CN103905741B - 超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统 - Google Patents
超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统，涉及全景摄像技术领域，本发明基于对摄像机阵列成像采集并使用GPU高速并行处理特性，实现了高清图像实时的拼接、校正、调光、压码、传输功能，设计开发出多通道全景多摄像机及其应用系统，针对柱面和球面等不同拍摄模式自适应选择恰当的重投影模型，成功解决了国内现有的全景摄像设备普遍存在的稳定性不高、分辨率低、扩展性差、缺乏实时性等问题，产品分辨率最高可达：4320p～12960p，帧率：30fps。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及全景摄像技术领域，具体涉及一种超高清全景视频实时生成与多通道 同步播放系统。
背景技术
[0002] 在全景摄像领域，以Sony，CarlZeiSS等发明了单镜头光学折射全景成像技术，但 是分辨率有限，并且只能生成环形图像;通过软件实现全景图片的拍摄和旋转扫描式拍摄 方式，都只能单张拍摄，不能拍摄视频，并且拍摄单张图片都需要较长耗时。目前国内制作 的全景拼接设备，都存在拼接区域模糊、不清晰的问题，在处理拼接时，还通常使用 AfterEf f ects，PS等后期软件手工完成，耗费大量时间。在还原超高清视频时，需要4~16台 投影机拼接融合成环幕、球幕、BOX幕等形式，投影机数量多。国内在大屏幕融合技术已经发 展了有十年，不过一直存在着融合区域模糊，黑场时存在暗度灰光无法融合，同帧亮暗度差 较大时融合区域有亮带的问题。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种超高清全景视频实时生成与多通道同 步播放系统。
[0004] 本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
[0005] -种超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统，整个系统由超高清全景视 频实时生成系统与应用播放系统两个部分组成，生成系统负责图像的采集与拼接;应用播 放系统负责将全景视频应用于球幕或环幕影院等并进行播放；
[0006] 所述生成系统由图像采集部分与智能拼接部分两部分组成，所述图像采集部分包 括HCI交互模块、嵌入式摄像阵列电控系统和多路图像并行采集模块；
[0007] 所述多路图像并行采集模块采用高清摄像机作为图像采集为输入，所采集到的图 像信号交给嵌入式摄像阵列电控系统，以嵌入式系统为控制平台，经过程序控制，会让图像 处理系统对采集的信号进行粗调、匹配、拼接、平滑处理；
[0008] 所述嵌入式摄像阵列电控系统用于控制快门同步控制模块、曝光度反馈与控制条 件系统和云台两自由度马达电动控制器；
[0009] 所述HCI交互模块控制姿态、曝光、快门，使用基于硬件的多路采集设备以30fps速 度传输到显示卡图像缓存中；
[0010] 所述智能拼接部分包括基于GPU/OpenCLl. 1的数据流控制模块和基于GPU的实时 生成模块，所述基于GHJ的实时生成模块包括智能拼接模块和基于GPU的H. 265格式并行压 缩丰吴块；
[0011] 所述GPU/OpenCLl. 1的数据流控制模块实时的采集来自图像采集部分的多路高清 图像，通过并行运算，经实现基于遗传算法的全景图像畸变校正、图片全方向切割、多遍次 配准拼接、图像融合生成，经H.265格式并行压缩模块进行压缩，经图像传输、同步控制进行 Η. 265格式并行解码，再经延迟渲染后对图像实现融合拼接，进行多幕拼接显示，通过移动 设备播放控制，并将拼接得到相应的全景图像并压缩添加到视频数据中；
[0012] 所述应用播放系统包括与多路图像并行采集模块通过网络连接的数据融合服务 器，采集设备将采集的图像信息编码压缩以后，通过局域网（以太网)传给数据融合服务器， 数据融合服务器对对台采集设备的图像进行融合，并将结果传输给多台显示终端显示；
[0013] 所述多台显示终端显示均包括全景播放同步服务器，所述全景播放同步服务器经 局域网连接有解码拼接整合器，经解码拼接整合器连接至全景式拼接投影阵列；
[0014] 本发明基于对摄像机阵列成像采集并使用GPU高速并行处理特性，实现了高清图 像实时的拼接、校正、调光、压码、传输功能，设计开发出多通道全景多摄像机及其应用系 统，针对柱面和球面等不同拍摄模式自适应选择恰当的重投影模型，成功解决了国内现有 的全景摄像设备普遍存在的稳定性不高、分辨率低、扩展性差、缺乏实时性等问题，产品分 辨率最高可达:4320p~12960p，帧率:30f ps。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1)采用GPU/OpenCLl.l并行处理技术，通过对GHJ的扩展，实现多GHJ架构并发运 算，解决了运算不即时的问题，基本可以达到在30ms内完成一次拼接融合与编码。
[0017] 2)采取的基于遗传算法的全景图像畸变校正技术，满足了实时性要求，全景图像 拍摄模式采用的是柱面和球面两种拍摄模式，将全景视频的单一柱面拍摄模式扩展到柱面 和球面两种不同模式;利用多台摄像机来同步拍摄真实场景画面，多通道视频画面进行实 时无缝拼接，获得超高分辨率全景视频。
[0018] 3)采用分布式网络，使用多台电脑分割显示来解决。多台电脑协同播放时视频的 精准同步就成了最大的问题，我们独创的引入了自适应同步算法，让每台投影机上显示的 画面相差不超过两帧，达到人眼视觉上的同步。
[0019] 4)基于GPU的逐像素亮度融合算法，并发的检索每个像素的亮度，动态的实现了快 速融合，实现拼接区域的高质量清晰呈现。
附图说明
[0020] 图1为本发明生成系统模块构成图；
[0021] 图2为本发明生成系统的异构运算的协作流程；
[0022]图3为本发明多台显示终端显示模块构成图；
[0023] 图4为本发明应用播放系统模块构成图；
[0024] 图5为本发明柱面模式切割示意图；
[0025] 图6为本发明球面模式切割示意图；
具体实施方式
[0026] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。
[0027] 如图1所示，一种超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统，整个系统由超 高清全景视频实时生成系统与应用播放系统两个部分组成，生成系统负责图像的采集与拼 接;应用播放系统负责将全景视频应用于球幕或环幕影院等并进行播放；
[0028]如图2所示，生成系统由图像采集部分与智能拼接部分两部分组成，图像采集部分 包括HCI交互模块、嵌入式摄像阵列电控系统和多路图像并行采集模块;多路图像并行采集 模块采用高清摄像机作为图像采集为输入，所采集到的图像信号交给嵌入式摄像阵列电控 系统，以嵌入式系统为控制平台，经过程序控制，会让图像处理系统对采集的信号进行粗 调、匹配、拼接、平滑处理;嵌入式摄像阵列电控系统用于控制快门同步控制模块、曝光度反 馈与控制条件系统和云台两自由度马达电动控制器;HCI交互模块控制姿态、曝光、快门，使 用基于硬件的多路采集设备以30fps速度传输到显示卡图像缓存中；
[0029]智能拼接部分包括基于GPU/OpenCLl. 1的数据流控制模块和基于GPU的实时生成 模块，基于GPU的实时生成模块包括智能拼接模块和基于GPU的H. 265格式并行压缩模块； GPU/OpenCLl. 1的数据流控制模块实时的采集来自图像采集部分的多路高清图像，通过并 行运算，经实现基于遗传算法的全景图像畸变校正、图片全方向切割、多遍次配准拼接、图 像融合生成，经H. 265格式并行压缩模块进行压缩，经图像传输、同步控制进行H. 265格式并 行解码，再经延迟渲染后对图像实现融合拼接，进行多幕拼接显示，通过移动设备播放控 制，并将拼接得到相应的全景图像并压缩添加到视频数据中；
[0030] 如图3、4所示，应用播放系统包括与多路图像并行采集模块通过网络连接的数据 融合服务器，采集设备将采集的图像信息编码压缩以后，通过局域网（以太网）传给数据融 合服务器，数据融合服务器对对台采集设备的图像进行融合，并将结果传输给多台显示终 端显示；多台显示终端显示均包括全景播放同步服务器，所述全景播放同步服务器经局域 网连接有解码拼接整合器，经解码拼接整合器连接至全景式拼接投影阵列。
[0031] 全方位图像切割：
[0032] 是将多幅图像的感兴趣区域进行规则化的切割，通过每台摄像机之间的固定位 置，可以算出每个摄像机的重叠区域大小，以切割线为边界，可以对柱面模式和球面模式进 行切割，在柱面和球面两种不同的拍摄模式下，其切割的位置不同（如图5、图6)。
[0033]并行运算分析：
[0034]若在hXl尺寸的图像上均匀进行网格划分，设每个格子的基本尺寸aXb，那么图 像被划分成[h/a] X [Ι/b]个矩形子块，在固定的切割区域B内，对各个子块进行并行切割运 算。将存储在GHJ纹理存储器中的图像进行分割，使用OpenCL指令在GPU中做并行运算，提高 运算速度。
[0035]多遍次配准拼接：
[0036]图像配准是确定图片之间的几何关系，以便将多幅图像变换到同一坐标系生成全 景图像。本项目采用基于SIFT的图像对齐方法，可分为如下五个步骤：
[0037] 1)从输入图片中检测SIFT特征点；
[0038] 2)用k-d树查找每个特征点的k个最近相邻特征点，获得粗匹配点对；
[0039] 3)根据两两图片之间的SIFT匹配点集用RANSAC算法计算出图片之间的单应矩阵 (Homograph)，同时去除几何不一致和误差较大的匹配点对；
[0040] 4)根据单应矩阵(Homography)进行图像对齐，根据对齐结果决定是否进行再次计 算单位应矩阵，获取精确匹配点集；
[0041] 5)在获得精确匹配点集后，采用集束调整(BundleAdjustment)估算出每个相机三 个旋转参数和焦距。
[0042]图像拼接过程的基本流程:首先获取待拼接的图像，然后经过预处理(滤波等），再 进行统一坐标变换，将所有图像序列变换到统一的坐标系中，接着进行图像配准和图像融 合，最终得到全景图像拼接。
[0043]图像融合生成：
[0044] 为了实现两幅图像之间的平滑过渡，需要对重叠区域象素的灰度值进行局部线性 插值。
[0045]
[0046] 其中，I为融合图像重叠区域的灰度值，II前幅图像重叠部分的灰度值，12为第二 幅图像重叠部分的灰度值，d为渐变因子，L为两幅图像重叠区域的宽度，ω为插值处到重叠 区域左端的距离。
[0047]全景图像畸变校正与GPU并行处理：
[0048] 一)全景图像畸变校正
[0049] 由于镜头变形以及大气折射等因素，相机拍摄的照片存在变形，为了获取高质量 的拼接结果，需要对变形的图片进行校正。本项目提出了基于遗传算法全景图像畸变校正 的方法，引入遗传算法对畸变参数进行优化，计算得出校正后图像。需要解决的几个主要问 题如下：
[0050] 1)适应度函数，把适应度函数的定义域从二维正整数空间扩展到二维真实数空间 中；
[0051] 2)选择操作，采用的是轮盘赌的选算法，体现了自然界"优胜劣汰，适者生存"的竞 争原则；
[0052] 3)交叉操作，采用了单点交叉算法，使优质模式相互结合产生高阶、长定义距、高 平均应度的模式；
[0053] 4)变异操作，变异概率是决定遗传算法性能的关键，根据适应度函数，适当的放大 变异概率；
[0054] 5)停止准则，采用的是最大进化代数的算法停止准则。
[0055] 二)GPU并行处理
[0056] 并行算法的分类根据并行的侧重点的不同，主要有一下分类法：
[0057] 1)根据运算基本对象的不同可分为数值并行算法和非数值并行算法；
[0058] 2)根据并行进程间相互执行顺序关系的不同可分为同步并行算法、异步并行算 法；
[0059] 3)根据个处理器承担的计算任务成都的不同可分为细粒度并行算法、中粒度并行 算法和粗粒度并行算法。
[0060]本发明采取的是更为效率的细粒度并行模式，细粒度并行模型又称为邻域模型， 或者是扩散式模型，是将遗传算法与细胞自动机结合起来的模型。
[0061 ]超高清图像实时编解码、存储和传输算法：
[0062]超高清全景视频数据量巨大，数据快速存储是设计中需要解决的关键问题。为了 解决该问题，本项目基于最新H. 265/HEVC编码技术标准，通过GPU的融合算法，以及采用高 速数据并行存储阵列，实现4320p~12960p超高清视频编解码、存储和传输问题。
[0063] Η· 265视频编解码方案：
[0064] 在GPU中，先将图像视频信息读入内存，根据Η.265压码步骤，将一帧视频图像用水 平和垂直的直线进行划分，得到多个Tiles，每个Tile之间是相互独立，并且每个Tile里面 包含整数个LCU，其中有编码单元⑶，预测单元PU和变换单元TU，以此实现并行处理。各单元 经过二进制化和算术编码，得到熵编码片(entropysl ice)，每个si ice内部允许再切割成多 个slices，每个熵编码片能独立编码和解码，从而提高编解码器的并行处理能力。在实现过 程中，分别为每个编码片分配一个线程，以实现编码的并行处理，在前一个线程的第二个 LCU处理完毕，就可以开始当前线程的编解码，以此提高编解码器的并行处理能力。
[0065] 超高清全景视频实时生成与应用系统，由多台摄像采集设备、服务器和多台同步 显示的终端设备构成。采集设备将采集的图像信息编码压缩以后，通过局域网（以太网）传 给服务器，服务器对对台采集设备的图像进行融合，并将结果传输给多台显示终端显示。在 这个过程中，难以避免地产生分布式协同控制问题，即数据传输的实时性问题。
[0066] 在分布式网络应用系统中，数据传输速度直接影响了画面同步播放的水平。由于 本系系统是基于局域网的应用系统，数据源与数据宿之间通过一个或者多个链路或者信道 传输时丢包率比较低。因而在高实时性的要求下，可以考虑优先选用UDP协议。因为TCP协议 是基于可靠的数据传输链接，中途有严格的握手协议，这个在一定程度上占用了传输时间， 影响了实时性。
[0067]本系统中的数据具有单向传输数据量大的特点，即采集设备向服务器单向发送海 量数据，服务器无须向采集设备发送数据。当服务器经过视频融合算法以后，将数据经 H.265/HEVC高度压缩后，它直接向展示客户端单向发送数据，同时展示客户端无须回传数 据。基于上述特点，可以将每次发送的数据包定义的比较大。因为数据包越大则传输的次数 减少，使得数据上的额外比特的比例降低，因而效率更高。在此可将数据包设为65535字节。 [0068]本系统采用自适应同步算法和GPU延迟渲染技术，解决对超高清视频的同步播放 问题。多客户端系统的时间延迟来自于两个方面，第一是网络传输数据延迟，第二是由于 GPU渲染时差导致时间不一致。本系统提出了自适应网络同步算法来解决网络传输导致的 时间延迟问题，同时引入了终端视频数据的延迟渲染技术，进一步弥补因接收数据不一致 和本地GPU缓存读数速度不一致导致的渲染画面误差。
[0069] 超高清全景视频实时生成与应用系统中，在服务器的统一控制下，各个客户端配 合服务器的指令，共同完成自适应同步算法。服务器分别给客户端发送数据包，客户端接收 到数据后解压缩，并根据本地时钟将接收数据包序列反馈给比较器，比较器根据时间戳和 同步控制命令，产生自适应同步算法，保证数据包同步高效地到达客户端。
[0070] 自适应算法(PBC)规定了同步质量参数，即允许的最大同步错误Emax(相邻数据包 在接收方的播放时间间隔与在发送方的产生时间间隔之差），最大抖动J max(同步错误的方 差)和同步引起的最大包丢失率uax。在发送端对产生的每个媒体对象都分配一个RTP时戳 t L, g，对于第i个数据包，其RTP时间戳为Ti, g，则
[0071] Bi,w=ti,g
[0072] Bi,d = Bi,w+Emax
[0073] 第i个数据包到达时的播放时钟时间忆|可能落入Bi.jPBi.d形成的三个区域之一， 同步算法使用以下规则：
[0074] (1)如果数据包在B1>w之前到达(落入等待区域)则将在B1>w被播放。
[0075] (2)如果数据包在B1>w之后B1>d之前到达(落入不等待区域)则立即播放。
[0076] (3)如果数据在Bi, d之后到达，则被丢弃。
[0077]设所有的时间都是播放时钟时间，自适应同步算法：
[0078] (1)当收到一个数据包时，将播放时钟的初值置为该数据包的RTP时间戳。
[0079] (2)在收到第i个数据包时，比较RTP时间戳ti,g与到达时间ti, w(播放时钟TOC的当 前时间PBC(t))。
[0080] (3)检查最近增加的计数器cx(xe I w，nw，d)。
[0081 ] (4)如果各个计数器大于上限，计数器复位。
[0082]视频数据通过网络发送给客户端时，在自适应同步算法的控制下，接收的视频数 据已误差相差较小，但是仍然有一点的偏差，那么这时候本系统进一步改善视频播放方式， 采用延迟植染技术(Deferred Shading)对接收的视频数据进一步执行同步处理。所谓的延 迟渲染，即在数据接收到一定程度以后，根据网络控制信号判断在不影响实时性的前提下， 允许各个客户端接收数据达到一定值时，才开始播放视频的过程。
[0083]以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
Claims (1)
1. 一种超高清全景视频实时生成与多通道同步播放系统，其特征在于:整个系统由超 高清全景视频实时生成系统与应用播放系统两个部分组成，生成系统负责图像的采集与拼 接;应用播放系统负责将全景视频应用于球幕或环幕影院并进行播放； 所述生成系统由图像采集部分与智能拼接部分两部分组成，所述图像采集部分包括 HCI交互模块、嵌入式摄像阵列电控系统和多路图像并行采集模块； 所述多路图像并行采集模块采用高清摄像机作为图像采集为输入，所采集到的图像信 号交给嵌入式摄像阵列电控系统，以嵌入式系统为控制平台，经过程序控制，会让图像处理 系统对采集的信号进行粗调、匹配、拼接、平滑处理； 所述嵌入式摄像阵列电控系统用于控制快门同步控制模块、曝光度反馈与控制条件系 统和云台两自由度马达电动控制器； 所述HCI交互模块控制姿态、曝光、快门，使用基于硬件的多路采集设备以30fps速度传 输到显示卡图像缓存中； 所述智能拼接部分包括基于GPU/OpenCL 1.1的数据流控制模块和基于GPU的实时生成 模块，所述基于GPU的实时生成模块包括智能拼接模块和基于GPU的H.265格式并行压缩模 块； 所述基于GPU/OpenCL 1.1的数据流控制模块实时的采集来自图像采集部分的多路高 清图像，通过并行运算，经基于遗传算法的全景图像畸变校正、图片全方向切割、多遍次配 准拼接、图像融合生成，经H. 265格式并行压缩模块进行压缩，经图像传输、同步控制进行 H. 265格式并行解码，再经延迟渲染后对图像实现融合拼接，进行多幕拼接显示，通过移动 设备播放控制，并将拼接得到相应的全景图像并压缩添加到视频数据中； 所述应用播放系统包括与多路图像并行采集模块通过网络连接的数据融合服务器，采 集设备将采集的图像信息编码压缩以后，通过局域网或以太网传给数据融合服务器，数据 融合服务器对多台采集设备的图像进行融合，并将结果传输给多台显示终端显示； 所述多台显示终端均包括全景播放同步服务器，所述全景播放同步服务器经局域网连 接有解码拼接整合器，经解码拼接整合器连接至全景式拼接投影阵列。
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