CN111541850A - 一种全景电子云台矫正方法及装置 - Google Patents

一种全景电子云台矫正方法及装置 Download PDF

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CN111541850A CN202010666242.XA CN202010666242A CN111541850A CN 111541850 A CN111541850 A CN 111541850A CN 202010666242 A CN202010666242 A CN 202010666242A CN 111541850 A CN111541850 A CN 111541850A
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沈峘
张建华
程亮
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    • H04N23/698—Control of cameras or camera modules for achieving an enlarged field of view, e.g. panoramic image capture

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  • Stereoscopic And Panoramic Photography (AREA)

Abstract

本发明公开了一种全景电子云台矫正方法及装置，包括以下步骤：采集全景图像或视频，并同步获取全景相机的姿态角；将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上；根据姿态角，将球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像即可获得矫正后的全景图像。本发明能有效解决拍摄过程中的抖动以及全景相机摆放角度不固定导致拍摄出的画面不符合人的观看习惯的问题，确保最终拍摄的全景视频可以给观看者带来舒适的并且完全沉浸式的视觉体验。

Description

一种全景电子云台矫正方法及装置
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体涉及一种全景电子云台矫正方法及装置。
背景技术
作为一种新型的图像记录方式，全景相机可以记录360度大范围图像，并以独特的播放方式进行显示，带给观看者身临其境的视觉体验，因而在多个领域得到应用和追捧。在使用全景相机的过程中，有时需要手持拍摄，或架在一些移动的设备上，如自行车、汽车或无人机等，录制全景视频时不可避免地会存在抖动，因而最终的全景视频画面会因为抖动的影响而使观看者眩晕或不适；全景视频播放时通常以水晶球模式、小行星模式等进行拖动播放，或配合陀螺仪传感器自动播放，但是需要拍摄时设备是垂直于地面摆放，这样拍摄出的画面在播放时是符合人的观看视角和观看习惯的，而在实际使用时，由于各种因素无法使得设备摆放合适，所以后期观看拍摄出的画面也会给观看者带来不适感。
本发明提出了一种全景电子云台矫正方法以解决以上问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明公开了一种全景电子云台矫正方法及装置，用于解决拍摄过程中的抖动以及拍摄视角不固定的问题。
一种全景电子云台矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用相机设备采集全景图像，并同步获取相机设备的姿态角；
步骤2：将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上；
步骤2中将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上包括以下步骤：
步骤2-1：将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像的宽度与球面的经度对应；
步骤2-2：将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像的高度与球面的纬度对应；
步骤2-3：使经纬度全景图像上的点经过投影得到球面上一点；
步骤3：根据步骤1得到的姿态角，将步骤2的球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像。
更进一步的，步骤1中利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角具体为：利用相机设备采集全景图像，并同步采集一组姿态角数据。
更进一步的，步骤2-3利用下式使经纬度全景图像上的点经过投影得到球面上一点：
根据图像坐标与经纬度坐标之间的对应关系，可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，经纬度全景图像上的点的经纬度坐标为
Figure 215188DEST_PATH_IMAGE002
，球面上的点的三维世界坐标为
Figure 250140DEST_PATH_IMAGE003
，全景图像的宽为
Figure 254872DEST_PATH_IMAGE004
，高度为
Figure 84288DEST_PATH_IMAGE005
，投影球面的半径为R0；
根据经纬度坐标与三维世界坐标之间的关系，可得：
Figure 923937DEST_PATH_IMAGE006
根据上式，建立起图像坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE007
和三维世界坐标
Figure 700263DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系。
更进一步的，所述球面为椭球面，所述椭球面利用下式表示：
Figure 810432DEST_PATH_IMAGE008
=1
式中，
Figure 76329DEST_PATH_IMAGE009
分别称为椭圆的长半轴、中半轴和短半轴，其中，
Figure 888427DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 514449DEST_PATH_IMAGE011
为1.2
Figure 728393DEST_PATH_IMAGE012
-1.5
Figure 165190DEST_PATH_IMAGE012
。
更进一步的，步骤2-3利用下式使经纬度全景图像上的点经过投影得到椭球面上一点：
根据图像坐标与经纬度坐标之间的对应关系，可得：
Figure 212387DEST_PATH_IMAGE013
式中，经纬度全景图像上的点的经纬度坐标为
Figure 861675DEST_PATH_IMAGE002
，椭球面上的点的三维世界坐标 为
Figure 461283DEST_PATH_IMAGE003
，全景图像的宽为
Figure 52670DEST_PATH_IMAGE004
，高度为
Figure 839361DEST_PATH_IMAGE005
，投影椭球面的短半轴和中半轴均为
Figure 557918DEST_PATH_IMAGE014
，长半轴
Figure 497186DEST_PATH_IMAGE011
为1.2
Figure 10207DEST_PATH_IMAGE012
-1.5
Figure 284194DEST_PATH_IMAGE012
；
根据经纬度坐标与三维世界坐标之间的关系，可得：
Figure 55710DEST_PATH_IMAGE015
根据上式，建立起图像坐标
Figure 98752DEST_PATH_IMAGE007
和三维世界坐标
Figure 48253DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系。
更进一步的，步骤3中根据得到的姿态角，将球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像，包括以下步骤：
步骤3-1：将球面的旋转通过旋转矩阵来描述；假设全景相机经旋转后，球上一点坐标 由
Figure 297619DEST_PATH_IMAGE003
变成了
Figure 357979DEST_PATH_IMAGE016
，旋转矩阵为R，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
步骤3-2：由姿态角计算得到R，根据上式计算得到旋转后新位置点的三维坐标值
Figure 973637DEST_PATH_IMAGE016
后，按逆序的方式由
Figure 828460DEST_PATH_IMAGE016
计算出新位置点对应的经纬度坐标，由经纬度坐标计算 出图像坐标系下的新位置坐标
Figure 77039DEST_PATH_IMAGE018
，将
Figure 426243DEST_PATH_IMAGE007
位置上的灰度值读取并填充到
Figure 443878DEST_PATH_IMAGE018
的位 置上，最终得到矫正后的全景图像。
更进一步的，步骤2-1中将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像宽度方向与球面的经度对应，所述经度范围为-180°~180°；步骤2-2中所述的将全景图像按经纬度图像展开，全景图像的高度方向与球面的纬度对应，所述纬度范围为-90°~90°。
更进一步的，步骤1中利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角修改为利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角，其中，同步获取全景相机的姿态角具体为：按全景视频的帧率采集姿态角数据，即一帧图像对应一组姿态角数据。
有益效果：本发明的全景电子云台矫正方法能有效解决全景图像拍摄过程中的抖动以及全景相机摆放角度不固定导致拍摄出的画面不符合人的观看习惯的问题，确保最终拍摄的全景视频可以给观看者带来舒适的并且完全沉浸式的视觉体验。
本发明还公开了一种全景电子云台成像装置，包括图像采集模块、姿态角获取模块、图像处理模块、电子云台矫正模块、压缩编码模块、存储模块和传输模块，
所述电子云台矫正模块同时连接图像处理模块、姿态角获取模块和压缩编码模块；
所述图像处理模块同时连接电子云台矫正模块和图像采集模块；
所述压缩编码模块同时连接电子云台矫正模块、传输模块和存储模块；
所述图像采集模块，用于通过多组成像单元采集原始图像；
所述姿态角获取模块，用于同步记录全景相机的姿态角；
所述图像处理模块，用于将采集得到的原图处理得到全景图像；
所述电子云台矫正模块，用于将全景图像根据如上所述的全景电子云台矫正方法进行矫正；
所述压缩编码模块，用于将图像数据进行压缩；
所述存储模块，用于存储图像和姿态角数据；
所述传输模块，用于将矫正后的图像数据传输至其他终端进行播放展示。
有益效果：本发明的全景电子云台矫正装置提供了一整套对的全景图像成像装置，其能有效解决全景图像拍摄过程中的抖动以及全景相机摆放角度不固定导致拍摄出的画面不符合人的观看习惯的问题，确保最终拍摄的全景视频可以给观看者带来舒适的并且完全沉浸式的视觉体验。
附图说明
图1：本发明全景电子云台矫正方法成像流程图；
图2：本发明全景电子云台矫正方法经纬度展开图；
图3：本发明全景电子云台矫正方法三维展开图；
图4：本发明具备电子云台功能的全景装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述。
图1为一种全景电子云台矫正方法的成像流程图，具体步骤如下：
步骤1：采集全景图像或视频，并同步获取全景相机的姿态角。
具体的，在本发明实施例中，全景相机采集原始图像，并同步采集一组姿态角数据；若全景相机录制视频，则按录制视频的帧率采集姿态角数据，即一帧图像对应一组姿态角数据。姿态角包含俯仰角、横滚角、偏航角，分别对应相机设备绕x轴的旋转、绕y轴的旋转以及绕z轴的旋转。全景相机采集得到的原始图像经算法处理后得到全景图像。
步骤2：将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上。
具体的，本发明实施例中，将全景图像按经纬度图像展开，如图2所示，全景图像的宽高比为2：1。全景图像宽度方向与球面的经度对应，经度范围为-180~180度，全景图像的高度方向与球面的纬度对应，纬度范围为-90~90度，经纬度的角度范围也是满足2：1。 如图2和图3所示，经纬度全景图像上的P点经过投影得到球面上的P1点。
假设P点的图像坐标为
Figure 735182DEST_PATH_IMAGE007
，全景图像的宽为W，高度为H，P1点所处的经纬度坐标 为
Figure 454745DEST_PATH_IMAGE002
，P1点所处的三维世界坐标为
Figure 856907DEST_PATH_IMAGE003
，投影球面的半径为
Figure 729048DEST_PATH_IMAGE019
。根据图像坐标与经 纬度坐标之间的对应关系，可得：
Figure 939057DEST_PATH_IMAGE001
根据经纬度坐标与三维世界坐标之间的关系，可得：
Figure 896648DEST_PATH_IMAGE020
根据上式，建立起图像坐标
Figure 102502DEST_PATH_IMAGE007
和三维世界坐标
Figure 78417DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系；
其中，步骤2中球面还可以采用椭球面替代，原理同上。
其中，椭球面利用下式表示：
Figure 445944DEST_PATH_IMAGE008
=1
式中，
Figure 156411DEST_PATH_IMAGE009
分别称为椭圆的长半轴、中半轴和短半轴，其中，
Figure 651109DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 497842DEST_PATH_IMAGE011
为1.2
Figure 301850DEST_PATH_IMAGE012
-1.25
Figure 217722DEST_PATH_IMAGE012
。
利用椭球面替代球面可以在更好的记录矫正过程中对图像变换的过程进行直观化的展示和记录，并可以更好的对图形矫正过程中的图像畸形进行修正。
步骤3：根据姿态角，将球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像；
具体的，将球面的旋转通过旋转矩阵来描述；假设全景相机经旋转后，球上一点由P1转 到了P2，P2坐标为
Figure 765378DEST_PATH_IMAGE016
，旋转矩阵为R，则：
Figure 732197DEST_PATH_IMAGE017
R由姿态角计算得到，根据式(1)(2)(3)可以计算得到旋转后新位置点的三维坐标值
Figure 183471DEST_PATH_IMAGE016
，后按逆序的方式由
Figure 602951DEST_PATH_IMAGE016
可以计算出新位置点对应的经纬度坐标，由经纬度坐标 可以计算出图像坐标系下的新位置坐标
Figure 688718DEST_PATH_IMAGE018
，则将
Figure 493732DEST_PATH_IMAGE007
位置上的灰度值读取并填充到
Figure 373963DEST_PATH_IMAGE018
位置上即可得到矫正后的全景图像。
请参照图4，具备电子云台功能的全景装置流程图，包括图像采集模块，用于通过多组成像单元采集原始图像；姿态角获取模块，用于同步记录全景相机的姿态角；图像处理模块，用于将采集得到的原图处理得到全景图像；电子云台矫正模块，用于将全景图像根据姿态角数据矫正成稳定的且符合人观察视角的全景图像。
该装置还包括压缩编码模块，用于将图像数据进行压缩，减少数据传输带宽或存储空间的需求。
该装置还包括存储模块，用于存储图像和姿态角数据。
该装置还包括传输模块，用于将矫正后的图像数据传输至其他终端进行播放展示。

Claims (9)

1.一种全景电子云台矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用相机设备采集全景图像，并同步获取相机设备的姿态角；
步骤2：将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上；
步骤2中将采集到的全景图像按经纬度图像展开后，投影到球面上包括以下步骤：
步骤2-1：将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像的宽度与球面的经度对应；
步骤2-2：将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像的高度与球面的纬度对应；
步骤2-3：使经纬度全景图像上的点经过投影得到球面上一点；
步骤3：根据步骤1得到的姿态角，将步骤2的球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像。
2.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤1中利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角具体为：利用相机设备采集全景图像，并同步采集一组姿态角数据。
3.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤2-3利用下式使经纬度全景图像上的点经过投影得到球面上一点：
根据图像坐标与经纬度坐标之间的对应关系，可得：
Figure 650311DEST_PATH_IMAGE001
式中，经纬度全景图像上的点的经纬度坐标为
Figure 36293DEST_PATH_IMAGE002
，球面上的点的三维世界坐标为
Figure 284871DEST_PATH_IMAGE003
，全景图像的宽为
Figure 148922DEST_PATH_IMAGE004
，高度为
Figure 432136DEST_PATH_IMAGE005
，投影球面的半径为R0；
根据经纬度坐标与三维世界坐标之间的关系，可得：
Figure 989019DEST_PATH_IMAGE006
根据上式，建立起图像坐标
Figure 724894DEST_PATH_IMAGE007
和三维世界坐标
Figure 658215DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系。
4.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，所述球面为椭球面，所述椭球面的球面利用下式表示：
Figure 793006DEST_PATH_IMAGE008
=1
式中，
Figure 255211DEST_PATH_IMAGE009
分别称为椭圆的长半轴、中半轴和短半轴，其中，
Figure 743961DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 949815DEST_PATH_IMAGE011
为1.2
Figure 942041DEST_PATH_IMAGE012
-1.5
Figure 106306DEST_PATH_IMAGE012
。
5.根据权利要求4所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤2-3利用下式使经纬度全景图像上的点经过投影得到椭球面上一点：
根据图像坐标与经纬度坐标之间的对应关系，可得：
Figure 816773DEST_PATH_IMAGE013
式中，经纬度全景图像上的点的经纬度坐标为
Figure 560739DEST_PATH_IMAGE002
，椭球面上的点的三维世界坐标为
Figure 673051DEST_PATH_IMAGE003
，全景图像的宽为
Figure 742638DEST_PATH_IMAGE004
，高度为
Figure 940401DEST_PATH_IMAGE005
，投影椭球面的短半轴和中半轴均为
Figure 753637DEST_PATH_IMAGE014
，长半轴
Figure 720456DEST_PATH_IMAGE011
为 1.2
Figure 226523DEST_PATH_IMAGE012
-1.5
Figure 646003DEST_PATH_IMAGE012
；
根据经纬度坐标与三维世界坐标之间的关系，可得：
Figure 262929DEST_PATH_IMAGE015
根据上式，建立起图像坐标
Figure 818676DEST_PATH_IMAGE007
和三维世界坐标
Figure 495645DEST_PATH_IMAGE003
之间的关系。
6.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤3中根据得到的姿态角，将球面绕轴旋转到预设位置，将新位置的球面展开为经纬度图像，包括以下步骤：
步骤3-1：将球面的旋转通过旋转矩阵来描述；假设全景相机经旋转后，球上一点坐标 由
Figure 402421DEST_PATH_IMAGE003
变成了
Figure 554529DEST_PATH_IMAGE016
，旋转矩阵为R，则：
Figure 495940DEST_PATH_IMAGE017
步骤3-2：由姿态角计算得到R，根据上式计算得到旋转后新位置点的三维坐标值
Figure 78231DEST_PATH_IMAGE016
后，按逆序的方式由
Figure 737883DEST_PATH_IMAGE016
计算出新位置点对应的经纬度坐标，由经纬度坐标计算 出图像坐标系下的新位置坐标
Figure 431032DEST_PATH_IMAGE018
，将
Figure 226950DEST_PATH_IMAGE007
位置上的灰度值读取并填充到
Figure 980142DEST_PATH_IMAGE018
的位 置上，最终得到矫正后的全景图像。
7.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤2-1中将全景图像按经纬度图像展开，使全景图像宽度方向与球面的经度对应，所述经度范围为-180°~180°；步骤2-2中所述的将全景图像按经纬度图像展开，全景图像的高度方向与球面的纬度对应，所述纬度范围为-90°~90°。
8.根据权利要求1所述的全景电子云台矫正方法，其特征在于，步骤1中利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角修改为利用相机设备采集全景图像，并同步获取全景相机的姿态角，其中，同步获取全景相机的姿态角具体为：按全景视频的帧率采集姿态角数据，即一帧图像对应一组姿态角数据。
9.一种全景电子云台成像装置，其特征在于，包括图像采集模块、姿态角获取模块、图像处理模块、电子云台矫正模块、压缩编码模块、存储模块和传输模块，
所述电子云台矫正模块同时连接图像处理模块、姿态角获取模块和压缩编码模块；
所述图像处理模块同时连接电子云台矫正模块和图像采集模块；
所述压缩编码模块同时连接电子云台矫正模块、传输模块和存储模块；
所述图像采集模块，用于通过多组成像单元采集原始图像；
所述姿态角获取模块，用于同步记录全景相机的姿态角；
所述图像处理模块，用于将采集得到的原图处理得到全景图像；
所述电子云台矫正模块，用于将全景图像根据如权利要求1-8任一项所述的电子云台矫正方法进行矫正；
所述压缩编码模块，用于将图像数据进行压缩；
所述存储模块，用于存储图像和姿态角数据；
所述传输模块，用于将矫正后的图像数据传输至其他终端进行播放展示。
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