CN102714690A - 移动广角视频记录系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括摄像头模块阵列的便携式视频记录系统。该装置配备有陀螺仪以便能从拼接广角再现中预测摄像头的移动。可从合成的一系列主图像通过后期制作选择影片的格式和对焦，从而不必在摄制中瞄准和手动设置。

Description

移动广角视频记录系统
技术领域
本发明涉及一种具有一组摄像头模块、陀螺仪和记录或传输单元的视频记录、传输和再现系统。 
相关步骤包含从一系列方向稳定的(directional stabilized)主图像(master images)中选择所得视频的格式和对焦，其中在后期制作中通过倾斜校正、对准和拼接来自摄像头模块的一系列单张图像以形成所述主图像。 
背景技术
通常使用架设在摄影师面前的摄影机进行移动视频记录，其中摄影师透过取景器或屏幕观看来控制场景。 
该系统中存在根本性的不足：首先摄影师独自的话必然疲于在观察整体场景和查看取景器或屏幕上的画面的同时，还要选择画面细节、变焦和对焦(尤其是校正不恰当的自动对焦)以及摄像头设置。 
在摄制组中，这些工作由导演、摄影师和技术人员共同承担。然而，在措手不及的场景的现场摄制中，即便是老于此道的团队也常常穷于应付。 
这在空间稳定性较差的现场直播中非常明显，尤其是如果必须在移动中进行录制的话，这时现有的防震方法失效。 
无团队的业余爱好者和单个记者应对这些同步任务时面临着更大的问题。因而相较于专业摄制，尽管装备的技术标准相差无几，结果却往往不如人意。 
常规的摄像头使用中的另一个严重不足是可见的瞄准：作为摄制目标的个人一旦意识到他们在被录影，一般就有不同的反应，不管是“茄子......笑......一个”并招手致意还是呲牙咧嘴、神态僵硬、反应夸张还是背转身，而且往往不会再继续其本来欲被录制的正常活动。 
另一个主要问题(尤其对于业余爱好者和单个记者来说)是手持摄像头的必要带来了诸多不便：不管是其需要亲自手持，还是必须要同时操作其它物体，还是譬如小孩子不能理解为什么爸爸/妈妈举着那个怪匣子对着他们。 
现有技术 
如GB 2456587A所公开的随身摄像头在本技术领域中广为人知，所述随身摄像头通常附着于制服翻盖(flaps)上或安装在头盔中。它们一般包含广角甚至是鱼眼镜头系统且通常用来记录甚至用于任务的远程导引。 
这些系统的缺点在于，超广角镜头系统呈现出严重失真。这些失真可在一定程度上得到电子校正(即如US 7.277.118B2所公布的)，但那又导致某种会妨碍达到高视频分辨率的分化。 
此外，单个镜头覆盖的广角对远处物体所提供的放大倍率明显不够，而近处物体则被过度放大。 
这能给出令人印象深刻的视觉效果，但会遮盖远处物体并减小恢复其细节的机会。
其它如US 2009109292(A1)中包括多个摄像头的随身摄像头系统是意图提供另外的视觉效果，而不是拼接的或合成的图像。 
其它系统可能包含多摄像头应用，但通常不便于携带，且多数是指如WO99/35850中的环绕对象的摄像头，尤其如果是如在WO 02/096096A1、CN 101321302A、WO 2007/048197A1中安装来获取3D景象的摄像头，或至少如在US 7.420.590B2中用于改善前景和背景内容的对比的摄像头，要么就是如在US 7.542.073B2中旋转安装的用于记录其他3D内容的摄像头。 
此外一些方案涉及如US 7.298.392B2中一组摄像头的全景，以及好几个以前的电影摄像头装置，它们都不针对也不能用于便携式摄制，但需要的话可在滑架上沿铁轨运行。 
其它带有一组水平或垂直地设置的摄像头模块的多摄像头装置还涉及如US 7.015.954中在后处理阶段进行淘选(panning)和变焦，但水平和垂直地拼接相邻图像则要求如US 7.277.118B2中所述的对每个单帧进行去扭曲 (dewarping)和重对准的繁琐技术。为了达到完美的效果，往往还需要手动润色关键过渡区，这过于费力从而除了静态摄影外几乎无法操作。所以它们并不针对移动应用，尤其不用来穿在人体上，且不包含运动补偿。 
此外，存在已知用于改进(例如X光系统的)分辨率的多摄像头系统(如US 6.002.743和US 6.921.200B1中所述)，但那需要保持固定位置从而不涉及移动录像。 
即便有其他移动录像技术，如使用复杂的广角镜头系统和详尽的图像传感器技术，仍然有即便是最佳的物镜(objective)分辨能力的限制以及单个图像传感器的像素分辨率和色噪声或亮度噪声的限制。 
通过增加摄像头模块和对所得图像内容进行电子拼接，此处公开的方案中克服了上述限制。 
发明内容
要解决的问题 
所以在此所公开的发明旨在找到一种视频记录方法，该方法不但能避免用手持摄像机并以可见的方式瞄准目标，还能免却或方便在摄制的同时对焦和设置。 
本发明的基本描述 
本方案是把摄像头系统象录制全部可见范围的随身摄像头(bodycam)一样穿在身上，但使用多个相同的摄像头模块(类似于移动电话中所使用的摄像头模块)，但具有更长的焦距、纵向格式对准且优选设置为彼此间具有恒定的水平夹角，以便所取得的图像分辨率允许在后期制作中充分变焦和再构。在个人电脑(PC)上将该系列单次摄制拼接到一起以构成主图像集合，在选择想要的显示窗口之前根据所记录的动作传感器的信号重对准该主图像集合。 
附图说明
附图的简单说明 
图1描述从单个摄像头到终剪的一般运作流程。 
图2、图3和图4展示作为头箍、挂在项链上以及置于胸侧衣袋内的微型摄像头模块的可能应用。 
图5显示由6个摄像头元件构成的摄像头集合的构造。 
附图的详细说明 
图1显示六个摄像头的阵列(元件1至6)以及两个麦克风13和14，它们的信号传输到压缩元件7至12，所述压缩元件的输出传送到FPGA 15，该FPGA根据互联信号对其排序以便将其输入闪存元件16，其中该闪存元件可能由几个闪存模块(此处未示出)构成。 
通过USBII连接后处理系统23来完成读出，其中这些信号被拼接为一套整体图像20。输出17包含水平18和垂直19方向以及滚动或扭转(未示出)的运动检测信号，根据该输出从整体图像20中选择主图像21。可移动框22显示使用常规视频编辑软件从主图像21中选择格式和具体取景的可能性。 
图2显示头箍29上携带的一组用于环绕摄制的摄像头，其中模块50至57可见而另外五个位于背面。 
图3显示佩戴项链31上的摄像头集合30。 
图4显示胸侧衣袋33内的另一摄像头集合32。 
图5揭示6个摄像头模块34至39的可能装配，(示例地)安装到印制板40的每个模块包含几层和电子部件(未示出)，以及连接销41、42。 
可将这些印制板安装到固定桥43和44，而连接销41、42通向柔性互联45，该互联也可携带一些电子设备(未示出)且两端有另一组互联销46和47，所述互联销可插入主机板(未示出)。 
具体实施例
简单实施例的描述 
在个人视角(150°)录像的基本实施例中，摄像头集合包含六个元件，每个元件至少覆盖25°水平角，而为了更好地拼接，可在两个重叠侧上都加上至 少5°的重叠视角，且尤其若为此应用了轮廓识别技术的话，可在两个重叠侧上都再加上半个图像尺寸的重叠视角。 
这些视角(从30°直到50°)涉及相当远程的物镜，相当于35毫米的摄像头上75到90毫米的焦距(具有24×36毫米的图像尺寸)，其失真度通常很小。 
由于这些元件应该尽量小巧轻便并有最小的工作能耗，单个摄像头元件的图像数据最容易无压缩地(以原始格式)通过标准处理器或优选以可构形互联等级(即现场可编程门阵列——FPGA)输入到一组闪存芯片中，其中根据速度和存储容量选择所述芯片。 
如果例如六个摄像头芯片每个给出1.2MP(mega pixel，兆像素)，其中0.5MP将以10bit(比特)色深和每秒25帧用全分辨率摄制，在通常的5/4格式下应该有约15MB/s(megabit/s，兆比特/秒)的数据流，连同摄像头模块设置，来自陀螺仪的约10kB/s(kilobit/s，千比特/秒)的数据和高保真立体声音响系统的260b/s(比特/秒)，必须要将少于16MB/s的总量传输到存储单元。这通过标准性能FPGA是完全可行的。 
尔后可将图像通过USBII通用串行总线连接器以60MB/s，或者更好，通过标准IEEEl394火线接口 
Figure BDA00001605520900051
传输以高达3Gibit/s(gigabit/s，千兆比特/秒)的速率传输到用来处理的计算机，其中商用程序会适于拼接全景图像并根据一起传输的数据进行所有必要的校正，且根据格式设置、显示窗口和所使用的具体视频增强技术来处理所得的视频主图像。 
另一个用于全景记录的实施例中，应用六个或更多的摄像头来覆盖整个环绕视角。
优选摄像头模块为全同并设置有定焦和恒定光圈(因为当前能很容易地在CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器上自动调节光敏感度)，并且相对于彼此以恒定水平夹角设置，以避免聚焦深度差异以及拼接前繁琐的去扭曲和手动润色图像的必要。 
可将摄像头集合设置于头盔或头箍内，或者装在项链或波洛领带式饰链上 的小匣子里以及摄影师胸口或后背上的领带夹上，不过该系统也可以置于胸侧衣袋内，而让摄像头条从上方探出。 
该系统还配备有三轴加速传感器和线性加速传感器陀螺仪以便共同记录摄像头集合的精确空间位置和移动的数据。市面上很容易买到使用迷你MEMS(Micro-Electro-Mechanism System，微机电系统)惯性传感器的合适元件。 
在后处理主图像时，只要视图的内帧不交缠，在垂直或水平地扭转图像或对图像进行切边时，应用上述元件来稳定水平和方位角视角。 
只要光学失真度保持极小(如使用亚远程照相镜头时)或者如目前通常提供的已经在图像传感器系统中进行了电子补偿，后处理中的图像拼接可通过对准图像边缘用小重叠区轻易地完成。这通常通过校正透镜畸变，如CN101064780(A)中所述的那样，来实现。 
可记录摄像头模块的信号(优选记录到闪录元件上)并随后进行传输，或者通过电缆或无线通信立即发射到基站，在基站将图像和一道传送的图像传感器电子设置(敏感度、白平衡等)以及录音和位置及加速数据的信号一起进行处理。 
优选实施例的描述 
在优选实施例中，每个摄像头元件的信号被实时压缩，例如利用本领域中很好地确立了的且当前可使用低能耗的标准集成电路实现的H.264codec(H.264视频编解码器)来实时压缩。这允许以可接受的无线传输速率以及适度的数据存储容量来应用高分辨率图像传感器。 
由于50∶1以下的压缩率对观察者来说几乎是不可分辨的，但应该在保证所得数据品质的前提下使压缩产物保持较小，我们发现对于上述装置，30∶1的压缩率能产生较好的总体图像。然而，虽然存储所要求的存储器不会变，必须允许单个处理器有500mW(毫瓦)的能耗，从而我们6个摄像头的样本的3W(瓦)能耗则要求有另一个1W/h(瓦/小时)的电池容量，这意味着在1.2伏特的操作中为了运行30分钟时间，要携带另一个1Ah(安培小时)的电池从而要至少多携带40克——这看来依然是相当可接受的。 
进一步的处理包括上述的校正单个图像畸变和拼接来自不同的摄像头模块的同期图像的主帧序列。 
此处可通过后处理中应用图像分析和轮廓识别方法来使用为了拼接而精确对准图像的更详细的概念，为了加速这个过程，所述方法将与上述的常规预对准一起应用。 
此外将根据从陀螺仪和加速传感器中得到的校正信号来执行主图像位置的重对准，以便在屏幕上取得稳定的主图像。 
市面上有多种版本的图像拼接软件(例如如CN 101146231(A)中所总结的)而校正摄像头抖动的技术在本领域中是广为人知的——而到目前为止用于在后处理中与摄制而不与所记录的移动的数据一同校正。 
然而，在高级实施例中也可能应用常规防抖系统并将其与后处理中利用所记录的陀螺仪数据的图像稳定(image stabilization)相结合，因为后者主要用于在更大尺寸上稳定图像，以免因摄影师的身体移动而把观察者搞糊涂。如果通过镜头或目标移动提供快速在线防抖从而避免低曝光时间下摄像头抖动的拖尾(smearing)效应的话，两种技术的结合会特别有利。这只需要一次额外摄制以及随后在后处理中从图像稳定中预测(extrapolate)移动数据。 
最后可通过可用的图像编辑软件选择图像格式并从主图像中剪切出想要的图像内容供进一步记录和处理。 

Claims (25)

1.一种便携式广角视频记录和处理系统，该系统具有相同的摄像头模块的阵列，其中所述摄像头模块的系列图像被无线发射或记录，并与所附的陀螺仪传感器的输出一起被处理，以便利用预测所述摄像头阵列的运动来进行电子拼接。
2.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述摄像头系统仅用于记录或无线发射，而所述图像的处理是在所述摄像头集合以外的计算机系统中进行的。
3.根据权利要求1和2所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中将所述摄像头模块的图像内容依次传输并储存到闪存装置中。
4.根据权利要求3所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中由现场可编程门阵列(FPGA)提供所述依次传输。
5.根据权利要求2所述的便携式视频记录和处理系统，其中通过超高频(UHF)通信执行无线发射。
6.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中从集成三轴陀螺仪传感器中记录或传输所述摄像头集合的运动。
7.根据权利要求6所述的便携式视频记录和处理系统，其中所述陀螺仪传感器的类型为微机电系统惯性传感器。
8.根据权利要求1所述的便携式视频记录和处理系统，其中所有视频记录头模块包含单独的防抖装置。
9.根据权利要求8所述的便携式视频记录和处理系统，其中通过校正镜头的移动来执行防抖。
10.根据权利要求8所述的便携式视频记录和处理系统，其中通过校正所述图像传感器的位置来执行防抖。
11.根据权利要求1以及6至10所述的便携式视频记录和处理系统，其中单个防抖装置的跟踪数据随单个视频流一起被记录和被处理，以便随后与所述摄像头阵列的陀螺仪数据一起被处理。
12.根据权利要求1所述的便携式视频记录和处理系统，其中所述所有摄像头模块的输出在发射或记录前先进行压缩。
13.根据权利要求12所述的便携式视频记录和处理系统，其中使用H.264视频编解码器执行视频压缩。
14.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述摄影的水平角覆盖环绕视角。
15.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述整个成像角度与人的主要视野范围重叠，所以至少为150°×80°。
16.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述相邻摄像头模块的图像部分地重叠。
17.根据权利要求16所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述重叠数据除了用于改善拼接，还用于色噪声和拖尾的电子校正。
18.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中对所述单个摄像头模块的图像进行倾斜校正、去晕影和拼接以便形成一套整体图像。
19.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中通过有至少5°的重叠区的恰当角度对准来配置用于拼接的图像区域。
20.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中通过对重叠的图片内容例如可区分的轮廓和形式进行识别和共焦定心来对准所述图像区域。
21.根据权利要求19和20所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中两个步骤被结合。
22.根据权利要求18和11所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中在预测所述摄像头集合的运动以及单个防抖校正时，从所述整体图像中选择内帧以建立主图像。
23.根据权利要求1和19所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中所述主图像包含超过标准视频格式的水平和垂直视野角度，以便允许聚焦于或剪切出所选择的内容。
24.根据权利要求1所述的便携式视频记录和处理系统，其中从所述合成的主图像中提取不同的视频格式和屏幕窗口。
25.根据权利要求1所述的便携式广角视频记录和处理系统，其中将所述摄像头模块的所有自调参数记录在记忆装置中或发射到控制中心以便在后处理中进行充分转换。
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