TWI817345B - 影格對齊方法及系統 - Google Patents

Abstract

一種影格對齊方法，其令多個高速攝影裝置以一頻率MHz同步拍攝產生多組連續的影格並提供給一影像處理裝置，且各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P≥1)個影格，P是為對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量；該影像處理裝置判斷各該組連續的影格之每N秒的連續K秒中每秒的一特定位置出現P個影格空缺的次數為連續K次時，以各該組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點，該影像處理裝置並根據各該組連續的影格之每N秒中的該影格對齊點對齊該等組連續的影格。

Description

影格對齊方法及系統

本發明是有關於一種使多個來源的影格對齊的方法，特別是指一種使多個高速攝影機同步拍攝多組影格並使多組影格依拍攝順序對齊的影格對齊方法。

大部份人眼睛的時間分辨能力(時間解析度)只有每秒24張影像，因此電影攝影與放映的頻率達到24幀/秒時，人眼即能獲得連續影格的感受。但對於許多高速運動的物理或瞬變現象，受到人眼時間解析度只有1/24秒的限制，人們即無法看清過程。而有別於一般攝影機每秒拍攝24幀影格（frame，又稱影格），高速攝影機（High-speed camera）能以更高的頻率(例如每秒拍攝240幀~數萬幀影格等)進行高速攝影，故能把高速運動現象的發生、發展和運動軌跡等清晰地拍攝下來並展現在人們的面前。因此高速攝影機經常被應用於分析例如撞擊測試、彈道、生物的移動或運動員的運動過程，例如棒球投手投球的姿勢或球路軌跡等。

而當使用多台高速攝影機同時從不同的角度拍攝同一目標，使各該高速攝影機各自產生一組連續的影格並提供給後端的一影格分析裝置時，因為各該高速攝影機內部的時鐘和產生的影格編號各自獨立，例如假設有三台高速攝影機，第一台高速攝影機拍攝的該組影格編號依時序分別為101、102、103…，第二台高速攝影機拍攝的該組影格編號依時序分別為103、104、105…，第三台高速攝影機拍攝的該組影格編號依時序分別為100、101、102…，因此，即使使用外部觸發裝置，讓該影格分析裝置接收到的這三組連續的影格時間同步，例如，三台高速攝影機各自的第101、103、102影格是在同一時間點拍攝的，但因三台高速攝影機啟動錄影的時間並未精準同步，因此該影格分析裝置並不知道這三組連續的影格要如何依拍攝順序(第1張影格、第2張影格…)對齊，亦即該影格分析裝置無法只根據影格被拍攝當下的時戳(時間點)和影格編號將這三組連續的影格依拍攝的順序對齊；且若該影格分析裝置使用拍攝順序沒有對齊的這三組連續的影格來進行影格分析，將會因三組的影格在順序上沒有對齊而導致分析結果產生誤差或不精確。

因此，本發明之目的，即在提供一種至少能解決上述問題之影格對齊方法及系統。

於是，本發明一種影格對齊方法，包括：(A)令多個高速攝影裝置根據同時接收到的一同步訊號同步攝影，並以一頻率M(M為正整數)拍攝而產生多組連續的影格，且各該高速攝影裝置所拍攝的各該組連續的影格被提供給一影像處理裝置；其中各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P為正整數且P≥1)個影格，P是為了對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量；(B)該影像處理裝置判斷各該組連續的影格之每N秒的連續K秒中每秒的一特定位置出現P個影格空缺的次數為連續K次時，以各該組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點；及(C)該影像處理裝置根據各該組連續的影格之每N秒中的該影格對齊點對齊該等組連續的影格。

再者，本發明實現上述方法的一種影格對齊系統，包括多個高速攝影裝置及一影像處理裝置，該等高速攝影裝置能根據同時接收到的一同步訊號同步攝影，並以一頻率M(M為正整數)拍攝而對應產生多組連續的影格；其中各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P為正整數且P≥1)個影格，P是為了對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量；該影像處理裝置接受各該高速攝影裝置提供所拍攝的各組連續的影格，且判斷各該組連續的影格之每N秒的連續K秒中每秒在一特定位置出現P個影格空缺的次數為連續K次時，以各該組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點，並且根據各該組連續的影格之每N秒中的該影格對齊點對齊該等組連續的影格。

在本發明的一種實施態樣中，各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器包含一全球衛星定位模組，其能根據所接收的全球衛星定位訊號產生該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。

在本發明的另一種實施態樣中，該影格對齊方法或系統還包括一同步訊號產生裝置，其能產生並發射該同步訊號，且各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器能透過無線通訊接收該同步訊號產生裝置發射的該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。

在本發明的一些實施態樣中，該同步訊號是每秒脈衝輸出信號(Pulse-Per-Second )。

本發明之功效在於：藉由多個高速攝影裝置以同一頻率M同步拍攝而產生影格同步的多組連續的影格，且令各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK個影格，以在每一組連續的影格之每N秒的連續K秒中的每秒裡刻意產生P個影格空缺，藉此，讓該影像處理裝置1可以藉由判斷每一組連續的影格之每N秒的連續K秒中的每秒中是否皆出現刻意產生P個影格空缺，而以每一組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為影格對齊點，再根據每一組連續的影格中的影格對齊點對齊多組連續的影格。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1所示，是本發明影格對齊方法的一實施例的主要流程，且本實施例是由圖2所示的一影格對齊系統100來實現，該影格對齊系統100主要包括多個高速攝影裝置(本實施例是以三個高速攝影裝置A、B、C為例)及一影像處理裝置1。且為實現影格對齊的目的，如圖1的步驟S1所示，首先，令該等高速攝影裝置A、B、C根據同時接收到的一同步訊號同步觸發影格的攝影，並分別以一頻率M(M為正整數)Hz拍攝而對應產生三組連續的影格(一張靜態的影像，又稱幀(frame))，因此各該高速攝影裝置A、B、C所產生的各組連續的影格的幀率為M(即每秒拍攝M個影格)；且各該高速攝影裝置A、B、C在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P為正整數且P≥1)個影格。其中，P是為了對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量。

具體而言，如圖2所示，各該高速攝影裝置A、B、C分別包括一高速攝影機21及一拍攝觸發器22。該拍攝觸發器22中包含一觸發訊號產生器221及一全球衛星定位系統(以下簡稱GPS)模組222，該GPS模組222能與全球衛星通訊以接收全球衛星定位訊號，並根據所接收的全球衛星定位訊號產生該同步訊號，該同步訊號是一每秒脈衝 (Pulse-Per-Second，簡稱PPS)訊號，且該GPS模組222會每秒輸出該同步訊號(一脈衝訊號)給該觸發訊號產生器221。該觸發訊號產生器221根據該同步訊號以及被預先設定的該頻率M產生一頻率M的觸發訊號給該高速攝影機222，以觸發該高速攝影機222以該頻率M拍攝影像而產生一組連續的影格；且因為該等高速攝影裝置A、B、C的該高速攝影機222是同時被該觸發訊號觸發，因此其分別產生的三組連續的影格彼此之間會同步。其中M可以是但不限於240Hz~數萬Hz。

此外，本實施例的另一種實施態樣如圖3所示，該影格對齊系統100’還包括一同步訊號產生裝置2，其能產生並發射上述的該同步訊號，且各該高速攝影裝置A、B、C各別包含該高速攝影機21及該拍攝觸發器22’，各該拍攝觸發器22’能透過無線通訊(例如但不限於內建的WiFi或藍牙無線通訊模組)接收該同步訊號產生裝置2發射的該同步訊號，各該拍攝觸發器22’並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發對應的各該高速攝影機21同步拍攝，使各該高速攝影機21以該頻率M同步攝影。

特別的是，在本實施例中，該等高速攝影裝置A、B、C之該觸發訊號產生器221產生的該觸發訊號會在每N秒的連續K秒中每秒減少P個觸發脈波，例如以M為300Hz為例，表示該觸發訊號每秒會產生300個觸發脈波給該高速攝影機222，且設若N為600，K為3，P為1，表示該高速攝影機222產生的該組連續的影格每600秒需要對齊一次，則該觸發訊號產生器221會使每600秒其中3秒(例如前3秒)中每秒所產生的該觸發訊號只有299個觸發脈波，亦即每600秒其中前3秒中的每1秒產生的該觸發訊號中會出現一個刻意產生的脈波空缺，且該刻意產生的脈波空缺發生位置可以被設定為每1秒所產生的第2~第300個脈波位置其中之一，而這將使得各該高速攝影機222在被該觸發訊號觸發後開始攝影時，會在每600秒的攝影時間中的連續3秒(例如前3秒)中的每1秒只拍攝299個影格，亦即每600秒的攝影時間中連續3秒中的每1秒所拍攝的連續的影格中將出現一個刻意產生的影格空缺，且該刻意產生的影格空缺對應於上述的該刻意的脈波空缺。

舉例來說，假設該刻意產生的影格空缺是在每600秒的攝影時間中前3秒中的每1秒拍攝的連續的影格中的第100個影格的位置，如圖4所示，以實線表示影格，以虛線表示影格空缺，則由高速攝影裝置A拍攝的第A組連續的影格(每一影格具有高速攝影裝置A所給予的一編號(圖未示)和拍攝當下高速攝影裝置A之內部時鐘產生的一時戳(圖未示))其中在第1秒、第2秒和第3秒之連續的影格中皆會在同一位置(即第100個影格的位置)出現該刻意產生的影格空缺；同理，由高速攝影裝置B、C分別拍攝的第B組連續的影格((每一影格具有高速攝影裝置B所給予的一編號和拍攝當下高速攝影裝置B之內部時鐘產生的一時戳)和第C組連續的影格(每一影格具有高速攝影裝置C所給予的一編號和拍攝當下高速攝影裝置C之內部時鐘產生的一時戳)其中也會在第1秒、第2秒和第3秒之連續的影格中的同一位置(即第100個影格的位置)出現該刻意產生的影格空缺。且由於高速攝影裝置A、B、C各自對所拍攝的影格獨立編號且其內部時鐘亦各自獨立計時，因此其各自產生的第A組、第B組和第C組連續的影格的編號和時戳在時序上並沒有一致性而無法被用來對齊這三組的影格。但本實施例可利用上述該刻意產生的影格空缺(即第100個影格的位置)來對齊高速攝影裝置A、B、C所產生的第A組、第B組和第C組這三組連續的影格。

此外，由於高速攝影裝置A、B、C之各該高速攝影機222會因為各種潛在因素出現影格隨機丟失的狀況，導致每秒拍攝的連續的影格中有些影格會不見，且根據目前的實驗，當拍攝頻率M為300Hz時，平均會丟失3~4張影格。以圖4所示，在每1秒拍攝的連續的影格中會在不同的位置出現影格丟失，例如在第A組連續的影格中，第1秒中的第74、221、224位置是影格丟失的位置，第2秒中的第44、206、299位置是影格丟失的位置，第3秒中的第68、202、204、300位置是影格丟失的位置；同理，在第B、C組連續的影格中也同樣出現影格丟失的情況。因此，本實施例必須要在A、B、C這三組連續的影格其中每1秒裡同時出現多個影格空缺(包含非刻意的影格丟失和該刻意產生的影格空缺)的情況下，找出何者才是該刻意產生的影格空缺。

而值得注意的是，如圖4所示，由於在每1秒中影格丟失的位置是隨機的，所以相鄰的幾秒中每1秒因為影格丟失而產生的隨機影格空缺的位置幾乎不會相同或者相同的機率極低；因此，藉由上述前3秒中每1秒內影格丟失的位置隨機但該刻意產生的影格空缺的位置不變的情況，如圖1的步驟S2，當該影像處理裝置1接受各該高速攝影裝置A、B、C提供(例如藉由有線或無線傳輸的方式即時提供或者拍攝完成後再提供)所拍攝的第A組、第B組和第C組連續的影格後，該影像處理裝置1會分別判斷第A組、第B組和第C組連續的影格每600秒(N=600)其中前3秒(K=3)中每1秒拍攝的該等連續的影格中是否有一特定(固定)位置出現影格空缺且在該特定位置空缺的次數為K(表示在前3秒中每秒都在同一特定位置出現影格空缺)，若是，例如圖4所示，第A組連續的影像中從第1秒至第3秒皆在同一特定位置，即第100個位置出現影格空缺，且在該特定位置空缺的次數為3，該影像處理裝置1即判定該特定位置(即第100個位置)是上述之該刻意產生的影格空缺的位置，則以第A組、第B組和第C組連續的影格其中在每600秒中的前3秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點；以上述為例，可以每600秒中前3秒中第1秒中的該特定位置做為該影格對齊點，也可以第2秒或第3秒中的該特定位置做為該影格對齊點，且在本實施例中，該影像處理裝置1是以第A組連續的影格在每600秒中前3秒其中第1秒中的第100個空缺影格的位置做為該影格對齊點；同理，第B、C組連續的影像每600秒中前3秒中從第1秒至第3秒的影格空缺亦皆在同一特定位置，即第100個位置出現影格空缺，因此，該影像處理裝置1亦將以第B、C組連續的影格在每600秒中前3秒其中第1秒中的第100個空缺影格的位置做為該影格對齊點。

藉此，如圖1的步驟S3，該影像處理裝置1即可根據第A組、第B組和第C組連續的影格中位於每600秒之前3秒中第1秒的該影格對齊點對齊第A組、第B組和第C組連續的影格，如圖5所示，使第A組、第B組和第C組連續的影格按照拍攝的順序(第1張、第2張、第3張…)對齊，亦即將第A組、第B組和第C組三者的影格的拍攝時間對齊，使這三組對齊後的連續的影格被同時播放並顯示時，在同一時間點播放的三個影格(第A組的影格、第B組的影格和第C組的影格)因為順序相同所以在時間上同步且沒有時間差；因此，當根據這三組對齊後的連續的影格進行後續的影像分析、比對或應用時(比如分析撞擊測試、彈道、生物的移動軌跡或運動員的運動過程，例如棒球投手投球的姿勢或球路軌跡等)所產生的結果將更為準確。

值得一提的是，N可以是數十秒或數百秒不等，且P可以大於1，例如2~100以上，端視拍攝頻率M而定。

綜上所述，上述實施例先藉由令多個高速攝影裝置以一頻率M同步拍攝，產生影格同步的多組連續的影格，且令各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK個影格，以在每一組連續的影格之每N秒的連續K秒中的每秒裡刻意產生P個影格空缺，藉此，讓該影像處理裝置1可以藉由判斷每一組連續的影格之每N秒的連續K秒中的每秒中是否皆出現刻意產生P個影格空缺，而以每一組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為影格對齊點，再根據每一組連續的影格中的影格對齊點對齊多組連續的影格，確實達到本發明將由多個高速攝影裝置同步拍攝產生的多組連續的影格彼此對齊的功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100、100’· 影格對齊系統 1············ 影像處理裝置 2············ 同步訊號產生裝置 A、B、C·· 高速攝影裝置 A’、B’、C’ 高速攝影裝置 21·········· 高速攝影機 22、22’···· 拍攝觸發器 221········· GPS模組 S1~S3······ 步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地顯示，其中： 圖1是本發明影格對齊方法的一實施例的主要流程步驟； 圖2是本發明影格對齊系統的一實施例包括的硬體裝置及模組方塊的示意圖； 圖3是本發明影格對齊系統的另一實施態樣包括的硬體裝置示意圖； 圖4顯示本實施例拍攝的三組連續的影格中前3秒其中每1秒所產生的影格的示意圖；及 圖5顯示以圖4所示的三組連續的影格中前3秒其中在第1秒中刻意產生的第100個影格空缺做為三組連續的影格的對齊點。

S1~S3······ 步驟

Claims (8)

1. 一種影格對齊方法，包括： (A)   令多個高速攝影裝置根據同時接收到的一同步訊號同步攝影，並以一頻率M(M為正整數)拍攝而產生多組連續的影格，且各該高速攝影裝置所拍攝的各該組連續的影格被提供給一影像處理裝置；其中各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P為正整數且P≥1)個影格，P是為了對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量； (B)   該影像處理裝置判斷各該組連續的影格之每N秒的連續K秒中每秒的一特定位置出現P個影格空缺的次數為連續K次時，以各該組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點；及 (C)   該影像處理裝置根據各該組連續的影格之每N秒中的該影格對齊點對齊該等組連續的影格。
2. 如請求項1所述的影格對齊方法，在步驟(A)中，各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器包含一全球衛星定位模組，其能根據所接收的全球衛星定位訊號產生該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。
3. 如請求項1所述的影格對齊方法，在步驟(A)中，各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器能透過無線通訊接收一同步訊號產生裝置發射的該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。
4. 如請求項1至3其中任一項所述的影格對齊方法，其中該同步訊號是每秒脈衝信號(Pulse-Per-Second )。
5. 一種影格對齊系統，包括： 多個高速攝影裝置，該等高速攝影裝置能根據同時接收到的一同步訊號同步攝影，並以一頻率M(M為正整數)拍攝而對應產生多組連續的影格；其中各該高速攝影裝置在每N秒的連續K(N＞K)秒中拍攝(M-P)xK(P為正整數且P≥1)個影格，P是為了對齊影格而在每秒中刻意丟失的影格數量；及 一影像處理裝置，其接受各該高速攝影裝置提供所拍攝的各組連續的影格，且判斷各該組連續的影格之每N秒的連續K秒中每秒在一特定位置出現P個影格空缺的次數為連續K次時，以各該組連續的影格之每N秒的連續K秒其中任一秒內的該特定位置做為一影格對齊點，並且根據各該組連續的影格之每N秒中的該影格對齊點對齊該等組連續的影格。
6. 如請求項5所述影格對齊系統，其中，各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器包含一全球衛星定位模組，其能根據所接收的全球衛星定位訊號產生該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。
7. 如請求項5所述影格對齊系統，還包括一同步訊號產生裝置，其能產生並發射該同步訊號，且各該高速攝影裝置包含一高速攝影機及一拍攝觸發器，各該拍攝觸發器能透過無線通訊接收該同步訊號產生裝置發射的該同步訊號，並根據該同步訊號產生具有該頻率M的觸發訊號觸發各該高速攝影機同步拍攝，使各該高速攝影機以該頻率M同步攝影。
8. 如請求項5至7其中任一項所述影格對齊系統，其中該同步訊號是每秒脈衝輸出信號(Pulse-Per-Second )。

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