本发明涉及计算机路径规划领域，特别涉及基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法。
背景技术：
ptz摄像头：一种带有两个方向(水平方向、竖直方向)转动云台并且可以进行变倍/变焦的摄像头，在发明中提及的ptz摄像头还内置适当的软硬件，能够进行特定的图形标记识别。ptz坐标：当ptz摄像头对准一个物体并确保其在画面正中时，ptz摄像头的两个电机(横向与纵向)所处的角度，这两个电机的角度确定了一个二元组(x,y)。ptz路径点：定义了一个ptz坐标和在ptz摄像头在对准该坐标时的画面放大倍数t，因此ptz路径点是一个三元组(x,y,t)。ptz摄像头的拍摄目标可以在两个ptz路径点(x1,y1,t1),(x2,y2,t2)之间移动，大致保持电机从(x1,y1)匀速直线运动到(x2,y2)位置，而放大倍数由t1均匀地变化为t2，在这个过程中ptz的变焦是自动的，因此该过程可以视为是全程画面清晰的。ptz路径：多个ptz路径点组成的有序集合，ptz摄像头的拍摄目标按照顺序在这些路径点之间移动，从而达到对一个区域进行扫描的效果。
在一个场地如教室中部署摄像头，用摄像头获得场地内视频图像，从图像中扫描并识别人脸是一个新型的应用。场地尺寸较大时普通摄像头无法再画面中呈现全部人员的图像。ptz摄像机通过内部电机运动改变拍摄角度和放大倍数，从而能够清晰的采集到更广、更远范围的人物图像，实现在这些宽大场地下的完整图像采集。
ptz摄像头提供了移动功能，但需要对移动进行控制。在现有技术下，一些ptz技术方案采用手工的方式定义其移动行为。具体地，通过提供网络接口实现人工设定若干个有顺序的ptz路径点。ptz通过对路径点组成的扫描路径移动实现对教室的覆盖扫描。这种方式的问题是安装部署效率低下，例如有多个规格不同的场所，则需要对每一个场所进行手动设定，每一次设定花费几到十几分钟。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，实现控制ptz对教室的自动扫描。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，包括以下步骤：
获取教室尺寸；
根据教室尺寸和预制的教室布置参数生成每一排课桌的位置点，将这些点转换为ptz路径点，连接所有ptz路径点生成扫描路径。
具体的，本发明获取教室尺寸时可采用以下两种方式：
1、设置标志物，利用ptz摄像头的图像处理功能感知教室的尺寸，该方式适用于未知教室尺寸的情况。
2、通过ptz摄像头提供的接口设定教室尺寸，该方式适用于已知教室尺寸的情况。
进一步的，本发明利用ptz摄像头的图像处理功能感知教室的尺寸的具体步骤包括：
利用ptz摄像头拍摄教室墙壁上的标志物，并提取摄像头在拍摄时的镜头参数，其中ptz摄像头和标志物需分别位于两个相对的墙壁上。一种优选的方式是，ptz安装在教室前方墙壁，标志物粘贴在教室后方墙壁，这样ptz可以兼顾扫描学生面部的工作，降低成本。此处所述教室前方的墙壁是指学生上课时统一面向的墙；
基于上述的镜头参数、标志物的物理参数、标志物之间的位置关系以及ptz摄像头与标志物之间的位置关系，计算出教室尺寸。
具体的，所述标志物可包括一个用于计算教室长度的定长标志物和一对用于计算教室宽度的示宽标志物；其中，定长标志物设置在竖直方向正对ptz摄像头的位置，一对示宽标志物分别位于墙壁的最左侧和最右侧。为了便于计算，一种优选的方式是，所述定长标志物为长条形标志物，且定长标志物的长度方向平行于水平线；且两个示宽标志物距离地面的高度相同。
具体的，所述镜头参数包括定长标志物在ptz摄像头视频流中的图形像素尺寸、当前画面的放大倍数、当前镜头的等效焦距、摄像头感光元件在水平方向的物理长度、摄像头感光元件在在水平方向的总像素数量以及两个示宽标志在ptz摄像头的中像素距离；
所述教室布局参数可包括第一排课桌距离正面墙壁的距离、ptz摄像头的安装高度、课桌排间距和典型的学生坐姿下面部高度。
进一步的，为保证ptz的扫描效果，本发明将ptz摄像头部署在学生面向的位置，例如主讲人/讲台所处的位置，且设置的高度和位置满足在室内人员在面向前方时，ptz摄像头能够采集到角度较合理、适于人脸特征化算法的人脸图像。通常情况下，主讲人/讲台一般在教室前方墙壁的水平正中间，因此本发明可将ptz摄像头安装在教室前方墙壁的水平正中且竖直偏上的位置；如果主讲人/讲台偏离了教室前方墙壁的水平正中点，例如水平偏左，则需进行相应的偏离设置，即将ptz摄像头安装在教室前方墙壁的水平偏左且竖直偏上的位置。
进一步的，利用教室尺寸和预设教室布局参数计算ptz路径点的步骤包括：
根据教室的长度与预设教室布局参数中的课桌布局计算一系列距离ptz摄像头由近及远的排。这些排是一系列直线段，每一排平行于ptz安装的墙壁并与地面保持预设的高度，相邻的排保持预制的间距。当ptz摄像头安装在教室前方墙壁的水平正中时，ptz到每一排的左右端点等距，排的长度是测量得到的教室宽度。由此确定每一排的两侧端点的位置，结合预设教室布局参数中定义了ptz的安装位置计算出每排的端点与ptz保持的相对位置，最终由相对位置计算出对应的ptz路径点。如图5所示，ptz将各排端点对应的ptz路径点先逐排连接，再交替连接相邻排的侧端的路径点，形成一条连接所有ptz路径点的路径。
进一步的，在每一排从一个端点出发到另一个端点每隔一段距离选择一个位置点，结合ptz摄像头的安装位置计算出中间位置点与ptz水摄像头保持的相对位置，由相对位置计算出中间位置点对应的ptz路径点。相邻中间位置点的间隔距离是预先设定的，距离越小则生成的位置点越多，反之越少。在生成ptz路径时，将所有这样选取的位置点都转换计算为ptz路径点，这使得ptz的扫描更加精确。
优选的，如果ptz摄像头安装位置偏离教室前方墙壁水平正中，且偏离距离在一定范围内，则在每一排位置点时，可将左右端点向外侧移动一定距离。即按照比输入/测量的教室宽度更大一些的宽度去生成每一排及其上的位置点。用这样位置点生成的ptz路径点形成的路径进行扫描时ptz能够保证覆盖整个教室的空间。
优选的，如果生成的相邻两排扫描路径中，一排位于另一排对应ptz摄像头的景深范围内，则省略其中一排，或者将两排合并为一排位于两者中间的排，进而得到更少的ptz路径点，最终简化生成的ptz路径。
本发明的有益效果：本发明通过获取教室尺寸，并根据教室尺寸和预制的教室布置参数生成每一排课桌的位置点，将这些点转换为ptz路径点，连接所有ptz路径点从而自动生成扫描路径，使得ptz摄像头具备自行规划路线的能力，有效的解决了目前无法自动对教室进行扫描路径规划的问题。其中，组合ptz路径点时将同一排路径点连接起来，可以减少在路径中运动时的变焦，因为同一排路径点对应教室中的空间点到ptz的距离是大致相等的。减少变焦意味着减少机械磨损，提高设备寿命。
同时针对未知教室尺寸的情况，本发明通过在教室内部署一些已知尺寸的图形标志，让ptz摄像头感知这些标志，自动计算出教室大致的尺寸，最终ptz根据教室尺寸生成一个可用的扫描路径，极大减小了人的安装部署工作量。
ptz预制的教室布局符合国家标准，因此在实际的教室中人脸总是出现在ptz预估的位置点附近。当ptz沿着ptz路径点移动并逐帧处理时，能够保证教室内的人脸出现在某一个预估位置点的景深范围内，从而保证教室内人脸完整、清晰的采集效果。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2a-2c是一种优选方式下的ptz摄像头、定长标志物以及示宽标志物的在教室中安装示意图,其中图2a是教室前方墙壁的安装示意图，图2b是教室后方墙壁的安装示意图，图2c是安装之后的教室俯视图；
图3是使用定长标志计算教室长度的原理图；
图4是教室内布局的侧视图；
图5是ptz扫描路径的生成过程示意图；
图6是教室中某个人脸与ptz摄像头之间的立体位置图；
图7是教室中某个人脸与ptz摄像头之间的俯视图；
图8是教室中某个人脸投影到ptz所在竖直方向线形成的视角图；
图9是ptz摄像头处于水平正中间部署时扫描路径的效果示意图；
图10是ptz摄像头偏离水平正中间部署时扫描路径的效果示意图；
图11是ptz摄像头偏离水平正中间部署时对扫描路径的扩展效果示意图。
具体实施方式
为了实现对教室的自动扫描，本发明提出了一种基于教室尺寸自动生成ptz扫描路径的方法，核心包含以下两部分内容：
一、获取教室尺寸。
二、根据教室尺寸和预制的教室课桌布置参数生成每一排课桌的端点ptz路径点，连接所有端点ptz路径点生成扫描路径。
以下结合图1对上述的两部分的技术内容做详细介绍。
一、获取教室尺寸
本发明获取教室尺寸时可采用以下两种方式：
1、通过ptz摄像头提供的接口设定教室尺寸，该方式适用于已知教室尺寸的情况。
2、通常情况下，教室尺寸是未知的，因此需要让摄像头自动感知教室尺寸。本发明提出一种在教室内部署一些已知尺寸的图形标志，让ptz摄像头感知这些标志，自动计算出教室大致的尺寸的方法，如下：
1)、为了保证ptz的扫描效果，通常是将ptz摄像头部署在学生面向的墙壁位置，例如主讲人/讲台所对应的墙壁位置，且设置的高度和位置满足在室内人员在面向前方时，ptz摄像头能够采集到角度较合理、适于人脸特征化算法的人脸图像。这里以主讲人/讲台设置在教室前方墙壁的水平正中间为例进行说明，其中，教师讲课时最靠近的墙、并且所有学生面向的墙壁定义为前面墙壁，与之相对的墙是后方墙壁，由于主讲人/讲台设置在教室前方墙壁的水平正中间，因此本发明实施例将ptz摄像头被限制安装部署在教室前方墙壁的正中偏上位置的附近(一般是黑板的上方)。在安装部署ptz摄像头时，在教室后墙上粘贴一个定长标志物和一对示宽标志物。
其中，定长标志物的已知长度为l，定长标志物可以是任何形状，定长标志物的长度定义为定长标志物上可以唯一确定的两个点之间的距离，例如圆形在直径上的两个端点，或长方形的一个长边的两个端点，定长标志的长度方向定义为定长标志物上唯一确定的两个点的连线方向，定长标志的长度方向可以是水平、竖直或者倾斜。为了便于后续的计算，一种优选的方式如图2a-图2c所示，图中，b为教室后方墙壁，f为教室前方墙壁，1为定长标志物，2为示宽标志物，定长标志物为长条形标志物，且定长标志物的长度方向平行于水平线，定长标志物粘贴在竖直方向正对ptz摄像头的位置，定长标志物的与ptz摄像头的高度可以不一致；两个示宽标志物距离地面的高度相同。
2)、通过定长标志物计算教室长度。
通过图形识别算法，ptz摄像头能够识别出固定形状和颜色的定长标志物，它在ptz摄像头的视频流中是一个p像素的图形，已知和可以测定的物理量如下：
a.定长标志的物理长度l，这个量是已知的；
b.定长标志在ptz摄像头视频流中的图形尺寸为pg像素，通过图形识别算法测定；
c.当前镜头的画面放大倍数t，由ptz摄像头控制，可以读取它；
d.当前镜头的等效焦距d，由ptz摄像头控制，可以读取它；
e.摄像头感光元件在水平方向的物理长度lc与总像素数量pc。在图3示例中，标志物图像的长度方向是竖直的，因此lc与pc两个物理量分别是感光元件m竖直方向的物理长度与像素数；若标志物图像的长度方向是水平的，则lc与pc两个物理量应该是感光元件m水平方向的物理长度与像素数。
基于以上已知和可以测定的物理量，我们可以通过以下推导关系获取定长标志物距离ptz镜头的距离d：
(1)等比例的计算定长标志物距离ptz镜头的距离d,如图4所示，由成像原理关系式
(2)在感光元件上成立关系
(3)由于定长标志在感光元件上的像的像素数p被放大了t倍之后得到在摄像头视频流中长度为pg像素的图像，可得
(4)综合(1)-(3)，即可得到
3)通过定长标志物和示宽标志物计算教室宽度w。
定长标志物在ptz摄像头的画面中为pg像素，两个示宽标志在ptz摄像头的画面中距离pw像素，利用等比例关系可求出示宽标志的物理距离
二、通过教室尺寸计算扫描路径
ptz摄像头内置了默认教室布局常数d1,hp,dr,hf，也可以通过网络接口设置更新这些量。d1,dr,hf三个常数默认由国家的教室布局标准确定，这些常数的实际标记位置如图4所示：
d1是第一排课桌距离正面墙壁的距离，典型值2.2m；
dr是课桌排间距，典型值0.9-1m；
hf是学生坐姿下面部高度，典型值1.2m。ptz安装高度总是远高于这个高度，即hp＞hf；
hp是ptz摄像头的最佳安装高度，典型值1.8-3m。安装在这个高度范围内时既能避免教室内的人脸彼此遮挡，又能保证获得较好角度的人脸图像。
通过这些信息可以计算出一系列从离ptz最近一排到教室最远处一排的左右端点在教室空间中的位置，将这些位置转换为ptz路径点，然后路径点按照顺序连接起来即可形成一条覆盖整个教室的扫描路径。具体过程如下：根据教室的长度与预设教室布局参数中的课桌布局计算一系列距离ptz摄像头由近及远的排。这些排是一系列直线段，每一排平行于ptz安装的墙壁并与地面保持预设的高度，相邻的排保持预制的间距。当ptz摄像头安装在教室前方墙壁的水平正中时，ptz到每一排的左右端点等距，排的长度是测量得到的教室宽度。由此确定每一排的两侧端点的位置，结合预设教室布局参数中定义了ptz的安装位置计算出每排的端点与ptz保持的相对位置，最终由相对位置计算出对应的ptz路径点。如图5所示，ptz将各排端点对应的ptz路径点先逐排连接，再交替连接相邻排的侧端的路径点，形成一条连接所有ptz路径点的路径。
以上为最简单的ptz路径获得方法，最终所得的ptz路径可能不满足精度要求，进一步的，还可在每一排从一个端点出发到另一个端点每隔一段距离选择一个位置点，结合ptz摄像头的安装位置计算出中间位置点与ptz水摄像头保持的相对位置，由相对位置计算出中间位置点对应的ptz路径点。相邻中间位置点的间隔距离是预先设定的，距离越小则生成的位置点越多，反之越少。在生成ptz路径时，将所有这样选取的位置点都转换计算为ptz路径点，这使得ptz的扫描更加精确。
对于教室空间中的一个已知位置的点，将它转换为ptz路径点需要确定两部分内容：
1、ptz坐标：当ptz电机位于该坐标时，该点出现在画面中心位置；
2、放大倍数：考虑在这个位置放置一个面对ptz摄像头的人脸，它具有一个典型尺寸(长/宽)lf。ptz摄像头在对准这个人脸时，需要保证它在画面中具有一个最小的像素大小(长/宽)pf。根据这个位置点到ptz摄像头的距离，可以确定一个最小的放大倍数tf，以保证人脸在画面中的图像长宽不小于pmin像素。
上述ptz坐标和放大倍数的具体求解方式如下：
1、计算ptz坐标。在教室中，某人脸位置点如图6所示，图6中可测的参数包括：该点可以垂直投影到正面墙，距离正面墙dp；该点在正面墙的投影与ptz摄像头所在的竖直方向线的水平距离dw；ptz摄像头部署高度为hp；该点距离地面高度h。
1)基于以上可测的参数，我们可计算出：
a.该点到ptz摄像头所在垂直方向线的垂直投影距离dh，
b.该点到ptz的距离df，
2)之后，结合图6-8计算ptz摄像头瞄准一个人脸位置点时的横向角度和纵向角度，图7示出了如何计算ptz摄像头瞄准一个人脸位置点时的横向角度x，图8示出了如何计算ptz瞄准一个位置点时纵向角度y。其中：
横向角度x满足关系：
纵向角度y满足关系：
3)如果这个点是第k排的左/右端点，可以将如下数据代入：
a.端点位于第k排，与正面墙的距离为dp＝d1 (k-1)dr；
b.端点位于教室的最左侧或者最右侧，因此墙面投影与ptz摄像头所在垂直线的水平距离
c.端点距离地面高度h＝hf；
则对应这个点的ptz坐标为：
4)如果这个点是第k排的中间位置点，其中第k排的所有中间位置点将第k排等分，di为相邻中间位置点之间的等间距，可以将如下数据代入：
a.与正面墙的距离保持与本排端点相同dp＝d1 (k-1)dr；
b.不失一般性该中间位置点距离本排左侧端点更近，是从左往右的第j个中间位置点。因此墙面投影与ptz摄像头所在垂直线的水平距离
c.位置点距离地面高度h＝hf
对应这个点的ptz坐标为：
2、计算放大倍数。
已知在人脸探测算法中人脸区域为一个方框，假设一个标准的人脸具有物理长度和宽度lf。由成像的原理，人脸在ptz感光元件上的像长度为lf，成立
人脸图像在感光元件上的实际像素数为pf，假设人脸是一个两边竖直、两边水平放置的正方形(即不是歪斜摆放的)。在感光元件上它的物理长度是lf，从而成立关系
一旦在安装部署阶段通过1、部署标志计算出教室尺寸或者2、直接通过网络api设定教室尺寸，ptz生成的路径就固定了。在之后的扫描中ptz一直使用这一条路径，直到采用以上的方法对摄像头重新设定路线，这往往发生在将ptz摄像头重新安装到其他尺寸不同的教室时。在这些路径上ptz可以进行动态的调整，使得在实际扫描过程中路径能自动优化，这超出了本发明的讨论范围，不再进一步说明。
三、本发明在实施过程中，可能涉及到的一些情况
1、以上的计算建立在ptz部署在前方墙面水平方向正中间的假设下，最终得到的扫描路径path的效果图如图9所示。如果ptz摄像头没有安装在水平方向正中，产生的路径会产生平移从而漏掉教室中的一些空间，如图10，计算出的路径偏左并且导致右侧一部分空间as无法扫描到。解决这个问题的方法之一如下：
1)规定ptz摄像头不得偏离前方墙面水平方向正中位置太“远”，典型的极限偏离距离是0.5m；
2)ptz在生成靠外的位置点时，如图11所示可将每一排左右端点的坐标向外侧增加一些，生成一个超覆盖教室的路径，这样即使ptz摄像头在部署时偏离了中心，沿生成扫描路径扫描时也能通过额外的部分对教室进行覆盖。
2、ptz在两个ptz路径点之间直线运动时，在教室空间中划出的扫描路径并非直线。一个解决方案是计算两个端点之间更多的位置点，生成更加密集的ptz路径点，这样实际扫描路径更加贴近教室中的每一排预期的位置。
3、ptz摄像头存在一个景深属性——焦点附近更加靠近和远离ptz的一定长度范围的内的物体都是清晰成像的。因此如果得到的两个相邻的横向扫描路径靠得足够近，即一条路径在另一条路径的景深范围内，可以省略掉其中的一条，或者将两者折中成一个中间的路径。沿着这样产生的简化路径扫描时，ptz既能较好的覆盖原来应该扫描的空间，又能减少机械运动。
1.基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取教室尺寸；
根据教室尺寸和预制的教室布置参数生成每一排课桌的位置点，将这些点转换为ptz路径点，连接所有ptz路径点生成扫描路径。
2.如权利要求1所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，获取教室尺寸的方式为利用ptz摄像头的图像处理功能感知教室的尺寸。
3.如权利要求2所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，所述利用ptz摄像头的图像处理功能感知教室的尺寸的具体步骤包括：
利用ptz摄像头拍摄教室墙壁上的标志物，并提取摄像头在拍摄时的镜头参数，其中ptz摄像头和标志物需分别位于两个相对的墙壁上；
基于上述的镜头参数、标志物的物理参数、标志物之间的位置关系以及ptz摄像头与标志物之间的位置关系，计算出教室尺寸。
4.如权利要求3所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，所述标志物包括一个用于计算教室长度的定长标志物和一对用于计算教室宽度的示宽标志物；其中，定长标志物设置在竖直方向正对ptz摄像头的位置；一对示宽标志物分别位于墙壁的最左侧和最右侧，且两个示宽标志距离地面高度相同。
5.如权利要求4所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，所述定长标志物为长条形标志物，且定长标志物的长度方向平行于水平线。
6.如权利要求5所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，所述镜头参数包括定长标志物在ptz摄像头视频流中的图形像素尺寸、当前画面的放大倍数、当前镜头的等效焦距、摄像头感光元件在水平方向的物理长度、摄像头感光元件在水平方向的总像素数量以及两个示宽标志在ptz摄像头的中像素距离。
7.如权利要求1所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，根据教室尺寸和教室布局参数计算ptz路径点的步骤包括：
根据教室的长度与教室布局参数中的课桌布局参数计算一系列距离ptz摄像头由近及远的排，这些排是一系列直线段，每一排平行于ptz摄像头安装的墙壁并与地面保持预设的高度，相邻的排保持预制的间距，排的长度等于教室宽度，由此确定每一排的两侧端点的位置，结合ptz摄像头的安装位置计算出每排两侧端点与ptz水摄像头保持的相对位置，最终由相对位置计算出每排两侧端点对应的ptz路径点。
8.如权利要求7所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，在每一排从一个端点出发到另一个端点每隔一段距离选择一个位置点，结合ptz摄像头的安装位置计算出中间位置点与ptz水摄像头保持的相对位置，由相对位置计算出中间位置点对应的ptz路径点。
9.如权利要求1所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，ptz摄像头安装在教室前方墙壁的水平正中且竖直偏上的位置，若ptz摄像头安装位置偏离教室前方墙壁的水平正中，且偏离值在一定范围之内，则在连接所有端点ptz坐标生成扫描路径时，将每一排左右端点的坐标向外侧移动一定距离。
10.如权利要求1或7或8所述的基于教室尺寸自动生成扫描路径的方法，其特征在于，如果生成的相邻两排扫描路径中，一排位于另一排对应ptz摄像头的景深范围内，则省略其中一排，或者将两排合并为一排位于两者中间的排。
技术总结