點位置的方法。該方法包括下列步驟將攝像機轉向所述目標點，使所述目標點在攝像機視圖中可見；檢索攝像機數據，所述攝像機數據包括在三維坐標系中的位置，以及含有攝像機朝向與攝像機俯仰狀態的攝像機方位；查詢相關地形圖數據庫，沿著所述攝像機朝向來確定地形圖上的一個或多個坐標，以形成第一數據集；根據攝像機朝向及攝像機俯仰狀態，計算位于攝像機與目標點之間的徑向平面上的一個或多個坐標，以形成第二數據集；比較第一數據集與第二數據集，以確定一對匹配坐標；其中，該匹配坐標表示目標點的三維坐標位置。本發明還提供實現上述方法的系統和軟件。
文檔編號G06T7/00GK102119402SQ200980131399
公開日2011年7月6日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年6月16日
發明者西蒙·蘭登 申請人:Eyefi研發有限公司