视频对准系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求2013年8月27提交的序列号为14/010, 797的美国申请的优先权和 权益，该美国申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003] 本发明涉及视频对准系统和技术。
【背景技术】
[0004] 手持式地理信息系统（geographicinformationsystem，GIS)数据采集装置被 公用事业公司、市政、环境管理机构和其它机构用于多种应用，包括竣工的电力线的地图、 服务中断报告、杂草管理、水网建模等。先进的手持式GIS将高精度的全球导航卫星系统 (globalnavigationalsatellitesystem，GNSS)接收器、计算机和显示器、数码相机以及 蜂窝数据无线电组合在一个单元内。操作者使用该装置来采集针对电线杆、井盖或各种其 它特征的位置数据。然后，由操作者输入的位置、图像和其它数据可以经由蜂窝无线电数据 链路而被传送到GIS数据库。作为运行中的GIS数据采集的例子，20组历史古迹保护勘测 者使用手持式GIS来记录新奥尔良卡特里娜飓风过后的六个行政区中的40000多处历史住 宅的位置和情况。针对每个住宅的数据包括精确的地理空间坐标、使用来自路易斯安那州 历史保护办公室的当地房屋术语词典的结构描述、洪水破坏数据、和照片。
[0005] 在一些GIS调查情况下，难以达到需要其位置的对象。例如，高压变压器可以位于 防护围栏后面，或者煤堆的顶部可以是增长的或不稳定的。在这些情况和许多其它情况下， 操作者可以通过使用激光测距仪估计从手持式GIS到难以达到的对象的距离，来找到该对 象的位置。给定手持式GIS的位置和距离难以达到的对象的范围，就可以估计该对象的位 置。
[0006] 具有激光测距仪和照相机的手持式GIS可用于获得数字图像，该数字图像自动地 标记有针对照相机瞄准的对象的位置数据。照相机可以在视频取景器模式下显示十字准 线，以帮助操作者直接瞄准对象（例如沟渠中的水管）。为了精确的结果，照相机和测距仪 必须对准，使得在照相机图像中的十字准线对应于由激光测距仪测量的点。在一些实现方 式中，激光测距仪虽然本身用红外线激光器操作，但包括以可见光波长操作的预对准的测 定点位用激光器。这既对看不到红外光的人类观察者有帮助，也对改变用途的具有红外线 阻隔滤波器的消费级数码照相机有帮助。因此，需要的是将激光测距仪（或其测定点位用 激光器）和数码照相机对准的系统和方法。
[0007] 手持式GIS提供了仅仅一个在数字视频图像中找到光斑的用途的示例。类似的示 例由激光枪瞄准系统来提供，在该系统中，数码照相机充当目标范围且激光器照射目标。在 这种情况下，有助于使照相机和激光器彼此对准，并对准枪管。甚至更一般地，许多其它的 情况需要在视频图像中找到光斑。光斑可以通过激光器来照亮或本身可以是光源（例如发 光二极管（light-emittingdiodeLED))。因此需要的是用于与光源视频对准的系统和方 法。
【附图说明】
[0008] 图1示出了具有集成的高精度GNSS接收器、数码照相机和可拆卸的激光测距仪的 手持式计算机。
[0009] 图2A和图2B分别示出了随时间变化的激光光斑强度和相关函数。
[0010] 图3示出了激光光斑和视频帧时序的示例。
[0011] 图4示出了具有多个相关函数相移的激光光斑和视频帧时序。
[0012] 图5提供了像素邻域和像素排除区域的示例。
[0013] 图6为用于视频对准方法的流程图。
[0014] 图7为用于在视频对准方法中的过程的流程图。
[0015] 图8为像素表决地图的示例。
【具体实施方式】
[0016] 在手持型GIS数据采集装置的背景下呈现下面所描述的视频对准系统和方法，但 是这些系统和方法通常可适用于许多涉及在视频图像中定位照亮的光斑的场景。
[0017]图1示出了手持式计算机105,该手持式计算机105具有集成的高精度GNSS接收 器、数字照相机和可拆卸的激光测距仪110。该计算机可以被配置为GIS数据采集工具，该 GIS数据采集工具记录用户输入、数码照片、以及由GNSS和激光测距仪数据估计的位置。在 其它特征中，高级单元可以提供厘米级定位精度和用于与云中维护的数据库通信的蜂窝无 线电。
[0018] 照相机透镜115限定对称轴线120。类似地，由激光测距仪110所发射的激光束限 定轴线125,测距仪估计沿着轴线125的距离。（光束在场景129中创建光斑127。）在理 想的装置中，两根轴线将重合，即，它们将位于彼此之上。那样，由测距仪所估计的范围将是 距出现在照相机的视场的中心的对象的距离。
[0019] 然而实际上，两根轴线通常既不重合也不平行。通常，测距仪从照相机偏移1厘米 左右，并且不共享公共透镜。因此，当照相机作为取景器显示视频图像（例如在显示器130 上）时，在图像中由激光测距仪所测量的点可能不在中心。
[0020] 显示十字准线（例如135或其它指示符）有助于向用户显示激光测距仪指向图像 中的哪个位置。大多数的数码照相机具有红外线阻隔滤波器，但是能够看到对准它的可见 的测定点位用激光束，该红外线阻隔滤波器防止红外线测距仪激光束的直接检测。然而由 于关注眼睛安全性，因此测定点位用激光束通常相当弱并且在白天很难在室外看到。
[0021] 如果可以检测到测定点位用激光束，则对于各种范围的十字准线位置可以被存储 在计算机的存储器中。如果由测距仪所估计的距离远远大于照相机轴线与激光器轴线之间 的偏移（如通常在实践中的情况），则测定点位用激光束出现的位置与应当绘制十字准线 的位置慢慢地随距离变化。
[0022] 在表1中连同解决方案一起列出的几个问题使得难以在视频图像中检测由测定 点位用激光束产生的光斑（或者其它的光源，例如发光二极管）：
[0023]
[0024] 表1:与视频对准相关联的问题和解决方案
[0025] 第一个问题，即例如来自在明亮阳光下的昏暗的测定点位用激光束的弱信号，易 于理解。第二个问题，即有限的计算机资源，可能对于使用低功率处理器的手持式装置而言 是一个因素，尤其是当处理器参与其它的活动（例如绘制地图、GNSS信号处理、数据通信等 等）时。以下所描述的视频对准方法设计成使用高效运行且充分利用有限的计算功率的整 数运算来实施。
[0026] 如以下更详细描述的，光信号源（例如测定点位用激光器或LED)和检测器（即摄 像机）均具有周期性的时间属性。光源可以通过以频率匕为特征的周期性信号来调制。摄 像机逐帧地获取视频图像数据，其中帧重复速率以频率fv为特征。例如，假设fs= 5Hz且 fv= 30Hz。在这一情况下，每个信号周期有六个照相机帧。在理想的情况下，六帧中的第 一帧将与信号周期同时开始。然而，在此处考虑的实际情况下，两个开始时间之间的关系是 未知的。"未知的激光器和照相机时钟相位"指的就是这个问题。使用自由运行的照相机的 结果是不具有同步输入能力或同步电子触发能力。
[0027] 此外，未知相位随着时间而变化（"激光器和照相机时钟漂移"）。在间隔仅几十 秒采用的测量期间，相位漂移会导致显著不同的相位关系。更糟的是，视频帧速率有时剧烈 变化，这导致无规律的照相机帧到达时间。这意味着依赖于恒定的采样速率（即恒定的视 频帧速率）的激光光斑检测技术（例如常规的快速傅里叶变换）可能是有问题的。最后， 一些视频帧