視頻對準系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求2013年8月27提交的序列號為14/010, 797的美國申請的優(yōu)先權和 權益，該美國申請的全部內容通過引用并入本文。
技術領域
[0003] 本發(fā)明涉及視頻對準系統(tǒng)和技術。
【背景技術】
[0004] 手持式地理信息系統(tǒng)（geographicinformationsystem，GIS)數(shù)據(jù)采集裝置被 公用事業(yè)公司、市政、環(huán)境管理機構和其它機構用于多種應用，包括竣工的電力線的地圖、 服務中斷報告、雜草管理、水網(wǎng)建模等。先進的手持式GIS將高精度的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (globalnavigationalsatellitesystem，GNSS)接收器、計算機和顯示器、數(shù)碼相機以及 蜂窩數(shù)據(jù)無線電組合在一個單元內。操作者使用該裝置來采集針對電線桿、井蓋或各種其 它特征的位置數(shù)據(jù)。然后，由操作者輸入的位置、圖像和其它數(shù)據(jù)可以經(jīng)由蜂窩無線電數(shù)據(jù) 鏈路而被傳送到GIS數(shù)據(jù)庫。作為運行中的GIS數(shù)據(jù)采集的例子，20組歷史古跡保護勘測 者使用手持式GIS來記錄新奧爾良卡特里娜颶風過后的六個行政區(qū)中的40000多處歷史住 宅的位置和情況。針對每個住宅的數(shù)據(jù)包括精確的地理空間坐標、使用來自路易斯安那州 歷史保護辦公室的當?shù)胤课菪g語詞典的結構描述、洪水破壞數(shù)據(jù)、和照片。
[0005] 在一些GIS調查情況下，難以達到需要其位置的對象。例如，高壓變壓器可以位于 防護圍欄后面，或者煤堆的頂部可以是增長的或不穩(wěn)定的。在這些情況和許多其它情況下， 操作者可以通過使用激光測距儀估計從手持式GIS到難以達到的對象的距離，來找到該對 象的位置。給定手持式GIS的位置和距離難以達到的對象的范圍，就可以估計該對象的位 置。
[0006] 具有激光測距儀和照相機的手持式GIS可用于獲得數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像自動地 標記有針對照相機瞄準的對象的位置數(shù)據(jù)。照相機可以在視頻取景器模式下顯示十字準 線，以幫助操作者直接瞄準對象（例如溝渠中的水管）。為了精確的結果，照相機和測距儀 必須對準，使得在照相機圖像中的十字準線對應于由激光測距儀測量的點。在一些實現(xiàn)方 式中，激光測距儀雖然本身用紅外線激光器操作，但包括以可見光波長操作的預對準的測 定點位用激光器。這既對看不到紅外光的人類觀察者有幫助，也對改變用途的具有紅外線 阻隔濾波器的消費級數(shù)碼照相機有幫助。因此，需要的是將激光測距儀（或其測定點位用 激光器）和數(shù)碼照相機對準的系統(tǒng)和方法。
[0007] 手持式GIS提供了僅僅一個在數(shù)字視頻圖像中找到光斑的用途的示例。類似的示 例由激光槍瞄準系統(tǒng)來提供，在該系統(tǒng)中，數(shù)碼照相機充當目標范圍且激光器照射目標。在 這種情況下，有助于使照相機和激光器彼此對準，并對準槍管。甚至更一般地，許多其它的 情況需要在視頻圖像中找到光斑。光斑可以通過激光器來照亮或本身可以是光源（例如發(fā) 光二極管（light-emittingdiodeLED))。因此需要的是用于與光源視頻對準的系統(tǒng)和方 法。
【附圖說明】
[0008] 圖1示出了具有集成的高精度GNSS接收器、數(shù)碼照相機和可拆卸的激光測距儀的 手持式計算機。
[0009] 圖2A和圖2B分別示出了隨時間變化的激光光斑強度和相關函數(shù)。
[0010] 圖3示出了激光光斑和視頻幀時序的示例。
[0011] 圖4示出了具有多個相關函數(shù)相移的激光光斑和視頻幀時序。
[0012] 圖5提供了像素鄰域和像素排除區(qū)域的示例。
[0013] 圖6為用于視頻對準方法的流程圖。
[0014] 圖7為用于在視頻對準方法中的過程的流程圖。
[0015] 圖8為像素表決地圖的示例。
【具體實施方式】
[0016] 在手持型GIS數(shù)據(jù)采集裝置的背景下呈現(xiàn)下面所描述的視頻對準系統(tǒng)和方法，但 是這些系統(tǒng)和方法通常可適用于許多涉及在視頻圖像中定位照亮的光斑的場景。
[0017]圖1示出了手持式計算機105,該手持式計算機105具有集成的高精度GNSS接收 器、數(shù)字照相機和可拆卸的激光測距儀110。該計算機可以被配置為GIS數(shù)據(jù)采集工具，該 GIS數(shù)據(jù)采集工具記錄用戶輸入、數(shù)碼照片、以及由GNSS和激光測距儀數(shù)據(jù)估計的位置。在 其它特征中，高級單元可以提供厘米級定位精度和用于與云中維護的數(shù)據(jù)庫通信的蜂窩無 線電。
[0018] 照相機透鏡115限定對稱軸線120。類似地，由激光測距儀110所發(fā)射的激光束限 定軸線125,測距儀估計沿著軸線125的距離。（光束在場景129中創(chuàng)建光斑127。）在理 想的裝置中，兩根軸線將重合，即，它們將位于彼此之上。那樣，由測距儀所估計的范圍將是 距出現(xiàn)在照相機的視場的中心的對象的距離。
[0019] 然而實際上，兩根軸線通常既不重合也不平行。通常，測距儀從照相機偏移1厘米 左右，并且不共享公共透鏡。因此，當照相機作為取景器顯示視頻圖像（例如在顯示器130 上）時，在圖像中由激光測距儀所測量的點可能不在中心。
[0020] 顯示十字準線（例如135或其它指示符）有助于向用戶顯示激光測距儀指向圖像 中的哪個位置。大多數(shù)的數(shù)碼照相機具有紅外線阻隔濾波器，但是能夠看到對準它的可見 的測定點位用激光束，該紅外線阻隔濾波器防止紅外線測距儀激光束的直接檢測。然而由 于關注眼睛安全性，因此測定點位用激光束通常相當弱并且在白天很難在室外看到。
[0021] 如果可以檢測到測定點位用激光束，則對于各種范圍的十字準線位置可以被存儲 在計算機的存儲器中。如果由測距儀所估計的距離遠遠大于照相機軸線與激光器軸線之間 的偏移（如通常在實踐中的情況），則測定點位用激光束出現(xiàn)的位置與應當繪制十字準線 的位置慢慢地隨距離變化。
[0022] 在表1中連同解決方案一起列出的幾個問題使得難以在視頻圖像中檢測由測定 點位用激光束產(chǎn)生的光斑（或者其它的光源，例如發(fā)光二極管）：
[0023]
[0024] 表1:與視頻對準相關聯(lián)的問題和解決方案
[0025] 第一個問題，即例如來自在明亮陽光下的昏暗的測定點位用激光束的弱信號，易 于理解。第二個問題，即有限的計算機資源，可能對于使用低功率處理器的手持式裝置而言 是一個因素，尤其是當處理器參與其它的活動（例如繪制地圖、GNSS信號處理、數(shù)據(jù)通信等 等）時。以下所描述的視頻對準方法設計成使用高效運行且充分利用有限的計算功率的整 數(shù)運算來實施。
[0026] 如以下更詳細描述的，光信號源（例如測定點位用激光器或LED)和檢測器（即攝 像機）均具有周期性的時間屬性。光源可以通過以頻率匕為特征的周期性信號來調制。攝 像機逐幀地獲取視頻圖像數(shù)據(jù)，其中幀重復速率以頻率fv為特征。例如，假設fs= 5Hz且 fv= 30Hz。在這一情況下，每個信號周期有六個照相機幀。在理想的情況下，六幀中的第 一幀將與信號周期同時開始。然而，在此處考慮的實際情況下，兩個開始時間之間的關系是 未知的。"未知的激光器和照相機時鐘相位"指的就是這個問題。使用自由運行的照相機的 結果是不具有同步輸入能力或同步電子觸發(fā)能力。
[0027] 此外，未知相位隨著時間而變化（"激光器和照相機時鐘漂移"）。在間隔僅幾十 秒采用的測量期間，相位漂移會導致顯著不同的相位關系。更糟的是，視頻幀速率有時劇烈 變化，這導致無規(guī)律的照相機幀到達時間。這意味著依賴于恒定的采樣速率（即恒定的視 頻幀速率）的激光光斑檢測技術（例如常規(guī)的快速傅里葉變換）可能是有問題的。最后， 一些視頻幀