CN102497511A - 一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法，具体步骤如下：正常拍摄，获取所有像素点数据的坐标；重新排列获取的所有像素点数据，通过景物反应在图像传感器上的横向和纵向速度来调整坐标；在规定的图像宽度和高度的尺寸内利用插值法填充未赋值的像素点，从而得到一幅校正过的图像；利用模板库中事先存放的形状标定模板与校正的图做比较，如果比较结果不理想，则调整横向和纵向速度，重新调整坐标。如果比较结果理想，就完成了图像的校正，还原了真实图像。本发明的方法可以使低速摄像机拍摄高速移动的物体，扩充了摄像机的使用范围，而且利用此方法可以校正以往因为景物移动而造成图像不清晰或失真的照片或录像。
Description
技术领域
本发明涉及摄像机领域，具体涉及一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法。
背景技术
摄像机的工作方式与传统的摄影机不同。摄影机靠机械光圈控制曝光，胶片上的所有感光点同时曝光。连续曝光的速度决定了摄影机的拍摄速度。
现在的摄像机不是靠对一幅画面的机械曝光速度来决定摄像速度，而是靠对CCD或CMOS感光晶片上各个像素点的依次分别曝光完成。CCD或CMOS每个感光点的曝光速度是微秒级的，所以摄像机拍摄高速移动景物时图像可能会模糊，但每个像素点的曝光是很准确的。摄像机每个像素点的曝光速度以及对所有像素点曝光扫描速度决定拍摄速度。而对于摄影机来说，如果被拍摄的景物相对于摄影机的运动速度很快，且其速度与光敏材料的曝光速度处于一个数量级时，不但图像模糊了，而且各个感光点也是模糊的。摄影机的曝光速度是毫秒级的。
机械光圈曝光的极限速度是有限的，所以摄影机对于高速移动物体拍摄时每个像素点对景物的反应都是不准确的。而摄像机每个像素点的曝光速度比摄影机的胶片曝光速度高出两个数量级。所以摄像机的像素点是高速曝光的。但对于一幅图像的整体曝光时间，摄像机与摄影机是相当的。其差别在于，景物高速移动时，摄像机每个像素点是清晰的，但每幅图像可能是模糊的。造成整幅图像模糊的原因是因为在完成一幅图像的拍摄时间内因为景物的变化不能按照正常的扫描顺序排放各个像素点，使其发生变形、扭曲、甚至无法识别。
例如，如附图1所示，摄像机在时刻1为第一个像素点拍摄的真实景象是“♥”。因为景象也是在运动的，假设景象运动的速度与摄像机扫描的速度相同，那么在时刻2摄像机为第二个像素点拍摄的真实景象也是“♥”。以次类推，在时刻3，时刻4拍摄的都是“♥”。这样最后得到的图形就与真实图像完全不同了。
以现在普通分辨率的摄像机参数为例，对于尺寸为600×400的图像，帧频为30帧/秒，行频为12K行/秒，像素时钟频率为7.2MHz。每个像素的曝光时间是0.14微秒左右，而胶片的曝光时间是30毫秒左右。
因为摄像机的每个感光像素点是清晰的，只是因为移动，使得各个像素点的排列次序乱了，造成图像变形，这就为重新排列像素点来校正图像奠定了基础。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法，对拍摄的高速移动物体的成像进行校正，解决以往传统拍摄法拍摄得到的高速移动物体图像变形的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法，具体步骤如下：
第一步：正常拍摄，获取所有像素点数据，记为A(x,y)；
符号定义：时间t，表示获取像素的时间同步信号，即像素时钟；像素的位置坐标，横坐标x是时间t按图像宽度取模计算的结果；纵坐标y是时间t除以图像宽度后取整的结果；
第二步：重新排列经第一步获取的所有像素点数据，假定景物反应在图像传感器上的横向速度为v，纵向速度为c，相对于图像传感器，景物横向速度v向左移动设为负，景物纵向速度c向上移动设为负；
则第一步获取的像素点数据A(x,y)的实际坐标位置(X,Y)调整为：
X=[x-t*v]
Y=[y-t*c]
以上两式中，符号“[”，“]”表示取整计算；
第三步：在规定的图像宽度和高度的尺寸内利用插值法填充未赋值的像素点，从而得到一幅校正过的图像；
第四步：根据摄像机的应用场合而设定的形状标定模板：例如，公路上一般以汽车，道路标志，房屋或电线杆为形状标定模板；机加工领域一般以含有的直线、正方形或圆形为形状标定模板；利用模板库中事先存放的形状标定模板与校正的图做比较，如果与模板做匹配计算的结果不理想，说明对横向速度v和纵向速度c的估计不对，调整横向速度v和纵向速度c，回到第二步；如果匹配结果理想，则完成了图像的校正，得到了横向速度v和纵向速度c的值，且完成了图像的校正，从而利用低速摄像机拍摄到高速移动物体的真实图像。
与现有技术相比，本发明的技术方案的优点为：
本发明可以使低速摄像机拍摄高速移动的物体，扩充了摄像机的使用范围，而且利用此方法可以校正以往因为景物移动而造成图像不清晰或失真的照片或录像。
附图说明
图1为本发明的背景技术中引用实例的示意图。
图2为本发明的实施例的景物图。
图3是基于图2的正常取景得到图像。
图4是基于图2的调整后的图像。
具体实施方式
本发明的一种利用低速摄像机拍摄清晰的高速移动物体的方法，是对于移动景物的成像校正，由于景物移动和摄像机移动是等效的，只要考虑景物移动就可以了。
具体步骤如下：
第一步：正常拍摄，获取所有像素点数据，记为A(x,y)。
在这里做几个约定，首先像素时钟是获取像素的时间同步信号，记为t。像素的位置坐标，其中横坐标x是时间t按图像宽度取模计算的结果，纵坐标是时间t除以图像宽度后取整的结果。
第二步：重新排列第一步获取的所有像素。假定景物反应在图像传感器上的横向速度为v，纵向速度为c。相对于图像传感器，景物横向速度v向左移动设为负，景物纵向速度c向上移动设为负。像素数据A(x,y)的实际坐标位置(X,Y)应该是：
X=[x-t*v]
（1）
Y=[y-t*c]
（2）
注意，（1）（2）两式的X,Y没有再做取模计算了。即X,Y的值可能会超出图像的宽度。X的值可能会小于或大于图像宽度。Y值也可能会小于或大于图像高度。“[”，“]”是取整计算。
调整后的图像可能会有一些像素点是空白，即没有被赋值的点。
第三步：在规定的图像宽度和高度的尺寸内利用插值法填充未赋值的像素点。这就得到了一幅校正过的图像。
第四步：所获得的图像是基于对景物移动速度横向速度v和纵向速度c的估计计算的，怎样判断对它们的估计是否正确的呢？本步骤利用模板库中事先存放的形状标定模板与校正的图做比较。形状标定模板的内容是根据摄像机的应用场合而设定的。例如，公路上使用的模板一般为汽车，道路标志，房屋，电线杆等。机加工领域使用的模板一般含有直线、正方形、圆形等。如果与模板做匹配计算的结果不理想，说明对v和c的估计不对，调整横向速度v和纵向速度c，回到第二步。如果匹配结果理想，则完成了图像的校正，得到了横向速度v和纵向速度c的值，且完成了图像的校正，从而利用低速摄像机拍摄到高速移动物体的真实图像。
实施例1
为了形象地说明上述校正过程，用如图2所示的景物图为例做一个验证性说明，图2中各个位置的数码只是为了表示一个像素点的位置。
假设这个景物横向移动的速度v = - 1，纵向移动的速度c = - 2.就是说景物是向左斜上方快速移动的。那么按照第一步取景得到的像素如图3所示，图像尺寸取3×3，有意取大于图像尺寸的景物；
从这里可以看出，这幅图像是完全乱了。然后按照第二步做调整，得到如图4所示的图像：
图4中以括号“（）”括出的表示采集到的像素，并且放在了正确的位置上了。其它没有括号标示的数码是未填充数据的空白像素点。图4的空白像素点很多是因为此例是极为夸张的情况，为了便于验证。
按照第三步做插值，填充这些空白点。与模板库中事先存放的相应的形状标定模板与校正的图做比较，相同的话，即完成了图像的校正。
在实际应用中，景物在感光平面上的移动速度不会大于像素扫描移动的速度，这是很正常的。因为像素移动的速度极快。
本方法可以使低速摄像机拍摄高速移动的物体，扩充了摄像机的使用范围，而且利用此方法可以校正以往因为景物移动而造成图像不清晰或失真的照片或录像。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1. 一种利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：正常拍摄，获取所有像素点数据，记为A(x,y)；
符号定义：时间t，表示获取像素的时间同步信号，即像素时钟；像素的位置坐标，横坐标x是时间t按图像宽度取模计算的结果；纵坐标y是时间t除以图像宽度后取整的结果；
第二步：重新排列经第一步获取的所有像素点数据，假定景物反应在图像传感器上的横向速度为v，纵向速度为c，相对于图像传感器，景物横向速度v向左移动设为负，景物纵向速度c向上移动设为负；
则第一步获取的像素点数据A(x,y)的实际坐标位置(X,Y)调整为：
X=[x-t*v]
Y=[y-t*c]
；
第三步：在规定的图像宽度和高度的尺寸内利用插值法填充未赋值的像素点，从而得到一幅校正过的图像；
第四步：根据摄像机的应用场合而设定形状标定模板：利用模板库中事先存放的形状标定模板与校正的图做比较，如果与模板做匹配计算的结果不理想，说明对横向速度v和纵向速度c的估计不对，调整横向速度v和纵向速度c，回到第二步；如果匹配结果理想，则得到了横向速度v和纵向速度c的值，且完成了图像的校正，从而利用低速摄像机拍摄到高速移动物体的真实图像。
2.根据权利1所述的利用低速摄像机拍摄清晰的高速移动物体的方法，其特征在于，所述第二步中，两式中，符号“[”，“]”表示取整计算。
3. 根据权利1所述的利用低速摄像机拍摄高速移动物体的方法，其特征在于，所述根据摄像机的应用场合而设定的形状标定模板，具体内容可为：公路场合的应用以汽车，道路标志，房屋或电线杆为形状标定模板，机加工领域以含有的直线、正方形或圆形为形状标定模板。
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