專利名稱：多功能序列圖像信息自動采集裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電一體化的智能系統(tǒng)范圍，特別涉及一種多功能序列圖像信息自動采集裝置及方法。它可廣泛用于有關(guān)計算機(jī)視覺、圖像處理、三維景物重建、信息安全等科學(xué)研究及各種實用場合。該裝置是機(jī)電一體化的智能系統(tǒng)，在計算機(jī)的控制下，具有友好的人機(jī)交互界面，在不同研究及應(yīng)用中的信息采集條件可在已有的精度范圍內(nèi)任意設(shè)置，序列圖像的采集完全在已設(shè)置的技術(shù)條件下自動完成。整套裝置的硬件由機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)、快門可控攝像裝置及計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，智能化控制系統(tǒng)由計算機(jī)軟件實現(xiàn)。該裝置是自行構(gòu)思及發(fā)明的特殊裝置，具有較廣泛的應(yīng)用價值。
背景技術(shù)：
計算機(jī)視覺是以視覺處理理論為中心，屬于人工智能范疇的一個新領(lǐng)域。它也是以圖像處理、模式識別、計算機(jī)技術(shù)和生理學(xué)心理學(xué)為基礎(chǔ)的信息處理科學(xué)中的一個重要分支。計算機(jī)視覺也是人工智能及機(jī)器人科學(xué)中頗為活躍的和卓有成效的熱門研究課題。
計算機(jī)視覺研究的目標(biāo)有兩個1)自動構(gòu)造場景描述的圖像理解系統(tǒng)，2)理解人類視覺，以便有朝一日用機(jī)器代替人去做人類難以達(dá)到或根本無法達(dá)到的工作。
這種過程可歸結(jié)為從輸入的一幅圖像中提取景物信息，完成某些計算，在不同階段的理解過程引入相關(guān)的先驗知識進(jìn)行相關(guān)處理，從而完成景物的理解處理過程。
獲取視覺信息的主要方法有主動法和被動法兩大類其中，被動法是在自然光條件下獲得三維信息的方法。包括體視法、陰影恢復(fù)形狀法、由運動恢復(fù)形狀法、紋理恢復(fù)形狀法和灰度體視法等。
運動序列圖像分析法是依靠物體或攝像機(jī)運動時得到的多幅序列圖像，通過對三維運動參數(shù)的計算分析獲取三維信息。在計算機(jī)視覺研究中受到極大重視，已成為一個重要分支?？傊S信息獲取是計算機(jī)視覺研究的基礎(chǔ)，也是目前非?；钴S的課題之一。無論在理論上還是實踐上都有舉足輕重的作用。
基于被動法視覺信息獲取的需要，我們發(fā)明了多功能序列圖像采集系統(tǒng)。查閱相關(guān)資料與我們的多功能序列圖像采集系統(tǒng)相同的裝置尚未見有關(guān)報道。
下圖是一篇論文中提到的人臉采集方法，該方法是在在被拍攝者周圍安置多個攝像機(jī)，通過計算機(jī)控制它們依次拍攝。其原理圖如圖1所示。這個采集系統(tǒng)的硬件組成1)采集計算機(jī)(帶1路采集卡、光盤刻錄機(jī))；2)燈光控制電路1個，視頻切換器1個；3)攝像機(jī)13臺，型號松下1/3CCD；4)燈具12個。
采集的時候自動依次從各攝像機(jī)視頻抓取一幀圖像，將所采圖像和被拍攝人的一些基本信息保存到數(shù)據(jù)庫，并變成圖片文件。這種方法有明顯的不足之處該方法的一個明顯的缺點是系統(tǒng)過于復(fù)雜，應(yīng)用了13臺攝像機(jī)，成本高，造成浪費。再者這種方法在選擇不同角度間隔的時候也不夠靈活，比如要分別每隔5度，10度，15度拍攝一組圖像，就很難完成了。而且攝像機(jī)的間隔是人為布置的，很難做到攝像機(jī)之間的角度間隔均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一個多功能序列圖像信息自動采集裝置及方法。該系統(tǒng)利用比較簡潔的設(shè)備完成了角度的自動定位和人臉圖像的自動獲取，實現(xiàn)角度精確定位與圖像采集的連動性。
所述序列圖像信息自動采集裝置包括一個轉(zhuǎn)動平臺，由一臺步進(jìn)電機(jī)、一臺電機(jī)驅(qū)動器、一塊電機(jī)控制卡和一個載人座椅，載人座椅上坐人，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來定位角度；一臺可編程的攝像機(jī)，對攝像機(jī)進(jìn)行編程控制，用于圖像信息采集，在計算機(jī)程序的控制下攝像機(jī)啟動抓拍功能，拍攝圖像；
一臺計算機(jī)，計算機(jī)用于控制、顯示和存儲。
計算機(jī)主頻在1G以上，通過PCI插槽與轉(zhuǎn)動平臺連接，通過高速的USB2.0控制器與攝像機(jī)連接，使用windows xp操作系統(tǒng)。
所述步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)控制卡。
所述旋轉(zhuǎn)平臺下面封裝了電機(jī)控制卡、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)，上面安裝座椅。
所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其序列圖像信息自動采集過程由系統(tǒng)軟件進(jìn)行程序控制從電機(jī)啟動旋轉(zhuǎn)開始，每轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度時，電機(jī)立即停止，攝像機(jī)啟動抓拍功能，將這一角度的人臉圖像拍攝并存儲到計算機(jī)，之后電機(jī)自動重新啟動，繼續(xù)這一過程的循環(huán)，直到設(shè)定的轉(zhuǎn)動次數(shù)完成為止，具體實施步驟為1)初始化電機(jī)控制卡和攝像機(jī)；2)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、角度間隔時間及轉(zhuǎn)動次數(shù)參數(shù)；并設(shè)定攝像機(jī)采集圖像的連動性參數(shù)；3)啟動電機(jī)并開啟定時器，運行定時器，判斷設(shè)定的轉(zhuǎn)角是否完成；4)完成轉(zhuǎn)角，停止電機(jī)；5)開啟攝像機(jī)拍攝該角度人臉圖像，存儲圖像；6)判斷角度間隔時間是否到點，若為是，重復(fù)步驟3、4、5；7)判斷轉(zhuǎn)動次數(shù)是否完成，判斷結(jié)果為否，重復(fù)步驟3、4、5；判斷結(jié)果為是，不再重新啟動電機(jī)，關(guān)閉定時器，程序結(jié)束。
所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移參數(shù)，即事先測定好每個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度數(shù)，則通過程序界面設(shè)定參數(shù)來精確定位電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
所述判斷角度間隔時間是通過程序查詢電機(jī)控制卡的位置寄存器內(nèi)記錄的電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度數(shù)，當(dāng)前數(shù)值是否與設(shè)定的角度間隔數(shù)值相等，由定時器完成查詢操作。
所述攝像機(jī)采集圖像的連動性參數(shù)包括分辨率、圖像窗口、曝光及增益、拍攝速度。
所述攝像機(jī)采集圖像需要對可編程攝像機(jī)進(jìn)行編程控制，其編程控制工作流程為1)開始申請資源，初始化指定設(shè)備；2)參數(shù)設(shè)置分辨率、圖像窗口、曝光、增益；3)采集圖像到內(nèi)存包括采集、停止、讀取、存儲/顯示；4)拍攝結(jié)束，釋放資源。
本發(fā)明有益效果是多功能序列圖像采集系統(tǒng)是基于計算機(jī)視覺的智能信息采集裝置。他可廣泛用于有關(guān)計算機(jī)視覺、圖像處理、三維景物重建、信息安全等科學(xué)研究及各種實用場合該裝置是機(jī)電一體化的智能系統(tǒng)，在計算機(jī)的控制下，具有友好的人機(jī)交互界面，在不同研究及應(yīng)用中的信息采集條件可在已有的精度范圍內(nèi)任意設(shè)置，序列圖像的采集完全在已設(shè)置的技術(shù)條件下自動完成。整套裝置的硬件由機(jī)械伺服機(jī)構(gòu)、快門可控攝像裝置及計算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成，智能化控制系統(tǒng)由計算機(jī)軟件實現(xiàn)。該裝置是自行構(gòu)思及發(fā)明的特殊裝置，具有較廣泛的應(yīng)用價值。本裝置的軟件經(jīng)過封裝后形成標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，在實用時，用戶可以按照安裝導(dǎo)向的指導(dǎo)進(jìn)行安裝，方便而快捷。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)序列圖像采集裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明序列圖像信息自動采集裝置示意圖。
圖3為完成一次旋轉(zhuǎn)拍攝序列圖像任務(wù)程序流程圖。
圖4為可編程攝像機(jī)工作流程圖。
圖5為步進(jìn)電機(jī)的梯形包絡(luò)速度曲線圖。
圖6為復(fù)雜的梯形包絡(luò)線速度曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一個多功能序列圖像信息自動采集裝置及方法。該系統(tǒng)利用比較簡潔的設(shè)備完成了角度的自動定位和人臉圖像的自動獲取，實現(xiàn)角度精確定位與圖像采集的連動性。
本發(fā)明主要包括如下內(nèi)容1)系統(tǒng)整體構(gòu)思；2)系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)(包括機(jī)械之裝置的設(shè)計，攝像機(jī)構(gòu)的設(shè)計，自動控制電路原理設(shè)計)；3)系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)。
所述序列圖像信息自動采集裝置(如圖2所示)包括一個轉(zhuǎn)動平臺，由一臺步進(jìn)電機(jī)、一臺電機(jī)驅(qū)動器、一塊電機(jī)控制卡和一個載人座椅，載人座椅上坐人，可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來定位角度；一臺可編程的攝像機(jī)，對攝像機(jī)進(jìn)行編程控制，用于圖像信息采集，在計算機(jī)程序的控制下攝像機(jī)啟動抓拍功能，拍攝圖像；該攝像機(jī)為大恒圖像公司生產(chǎn)的DH-HV3102UC數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。
一臺計算機(jī)，計算機(jī)用于控制、顯示和存儲。計算機(jī)主頻在1G以上，通過PCI插槽與轉(zhuǎn)動平臺連接，通過高速的USB2.0控制器與攝像機(jī)連接，使用windows xp操作系統(tǒng)。
所述步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，包括電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)控制卡。均為定購部件或市場購買。
所述旋轉(zhuǎn)平臺下面封裝了電機(jī)控制卡、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)，上面安裝座椅。
所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其序列圖像信息自動采集過程由系統(tǒng)軟件進(jìn)行程序控制(如圖3所示)從電機(jī)啟動旋轉(zhuǎn)開始，每轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度時，電機(jī)立即停止，攝像機(jī)啟動抓拍功能，將這一角度的人臉圖像拍攝并存儲到計算機(jī)，之后電機(jī)自動重新啟動，繼續(xù)這一過程的循環(huán)，直到設(shè)定的轉(zhuǎn)動次數(shù)完成為止，具體實施步驟如為1)初始化電機(jī)控制卡和攝像機(jī)；2)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、角度間隔時間及轉(zhuǎn)動次數(shù)參數(shù)；并設(shè)定攝像機(jī)采集圖像的連動性參數(shù)；3)啟動電機(jī)并開啟定時器，運行定時器，判斷設(shè)定的轉(zhuǎn)角是否完成；4)完成轉(zhuǎn)角，停止電機(jī)；5)開啟攝像機(jī)拍攝該角度人臉圖像，存儲圖像；6)判斷角度間隔時間是否到點，若為是，重復(fù)步驟3、4、5；7)判斷轉(zhuǎn)動次數(shù)是否完成，判斷結(jié)果為否，重復(fù)步驟3、4、5；判斷結(jié)果為是，不再重新啟動電機(jī)，關(guān)閉定時器，程序結(jié)束。
這個過程的控制是由計算機(jī)的程序完成的，系統(tǒng)的自動控制程序自行研制。本系統(tǒng)的兩個重點目標(biāo)-角度的精確定位和圖像采集的連動性具體實現(xiàn)如下1)旋轉(zhuǎn)角度的精確定位是通過計算機(jī)程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的精確控制實現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)是一個將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的設(shè)備，只要事先測定好每個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度數(shù)，就可以通過程序界面設(shè)定參數(shù)來任意控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
2)圖像采集的連動性需要解決兩個技術(shù)問題一是判斷設(shè)定的角度間隔是否完成，可以通過程序查詢電機(jī)控制卡的位置寄存器(記錄著電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度數(shù))當(dāng)前數(shù)值是否與設(shè)定的數(shù)值(角度間隔)相等，可以安排一個定時器完成查詢操作；或者步進(jìn)電機(jī)采用間歇式運動控制機(jī)制，為了使電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個用戶指定角度后自動停止，再自動的重新啟動，直到轉(zhuǎn)夠指定次數(shù)，需要完成下的工作A，用戶能夠隨意設(shè)定運動參數(shù)(速度、加速度、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動次數(shù)、轉(zhuǎn)動方向)，并將參數(shù)傳給函數(shù)profile6030。
B.電機(jī)運動到指定的角度時自動通知程序。轉(zhuǎn)動次數(shù)達(dá)到預(yù)定參數(shù)時自動反饋參數(shù)給程序庫。
二是在兩次旋轉(zhuǎn)的間隔時間內(nèi)完成圖像的拍攝和存儲，需要對可編程攝像機(jī)進(jìn)行編程控制?？删幊虜z像機(jī)的控制工作流程(如圖4所示)為1)開始申請資源，初始化指定設(shè)備；2)參數(shù)設(shè)置分辨率、圖象窗口、曝光、增益；3)采集圖像到內(nèi)存包括采集、停止、讀取、存儲/顯示；4)拍攝結(jié)束，釋放資源。5)圖像存儲，將采集到的圖像數(shù)據(jù)實時存儲到計算機(jī)的內(nèi)，同時，也可以利用位圖函數(shù)將圖像顯示在計算機(jī)的屏幕上。
下面對步進(jìn)電機(jī)控制策略予以說明。
1)步進(jìn)電機(jī)的梯形包絡(luò)速度曲線(如圖5所示)，圖示為梯形包絡(luò)線，它的加減速值相等。該梯形的面積就是電機(jī)轉(zhuǎn)動的距離(2000個步距角，不加緩沖和細(xì)分的情況下)。由于步進(jìn)電機(jī)所帶負(fù)載有一定的機(jī)械慣性質(zhì)量，速度不可能立刻達(dá)到設(shè)定值，所以應(yīng)有加減速階段。在電機(jī)運行時，可隨時改變梯形包絡(luò)線的參數(shù)，可走出更復(fù)雜的運動軌跡(如圖6所示)。
權(quán)利要求
1.一個多功能序列圖像信息自動采集裝置，其特征在于，所述序列圖像信息自動采集裝置包括一個轉(zhuǎn)動平臺，由一臺步進(jìn)電機(jī)、一臺電機(jī)驅(qū)動器、一塊電機(jī)控制卡和一個載人座椅組成，載人座椅上坐人，電機(jī)控制卡控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)來定位角度；一臺可編程的攝像機(jī)，對攝像機(jī)進(jìn)行編程控制，用于圖像信息采集，在計算機(jī)程序的控制下攝像機(jī)啟動抓拍功能，拍攝圖像；一臺計算機(jī)，計算機(jī)用于控制、顯示和存儲；計算機(jī)主頻在1G以上，使用windows xp操作系統(tǒng)，通過PCI插槽與轉(zhuǎn)動平臺連接，通過高速的USB2.0控制器與攝像機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能序列圖像信息自動采集裝置，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能序列圖像信息自動采集裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)平臺下面封裝了電機(jī)控制卡、電機(jī)驅(qū)動器和電機(jī)，上面安裝座椅。
4.一種多功能序列圖像信息自動采集方法，其特征在于，所述多功能序列圖像信息自動采集方法的自動采集過程由系統(tǒng)軟件進(jìn)行程序控制從電機(jī)啟動旋轉(zhuǎn)開始，每轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度時，電機(jī)立即停止，攝像機(jī)啟動抓拍功能，將這一角度的人臉圖像拍攝并存儲到計算機(jī)，之后電機(jī)自動重新啟動，繼續(xù)這一過程的循環(huán)，直到設(shè)定的轉(zhuǎn)動次數(shù)完成為止，具體實施步驟為1)初始化電機(jī)控制卡和攝像機(jī)；2)設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)角度、角度間隔時間及轉(zhuǎn)動次數(shù)參數(shù)；并設(shè)定攝像機(jī)采集圖像的連動性參數(shù)；3)啟動電機(jī)并開啟定時器，運行定時器，判斷設(shè)定的轉(zhuǎn)角是否完成；4)完成轉(zhuǎn)角，停止電機(jī)；5)開啟攝像機(jī)拍攝該角度人臉圖像，存儲圖像；6)判斷角度間隔時間是否到點，若為是，重復(fù)步驟3、4、5；7)判斷轉(zhuǎn)動次數(shù)是否完成，判斷結(jié)果為否，重復(fù)步驟3、4、5；判斷結(jié)果為是，不再重新啟動電機(jī)，關(guān)閉定時器，程序結(jié)束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其特征在于，所述步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移參數(shù)，即事先測定好每個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度數(shù)，則通過程序界面設(shè)定參數(shù)來精確定位電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其特征在于，所述判斷角度間隔時間是通過程序查詢電機(jī)控制卡的位置寄存器內(nèi)記錄的電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度數(shù)，當(dāng)前數(shù)值是否與設(shè)定的角度間隔數(shù)值相等，由定時器完成查詢操作。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其特征在于，所述攝像機(jī)采集圖像的連動性參數(shù)包括分辨率、圖像窗口、曝光及增益、拍攝速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述多功能序列圖像信息自動采集裝置，其特征在于，所述攝像機(jī)對采集圖像進(jìn)行編程控制，其編程控制工作流程為1)開始申請資源，初始化指定設(shè)備；2)參數(shù)設(shè)置分辨率、圖像窗口、曝光、增益；3)采集圖象到內(nèi)存包括采集、停止、讀取、存儲/顯示；4)拍攝結(jié)束，釋放資源。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述多功能序列圖像信息自動采集方法，其特征在于，所述攝像機(jī)采集圖像的連動性由兩種方式實現(xiàn)一，判斷設(shè)定的角度間隔是否完成，可以通過程序查詢電機(jī)控制卡的位置寄存器(記錄著電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度數(shù))當(dāng)前數(shù)值是否與設(shè)定的數(shù)值(角度間隔)相等，可以安排一個定時器完成查詢操作；二，或者步進(jìn)電機(jī)采用間歇式運動控制機(jī)制，為了使電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個用戶指定角度后自動停止，再自動的重新啟動，直到轉(zhuǎn)夠指定次數(shù)，需要完成下的工作A，用戶能夠隨意設(shè)定的運動參數(shù)包括速度、加速度、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)動次數(shù)、轉(zhuǎn)動方向；B.電機(jī)運動到指定的角度時自動通知程序，轉(zhuǎn)動次數(shù)達(dá)到預(yù)定參數(shù)時自動反饋參數(shù)給程序。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于機(jī)電一體化的智能系統(tǒng)范圍，特別涉及一種多功能序列圖像信息自動采集裝置及方法。所述序列圖像信息自動采集裝置包括可旋轉(zhuǎn)角度定位的轉(zhuǎn)動平臺，可編程的攝像機(jī)，用于圖像信息采集，一臺用于控制、顯示和存儲的計算機(jī)。通過PCI插槽與轉(zhuǎn)動平臺連接，通過高速的USB2.0控制器與攝像機(jī)連接。其序列圖像信息自動采集是從電機(jī)啟動旋轉(zhuǎn)開始，每轉(zhuǎn)過一個設(shè)定的角度時，電機(jī)立即停止，攝像機(jī)啟動抓拍功能，將這一角度的人臉圖像拍攝并存儲到計算機(jī)，之后電機(jī)自動重新啟動，繼續(xù)這一過程的循環(huán)，直到設(shè)定的轉(zhuǎn)動次數(shù)完成為止。可廣泛用于計算機(jī)視覺、圖像處理、三維景物重建、信息安全等科學(xué)研究及各種實用場合。
文檔編號G06T15/00GK101072298SQ200610165090
公開日2007年11月14日 申請日期2006年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月13日
發(fā)明者阮秋琦, 劉帥, 付樹軍, 唐曉芳 申請人:北京交通大學(xué)