一种壁画图像采集装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种壁画图像采集装置和方法，对高、宽达数米的壁画进行高清图像采集和存储。使用太字节级的固态硬盘可以快速读写数据量巨大的超高清图像。通过可伸缩导轨、支撑杆、底座支架，可拍摄不同宽度、高度和非水平绘制的壁画。相机的角度也可进行自动调节。可调照明系统，可适应不同环境中的壁画采集。该装置的核心控制器，可接收无线信号，使用者可使用遥控器完成上述操作；遥控器端集成有一个显示屏，可实时观察相机采集的壁画图像，以便用户进行远端调整。该装置的导轨和支撑杆均由碳纳米材料制成，质轻可伸缩，搬运方便，可采集不同大小和光照条件下的洞窟、墓室壁画，提高了壁画数字化效率，减少了文物保护工作者的工作量。
【专利说明】一种壁画图像采集装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及文物保护、图像采集与处理装置领域，尤其涉及超高清图像采集处理装置，图像压缩算法研究，具体涉及一种壁画图像采集装置及方法。
【背景技术】
[0002]中国古代壁画承载着丰富的历史信息，美学、艺术、科学价值巨大，但目前大部分受损非常严重。自然环境因素导致壁画起甲、酥碱、空鼓等现象。同时，大气污染严重，游客数量增加，都对壁画带来很大威胁。因此壁画的保护和修复刻不容缓。为了便于壁画的修复研究和文物遗迹所承载的信息真实长久地传播，需要将壁画图像进行图像数据采集，存储和传输。然而，由于壁画通常面积较大，如敦煌壁画面积达4.5万平方米；墓室壁画长宽通常达到数米，而墓道通常较为狭窄，用普通照相设备难以获得一幅完整的壁画，另外，为了进行修复研究和遗迹数字化保存，数字化之后的壁画必须是高清图像，这也导致壁画的数据存储量非常大，普通设备的存储单元无法达到要求。
[0003]专利申请公布的“一种自转全景照相机(97248517.1) ”，利用万向传动机构、自转中心轴、减速齿轮箱等使照相机在俯、仰角度同时作360度自转拍摄出逼真的长幅全景照片。但该相机只能在固定位置做围绕中心轴的转动，无法在较近距离拍摄巨幅壁画的细节。
[0004]专利申请公布的“基于图像拼接的SDI全景摄像系统(201110266153.7) ”，利用多个摄像机，将采集到的视频进行拼接，能够获得所拍摄场景的情况。但是为了覆盖拍摄场景，需要使用η个摄像机，同时，还需要η个图像传感器、η个ISP芯片、η个SDI发送器、η个SDI接收器。也就是说，对于不同的拍摄对象，该设备的规模也不能随时进行调整，无法高效的进行不同场景中大小不同的壁画采集。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，针对目前古代壁画图像采集需求，为文物保护人员提供一种壁画图像采集装置及方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0007]其特征在于:包括一台高清相机、一个核心控制器、一个连接相机的固态硬盘、一套照明系统、相机导轨支架系统、和相机无线连接的液晶显示器、遥控器；装置的壁画图像采集主要依靠高清相机，采集的图像存储在连接于相机的固态硬盘中；同时压缩后的图像也实时显示在遥控端的液晶显示屏上，供使用者进行监控。采集前根据壁画的面积大小、高度、所处环境调整导轨支架，根据所处环境由使用者使用遥控器调整系统照明；
[0008]所述高清相机，其特征在于能够采集超高清彩色图像，图像质量由文物保护的需要决定；相机能够由遥控器控制，相机视野中的内容能够在核心控制器中编码后通过无线实时传输到遥控端的液晶显示屏上；相机采集的图像能够通过输入到核心控制器进行编码之后通过串口存储到固态硬盘中；
[0009]所述连接相机的固态硬盘至少在太字节级别，能满足图像的存储和传输速度的要求。
[0010]所述导轨支架系统由接于相机的可通过遥控器远程控制自动调节角度的三维云台、自动调节高度的支撑杆、自动调节高低和长度的滑动导轨构成；所述三维云台能够360度调节相机角度，云台、支撑杆和导轨均能够接收核心控制器发出的信号自动调整角度、高度、长度；支架系统能够保证采集时的稳定性，防止微小晃动导致的图像模糊。
[0011]所述导轨支架系统由碳纤维材料制成，质量轻且强度大，可方便搬运。
[0012]所述核心控制器，能够接收并解析遥控器的控制信息，并根据解析后的信息发出控制信号，控制整个装置的动作，包括装置的起停，导轨的高度、长度，支撑杆高度，照明系统光强度，拍摄的模式选择，自动采集时壁画长度和高度的输入；核心控制器还负责自动采集模式下根据壁画长度、宽度的采集路径和速度的计算与控制。
[0013]所述的和相机无线连接的遥控器由使用者对云台的角度、支撑杆的高低、导轨的长度和高度、相机支撑杆在导轨上的移动方向、照明系统的调节、拍摄模式选择、相机的启停进行操作。遥控器上有一块液晶显示屏，可以对相机的视野进行实时显示。
[0014]所述的无线连接可以传输控制信号，实时显示相机所拍摄的画面，数据的传输距离小于100米。
[0015]本发明的基于上述装置的壁画图像采集装置和方法，使用时装置进行以下步骤:
[0016](I)估计壁画的长度和高度，将导轨支架置于壁画正前方，距离远近根据拍摄效果调整；
[0017](2)将相机安装在支架顶端，启动相机和核心控制器电源。通过遥控器调节导轨的长度、高度和支撑杆高度。调整滑动导轨长度:导轨长度由壁画水平方向的长度决定，导轨由可伸缩支架构成，通过遥控器可将伸缩支架拉出，调整合适长度之后锁定位置。若壁画与水平方向有一定角度，则调节支架左右两端的支撑脚的高低，使导轨和水平方向夹角和壁画一致，保证相机左右移动和壁画保持平行，调整完毕锁定位置。调整支撑杆高度:支撑杆用于连接导轨、支撑相机。支撑杆下部连接导轨支架，可以沿导轨在水平方向左右移动。高度可使用遥控器进行调节。调节完毕后锁定导轨、支撑杆。调整相机姿态:相机位于支撑杆的顶部，通过遥控器上的滚动球可以调节相机的角度，调整时根据遥控器上液晶显示屏上显示的壁画效果进行调节。测光，调节相机照明:相机周围有数个发光二极管，为相机拍摄提供照明，二极管发光强度可使用遥控调节。前期调整完成后，开始进行拍摄，滑动导轨可以通过遥控器控制匀速向左或向右移动，在移动中进行拍摄，也可以通过手动调整位置，在锁定之后进行拍摄。若壁画面积较大，设定程序自动进行拍摄:在自动采集模式下，输入壁画的长度和高度，由核心控制器计算导轨的移动速度和时间以及支撑杆下降速度和时间，由左上到右下的方向进行逐行采集。完成拍摄:关闭相机和控制器电源。
[0018]本发明提供了一种古代壁画图像采集装置，以及基于该装置的壁画图像采集方法。本发明能够根据壁画大小、高低进行拍摄范围的调整，对于不同规模的壁画均可以进行高精度的图像采集。调节可以根据显示器的实时壁画内容显示通过遥控器完成，降低了拍摄人员的劳动强度，使控制更加灵活便捷。
[0019]本发明自带照明系统，不论是洞窟壁画、墓室壁画还是露天壁画，均可以通过遥控器根据显示器显示的壁画效果进行发光二极管发光强度的调整，使该采集装置适用于各种场合。
[0020]本发明使用太字节级的固态硬盘进行拍摄内容的存储，一方面满足了超高清图像的存储需求，另一方面保证了较高的传输速度，提高了拍摄工作的效率。
[0021]本发明还会带来一定的积极效果:由于导轨和支撑杆都可进行伸缩，便于搬运携带，能够使用在狭窄的墓道中。此外，由于本发明能够保证采集图像的质量，不仅可用于壁画的数字化，还可以用于塑像、洞窟、文物遗迹的数字化图像采集，为三维博物馆提供高清原始图像。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是装置结构图。
[0023]图2是为相机提供照明的发光二极管外观示意图。
[0024]图3是遥控器示意图。
[0025]图4是设备的控制系统构成框图。
[0026]图5是设备运行流程图。
[0027]图6是设备架设示意图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0029]参见图1本装置的具体结构如下:古代壁画图像采集装置由相机、导轨支架、照明系统和控制系统组成。相机如101所示，采用Sinar牌P2型，分辨率3300万像素的大画幅专业相机，负责图像数据采集，相机的拍摄的图像数据存储在太字节的固态硬盘中；导轨支架由下部部的可伸缩滑动导轨和相机支撑杆组成。103为滑动导轨，104为可调节高度的导轨支架底座，106为可伸缩的导轨主体，102是可伸缩的相机支撑杆，105是控制相机角度的360度云台。滑动导轨的滑动、导轨底座的高度调节、支撑杆的高度调节，相机的角度调节均通过电子调节，信号由遥控器发出。
[0030]图2是照相机照明系统示意图。有若干小型发光二极管围绕在相机镜头周围，通过遥控器可以连续调节发光强度为拍摄提供光照。201是相机外壳，202是相机镜头，203是发光二极管。
[0031]图3是遥控器示意图，由按键和液晶显示屏构成。313是液晶显示屏，314是遥控器面板，307是遥控器开关，301、302、303、304、305、306分别是滑动导轨长度、滑动导轨左侧高度、滑动导轨右侧高度、滑动导轨滑动、支撑杆高度、照明的正向调节按钮(即伸长、升高、向左、调亮)，307是和301?306按钮对应的反向调节的按钮(即缩短、降低、向右、调暗)。309是开启或关闭手动采集模式(按钮按下是开启，弹起是关闭)，310是开启或关闭自动采集模式(按钮按下是开启，弹起是关闭)。在自动采集模式下，通过312的数字按键输入壁画的大致长度和高度，311是控制相机角度的滚动球。
[0032]图4是控制系统构成框图。控制系统由核心控制器、相机采集模块、遥控控制模块、图像编解码模块、液晶显示屏显示模块、无线传输控制模块、PWM控制调速模块、照明系统控制模块、固态硬盘存储模块构成。所有的控制信息由遥控控制模块发出，通过核心控制器对遥控信号进行编码，控制各个模块动作。
[0033]图5是整个装置的工作流程图。装置工作前首先估计壁画的高度和宽度，根据该数据调节滑动导轨高度、宽度、支撑杆的高度。然后根据液晶显示屏显示的壁画效果进行相机角度和照明的调节，当调节好之后开始进行采集。
[0034]图6是设备架设示意图。装置主体置于壁画正前方，调整合适的距离，用遥控器调节导轨、支撑杆、照明系统参数，当所有调节准备好之后选择工作模式进行图像采集。
[0035]装置中信号的具体处理过程如下:
[0036]采集的图像信号:图像数据经过编码通过SATA2.0接口以3Gb/s的传输速度将图像存储到固态硬盘中；
[0037]遥控器发出的控制信号:控制系统的启停，通过各个按钮调节导轨、支撑杆、相机角度、照明和工作模式。
[0038]实际应用举例如下:
[0039]本发明在进行壁画图像采集时需要首先预估壁画的长和宽，以便进行导轨长度的调整和支撑杆高度的调整。采集流程如图5所示。1.采集设备架设。设备的架设如图6所示。装置主体和壁画的距离根据相机的镜头参数和所处的环境进行调整，将装置主体稳定放置。2.通过图3的301?306和308对装置主体各部件调整。如果壁画不是水平方向，首先通过遥控器301和308对应按键调节导轨的长度，如图1中106所示，使长度和壁画的长度基本一致。通过遥控器302或303和308对应按键调节导轨左右高度，如图1中104所示，使导轨和壁画在水平方向保持平行。通过305和308对应按键调节支撑杆高度，如图1中102所示，使相机达到壁画的最大高度附近，如图1中101所示。通过311对相机角度进行调整。通过305和308对应按键进行图2中203所示的发光二极管照明调节，根据液晶显示屏上壁画的显示效果进行照明的亮度调整。调节好之后开始拍摄。3.壁画照片采集。拍摄可以选择手动拍摄和自动拍摄两种模式。当选择手动拍摄时，需要先调节好相机位置，然后进行拍摄，拍摄一张以后再次调整位置进行拍摄；若选择自动拍摄，需要以最初相机所在壁画左上角位置为基准点，输入壁画的长度和高度，装置自动计算导轨的运动速度和时间以及支撑杆的下降时间。计算完成，在屏幕上显示扫描路径，并提示使用者是否开始拍摄，若选择开始，则相机由左向右，由上向下进行扫描拍摄。拍摄的照片在输入到装置之后经过编码存储在固态硬盘中。4.当采集完成后，选择装置恢复初始态，导轨和支撑杆恢复原状，关闭电源。
【权利要求】
1.一种壁画图像采集装置，其特征在于:包括一台相机、一个核心控制器、一个连接相机的固态硬盘、一套照明系统、相机导轨支架系统、和相机无线连接的液晶显示器、遥控器；壁画图像采集依靠高清相机，采集的图像存储在连接于相机的固态硬盘中；同时压缩后的图像也实时显示在遥控器的液晶显示屏上，供使用者进行监控；采集前根据壁画的面积大小、高度、所处环境调整导轨支架，根据所处环境由使用者使用遥控调整照明系统； 所述相机，能够采集超高清彩色图像，图像质量由文物保护的需要决定；相机能够由遥控器控制，相机采集的图像能够在核心控制器中编码后通过无线实时传输到遥控端的液晶显示屏上；相机采集的图像能够通过输入到核心控制器进行编码之后通过串口存储到固态硬盘中； 所述连接相机的固态硬盘至少在太字节级别，能够满足图像的存储和传输速度的要求； 所述导轨支架系统包括接于相机的通过遥控器远程控制自动调节角度的三维云台、自动调节高度的支撑杆、自动调节高低和长度的滑动导轨构成；所述三维云台能够360度调节相机角度，云台、支撑杆和导轨均能够接收核心控制器发出的信号自动调整角度、高度、长度；支架系统能够保证采集时的稳定性，防止微小晃动导致的图像模糊； 所述导轨支架系统由碳纤维材料制成，方便搬运； 所述核心控制器，能够接收并解析遥控器的控制信息，并根据解析后的信息发出控制信号，控制整个装置的动作，包括装置的起停，导轨的高度、长度，支撑杆高度，照明系统光强度，拍摄的模式选择，自动采集时壁画长度和高度的输入；核心控制器还负责自动采集模式下根据壁画长度、宽度的采集路径和速度的计算与控制； 所述的和相机无线连接的遥控器由使用者对云台的角度、支撑杆的高低、导轨的长度和高度、相机支撑杆在导轨上的移动方向、照明系统的调节、拍摄模式选择、相机的启停进行操作；遥控器上有一块液晶显示屏，对相机的视野进行实时显示； 所述的无线连接同时传输控制信号，实时显示相机所拍摄的画面，数据的传输距离小于100米。
2.一种基于权利要求1所述的壁画图像采集装置进行高清壁画采集方法，采集装置放置在壁画前方合适距离处时，采集装置进行以下步骤进行壁画采集: (1)估计壁画的长度和高度，将导轨支架置于壁画正前方，距离远近根据拍摄效果调整； (2)将相机安装在支架顶端，启动相机和核心控制器电源，通过遥控调节导轨的长度、高度和支撑杆高度；调整滑动导轨长度:导轨长度由壁画水平方向的长度决定，导轨由可伸缩支架构成，通过遥控器可将伸缩支架拉出，调整合适长度之后锁定位置；若壁画与水平方向有一定角度，则调节支架左右两端的支撑脚的高低，使导轨与水平方向夹角和壁画一致，保证相机左右移动和壁画保持平行，调整完毕锁定位置；调整支撑杆高度:支撑杆用于连接导轨、支撑相机；支撑杆下部连接导轨支架，沿导轨在水平方向左右移动；高度使用遥控器进行调节；调节完毕后锁定导轨、支撑杆；调整相机姿态:相机位于支撑杆的顶部，通过遥控器上的滚动球调节相机的角度，调整时根据遥控器上液晶显示屏上显示的壁画效果进行调节；测光，调节相机照明:相机周围有数个发光二极管，为相机拍摄提供照明，二极管发光强度可使用遥控器调节；前期调整完成后，开始进行拍摄，滑动导轨通过遥控器控制匀速向左或向右移动，在移动中进行拍摄，或通过手动调整位置，在锁定之后进行拍摄；若壁画面积较大，设定程序自动进行拍摄:输入壁画的长度和高度，将相机初始位置定于壁画对应的左上角，相机由左向右，由上往下逐行扫描整幅壁画进行拍摄；完成拍摄:关闭相机和控制器电源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:在自动采集模式下，输入壁画的长度和高度，由核心控制器计算导轨的移动速度和时间以及支撑杆下降速度和时间，由左上到右下的方向进行逐行采集。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:采集装置的导轨支撑杆都可以伸缩，当关闭收起来时，体积缩小方便携带。
【文档编号】H04N7/18GK104320624SQ201410610527
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月2日 优先权日:2014年11月2日
【发明者】张永明, 贾阳, 林高华, 方俊, 王进军 申请人:中国科学技术大学