專利名稱：一種高速圖像采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像探測中高速成像領(lǐng)域，尤其涉及ー種高速圖像采集方法。
背景技術(shù)：
復眼的高靈敏度一般定義為較高的時間分辨率，即每秒鐘可以獲得較高的采樣幀數(shù)。根據(jù)生物學中的進化論原理，昆蟲選擇多孔徑系統(tǒng)的進化策略，以擴大昆蟲的視場角，同時由于昆蟲子眼的焦距較小，這樣可以獲得一個較小的成像，從而降低圖像處理的能量消耗。而為了獲得較高的時間分辨率圖像，昆蟲可以有選擇性地對不同通道子眼成像進行高速采集，這樣相對全局的圖像采集，這種手段可以有針對性地采集圖像，提高圖像采樣幀數(shù)，提高了昆蟲的靈敏度。
目前，對于高速成像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)主要依賴高速相機和經(jīng)過編碼的多臺低速相機。發(fā)明人在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺點和不足當采用依靠高速采集和緩存系統(tǒng)的高速相機時，依靠高速采集和緩存系統(tǒng)，但是成本高，能量消耗大，且每張照片曝光時間較短，曝光不足的問題不可避免；當采用經(jīng)過編碼的多臺低速相機時，主要依靠的是圖像采集過程，不同相機曝光時刻的設(shè)置，以及圖像后期的重建。雖然成本低，圖片曝光時間充分，但是無法實時獲得高速圖像，且圖像重構(gòu)之后會出現(xiàn)一定程度的失真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了ー種高速圖像采集方法，本發(fā)明實現(xiàn)了實時的采集高速圖像，降低了成本和能量消耗，避免了圖像的失真，詳見下文描述ー種高速圖像采集方法，所述方法包括以下步驟(I)建立每個子眼與圖像傳感器對應的成像區(qū)域一一對應關(guān)系，子眼個數(shù)和成像區(qū)域的個數(shù)均為N ；(2)通過所述對應關(guān)系，建立全局低速的加窗模式；(3)通過所述對應關(guān)系，建立局部高速的基本跟蹤模式；(4)通過所述對應關(guān)系，建立自適應性的物體跟蹤模式；(5)根據(jù)第三預設(shè)條件采用所述全局低速的加窗模式和所述局部高速的基本跟蹤模式，或采用所述全局低速的加窗模式和所述自適應性的物體跟蹤模式分別獲取高速圖像序列；將采樣頻率高的高速圖像序列對應的模式作為最終模式，通過所述最終模式獲得的圖像序列作為最終聞速圖像序列。所述全局低速具體為所述圖像傳感器工作在滿足第一預設(shè)條件的采樣頻率和采樣區(qū)間。所述通過所述對應關(guān)系，建立全局低速的加窗模式具體包括I)獲取一片像素總數(shù)、最高采樣頻率和窗ロ個數(shù)確定的所述圖像傳感器；
2)通過所述對應關(guān)系將移動 物體的角速度轉(zhuǎn)化為所述圖像傳感器上物體成像區(qū)域的移動速度；3)獲取第二預設(shè)條件下物體移動速度大小的范圍；4)根據(jù)所述移動速度大小的范圍獲取加窗的層數(shù)；5)通過所述加窗的層數(shù)、所述像素總數(shù)和所述最高采樣頻率獲取加窗模式；其中，所述加窗模式包括窗ロ范圍之內(nèi)的采樣頻率和窗ロ位置。所述局部高速具體為窗ロ的大小和位置隨時間變化，且采樣頻率高于所述全局低速下的采樣頻率。所述通過所述對應關(guān)系，建立局部高速的基本跟蹤模式具體包括I)通過所述全局低速獲取物體在所述圖像傳感器上的最初成像位置；2)以所述最初成像位置所在的當前窗ロ為中心，確定所述基本跟蹤模式；其中，所述基本跟蹤模式具體為當前窗口和鄰近窗ロ的采樣頻率。所述通過所述對應關(guān)系，建立自適應性的物體跟蹤模式具體包括I)通過所述全局低速獲取物體在所述圖像傳感器上的所述最初成像位置；2)由所述最初成像位置的質(zhì)心坐標確定下ー時刻的加窗區(qū)域，加窗區(qū)域為扇形；3)確定所述扇形的半徑r、張角f、張角角平分線與水平軸的夾角0 ；4)確定所述加窗區(qū)域的大小和位置。本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是相對于現(xiàn)有技術(shù)，本方法通過圖像傳感器的加窗能力，可以成倍提高圖像采集頻率，同時保存了一定的閑置率；能有效地保持圖像較高的信噪比，實時地采集了高速圖像，降低了成本和能量消耗；通過子眼視場之間的非重疊特性，避免了圖像的失真；此外，自適應性的物體跟蹤模式具有較高的學習能力，能夠根據(jù)物體在上一個時刻成像的加窗區(qū)域，來預測下ー時刻加窗的大小和位置。


圖I為本發(fā)明提供的全局開窗的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的邊緣開窗的示意圖；圖3為本發(fā)明提供的目標移動速度與加窗層數(shù)關(guān)系曲線圖；圖4為本發(fā)明提供的加窗區(qū)域的3個參量r、0、爐示意圖；圖5為本發(fā)明提供的自適應加窗區(qū)域p估算示意圖；圖6為本發(fā)明提供的ー種高速圖像采集方法的流程圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進ー步地詳細描述。無論在民用和軍エ領(lǐng)域，對于高速目標的捕捉能力要求越來越高，同時在特殊場合會要求能夠?qū)崿F(xiàn)高速、小型化、節(jié)能和小畸變的圖像或者視頻采集。為了實現(xiàn)實時的采集高速圖像，降低成本和能量消耗，避免圖像的失真，本發(fā)明實施例提供了ー種高速圖像采集方法，參見圖I、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6，詳見下文描述101 :建立每個子眼與圖像傳感器對應的成像區(qū)域一一對應關(guān)系，子眼個數(shù)和成像區(qū)域的個數(shù)均為N ；其中，在建立一一對應關(guān)系之前，保證每個子眼之間的視場沒有重疊，也不存在盲區(qū)。具體建立方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實施例在此不做贅述。102 :通過對應關(guān)系,建立全局低速的加窗模式；其中，全局低速具體為圖像傳感器工作在滿足第一預設(shè)條件的采樣頻率和采樣區(qū)間。
其中，該步驟具體包括I)獲取一片像素總數(shù)、最高采樣頻率和窗ロ個數(shù)確定的圖像傳感器；對于一片圖像傳感器區(qū)域，假設(shè)圖像傳感器的形狀為正方形，對應的橫縱方向的像素總數(shù)為MXMpixel (本例取M=1024)。所采用的高速數(shù)據(jù)接ロ采樣頻率的上限為F (單位為fps)。因此，帶寬的上限為FXM2pixel.fps(取F = 20fps)。設(shè)窗ロ形狀也為正方形，大小為1X1像素(取I = 256)，位置可以自適應地調(diào)整和變化。同時圖像傳感器橫縱兩邊均可以開k個窗ロ(取k=M/l=4)。因此，圖像傳感器的像素總數(shù)，可以使用k2l2來表達。2)通過對應關(guān)系將移動物體的角速度轉(zhuǎn)化為圖像傳感器上物體成像區(qū)域的移動速度；其中，在對成像系統(tǒng)進行標定后，統(tǒng)ー使用“移動窗口數(shù)/秒”作為物體在圖像傳感器上的速度V。3)獲取第二預設(shè)條件下物體移動速度大小的范圍；4)根據(jù)移動速度大小的范圍獲取加窗的層數(shù)；首先，假設(shè)復眼透鏡的視場角為180°，對應在橫方向或者是縱方向均有四個窗ロ。先對物體的角速度有大概的估算。當物體移動速度大于Fk/2(即移動窗口數(shù)/秒=40，對應物空間的速度為1800° /s)時，此時采用全局加窗的策略來監(jiān)測物體的運動。如圖I所示當物體移動速度小于Fk/2(即移動窗口數(shù)/秒=40，對應物空間的速度為1800° /s)時，此時采用邊緣加窗的策略，如圖2所示。邊緣加窗的層數(shù)為(k-Fk2/4v)的向上取整數(shù)。這里取角速度為45° /s (即移動窗口數(shù)/秒=1)，略大于人眼對角速度分辨能力的上限(35。/S)。此時，取加窗層數(shù)為I。由圖3可知，一般情況下加窗的層數(shù)為ー層，當物體移動速度較大時候，才需要一層以上的加窗層數(shù)。加窗層數(shù)和物體速度(含物體移動速度和角速度)的對應關(guān)系，如表I所示表I加窗層數(shù)與物體速度對照表(k=4)
邊緣加窗層數(shù)物體移動速度(窗口數(shù)/秒)j物體角速度(° /s)
126. 71202
2401800如表I所示，當物體移動速度小于26. 7窗口數(shù)/秒?yún)?，只開ー層邊緣窗ロ即可滿足探測要求。
5)通過加窗的層數(shù)、像素總數(shù)和最高采樣頻率獲取加窗模式。其中，加窗模式包括窗ロ范圍之內(nèi)的采樣頻率和窗ロ位置等。103 :通過對應關(guān)系，建立局部聞速的基本跟蹤ホ旲式；其中，局部高速具體為窗ロ的大小和位置隨時間變化，且采樣頻率高于全局低速下的采樣頻率。I)通過全局低速獲取物體在圖像傳感器上的最初成像位置；2)以最初成像位置所在的當前窗ロ為中心，確定基本跟蹤模式。其中，基本跟蹤模式具體為當前窗口和鄰近窗ロ的采樣頻率。
·
根據(jù)鄰近窗口和當前窗ロ之間的距離，來調(diào)整鄰近窗ロ的采樣頻率，使得距離越近，采樣頻率越高，距離越遠采樣頻率越低，這樣可以對于物體在飛出當前窗ロ，且飛入下ー個窗ロ的方向和米樣頻率，進行ー個較好的估算和平衡。這里主要是選擇窗ロ的大小和個數(shù)，一般而言，窗ロ越小，窗ロ的個數(shù)越多，對于物體跟蹤的性能就越高，對于細節(jié)的描述就越來越細致。但是鑒于物體在圖像傳感器上的像不能無限小，窗ロ個數(shù)和成本一般是成正相關(guān)性的。窗ロ的大小要大于物體在圖像傳感器的成像區(qū)域大小，基于本方法，建議窗ロ大小為成像區(qū)域大小的81-100倍。104 :通過對應關(guān)系,建立自適應性的物體跟蹤模式；I)通過全局低速獲取物體在圖像傳感器上的最初成像位置；由于復眼光學透鏡通常焦距較小，導致物體放大倍率較小，當物體在距離透鏡較遠時，可將目標在探測器上每ー時刻在圖像中的成像區(qū)域，近似看作為ー個質(zhì)點。2)由最初成像位置的質(zhì)心坐標確定下ー時刻的加窗區(qū)域，加窗區(qū)域為扇形；設(shè)時刻i的成像的坐標為Oi (Xi, Yi)。物體在下ー時刻的坐標0i+1 (xi+1, yi+1)，落在ー個扇形的范圍之內(nèi)，張角9>e(0，360°)，半徑r>o，張角角平分線與水平軸的夾角0的絕對角度為(T360°。下一個時刻的加窗區(qū)域由之前若干時刻的成像質(zhì)心的坐標決定，且形狀為扇形。該扇形的中心為上ー個時刻成像的形心位置OiUi, Yi)。因此，以上三個參量r、0、爐可以完備地描述扇形加窗區(qū)域的形狀。扇形狀加窗區(qū)域如下圖所示為了分析扇形窗ロ的自適應加窗的策略，對r、9和爐三個參量分別進行分析(l)r是物體在下一時刻相對上ー時刻的移動距離的上限值，很大程度上決定了加窗區(qū)域的大??；(2)デ描述物體在下一時刻相對上ー時刻轉(zhuǎn)角的上限值,和r 一起,決定了加窗的大小，窗ロ的大小約等于0.5rp2;(3) 9描述物體可能存在區(qū)域的概率分布的中心線，這條線的左右兩側(cè)物體出現(xiàn)的概率大小均等。物體在下ー個時刻出現(xiàn)的范圍和趨勢，不完全由上一時刻所決定。這個過程中，i+1時刻的范圍，由i、i-1和i_2等時刻的速度通過擬合決定，且需要留有一定的裕度(范圍需要給出經(jīng)驗值，即根據(jù)物體速度波動范圍的分布而給出)，以保證下ー時刻物體會出現(xiàn)在扇形區(qū)域當中。3)確定扇形的半徑r、張角？K張角角平分線與水平軸的夾角0 ；關(guān)于0的計算一般認為，物體在高采樣頻率的條件下，前后時間間隔最短的情況下，物體的運動方向不會出現(xiàn)顯著的變化。因此這里0的取值為i和i-1時刻質(zhì)心連線所成的矢量的角度。關(guān)于r的計算r的計算由之前若干時刻物體運動的速度給出，再乘以擬曝光的時間間隔At (考慮到物體在不同的窗口下的采樣幀數(shù)不一樣，這里使用速度計算，而非位移)。具體方法應當根據(jù)前幾次的速度的大小完成擬合和估算。關(guān)于供的計算通常采用物體運動方向的先驗值和維持算法魯棒性所需要的裕度來估算。例如，物體沿著単一方向軌道(如長直的高速公路)運動時，於的取值可以較小。但是通常應當留出 大約10°的裕度來增加算法的魯棒性。4)確定加窗區(qū)域的大小和位置。在實際使用的過程當中，由于圖像傳感器窗ロ的讀取區(qū)域通常為矩形。因此，加窗區(qū)域是該扇形的最小外接矩形。105 :根據(jù)第三預設(shè)條件采用全局低速的加窗模式和局部高速的基本跟蹤模式，或采用全局低速的加窗模式和自適應性的物體跟蹤模式分別獲取高速圖像序列；將采樣頻率高的高速圖像序列對應的模式作為最終模式，通過最終模式獲得的圖像序列作為最終高速圖像序列。其中，第一預設(shè)條件、第二預設(shè)條件和第三預設(shè)條件根據(jù)實際應用中的場合確定，具體實現(xiàn)時，本發(fā)明實施例對此不做限制。綜上所述，本發(fā)明實施例提供了ー種高速圖像采集方法，本方法通過圖像傳感器的加窗能力，可以成倍提高圖像采集頻率，同時保存了一定的閑置率；能有效地保持圖像較高的信噪比，實時的采集了高速圖像，降低了成本和能量消耗；通過子眼視場之間的非重疊特性，避免了圖像的失真；此外，自適應性的物體跟蹤模式具有較高的學習能力，能夠根據(jù)物體在上一個時刻成像的加窗區(qū)域，來預測下ー時刻加窗的大小和位置。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是ー個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種高速圖像采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)建立每個子眼與圖像傳感器對應的成像區(qū)域一一對應關(guān)系，子眼個數(shù)和成像區(qū)域的個數(shù)均為N ； (2)通過所述對應關(guān)系，建立全局低速的加窗模式； (3)通過所述對應關(guān)系，建立局部高速的基本跟蹤模式； (4)通過所述對應關(guān)系，建立自適應性的物體跟蹤模式； (5)根據(jù)第三預設(shè)條件采用所述全局低速的加窗模式和所述局部高速的基本跟蹤模式，或采用所述全局低速的加窗模式和所述自適應性的物體跟蹤模式分別獲取高速圖像序列；將采樣頻率高的高速圖像序列對應的模式作為最終模式，通過所述最終模式獲得的圖像序列作為最終高速圖像序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種高速圖像采集方法，其特征在于，所述全局低速具體為所述圖像傳感器工作在滿足第一預設(shè)條件的采樣頻率和采樣區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種高速圖像采集方法，其特征在于，所述通過所述對應關(guān)系，建立全局低速的加窗模式具體包括 1)獲取一片像素總數(shù)、最高采樣頻率和窗ロ個數(shù)確定的所述圖像傳感器； 2)通過所述對應關(guān)系將移動物體的角速度轉(zhuǎn)化為所述圖像傳感器上物體成像區(qū)域的移動速度； 3)獲取第二預設(shè)條件下物體移動速度大小的范圍； 4)根據(jù)所述移動速度大小的范圍獲取加窗的層數(shù)； 5)通過所述加窗的層數(shù)、所述像素總數(shù)和所述最高采樣頻率獲取加窗模式； 其中，所述加窗模式包括窗ロ范圍之內(nèi)的采樣頻率和窗ロ位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種高速圖像采集方法，其特征在于，所述局部高速具體為窗ロ的大小和位置隨時間變化，且采樣頻率高于所述全局低速下的采樣頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種高速圖像采集方法，其特征在于，所述通過所述對應關(guān)系，建立局部聞速的基本跟蹤ホ旲式具體包括 1)通過所述全局低速獲取物體在所述圖像傳感器上的最初成像位置； 2)以所述最初成像位置所在的當前窗ロ為中心，確定所述基本跟蹤模式； 其中，所述基本跟蹤模式具體為當前窗口和鄰近窗ロ的采樣頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ー種高速圖像采集方法，其特征在干，所述通過所述對應關(guān)系，建立自適應性的物體跟蹤模式具體包括 1)通過所述全局低速獲取物體在所述圖像傳感器上的所述最初成像位置； 2)由所述最初成像位置的質(zhì)心坐標確定下ー時刻的加窗區(qū)域，加窗區(qū)域為扇形； 3)確定所述扇形的半徑r、張角卜張角角平分線與水平軸的夾角0； 4)確定所述加窗區(qū)域的大小和位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速圖像采集方法，涉及圖像探測中高速成像領(lǐng)域，建立每個子眼與圖像傳感器對應的成像區(qū)域一一對應關(guān)系，通過對應關(guān)系，建立全局低速的加窗模式、局部高速的基本跟蹤模式和自適應性的物體跟蹤模式；根據(jù)第三預設(shè)條件采用全局低速的加窗模式和局部高速的基本跟蹤模式，或采用全局低速的加窗模式和自適應性的物體跟蹤模式分別獲取高速圖像序列；將采樣頻率高的高速圖像序列對應的模式作為最終模式，通過最終模式獲得的圖像序列作為最終高速圖像序列。通過圖像傳感器的加窗能力，可以成倍提高圖像采集頻率，同時保存了一定的閑置率；能有效地保持圖像較高的信噪比，實時地采集了高速圖像，降低了成本和能量消耗，避免了圖像的失真。
文檔編號H04N5/341GK102801927SQ20121022985
公開日2012年11月28日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者宋樂, 房豐洲, 余藍濤, 曹夢超, 朱晗琦, 印和 申請人:天津大學