基于摄像机阵列的高帧率视频采集技术研究

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高速相机作为时间放大镜,能够把人眼难以辨认和跟踪的快速现象栩栩如生地拍摄下来,如电火花触发瞬间、高速物体运动、军事实验等等,在科学研究和工程应用领域中是不可缺少的实验器材。当前大多数单视点高速相机存在诸如以下缺点:生产范围小、购买困难、价格昂贵、拍摄帧率高但是成像质量差、应用开发周期长等缺点,无法满足当下各应用领域的迫切需求。本文利用多摄像机阵列可以分布触发获取图像的特点,实现了基于多摄像机阵列的高帧率视频录制技术,并建立了实际可行的图像采集原型系统。首先,本文阐述了摄像机阵列高帧率视频系统的工作原理,并利用加拿大Point GreyResearch公司的Bumblebee BBX3立体视觉系统构成实际可操作的摄像机阵列,通过支持脉冲触发的图像采集卡实现摄像机阵列视频拍摄功能。其次,本文对摄像机阵列的标定技术进行了有益的探索:1)设计了一种实际可用的柔性靶标作为实验的标定目标,在不改变靶标大小情况下增加可提取特征点的数目,进而提高标定精度,同时针对这种柔性靶提出了有效的特征点提取方案,并给出实验结果;2)标定算法方面,在传统摄像机模型基础上,考虑径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变,为提高标定使用的成像模型的精准度,利用最小二乘法的迭代算法求解线性标定方程组的最优解,即标定参数;3)根据立体视觉特性和标定参数,建立目标摄像机像平面和参考摄像机的对应关系,为高帧率视频合成做准备。再次,在颜色空间变换理论和通常使用的颜色校正方法的基础上,本文提出了一种基于三次B样条的颜色校正算法,算法通过对目标摄像机和参考摄像机颜色模板图像中颜色块匹配,提取一一对应的颜色块颜色信息,建立特征颜色表,并利用三次B样条函数反向构造颜色响应曲线,从而实现颜色校正。由于三次B样条曲线的平滑特性,相对于常用颜色校正算法中的颜色映射方法更趋近于真实情况,而且文中与基于BP神经网络的颜色校正算法做对比,本算法具有计算量小、复杂度低、实行时间短等特点。最后,本文设计了摄像机阵列视频录制软件子系统,在预先设置的环境条件下,进行了多次实验,验证了提出的阵列标定和颜色校正算法,并得到实际录制的高帧率视频,实验证明了本文提出的高帧率视频录制方案实际可行,并且该方案可以减少传统高帧率视频录制成本、扩展应用范围,是一种便于应用、低成本、高性能的的高速视频录制系统解决方案。
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