全景攝錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

喬軼

摘要：在工作中，高速運(yùn)動(dòng)物體和目標(biāo)遭遇端是無(wú)人看管的環(huán)境，并且對(duì)所獲取的圖像的快速處理標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較高。基于此本文設(shè)計(jì)了一套具備360°監(jiān)視視角的全景高速實(shí)況攝錄系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)組成以及工作流程，并對(duì)相機(jī)觸發(fā)、圖像處理、視頻傳輸方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)完整獲取了目標(biāo)遭遇過(guò)程中視頻信息，對(duì)目標(biāo)遭遇段精準(zhǔn)測(cè)量工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：圖像傳輸;準(zhǔn)實(shí)時(shí);精確觸發(fā);環(huán)形成像;成像恢復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0231-02

收稿日期：2019-11-21

Design and Implementation of Panoramic Video Recording System

QIAO Yi

（Team 43 Unit 91550，Dalian 116023，China）

Abstract：High-speed hitting target is unattended and requires high processing speed to obtain images.So we design a target ship's monitoring system which the visual angle is 360 degrees.In this paper，first introduces the system composition and work flow，then dis-cusses the key technologies of camera triggering s image processing and video transmission.Finally，through the experiment we prove that the system can acquire the video information during the target encounter process，which has important practical significance for the accurate measurement of the target encounter segment.

Key words：image transmission;pseudo-realtime;trigger precisely;Annular imaging;mage restoration

1 概述

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)攝錄工作，其為測(cè)試飛行器的各項(xiàng)性能指標(biāo)提供技術(shù)支撐[1-2]。介于實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，飛行器的最終落點(diǎn)難以預(yù)測(cè)，這就需要攝錄設(shè)備在攝錄范圍為整個(gè)遭遇區(qū)域。為了滿(mǎn)足拍攝范圍要求，通常同時(shí)設(shè)置多個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。本文采用全景成像技術(shù)[3]，使用一臺(tái)攝像機(jī)，就可滿(mǎn)足對(duì)整個(gè)遭遇區(qū)域的全視場(chǎng)觀測(cè)要求[4]。高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和目標(biāo)遭遇過(guò)程可以表現(xiàn)出整個(gè)實(shí)驗(yàn)的各種性能，因此它的圖像信息的實(shí)時(shí)采集以及傳輸，在對(duì)運(yùn)動(dòng)物體實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)、遭遇點(diǎn)精度判斷以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性判定等方面起到了關(guān)鍵性作用[5]。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)遭遇點(diǎn)周?chē)轿怀上?，完成?shí)驗(yàn)視頻圖像的獲取和傳輸。主要由視頻記錄系統(tǒng)、遙控地面站和圖像處理系統(tǒng)組成。攝錄系統(tǒng)主要由高速攝錄機(jī)以及攝錄機(jī)的控制單元，聲觸發(fā)單元、圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等[6-7]。地面站由遙控站主機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、視頻格式轉(zhuǎn)換器及相對(duì)應(yīng)的饋線等構(gòu)成，用于實(shí)現(xiàn)攝錄系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)地實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、工作狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)控;圖像數(shù)據(jù)處理單元由圖像控制系統(tǒng)以及實(shí)時(shí)處理軟件等組成，主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的解析、處理及傳輸顯示工作[8-9]。

2.2 工作流程

實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)布設(shè)于目標(biāo)遭遇點(diǎn)一定距離內(nèi)，通過(guò)4 Mb/s無(wú)線信道完成其和地面間的通信工作。當(dāng)飛行器出現(xiàn)在測(cè)試區(qū)時(shí)，系統(tǒng)利用空氣摩擦以及遭遇時(shí)刻產(chǎn)生的強(qiáng)聲壓信號(hào)觸動(dòng)攝錄系統(tǒng)開(kāi)始工作，地面站完成所有監(jiān)控后，依據(jù)聲觸發(fā)時(shí)段選取一段連續(xù)圖像，并開(kāi)啟編碼壓縮以及圖像匯編工作，接收高速慢放視頻并發(fā)送到指定位置。

3 成像系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

成像系統(tǒng)主要由雙曲面反射鏡、高速CMOS相機(jī)和全景取景器等組成[10]。電纜和光纖使用NI公司基于Channel Link技術(shù)開(kāi)發(fā)的總線協(xié)議，有效地解決了相機(jī)與其圖像采集卡之間高速通信的問(wèn)題。雙曲面反射鏡用來(lái)完成對(duì)遭遇段物體的成像作用，使相機(jī)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需可視視場(chǎng)的范圍。

3.1 攝錄系統(tǒng)的觸發(fā)

本文中使用拍攝幀率≥500fps，分辨率≥1024x1024的攝錄系統(tǒng)，假設(shè)目標(biāo)從視場(chǎng)到遭遇段需要100ms，則得到的高速圖像幀的數(shù)量是50幀。手動(dòng)操作無(wú)法達(dá)到如此精確的控制要

求，并且針對(duì)實(shí)際工作中對(duì)實(shí)時(shí)性的較高要求以及圖像識(shí)別法：的復(fù)雜性，因此只能依靠外觸發(fā)控制。

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)處理高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的聲學(xué)特性數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)期間遭遇點(diǎn)處產(chǎn)生的聲壓信號(hào)強(qiáng)度要大于空氣摩擦產(chǎn)生的聲壓信號(hào)，空氣摩擦產(chǎn)生的聲壓信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景噪聲，且遭遇點(diǎn)處的聲壓信號(hào)穩(wěn)定、易于識(shí)別。綜上所述，本系統(tǒng)使用基于聲壓的觸發(fā)控制單元觸發(fā)攝錄系統(tǒng)，此外該系統(tǒng)還具有自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)遭遇時(shí)刻的功能。

3.2 圖像處理

（1）圖像的柱面展開(kāi)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行物體在遭遇段實(shí)況的詳細(xì)分析，需要對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像處理，以獲得更多的信息。

如圖2所示，以虛擬相機(jī)投影中心E為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，得到雙曲面反射鏡的面型表達(dá)式：

旋轉(zhuǎn)雙曲面面形公式為：

設(shè)空間一點(diǎn)0，它的坐標(biāo)為（to，zo），由圖2得到，人射光OP與豎直方向夾角是θ。從等式（2）得到人射光與曲面交點(diǎn)坐標(biāo).ρ，代人極坐標(biāo)獲得P點(diǎn)直角坐標(biāo)（t，z，），攝錄機(jī)投影坐標(biāo)E（0，2c），PQ與垂直向夾角的正切為β，則

像平面中，光線落點(diǎn)Q的橫坐標(biāo)為：

將入射光線與反射光線投影到成像平面內(nèi)，且人射、反射光線的方位角相等。

設(shè)物點(diǎn)投影點(diǎn)的坐標(biāo)是（xo，yo）;（xq，yq）為像點(diǎn)Q的坐標(biāo)，則

因此，可以從等式（3）至（5）獲得當(dāng)已知對(duì)象點(diǎn)0的坐標(biāo)（xo，yo，zo）時(shí)，可以獲得像點(diǎn)位置Q的坐標(biāo)。

（2）圖像的后期處理

系統(tǒng)因各種外界因素影響，在獲取或者傳輸中會(huì)產(chǎn)生各種不同程度的噪聲。基于工作中對(duì)圖像結(jié)果要求的不同，如果采用一般去噪法會(huì)出現(xiàn)元素圖像連接處模糊的現(xiàn)象。因此本文采用基于元素圖像的局部去噪法，既對(duì)每個(gè)元素圖像進(jìn)行局部區(qū)域去噪，同時(shí)為保證各個(gè)元素圖像邊緣不受相鄰元素值的干擾，當(dāng)濾波靠近相鄰元素圖像邊界時(shí)，采用將邊緣像素復(fù)制于圖像之間的邊界方法，以達(dá)到消除模糊的目的。經(jīng)過(guò)以上處理.的圖像數(shù)據(jù)，再重構(gòu)三維視圖時(shí)，具有良好的視覺(jué)效果。

此外，介于全景成像分辨率不均勻的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)化的復(fù)原原圖像，文中利用插值手段達(dá)到圖像分辨率均勻的目的。其中形變方面我們通過(guò)切線、徑線方向線性化得到解決。通過(guò)將環(huán)形圖像擴(kuò)展成矩形圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)切線方向的線性化。具體步驟為將環(huán)形像沿著外圓周展開(kāi)，沿著圓周運(yùn)動(dòng)360°回到起始點(diǎn)，縮小半徑，重復(fù)上述步驟直到完成圖像的線性化。既將上述步驟的每個(gè)圓周映射為矩形像的一條直線。徑向的線性化通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)完成。在本文中，我們使用等間距的網(wǎng)格：圖，既根據(jù)豎線間距，使已經(jīng)線性化水平線實(shí)現(xiàn)等間距分布。

圖像經(jīng)校正后，像點(diǎn)不是落在坐標(biāo)點(diǎn)上，因此還需重采樣處理。重采樣像素灰度可根據(jù)周?chē)袼鼗叶燃皺?quán)函數(shù)插值獲得。本系統(tǒng)采用三次卷積法，此法雖然計(jì)算速度慢，但是與其他兩種方法相比較，可以更好地保持圖像的高頻信息。

3.3 視頻的傳輸

介于系統(tǒng)傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸數(shù)據(jù)量大、速度快的特點(diǎn)，首先將Cameralink接口的LVDS信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并通過(guò)光纖轉(zhuǎn)換器將其傳輸?shù)揭曨l數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)視頻地傳輸。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

該系統(tǒng)在傳輸距離為20km且無(wú)線通信帶寬為4Mb/s的條件下通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中使用聲壓超限信號(hào)實(shí)現(xiàn)了相機(jī)的觸發(fā)，完成了對(duì)視頻信息的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸，時(shí)間延遲為53s。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，滿(mǎn)足使用要求，達(dá)到了預(yù)期效果。該技術(shù)在未來(lái)其他無(wú)人遠(yuǎn)程遙控實(shí)況監(jiān)視背景下具有很大的應(yīng)用前景。

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