CN115278086B - 一种陀螺仪电子防抖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陀螺仪电子防抖方法，涉及移动视频监控技术领域。本发明包括如下步骤：采集陀螺仪数据，然后采用一种非线性滤波算法对单个镜头的虚拟姿态进行平滑过滤，得到单个镜头的稳定的图像帧，然后基于多个镜头的相对几何位置计算出剩余镜头的旋转矩阵，再对剩下的每个镜头的视频进行图像稳定性处理，最后将多个镜头稳定后的视频送到全景拼接模块进行图像融合，最终得到稳定的全景视频。本发明通过自定义的滤波算法对陀螺仪提供的相机运动数据进行平滑滤波，得到相机的虚拟姿态，利用每个相机的相对位置得到坐标变换矩阵，采用先对每个相机进行防抖处理，再进行全景拼接的方式，降低计算复杂度，能获得更好的全景视频稳定性。
Description
技术领域
本发明属于移动视频监控技术领域，特别是涉及一种陀螺仪电子防抖方法。
背景技术
普通摄像机的视角范围有限，用户只能看到某个场景的局部画面。全景拼接是指将多个摄像机的视频通过软件算法在水平或垂直方向上拼接成一个视野更大、甚至是360度的全景视频，以全新的方式让用户看到传统相机无法捕捉到的视频画面。通常的实现方法是将多个sensor和规格参数完全一致的相机按照一定规则固定在同一个支架上，处理器同时采集多个相机的原始视频，并通过拼接算法将多路原始视频的每一帧图像融合成一帧全景图像，最终只作为一路全景视频输出到显示端或存储到介质。其中一个典型的应用是车载全景布控球。
传统的摄像机在使用过程中，由于在使用时或手持、或车载、或机载，不可避免的会让摄像机发生抖动，从而导致视频画面不稳定，甚至会导致视频智能分析算法的识别精度严重下降，因此采取必要的防抖技术是十分重要的。全景相机也有同样的问题需要解决，并且难度更大，因为全景相机要同时解决多个镜头的视频防抖。
目前常用的全景相机防抖方法有以下几种：一是采用带有光学防抖功能的镜头，提升单个镜头的稳定性，二是机械防抖，即将全景相机固定在带有减震效果的机械云台底座上，整体上降低机身抖动，三是电子防抖，即用软件的方法来提升画面质量，做法通常是先将多个镜头的图像进行拼接，再对拼接后的全景图像进行前景提取、运动估计、特征点匹配、滤波及图像处理。基于陀螺仪的电子防抖算法在传统摄像机中应用广泛，但在全景相机中使用并不多。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陀螺仪电子防抖方法，通过自定义滤波算法对陀螺仪提供的相机运动数据进行平滑滤波，得到相机的虚拟姿态，并利用每个相机的相对位置得到坐标变换矩阵，从而根据其中一个相机的图像变换矩阵得到其他相机的图像变换矩阵，进行防抖处理，再进行全景拼接的方式，解决了现有的摄像机容易抖动，造成视频画面不稳定的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种陀螺仪电子防抖方法，包括如下步骤：
步骤S1：在t1时刻，获取相机Ca的一帧摄像头图像数据Ia(t1)；
步骤S2：获取t1时刻的陀螺仪数据；
步骤S3：在t2时刻，获取相机Ca的一帧视频图像数据Ia(t2)和同一时刻的陀螺仪数据；
步骤S4：在t2时刻的陀螺仪数据转化为一个四元数q；所述四元数q为t2时刻的相机Ca的姿态；
步骤S5：对t2时刻的相机姿态进行平滑滤波处理，得到一个新的四元数r；
步骤S6：根据四元数r得到图像变换矩阵Ra，单位四元数r＝w+xi+yj+zk；其中||r||＝x2+y2+z2+w2＝1，则给定这个四元数，构造选择矩阵为：
步骤S7：用该图像变换矩阵t2时刻已采集到的图像Ia(t2)进行修正，并根据预先制定的感兴趣区域对超出该区域的图像进行裁剪，经过矩阵运算和裁剪后得到t2时刻相机Ca稳定后的图像Ia(t2)；
步骤S8：以相同方式计算同一个支架上其他相机Cb、Cc、Cd...跟Ca之间的转换矩阵Tb、Tc、Td......,得到：
步骤S9：在t2时刻，获取相机Cb的一帧视频图像数据Ib(t2)，获取相机Cc的一帧视频图像数据Ic(t2)，获取相机Cd的一帧视频图像数据Id(t2)......；
步骤S10：根据各个相机的转换矩阵并根据感兴趣区域进行变换后的裁剪，得到各个相机在t2时刻稳定后的图像，
步骤S11：将各个相机稳定后的图像Ia′(t2)、Ib′(t2)、Ic′(t2)、Id′(t2)......送给全景拼接模块，得到t2时刻稳定的全景图像；
步骤S12：依次类推，得到全景视频。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S2中，获取t1时刻的陀螺仪数据，采用六轴陀螺仪，其采样频率大于等于100Hz，具体流程如下：
步骤S21：对陀螺仪进行校准和归零；
步骤S22：获得x,y,z三个方向的角速度；
步骤S23：根据角速度得到陀螺仪绕x,y,z三个轴转动的角度，即为欧拉角；
步骤S24：把欧拉角转化为一个四元数p，所述p表示t1时刻相机Ca的姿态，计算公式如下：
其中，α,β,γ分别是y,x,z轴的旋转角度。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S5中，平滑滤波处理采用Slerp算法进行球面线性插值运算，得到一个新的四元数r；所述四元数r为t2时刻的相机Ca稳定后的虚拟姿态：
式中，θ是四元数p和q代表的三维向量的夹角，t为拟合系数，t的取值范围为0≤t≤1。
作为一种优选的技术方案，所述t越接近0时，则r越接近p；所述t的初始值取0.9，在计算当前帧对应的相机虚拟姿态时，会根据上一帧修正后的图像的裁剪范围来修正t值，裁剪越少，则表明相机抖动小。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过自定义的滤波算法对陀螺仪提供的相机运动数据进行平滑滤波，得到相机的虚拟姿态，其中对球面线性插值算法Slerp中的拟合系数t进行非线性的更新；
(2)本发明利用每个相机的相对位置得到坐标变换矩阵，从而根据其中一个相机的图像变换矩阵得到其他相机的图像变换矩阵，采用先对每个相机进行防抖处理，再进行全景拼接的方式，降低计算复杂度，能获得更好的全景视频稳定性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的防抖算法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于陀螺仪的全景拼接视频防抖装置示意图。
图3为本发明实施的四元数插值算法示意框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明为一种陀螺仪电子防抖方法，包括如下步骤：
步骤S1：在t1时刻，获取相机Ca的一帧摄像头图像数据Ia(t1)；
步骤S2：获取t1时刻的陀螺仪数据，采用六轴陀螺仪，其采样频率大于等于100Hz，具体流程如下：
步骤S21：对陀螺仪进行校准和归零；
步骤S22：获得x,y,z三个方向的角速度；
步骤S23：根据角速度得到陀螺仪绕x,y,z三个轴转动的角度，即为欧拉角；
步骤S24：把欧拉角转化为一个四元数p，所述p表示t1时刻相机Ca的姿态，计算公式如下：
其中，α,β,γ分别是y,x,z轴的旋转角度
步骤S3：在t2时刻，获取相机Ca的一帧视频图像数据Ia(t2)和同一时刻的陀螺仪数据；
步骤S4：在t2时刻的陀螺仪数据转化为一个四元数q；所述四元数q为t2时刻的相机Ca的姿态；
步骤S5：对t2时刻的相机姿态进行平滑滤波处理，目的是减少相机姿态的不平稳抖动，得到一个新的四元数r；平滑滤波处理采用Slerp算法进行球面线性插值运算，得到一个新的四元数r；所述四元数r为t2时刻的相机Ca稳定后的虚拟姿态：
式中，θ是四元数p和q代表的三维向量的夹角，t为拟合系数，t的取值范围为0≤t≤1，所述t越接近0时，则r越接近p；所述t的初始值取0.9，在计算当前帧对应的相机虚拟姿态时，会根据上一帧修正后的图像的裁剪范围来修正t值，裁剪越少，证明相机抖动小，此时t适当增大，当裁剪越多时，证明相机抖动较大，此时需要减小t来以更大的幅度修正当前姿态。
步骤S6：根据四元数r得到图像变换矩阵Ra，单位四元数r＝w+xi+yj+zk；其中||r||＝x2+y2+z2+w2＝1，则给定这个四元数，构造选择矩阵为：
步骤S7：用该图像变换矩阵t2时刻已采集到的图像Ia(t2)进行修正，并根据预先制定的感兴趣区域对超出该区域的图像进行裁剪，经过矩阵运算和裁剪后得到t2时刻相机Ca稳定后的图像Ia(t2)；
步骤S8：以相同方式计算同一个支架上其他相机Cb、Cc、Cd...跟Ca之间的转换矩阵Tb、Tc、Td......,得到：
步骤S9：在t2时刻，获取相机Cb的一帧视频图像数据Ib(t2)，获取相机Cc的一帧视频图像数据Ic(t2)，获取相机Cd的一帧视频图像数据Id(t2)......；
步骤S10：根据各个相机的转换矩阵并根据感兴趣区域进行变换后的裁剪，得到各个相机在t2时刻稳定后的图像，
步骤S11：将各个相机稳定后的图像Ia′(t2)、Ib′(t2)、Ic′(t2)、Id′(t2)......送给全景拼接模块，得到t2时刻稳定的全景图像；
步骤S12：依次类推，得到全景视频。
本实施例的一个具体应用为：
请参考图2，应用本发明的全景摄像机需要内置一个采样频率超过图像传感器帧率的6轴陀螺仪传感器，通常采用的陀螺仪传感器采集频率>＝100Hz。陀螺仪传感器需跟图像传感器固定在同一个支架上，该支架可以确保4个相机间距相等，并且光心交汇于同一点。相机拍摄过程中陀螺仪传感器跟图像传感器之间不能有相对位移；
请参考图2，将4个完全同样规格的相机均匀的固定在全景相机支架上，陀螺仪芯片相对sensor板的位置通常为垂直或者平行，先对陀螺仪进行校准，然后通过标定获得4个相机坐标系和陀螺仪坐标系的变换矩阵；
在t1时刻，首先采集陀螺仪数据和相机Ca此刻的一帧图像数据，获得x,y,z三个方向的角速度，再根据角速度得到陀螺仪绕x,y,z三个轴转动的欧拉角，并把欧拉角转化为一个代表t1时刻相机Ca姿态的四元数p；
在t2时刻，获取相机Ca的一帧视频图像数据Ia(t2)和同一时刻的陀螺仪数据，并将t2时刻的陀螺仪数据转化为一个四元数q，它代表了t2时刻相机Ca的姿态；
请参考图3，采用Slerp算法进行球面线性插值运算，对t2时刻的相机姿态进行平滑滤波，以减少相机姿态的不平稳抖动，插值得到一个新的四元数r，它代表了t2时刻的相机Ca稳定后的虚拟姿态，该姿态是经过平滑滤波之后的姿态，其中拟合系数t根据裁剪范围动态调整；
根据四元数r得到图像变换矩阵Ra，用该图像变换矩阵对相机Ca在t2时刻的视频图像数据Ia(t2)进行修正，再将变换后的图像超出感兴趣区域的部分进行裁剪，最终得到防抖后的稳定图像Ia′(t2)；
根据坐标系换算关系可以得到其他相机Cb、Cc、Cd跟Ca之间的图像转换矩阵Tb、Tc、Td，分别通过标定可以得到；
在t2时刻，分别获取相机Cb、Cc、Cd的一帧视频图像数据Ib(t2)、Ic(t2)、Id(t2)，并根据坐标变换矩阵进行矩阵运算，再经过裁剪后得到每个相机稳定后的图像；
将4个相机稳定后的图像Ia′(t2)、Ib′(t2)、Ic′(t2)、Id′(t2)送给全景拼接模块，得到t2时刻稳定的一帧全景图像I(t2)；
依次类推，得到经过防抖处理的稳定的全景视频I。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种陀螺仪电子防抖方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在t1时刻，获取相机Ca的一帧摄像头图像数据Ia(t1)；
步骤S2：获取t1时刻的陀螺仪数据；
步骤S3：在t2时刻，获取相机Ca的一帧视频图像数据Ia(t2)和同一时刻的陀螺仪数据；
步骤S4：在t2时刻的陀螺仪数据转化为一个四元数q；所述四元数q为t2时刻的相机Ca的姿态；
步骤S5：对t2时刻的相机姿态进行平滑滤波处理，得到一个新的四元数r；
步骤S6：根据四元数r得到图像变换矩阵Ra，单位四元数r＝w+xi+yj+zk；其中||r||＝x2+y2+z2+w2＝1，则给定这个四元数，构造选择矩阵为：
步骤S7：用该图像变换矩阵t2时刻已采集到的图像Ia(t2)进行修正，并根据预先制定的感兴趣区域对超出该区域的图像进行裁剪，经过矩阵运算和裁剪后得到t2时刻相机Ca稳定后的图像Ia(t2)；
步骤S8：以相同方式计算同一个支架上其他相机Cb、Cc、Cd...跟Ca之间的转换矩阵Tb、Tc、Td......,得到：
步骤S9：在t2时刻，获取相机Cb的一帧视频图像数据Ib(t2)，获取相机Cc的一帧视频图像数据Ic(t2)，获取相机Cd的一帧视频图像数据Id(t2)......；
步骤S10：根据各个相机的转换矩阵并根据感兴趣区域进行变换后的裁剪，得到各个相机在t2时刻稳定后的图像，
步骤S11：将各个相机稳定后的图像Ia′(t2)、Ib′(t2)、Ic′(t2)、Id′(t2)......送给全景拼接模块，得到t2时刻稳定的全景图像；
步骤S12：依次类推，得到全景视频。
2.根据权利要求1所述的一种陀螺仪电子防抖方法，其特征在于，所述步骤S2中，获取t1时刻的陀螺仪数据，采用六轴陀螺仪，其采样频率大于等于100Hz，具体流程如下：
步骤S21：对陀螺仪进行校准和归零；
步骤S22：获得x,y,z三个方向的角速度；
步骤S23：根据角速度得到陀螺仪绕x,y,z三个轴转动的角度，即为欧拉角；
步骤S24：把欧拉角转化为一个四元数p，所述p表示t1时刻相机Ca的姿态，计算公式如下：
其中，α,β,γ分别是y,x,z轴的旋转角度。
3.根据权利要求1所述的一种陀螺仪电子防抖方法，其特征在于，所述步骤S5中，平滑滤波处理采用Slerp算法进行球面线性插值运算，得到一个新的四元数r；所述四元数r为t2时刻的相机Ca稳定后的虚拟姿态：
式中，θ是四元数p和q代表的三维向量的夹角，t为拟合系数，t的取值范围为0≤t≤1。
4.根据权利要求3所述的一种陀螺仪电子防抖方法，其特征在于，所述t越接近0时，则r越接近p；所述t的初始值取0.9，在计算当前帧对应的相机虚拟姿态时，会根据上一帧修正后的图像的裁剪范围来修正t值，裁剪越少，则表明相机抖动小。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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