一种消除图像运动模糊的方法及系统与流程

1.本发明属于机电一体化技术领域，具体涉及一种消除图像运动模糊的方法及系统。


背景技术：

2.在高速运动的机载设备上拍摄地面物体，由于快门曝光期间相机与地面物体的相对运动，一个点会拍摄成一条线，导致图像运动模糊。一般采用算法或运动补偿，来消除图像运动模糊。算法补偿对噪声敏感；而现有运动补偿结构复杂。
3.现有机械运动补偿，采用机械结构及其组件在曝光时移动光感应介质，使剩余像素移动量尽可能小，从而达到抑制运动模糊的目的，美国ka
‑
112a航空侦察机就是用移动胶片法消除运动像移的。
4.现有光学像移补偿法是按照与相机焦面上像移速度一致的原则旋转或移动光路元件以改变光线方向达到抑制运动模糊的目的。常用旋转物镜前方的回转反射镜补偿前向像移。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种消除图像运动模糊的方法及系统，解决图像运动模糊问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种消除图像运动模糊的方法，包括以下步骤：
8.s1、控制相机的角速度w＝v/h，v是相机的速度，h是相机的高度；
9.s2、采用四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴与电机连接，利用步骤s1得到的相机角速度控制电机的转速，使摇杆的最大角速度大于等于步骤s1得到的相机角速度；
10.s3、将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆运动到角速度的时刻，根据电机旋转周期起点的时间t1和电机从旋转周期起点到设定角度所需时间t2触发相机进行拍照，实现图像运动模糊消除。
11.具体的，步骤s2中，四杆曲柄摇杆机构包括杆端轴承，杆端轴承的一端经偏心轴与电机的电机轴连接；杆端轴承的另一端与摇杆的一端连接。
12.进一步的，摇杆的另一端通过相机转轴与相机连接。
13.具体的，步骤s2中，电机上设置有杆，杆的一端设置有磁铁，磁铁与霍尔传感器配合用于确定电机旋转周期的起点信号。
14.进一步的，杆与电机的旋转轴垂直设置。
15.具体的，步骤s3中，当经过t2‑
t1‑
0.01秒后触发相机快门进行拍照。
16.具体的，步骤s3中，相机的曝光时间恒定为20ms。
17.本发明的另一技术方案是，一种消除图像运动模糊的系统，包括：
18.角速度模块，控制相机的角速度w＝v/h，v是相机的速度，h是相机的高度；
19.速度模块，采用四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴与电机连接，利用角速度模块得到的相机角速度控制电机的转速，使摇杆的最大角速度大于等于角速度模块得到的相机角速度；
20.触发模块，将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆运动到角速度的时刻，根据电机旋转周期起点的时间t1和电机从旋转周期起点到设定角度所需时间t2触发相机进行拍照，实现图像运动模糊消除。
21.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
22.本发明一种消除图像运动模糊的方法，根据飞机飞行速度高度，计算出相对地面运动角速度，控制电机转速使杆机构最大角速度等于计算出的角速度，控制相机在最大角速度附近曝光。
23.进一步的，杆端轴承采用鱼眼轴承，可减小旋转运动摩擦系数，是4杆曲柄摇杆常用方法。
24.进一步的，摇杆的另一端通过相机转轴与相机连接，可将4杆机构角速度传递给相机，使相机以相同角速度摇头。
25.进一步的，磁铁与霍尔传感器配合用于确定电机旋转周期的起点信号，通过该起点，可准确计算出相机曝光时间点。
26.进一步的，一端装有磁铁的杆，另一端安装在偏心轮预留孔位，垂直安装在电机转轴方向上。
27.进一步的，此时恰好是角速度最大值的前10毫秒，相机曝光时间为20毫秒，从而保证相机在最大角速度期间连续曝光，最大可能减小曝光时像素移动。
28.进一步的，所采用的相机曝光时间恒定为20毫秒。
29.综上所述，本发明通过测量飞机飞行速度高度，计算出相对地面运动角速度，通过电机及四杆机构控制相机摇头，并在相机摇头角速度等于计算角速度时曝光，从而消除图像运动模糊。该方法结构较为简单，且不改动相机，消除运动模糊效果好。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.图1为角速度与相对运动速度和物体距离关系；
32.图2为本发明四杆机构曲柄摇杆结构示意图；
33.图3为四杆机构曲柄摇杆设计图；
34.图4为整体架构结构框图；
35.图5为偏心轴结构示意图；
36.图6为原始图像；
37.图7为未做实施例运动模糊消除图像；
38.图8为做实施例运动模糊消除的图像。
39.其中：1.电机；2.偏心轴；3.杆端轴承；4.摇杆；5.相机转轴；6.杆；7.霍尔传感器；8.mpu微处理器；9.飞控系统。
具体实施方式
40.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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
42.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述设定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
43.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
44.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
45.本发明提供了一种消除图像运动模糊的方法，采用四杆机构曲柄摇杆设计，利用电机旋转，实现相机摇摆，使相机曝光中心时刻摇摆角速度w为相机与被摄物相对运动速度v和相机与被摄物体距离h的比值。
46.请参阅图1，本发明一种消除图像运动模糊的方法，包括以下步骤：
47.s1、采集相机的速度v与高度h，计算角速度w，w＝v/h；
48.相机位于以速度v飞行的飞机上，垂直向下拍摄地面静止物，相机距地面高度为h；视为相机在天空静止，被摄物体在以相机为圆心，h为半径的圆周上转动；若相机与被摄物体以相等角速度同时转动，相机拍摄到清晰的地面静止物图像。
49.s2、设计四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆4通过相机转轴5与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴2与电机1连接，相机、电机1和四杆曲柄摇杆机构均通过mpu微处理器8与飞控系统9连接，根据步骤s1计算的角速度w控制电机1的转速，使摇杆4的最大角速度大于等于相机的角速度w；
50.图像运动模糊消除拍照控制：mpu微处理器8从飞控系统9获得速度v与高度h，计算相机的角速度w，w＝v/h，控制电机1转速，使得摇杆4的最大角速度等于相机的角速度w，在电机1旋转一周内，只有旋转到设定角度时，才能达到最大角速度，如图3所示。
51.请参阅图3，四杆机构曲柄摇杆设计具体为：
52.打开四杆机构.exe软件，选择曲柄摇杆，根据设计需求，反复调整l1/l2/l3/l4长度，让摇杆4的最大角速度在电机转速为100rpm时等于0.37弧度/秒。
53.请参阅图2和图4，四杆机构曲柄摇杆包括偏心轴2，偏心轴2的内侧轴心与电机1的电机轴连接，偏心轴2的外侧轴心与杆端轴承3的一端连接，杆端轴承3的另一端依次通过摇杆4和相机转轴5与相机连接，通过电机1旋转，带动相机转轴5的运动。
54.优选的，杆端轴承3为鱼眼杆端轴承。
55.电机1上设置有杆6，杆6与电机的旋转轴垂直，磁铁的一侧对应设置有霍尔传感器7，霍尔传感器7通过mpu微处理器8与飞控系统9连接，用于在电机每转一周时发出一个标定脉冲，作为电机旋转周期起点信号。
56.请参阅图5，采用偏心轴2替代l1摇杆，简化机械结构。
57.电机1采用带编码器的直流减速电机，mpu微处理器8采用stm32f103单片机，相机选用la6110l远红外相机，曝光时间恒定为20ms。
58.s3、将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆4运动到角速度w的时刻，mpu微处理器8测量从霍尔传感器7获取电机旋转周期起点的时间延迟t1，计算电机1从旋转周期起点到设定角度所需时间t2，经过t2‑
t1‑
0.01秒，触发相机快门拍照，实现图像运动模糊消除。
59.请参阅图2，根据上述原理并采用四杆机构曲柄摇杆设计，利用电机旋转，实现相机摇摆，使相机曝光中心时刻摇摆角速度w为相机与被摄物相对运动速度v和相机与被摄物体距离h的比值。
60.本发明再一个实施例中，提供一种消除图像运动模糊的系统，该系统能够用于实现上述消除图像运动模糊的方法，具体的，该消除图像运动模糊的系统包括角速度模块、模块以及模块。
61.其中，角速度模块，控制相机的角速度w＝v/h，v是相机的速度，h是相机的高度；
62.速度模块，采用四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴与电机连接，利用角速度模块得到的相机角速度控制电机的转速，使摇杆的最大角速度大于等于角速度模块得到的相机角速度；
63.触发模块，将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆运动到角速度的时刻，根据电机旋转周期起点的时间t1和电机从旋转周期起点到设定角度所需时间t2触发相机进行拍照，实现图像运动模糊消除。
64.本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field
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programmable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于消除图像运动模糊的方法的操作，包括：
65.控制相机的角速度w＝v/h，v是相机的速度，h是相机的高度；采用四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴与电机连接，利用相机角速度控制电机的转速，使摇杆的最大角速度大于等于相机角速度；将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆运动到角速度的时刻，根据电机旋转周期起点的时间t1和电机从旋转周期起点到设定角度所需时间t2触发相机进行拍照，实现图像运动模糊消除。
66.本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non
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volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
67.可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关消除图像运动模糊的方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
68.控制相机的角速度w＝v/h，v是相机的速度，h是相机的高度；采用四杆曲柄摇杆机构，将四杆曲柄摇杆机构一端的摇杆与相机连接，四杆曲柄摇杆机构另一端的偏心轴与电机连接，利用相机角速度控制电机的转速，使摇杆的最大角速度大于等于相机角速度；将相机的曝光设为外部触发模式，控制相机的曝光中心时刻处于摇杆运动到角速度的时刻，根据电机旋转周期起点的时间t1和电机从旋转周期起点到设定角度所需时间t2触发相机进行拍照，实现图像运动模糊消除。
69.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
70.请参阅图6，图7和图8，在运动图像消模糊效果中：图6为原始图像、图7为相机与被摄物距离100米相对速度36km/h时，未做实施例运动模糊消除图像，图8为相机与被摄物距离100米相对速度36km/h时，做实施例运动模糊消除的图像；从图7可以看出所有点被拉成水平直线，图8中所有点成像清晰，与原图相差无几。
71.综上所述，本发明一种消除图像运动模糊的方法及系统，通过测量飞机飞行速度高度，计算出相对地面运动角速度，通过电机及四杆机构控制相机摇头，并在相机摇头角速度等于计算角速度时曝光，从而消除图像运动模糊。该方法结构较为简单，且不改动相机，消除运动模糊效果好。
72.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
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rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
73.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流
程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
74.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以设定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
75.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
76.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。