喬軼

摘要：在工作中，高速運動物體和目標(biāo)遭遇端是無人看管的環(huán)境，并且對所獲取的圖像的快速處理標(biāo)準(zhǔn)相對較高。基于此本文設(shè)計了一套具備360°監(jiān)視視角的全景高速實況攝錄系統(tǒng)。文中給出了系統(tǒng)組成以及工作流程，并對相機觸發(fā)、圖像處理、視頻傳輸方面的關(guān)鍵技術(shù)進行了討論。實驗證明該系統(tǒng)完整獲取了目標(biāo)遭遇過程中視頻信息，對目標(biāo)遭遇段精準(zhǔn)測量工作具有重要的現(xiàn)實意義。

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

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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

實驗測試中，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)攝錄工作，其為測試飛行器的各項性能指標(biāo)提供技術(shù)支撐[1-2]。介于實際實驗中，飛行器的最終落點難以預(yù)測，這就需要攝錄設(shè)備在攝錄范圍為整個遭遇區(qū)域。為了滿足拍攝范圍要求，通常同時設(shè)置多個攝像機進行拍攝。本文采用全景成像技術(shù)[3]，使用一臺攝像機，就可滿足對整個遭遇區(qū)域的全視場觀測要求[4]。高速運動目標(biāo)和目標(biāo)遭遇過程可以表現(xiàn)出整個實驗的各種性能，因此它的圖像信息的實時采集以及傳輸，在對運動物體實時飛行姿態(tài)、遭遇點精度判斷以及實驗結(jié)果的有效性判定等方面起到了關(guān)鍵性作用[5]。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)遭遇點周圍全方位成像，完成實驗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)主要由高速攝錄機以及攝錄機的控制單元，聲觸發(fā)單元、圖像數(shù)據(jù)存儲單元等[6-7]。地面站由遙控站主機、監(jiān)控系統(tǒng)、視頻格式轉(zhuǎn)換器及相對應(yīng)的饋線等構(gòu)成，用于實現(xiàn)攝錄系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控，同時對整個系統(tǒng)地實時運轉(zhuǎn)、工作狀態(tài)進行不間斷監(jiān)控;圖像數(shù)據(jù)處理單元由圖像控制系統(tǒng)以及實時處理軟件等組成，主要用于實現(xiàn)對實驗圖像的解析、處理及傳輸顯示工作[8-9]。

2.2 工作流程

實驗中，該系統(tǒng)布設(shè)于目標(biāo)遭遇點一定距離內(nèi)，通過4 Mb/s無線信道完成其和地面間的通信工作。當(dāng)飛行器出現(xiàn)在測試區(qū)時，系統(tǒng)利用空氣摩擦以及遭遇時刻產(chǎn)生的強聲壓信號觸動攝錄系統(tǒng)開始工作，地面站完成所有監(jiān)控后，依據(jù)聲觸發(fā)時段選取一段連續(xù)圖像，并開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)實現(xiàn)

成像系統(tǒng)主要由雙曲面反射鏡、高速CMOS相機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)開發(fā)的總線協(xié)議，有效地解決了相機與其圖像采集卡之間高速通信的問題。雙曲面反射鏡用來完成對遭遇段物體的成像作用，使相機達到實驗所需可視視場的范圍。

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。手動操作無法達到如此精確的控制要

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

在實驗中，當(dāng)處理高速運動目標(biāo)的聲學(xué)特性數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)在運動期間遭遇點處產(chǎn)生的聲壓信號強度要大于空氣摩擦產(chǎn)生的聲壓信號，空氣摩擦產(chǎn)生的聲壓信號要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景噪聲，且遭遇點處的聲壓信號穩(wěn)定、易于識別。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)還具有自動識別目標(biāo)遭遇時刻的功能。

3.2 圖像處理

（1）圖像的柱面展開

為實現(xiàn)對飛行物體在遭遇段實況的詳細(xì)分析，需要對獲取的圖像進行圖像處理，以獲得更多的信息。

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

旋轉(zhuǎn)雙曲面面形公式為：

設(shè)空間一點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坐標(biāo).ρ，代人極坐標(biāo)獲得P點直角坐標(biāo)（t，z，），攝錄機投影坐標(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)物點投影點的坐標(biāo)是（xo，yo）;（xq，yq）為像點Q的坐標(biāo)，則

因此，可以從等式（3）至（5）獲得當(dāng)已知對象點0的坐標(biāo)（xo，yo，zo）時，可以獲得像點位置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產(chǎn)生各種不同程度的噪聲?；诠ぷ髦袑D像結(jié)果要求的不同，如果采用一般去噪法會出現(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，既對每個元素圖像進行局部區(qū)域去噪，同時為保證各個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，采用將邊緣像素復(fù)制于圖像之間的邊界方法，以達到消除模糊的目的。經(jīng)過以上處理.的圖像數(shù)據(jù)，再重構(gòu)三維視圖時，具有良好的視覺效果。

此外，介于全景成像分辨率不均勻的特點，為實現(xiàn)細(xì)節(jié)化的復(fù)原原圖像，文中利用插值手段達到圖像分辨率均勻的目的。其中形變方面我們通過切線、徑線方向線性化得到解決。通過將環(huán)形圖像擴展成矩形圖像來實現(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，沿著圓周運動360°回到起始點，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圓周映射為矩形像的一條直線。徑向的線性化通過系統(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)線性化水平線實現(xiàn)等間距分布。

圖像經(jīng)校正后，像點不是落在坐標(biāo)點上，因此還需重采樣處理。重采樣像素灰度可根據(jù)周圍像素灰度及權(quán)函數(shù)插值獲得。本系統(tǒng)采用三次卷積法，此法雖然計算速度慢，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，首先將Cameralink接口的LVDS信號轉(zhuǎn)換為光信號，并通過光纖轉(zhuǎn)換器將其傳輸?shù)揭曨l數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)內(nèi)，實現(xiàn)視頻地傳輸。

4 實驗及結(jié)論

該系統(tǒng)在傳輸距離為20km且無線通信帶寬為4Mb/s的條件下通過實驗驗證。實驗中使用聲壓超限信號實現(xiàn)了相機的觸發(fā)，完成了對視頻信息的準(zhǔn)實時傳輸，時間延遲為53s。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)通過實驗測試，測試數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，滿足使用要求，達到了預(yù)期效果。該技術(shù)在未來其他無人遠(yuǎn)程遙控實況監(jiān)視背景下具有很大的應(yīng)用前景。

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[通聯(lián)編輯：梁書]