CN111866395B - 增稳处理模组、无人机摄像***以及图像增稳处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组，包括：运动感测单元，配置成可感测摄像***的运动；运动估计单元，与所述运动感测单元耦接，配置成可根据所述运动感测单元的输出计算图像的旋转角度；图像处理单元，与所述运动估计单元耦接，配置成可根据所述图像的旋转角度对所述摄像***输出的图像进行反向补偿。

Description

增稳处理模组、无人机摄像***以及图像增稳处理方法
技术领域
本发明大致涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种处理低频高幅抖动的增稳处理模组、包括该模组的无人机摄像***以及图像增稳处理的方法。
背景技术
现有技术中，无人机搭载的摄像***增稳处理通常是依靠云台，但云台设备不仅占用无人机的空间还会增加制造成本。发明人希望提供一种依靠软件的计算和处理进行增稳的图像处理方案，替代云台达到相同的目的，从而节约了无人机的空间，节省了制造成本。
现有的运动DV中的软件增稳技术通常只是针对小幅高频的运动，对大幅、低频的运动，例如：滑雪、骑行这种大幅转弯的运动没有增稳的效果。因此，目前市面上的运动DV在拍摄大幅、低频的运动画面时，图像会产生较为严重的倾斜和抖动，造成了用户的体验不佳。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组，包括：
运动感测单元，配置成可感测摄像***的运动；
运动估计单元，与所述运动感测单元耦接，配置成可根据所述运动感测单元的输出计算图像的旋转角度；
图像处理单元，与所述运动估计单元耦接，配置成可根据所述图像的旋转角度对所述摄像***输出的图像进行反向补偿。
根据本发明的一个方面，其中所述运动感测单元包括惯性测量单元，所述惯性测量单元安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向垂直或平行，所述惯性测量单元可实时测量所述镜头的角速度和加速度。
根据本发明的一个方面，其中所述运动估计单元配置成通过互补滤波算法计算所述镜头的横滚角、俯仰角。
根据本发明的一个方面，其中所述运动估计单元配置成通过互补滤波算法计算所述镜头的运动频率，当所述运动频率低于预设值时，通过所述图像处理单元对输出图像进行处理；当所述运动频率高于所述预设值时，对所述摄像镜头进行防抖处理。
根据本发明的一个方面，其中所述图像处理单元配置成在对所述图像进行反向补偿后，对所述图像进行裁剪以去除黑边。
本发明还提供一种无人机摄像***，包括：
摄像机，配置成可拍摄周围图像；
如上所述的增稳处理模组，配置成可接收所述摄像机拍摄的图像并进行处理；
显示模块，与所述增稳处理模组耦接，配置成可显示经过所述图像处理单元处理的图像。
根据本发明的一个方面，其中所述摄像机包括鱼眼镜头，拍摄分辨率为3840*2160。
本发明还提供一种使用上所述的增稳处理模组进行图像增稳处理的方法，包括：
通过运动感测单元实时感测摄像***的运动；
通过运动估计单元根据所述运动感测单元的输出计算图像的旋转角度；
通过图像处理单元根据所述图像的旋转角度对所述摄像***输出的图像进行反向补偿。
根据本发明的一个方面，其中所述运动感测单元包括惯性测量单元，所述惯性测量单元安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向垂直或平行，所述方法还包括：
通过所述惯性测量单元实时测量所述镜头的角速度和加速度。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：
所述运动估计单元通过互补滤波算法计算所述镜头的横滚角、俯仰角。
根据本发明的一个方面，所述方法还包括：
所述运动估计单元通过互补滤波算法计算所述镜头的运动频率，当所述运动频率低于预设值时，通过所述图像处理单元对输出图像进行处理；当所述运动频率高于所述预设值时，对所述摄像镜头进行防抖处理。
本发明的优选实施例提供了一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组、一种包括该增稳处理模组的无人机摄像***，以及对图像进行防抖处理的方法。该增稳处理模组通过运动感测单元感测摄像***的运动，通过运动估计单元计算图像的旋转角度，通过图像处理单元对摄像***输出的图像进行反向补偿。该增稳处理模组可提升无人机摄像***拍摄的运动画面的质量，既调整了小幅高频的抖动，又避免了大幅低频的抖动对输出画面的影响；安装在无人机摄像***上，体积小，重量轻，取代了云台设备，不但大大节省了无人机上的空间，而且降低了无人机的制造成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的增稳处理模组；
图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的增稳处理模组对输出图像进行反向补偿；
图3示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的增稳处理模组对输出图像进行反向补偿；
图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的无人机摄像***；
图5A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的摄像***镜头的输出图像；
图5B示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的增稳处理模组对输出图像进行反向补偿；
图5C示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的增稳处理模组对输出图像进行裁剪；
图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的无人机摄像***；
图7示出了根据本发明的一个优选实施例进行图像增稳处理的方法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
原有的运动DV中的软件增稳技术通常只是针对小幅高频的运动，对大幅、低频的运动，例如：滑雪、骑行这种大幅转弯的运动没有增稳的效果，本发明提供一种具有水平增稳功能的图像处理模组。
根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，本发明提供一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组10，包括：运动感测单元11、运动估计单元12和图像处理单元13。其中运动感测单元11配置成可感测摄像***的运动，例如，搭载摄像***的无人机在高空旋转、俯冲、爬升、跳跃，或遇到天气变化时的颠簸等，都可能导致摄像***的在不同的方向上加速运动或者绕轴摆动，从而造成拍摄画面的抖动。运动估计单元12与运动感测单元11耦接，配置成可根据运动感测单元11的输出计算图像的旋转角度，该图像的旋转角度是指无人机搭载的摄像***拍摄画面的实时旋转角度，在该摄像***无角速度和/或角加速度的情况下，该实时拍摄的画面即为显示图像，当存在画面抖动的情况时，需要先对拍摄画面进行增稳处理，再显示处理后的图像。图像处理单元13与运动估计单元12耦接，配置成可根据图像的旋转角度对摄像***输出的图像进行反向补偿，根据本发明的一个优选实施例，通过以下方式对摄像***输出的图像进行反向补偿。
如图2所示，根据运动感测单元11实时输出的摄像***镜头的俯仰角的变化，将输出图像沿着竖直方向反向调整。优选地，该摄像***拍摄的画面为垂直于摄像***镜头的光轴的球面画面，沿着竖直方向反向调整指在该球面画面上沿着摄像***镜头的俯、仰方向反向调整。
如图3所示，根据运动感测单元11实时输出的摄像***镜头的横滚角的变化，对输出图像进行反向补偿，使反向补偿后的显示图像与上一帧显示图像在水平方向上所成的角度不发生变化。
优选的，该无人机摄像***采用鱼眼镜头，可拍摄大广角球面画面，便于后续根据该摄像***的角度变化进行画面调整。这样开启增稳处理校准后保留的视场角会足够大。
根据本发明的一个优选实施例，运动感测单元11包括惯性测量单元110，惯性测量单元(Inertial Measurement Unit)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。通常的惯性测量单元包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，三个单轴的加速度计检测物体在载体坐标***独立三轴的加速度信号，而三个单轴的陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。如图4所示，惯性测量单元110安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向(如图2中x轴所示)垂直或平行，惯性测量单元110可实时测量摄像***镜头的角速度和加速度。
根据本发明的一个优选实施例，运动估计单元12配置成通过互补滤波算法计算摄像***的镜头的横滚角、俯仰角。互补滤波算法指在短时间内采用陀螺仪测得的角度做为最优，定时对加速度计采样来的角度进行取平均值来校正陀螺仪的测得的角度。长时间以加速度计测得的角度为优，加大加速计的测算比重。再通过低通滤波抑制加速度计的高频信号，通过高通滤波抑制陀螺仪的低频信号，相加得到整个频带的信号。
根据本发明的一个优选实施例，运动估计单元12配置成通过互补滤波算法计算摄像***的镜头的运动频率，当该运动频率低于预设值时，通过图像处理单元13对输出图像进行处理；当该运动频率高于预设值时，对摄像镜头进行防抖处理。也即，当镜头的运动频率低于预设值时，说明该无人机摄像***处于低频运动中，通过本发明提供的增稳处理模组10对输出图像进行处理；当镜头的运动频率高于预设值时，说明该无人机摄像***处于高频运动中，可以通过摄像***中内置的防抖处理装置，对输出画面进行调整。
根据本发明的一个优选实施例，如图5A、5B、5C所示，图像处理单元13配置成在对输出图像进行反向补偿后，对图像进行裁剪以去除黑边。其中，图5A示出了摄像***镜头实时拍摄的图像51，并且由于无人机的震动造成了拍摄画面的抖动，因此图像51偏离了正常的水平定向。图5B中，图像处理单元对输出图像51进行反向补偿后生成图像52，保持图像52仍然处于水平定向，便于用户观看。如图5C所示，图像处理单元裁剪去除黑边后得到图像53，图像53的分辨率小于图像52。在图像处理单元对输出图像做了反向补偿后，图像会产生黑边，所以需要先裁剪再显示，使得显示的图像更加美观。当然，这样做会降低一定的分辨率，损失一部分视场角。设置摄像***镜头拍摄画面的分辨率达到3840*2160p，则开启增稳处理后，校准后的图像分辨率会降低到1080p，依然可以达到很好的效果。
图1中示出了所述运动感测单元11、运动估计单元12和图像处理单元13均设置在无人机上，也可以构思将运动感测单元11、运动估计单元12和图像处理单元13分离地设置在无人机本体上以及无人机的控制器上。根据一个实施例，运动感测单元11、运动估计单元12可设置在无人机上，图像处理单元13设置在无人机的遥控器上，例如集成在用于控制无人机的APP中。无人机本体向无人机的遥控器传输实时采集的图像以及由运动估计单元12所计算的图像旋转角度，所述图像处理单元根据所述图像以及图像旋转角度，根据上述方法对图像进行相应处理，并将处理后的图像显示在遥控器上。或者可替换的，运动估计单元12也可以设置在无人机的遥控器上。
根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，本发明还提供一种无人机摄像***20，包括：摄像机21、如上所述的增稳处理模组10和显示模块22。摄像机21配置成可拍摄周围图像。如上所述的增稳处理模组10配置成可接收摄像机21拍摄的图像并进行处理。显示模块22与增稳处理模组10耦接，配置成可显示经过图像处理单元13处理的图像。
根据本发明的一个优选实施例，该无人机摄像***20的摄像机21包括鱼眼镜头，拍摄分辨率为3840*2160。
根据本发明的一个优选实施例，如图7所示，本发明还提供一种使用如上所述的增稳处理模组10进行图像增稳处理的方法30，包括：
在步骤S301中，通过运动感测单元11实时感测摄像***的运动。例如，搭载摄像***的无人机在高空旋转、俯冲、爬升、跳跃，或遇到天气变化时的颠簸等，都可能导致摄像***的在不同的角度上加速运动，从而造成拍摄画面的抖动。
在步骤S302中，通过运动估计单元12根据运动感测单元11的输出计算图像的旋转角度。该图像的旋转角度是指无人机搭载的摄像***拍摄画面的实时旋转角度，在该摄像***无角速度和/或角加速度的情况下，该实时拍摄的画面即为显示图像，当存在画面抖动的情况时，需要先对拍摄画面进行增稳处理，再显示处理后的图像。
在步骤S303中，通过图像处理单元13根据该图像的旋转角度对该摄像***输出的图像进行反向补偿。
根据本发明的一个优选实施例，运动感测单元11包括惯性测量单元110，该惯性测量单元110安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向垂直或平行(如图4所示)，图像增稳处理的方法30还包括：
通过惯性测量单元110实时测量摄像***镜头的角速度和加速度。
根据本发明的一个优选实施例，图像增稳处理的方法30还包括：
运动估计单元12通过互补滤波算法计算摄像***镜头的横滚角、俯仰角。
根据本发明的一个优选实施例，图像增稳处理的方法30还包括：
运动估计单元12通过互补滤波算法计算摄像***镜头的运动频率，当该运动频率低于预设值时，通过图像处理单元13对输出图像进行处理；当该运动频率高于预设值时，对摄像镜头进行防抖处理。也即，当镜头的运动频率低于预设值时，说明该无人机摄像***处于低频运动中，通过本发明提供的增稳处理模组10对输出图像进行处理；当镜头的运动频率高于预设值时，说明该无人机摄像***处于高频运动中，可以通过摄像***中内置的防抖处理装置，对输出画面进行调整。
本发明的优选实施例提供了一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组、一种包括该增稳处理模组的无人机摄像***，以及对图像进行防抖处理的方法。该增稳处理模组通过运动感测单元感测摄像***的运动，通过运动估计单元计算图像的旋转角度，通过图像处理单元对摄像***输出的图像进行反向补偿。该增稳处理模组可提升无人机摄像***拍摄的运动画面的质量，既调整了小幅高频的抖动，又避免了大幅低频的抖动对输出画面的影响；安装在无人机摄像***上，体积小，重量轻，取代了云台设备，不但大大节省了无人机上的空间，而且降低了无人机的制造成本。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种可用于无人机摄像***的增稳处理模组，包括：
运动感测单元，配置成可感测摄像***的运动；
运动估计单元，与所述运动感测单元耦接，配置成可根据所述运动感测单元的输出计算图像的旋转角度；
图像处理单元，与所述运动估计单元耦接，配置成可根据所述图像的旋转角度对所述摄像***输出的图像进行反向补偿；
其中，所述无人机摄像***拍摄广角球面画面，所述图像处理单元根据所述图像的旋转角度在所述球面画面上进行输出图像的调整；
所述运动估计单元配置成计算摄像镜头的运动频率，当所述运动频率低于预设值时，通过所述图像处理单元对输出图像进行处理；当所述运动频率高于所述预设值时，对所述摄像镜头进行防抖处理。
2.如权利要求1所述的增稳处理模组，其中所述运动感测单元包括惯性测量单元，所述惯性测量单元安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向垂直或平行，所述惯性测量单元可实时测量所述镜头的角速度和加速度。
3.如权利要求1或2所述的增稳处理模组，其中所述运动估计单元配置成通过互补滤波算法计算所述镜头的横滚角、俯仰角。
4.如权利要求1或2所述的增稳处理模组，其中所述运动估计单元配置成通过互补滤波算法计算所述镜头的运动频率。
5.如权利要求1或2所述的增稳处理模组，其中所述图像处理单元配置成在对所述图像进行反向补偿后，对所述图像进行裁剪以去除黑边。
6.一种无人机摄像***，包括：
摄像机，配置成可拍摄周围图像；
如权利要求1-5中任一项所述的增稳处理模组，配置成可接收所述摄像机拍摄的图像并进行处理；
显示模块，与所述增稳处理模组耦接，配置成可显示经过所述图像处理单元处理的图像。
7.如权利要求6所述的无人机摄像***，其中所述摄像机包括鱼眼镜头，拍摄分辨率为3840*2160。
8.一种使用权利要求1-5中任一项所述的增稳处理模组进行图像增稳处理的方法，包括：
通过运动感测单元实时感测摄像***的运动；
通过运动估计单元根据所述运动感测单元的输出计算图像的旋转角度；
通过图像处理单元根据所述图像的旋转角度对所述摄像***输出的图像进行反向补偿。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述运动感测单元包括惯性测量单元，所述惯性测量单元安装在摄像***的相机板上，并与摄像***的镜头的光轴方向垂直或平行，所述方法还包括：
通过所述惯性测量单元实时测量所述镜头的角速度和加速度。
10.如权利要求8或9所述的方法，还包括：
所述运动估计单元通过互补滤波算法计算所述镜头的横滚角、俯仰角。
11.如权利要求8或9所述的方法，还包括：
所述运动估计单元通过互补滤波算法计算所述镜头的运动频率，当所述运动频率低于预设值时，通过所述图像处理单元对输出图像进行处理；当所述运动频率高于所述预设值时，对所述摄像镜头进行防抖处理。
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