一種延長高速相機拍攝時長的方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及一種高速成像技術(shù)，特別是涉及一種延長高速相機拍攝時長的方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]在空氣動力學、流體力學、爆炸力學等諸多學科研究領(lǐng)域中，通常需要使用高速攝像機觀測快速變化的物理或化學現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中，受相機數(shù)據(jù)傳輸接口帶寬限制，高速相機拍攝的海量圖像數(shù)據(jù)只能存儲于相機內(nèi)存中。因內(nèi)存成本較高，相機內(nèi)存容量通常較小，難以實現(xiàn)大容量圖像數(shù)據(jù)存儲，從而導致無法長時間拍攝高分辨率視頻。[0003]在現(xiàn)有的高速成像技術(shù)中，為實現(xiàn)長時間拍攝，必須減小圖像分辨率。如圖1所示，現(xiàn)有高速相機普遍采用“thin-out”模式，在圖像分辨率和拍攝時長之間折中。但是，這種以犧牲圖像分辨率延長拍攝時間的thin-out模式，帶來的直接后果是:過低的圖像分辨率不但不能滿足定量分析需求，而且難以滿足視覺定性分析需要。[0004]圖像數(shù)據(jù)是高度冗余的，這決定了其具有可壓縮性。通過圖像壓縮，可以在保證一定信息量前提下，大大降低圖像數(shù)據(jù)量，以利于圖像存儲與傳輸?，F(xiàn)有的圖像壓縮方法，多采用JPEG、MPEG、H.264等壓縮格式。這些算法的優(yōu)點是，能夠極大降低圖像數(shù)據(jù)量，但缺點是算法復(fù)雜非常高，需要采用專用硬件才能實現(xiàn)常規(guī)視頻(1280*720，30@fps)壓縮，難以應(yīng)用于高速相機等產(chǎn)生海量圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備中。[0005]近期，得益于壓縮傳感理論的提出，壓縮成像技術(shù)受到了學者們的廣泛關(guān)注。它不同于現(xiàn)有圖像壓縮方法:先采樣圖像再壓縮，而是直接在圖像成像過程中進行壓縮，以降低圖像數(shù)據(jù)量。比如，2008年美國Rice大學研制了單像素相機，通過一個像素的多次成像，可以極低的數(shù)據(jù)量恢復(fù)出期望的圖像。該方法的最大優(yōu)點是，極大地降低了前端傳感器制作成本。這類壓縮成像方法的核心問題是:如何通過物理手段模擬壓縮傳感中的隨機投影過程。但是，目前尚未找到行之有效的、可廣泛應(yīng)用的實現(xiàn)方法?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0006]本發(fā)明的目的是提供一種延長高速相機拍攝時長的方法，其算法簡單，易于硬件實現(xiàn)，能夠降低尚速相機拍攝圖像像素數(shù)量，提尚相機內(nèi)存存儲視頻幀數(shù)，進而延長尚速相機拍攝時間。[0007]為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:[0008]本發(fā)明的一種延長高速相機拍攝時長的方法，步驟如下:首先，在高速攝像機端對CCD或CMOS采集的高分辨率圖像進行壓縮，得到的壓縮圖像數(shù)據(jù)保存在高速相機的內(nèi)存中；其次，通過高速相機數(shù)據(jù)接口或網(wǎng)絡(luò)將高速相機內(nèi)存中的壓縮圖像數(shù)據(jù)導入計算機，在計算機端通過壓縮圖像重構(gòu)算法恢復(fù)出期望的圖像。[0009]相比現(xiàn)有圖像或視頻壓縮技術(shù)，本發(fā)明提出的方法算法簡單、容易硬件實現(xiàn)。因為，在攝像機端只需執(zhí)行像素丟棄操作，通過微小的硬件或軟件改動，即可在現(xiàn)有高速相機中實現(xiàn)。圖1為峰值信噪比對比結(jié)果；圖中，橫坐標為圖像壓縮率，縱坐標為峰值信噪比；圖2為圖像結(jié)構(gòu)相似性對比結(jié)果；圖中，橫坐標為圖像壓縮率，縱坐標為圖像結(jié)構(gòu)相似性?！揪唧w實施方式】[0010]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。[0011]本發(fā)明實施例的一種延長高速相機拍攝時長的方法，包括如下步驟:首先，在高速攝像機端對CCD或CMOS采集的高分辨率圖像進行壓縮，得到的壓縮圖像數(shù)據(jù)保存在高速相機的內(nèi)存中；其次，通過高速相機數(shù)據(jù)接口或網(wǎng)絡(luò)將高速相機內(nèi)存中的壓縮圖像數(shù)據(jù)導入計算機，在計算機端通過壓縮圖像重構(gòu)算法恢復(fù)出期望的圖像。[0012]上述方法的具體實現(xiàn)流程如下:[0013]1)在計算機端隨機生成一個m*n大小的指示器(Flags)矩陣，其中m、n分別對應(yīng)采集圖像的高度和寬度，F(xiàn)lags矩陣元素取值為0或1，1表示保留該位置處像素，0表示丟棄該位置處像素；[0014]2)在計算機端以Flags矩陣為參照，構(gòu)建壓縮圖像修復(fù)查找表(Lookuptable，LUT)。從Flags矩陣左上角開始，按“Z”字型掃描方式，刪除取值為0的元素，保留取值為1的元素，并記錄該元素圖像坐標，得到新的只包含1的元素序列，按照記錄的元素圖像坐標，構(gòu)建元素序列到圖像的坐標查找表LUT;[0015]3)通過高速攝像機接口將Flags矩陣上傳到高速攝像機中；[0016]4)在圖像采集過程中，根據(jù)Flags矩陣對采集圖像進行壓縮:從(XD或CMOS讀出一行像素后，根據(jù)Flags矩陣中對應(yīng)位置元素取值是否為0，丟失這些像素，得到新的一行圖像數(shù)據(jù)，當完成一幀圖像采集和壓縮后，將該幀圖像存入高速攝像機內(nèi)存，在整個圖像采集過程中，F(xiàn)lags矩陣保持不變；[0017]5)通過高速攝像機數(shù)據(jù)接口，將采集圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機端，通過圖像丟棄像素修復(fù)方法，補償丟失像素，得到期望圖像:根據(jù)LUT記錄的像素圖像坐標，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)在圖像矩陣中重新排列，丟棄了的像素填充為0，得到原分辨率大小圖像，然后米用“T.Chen，Κ.-K.Ma，andL.-H.Chen,Tr1-statemedianfilterforimagedenoising，IEEETrans.1mageProcessing,vol.8，pp.1834-1838，Dec.1999”提出的選擇中值濾波方法，修改其搜索窗口尺寸，進行自適應(yīng)選擇中值濾波，補償在圖像采集過程中丟棄的像素，得到期望圖像。[0018]本文采用Matlab平臺進行模擬仿真驗證，選用原子彈爆炸圖像Imagel進行測試，圖像壓縮率分別設(shè)定為5%-99%。并與Thin-out模式采集結(jié)果進行對比評估，為得到相同分辨率圖像，采用雙線性插值對Thin-out模式采集圖像進行超分辨率增強。最后，采用峰值信噪比(PSNR)、圖像結(jié)構(gòu)相似性(SS頂)進行定量評估分析。由試驗結(jié)果的照片容易看出，本發(fā)明實施例方法相比Thin-out模式采集圖像更加清晰。定量分析結(jié)果，見附圖1和2，也證實本發(fā)明實施例方法在圖像信噪比和圖像結(jié)構(gòu)相似性上，比thin-out和雙線性插值方法效果更好，其中TOM是指采用雙線性插值對Thin-out模式采集圖像進行增強的方法，BCI是指本發(fā)明提出的圖像壓縮與恢復(fù)方法；當圖像壓縮(compressrat1)率達到99%時，Imagel的峰值信噪比達(SS頂)到了25.6，當圖像壓縮率達到90%時，Imagel的峰值信噪比(PSNR)達到了32.47。也就是說，采用本發(fā)明方法，在保證一定信噪比條件下，至少可以使高速相機存儲圖像數(shù)量增加10倍，拍攝時間延長10倍。[0019]模擬仿真驗證表明，該方法能夠在不降低成像分辨率、并保證一定信噪比的前提下，以相同內(nèi)存容量，使高速相機拍攝時長延長10倍以上。此外，該方法直接在成像過程中降低了圖像數(shù)據(jù)量，它還具備在現(xiàn)有的圖像數(shù)據(jù)傳輸帶寬條件下，實現(xiàn)高速相機采集數(shù)據(jù)實時傳輸和存儲的潛質(zhì)。這意味著，與大容量硬盤陣列相結(jié)合，該方法能夠以低成本方式實現(xiàn)長時物理或化學現(xiàn)象的連續(xù)觀測。[0020]最后應(yīng)說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍?！局鳈?quán)項】1.一種延長高速相機拍攝時長的方法，其特征在于，步驟如下:首先，在高速攝像機端對CCD或CMOS采集的高分辨率圖像進行壓縮，得到的壓縮圖像數(shù)據(jù)保存在高速相機的內(nèi)存中；其次，通過高速相機數(shù)據(jù)接口或網(wǎng)絡(luò)將高速相機內(nèi)存中的壓縮圖像數(shù)據(jù)導入計算機，在計算機端通過壓縮圖像重構(gòu)算法恢復(fù)出期望的圖像。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種延長高速相機拍攝時長的方法，其特征在于，所述圖像壓縮的過程為:1)在計算機端隨機生成一個m*n大小的指示器(Flags)矩陣，其中m、n分別對應(yīng)采集圖像的高度和寬度，F(xiàn)lags矩陣元素取值為0或1，1表示保留該位置處像素，0表示丟棄該位置處像素；2)在計算機端以Flags矩陣為參照，構(gòu)建壓縮圖像修復(fù)查找表(Lookuptable，LUT)。從Flags矩陣左上角開始，按“Z”字型掃描方式，刪除取值為0的元素，保留取值為1的元素，并記錄該元素圖像坐標，得到新的只包含1的元素序列，按照記錄的元素圖像坐標，構(gòu)建元素序列到圖像的坐標查找表LUT;3)通過高速攝像機接口將Flags矩陣上傳到高速攝像機中；4)在圖像采集過程中，根據(jù)Flags矩陣對采集圖像進行壓縮:從CCD或CMOS讀出一行像素后，根據(jù)Flags矩陣中對應(yīng)位置元素取值是否為0，丟失這些像素，得到新的一行圖像數(shù)據(jù)，當完成一幀圖像采集和壓縮后，將該幀圖像存入高速攝像機內(nèi)存，在整個圖像采集過程中，F(xiàn)lags矩陣保持不變。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種延長高速相機拍攝時長的方法，其特征在于，所述壓縮圖像重構(gòu)的過程為:通過高速攝像機數(shù)據(jù)接口，將采集圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，在計算機端，通過圖像丟棄像素修復(fù)方法，補償丟失像素，得到期望圖像:根據(jù)LUT記錄的像素圖像坐標，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)在圖像矩陣中重新排列，丟棄了的像素填充為0，得到原分辨率大小圖像，然后采用選擇中值濾波方法，修改其搜索窗口尺寸，進行自適應(yīng)選擇中值濾波，補償在圖像采集過程中丟棄的像素，得到期望圖像。【專利摘要】本發(fā)明公開了一種延長高速相機拍攝時長的方法，包括如下步驟：首先，在高速攝像機端對CCD或CMOS采集的高分辨率圖像進行壓縮，得到的壓縮圖像數(shù)據(jù)保存在高速相機的內(nèi)存中；其次，通過高速相機數(shù)據(jù)接口或網(wǎng)絡(luò)將高速相機內(nèi)存中的壓縮圖像數(shù)據(jù)導入計算機，在計算機端通過壓縮圖像重構(gòu)算法恢復(fù)出期望的圖像。本發(fā)明方法的算法簡單、容易硬件實現(xiàn)，在高速攝像機端只需執(zhí)行像素丟棄操作，通過微小的硬件或軟件改動，即可在現(xiàn)有高速相機中實現(xiàn)延長高速相機拍攝時長?！綢PC分類】H04N19/86,H04N19/42,H04N5/232【公開號】CN105407272【申請?zhí)枴緾N201510717618【發(fā)明人】王斌,蓋文,顧正華,韓杰,郭守春,宋巍巍,祝汝松,陳天毅,黃威凱,顧光武,王飛,林辰龍【申請人】中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所【公開日】2016年3月16日【申請日】2015年10月29日