一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置及其方法，涉及安防監(jiān)控領(lǐng)域。本裝置的結(jié)構(gòu)是：傳感器（1）、微控制器（2）和電機(jī)控制芯片（5）依次連接；電機(jī)控制芯片（5）分別與垂直控制電機(jī)（4）和水平控制電機(jī)（6）連接。本發(fā)明采用機(jī)電混合的防抖設(shè)計方式，從鏡頭外部進(jìn)行防抖設(shè)計，即區(qū)別于電子防抖，也區(qū)別于光學(xué)防抖，圖像質(zhì)量有保證；水平方向和垂直方向補(bǔ)償分離，降低了濾波算法的實現(xiàn)難度，提高了控制精度；為了提高控制精度，采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精細(xì)控制；本發(fā)明適用于在已有球機(jī)結(jié)構(gòu)上增加防抖功能，提升球機(jī)受外界干擾下輸出圖像的質(zhì)量。
【專利說明】一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及安防監(jiān)控領(lǐng)域，尤其涉及一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前應(yīng)用的圖像防抖技術(shù)主要有兩種:一種是電子防抖，一種是光學(xué)防抖(也可以稱之為機(jī)械防抖)，主要應(yīng)用在照相機(jī)上。電子防抖是一種通過降低畫質(zhì)來補(bǔ)償抖動的技術(shù)，此技術(shù)試圖在畫質(zhì)和畫面抖動之間取得一個平衡點。光學(xué)防抖是依靠特殊的鏡頭或者CCD (Charge Coupled Device,電荷稱合器件)感光元件的結(jié)構(gòu),最大程度地降低操作者在使用過程中由于抖動造成影像不穩(wěn)定。電子防抖成本較低；光學(xué)防抖畫質(zhì)更好；實現(xiàn)上電子防抖更容易。
[0003]當(dāng)前主流使用的防抖技術(shù)是光學(xué)防抖，光學(xué)防抖技術(shù)有兩大派別，分別是以廣大鏡頭廠商為代表的鏡片移動式光學(xué)防抖，和新興電子廠商為代表的CCD移動式光學(xué)防抖。這兩大派別都是通過陀螺儀偵測到微小的移動，并且將信號傳至微處理器計算需要補(bǔ)償?shù)奈灰屏浚缓蟾鶕?jù)鏡片組或者CCD的抖動方向及位移量加以補(bǔ)償，從而有效的克服因相機(jī)的振動產(chǎn)生的影像模糊。光學(xué)防抖技術(shù)的兩大派別都利用了陀螺穩(wěn)像的原理。
[0004]電子防抖主要缺點是:降低了相機(jī)成像畫面的質(zhì)量；而光學(xué)防抖的主要缺點是:對鏡片組或者CCD加工要求和精度要求高，導(dǎo)致成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點和不足，提供一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置及其方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
由陀螺儀和加速度計分別收集角速度和加速度參數(shù)輸出給微控制器，經(jīng)過微控制器濾波算法解算出水平方向的角速度補(bǔ)償量以及姿態(tài)解算出俯仰方向的位置補(bǔ)償量，然后以這兩個補(bǔ)償量對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行PID (比例(proportion)、積分(integral)、微分(derivative)控制器)控制，實現(xiàn)球機(jī)的鏡頭在水平方向合速度為0，在垂直方向合位移為0，這樣在水平和垂直方向消除了鏡頭的抖動，從而實現(xiàn)圖像防抖。成本和實現(xiàn)難度上比光學(xué)防抖低，畫質(zhì)上比電子防抖好。
[0007]一、實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置(簡稱裝置)
本裝置包括傳感器、微控制器、電源、垂直控制電機(jī)、電機(jī)控制芯片和水平控制電機(jī)； 其連接關(guān)系是:
傳感器、微控制器和電機(jī)控制芯片依次連接，抖動時，微控制器根據(jù)傳感器輸出的加速度和角速度數(shù)據(jù)計算出需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘亢托枰a(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ浚⒖刂破靼蜒a(bǔ)償量傳遞給電機(jī)控制芯片；
電機(jī)控制芯片分別與垂直控制電機(jī)和水平控制電機(jī)連接，電機(jī)控制芯片根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)牧?，控制垂直控制電機(jī)和水平控制電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動； 電源分別與傳感器、控制器、垂直控制電機(jī)、電機(jī)控制芯片和水平控制電機(jī)連接，提供電壓和電流。
[0008]二、實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的方法(簡稱方法)
本方法包括下列步驟:
①加速度傳感器和陀螺儀傳感器檢測球機(jī)鏡頭的抖動，輸出加速度和角速度數(shù)據(jù)；
②微控制器接受上述角速度數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行濾波計算處理，分離運(yùn)動，產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘浚?br> ③微控制器接受上述角速度和加速度數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行姿態(tài)解算，獲取姿態(tài)角，產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ浚?br> ④水平控制電機(jī)根據(jù)微控制器產(chǎn)生的角速度補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動，保證抖動時，球機(jī)鏡頭在水平方向的位置保持不變；
⑤垂直控制電機(jī)根據(jù)微控制器產(chǎn)生的位置校正量進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動，保證抖動時，球機(jī)鏡頭在俯仰方向的位置保持不變。
[0009]本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果:
①采用機(jī)電混合的防抖設(shè)計方式，從鏡頭外部進(jìn)行防抖設(shè)計，即區(qū)別于電子防抖，也區(qū)別于光學(xué)防抖，圖像質(zhì)量有保證；
②傳感器和電機(jī)控制電路采用集中式部署，充分利用了已有設(shè)計，降低了成本和設(shè)計難度；
③水平方向和垂直方向補(bǔ)償分離，降低了濾波算法的實現(xiàn)難度，提高了控制精度；
④為了提高控制精度，采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精細(xì)控制。
[0010]⑤適用于在已有球機(jī)結(jié)構(gòu)上增加防抖功能，提升球機(jī)受外界干擾下輸出圖像的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2為本方法的水平方向控制流程圖；
圖3為本方法的俯仰方向控制流程圖。
[0012]圖中:
I一傳感器；
2—微控制器；
3—電源；
4一垂直控制電機(jī)；
5一電機(jī)控制芯片；
6—水平控制電機(jī)。
【具體實施方式】
[0013]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明詳細(xì)說明。
[0014]一、裝置 1、總體 如圖1，本裝置包括傳感器1、微控制器2、電源3、垂直控制電機(jī)4、電機(jī)控制芯片5和水平控制電機(jī)6 ;
其連接關(guān)系是:
傳感器1、微控制器2和電機(jī)控制芯片5依次連接,抖動時,微控制器2根據(jù)傳感器I輸出的加速度和角速度數(shù)據(jù)計算出需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘亢托枰a(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ浚⒖刂破?把補(bǔ)償量傳遞給電機(jī)控制芯片5 ；
電機(jī)控制芯片5分別與垂直控制電機(jī)4和水平控制電機(jī)6連接，電機(jī)控制芯片5根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)牧?，控制垂直控制電機(jī)4和水平控制電機(jī)6進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動；
電源3分別與傳感器1、控制器2、垂直控制電機(jī)4、電機(jī)控制芯片5和水平控制電機(jī)6連接，提供電壓和電流。
[0015]2、部件的結(jié)構(gòu)和功能
I)傳感器I
傳感器I包括陀螺儀和加速度計，安裝在球機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)臺上；
其功能是感受到球機(jī)的姿態(tài)變化，輸出角速度和加速度參數(shù)給控制器2。
[0016]傳感器采用InvenSense公司的6軸MEMS芯片MPU-6050，它包含一個三軸的陀螺儀和一個三軸加速度計(集成模塊可減小安裝誤差)。
[0017]2)微控制器2
其硬件配置:STM32F103RB。
[0018]其軟件算法是:四階IIR ButterWorth低通濾波、四元數(shù)法運(yùn)動微分方程。其功能是解算得到補(bǔ)償量輸出給電機(jī)控制芯片5。
[0019]3)電源 3
電源3選用:XED-3024S。
[0020]給其它部件提供動力。
[0021]4)垂直控制電機(jī)4
為了提高補(bǔ)償運(yùn)動的精度，選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
[0022]步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的約束條件是:在理想條件下，一段時間內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)正反方向運(yùn)動的步數(shù)相等。
[0023]6)電機(jī)控制芯片5
電機(jī)控制芯片5選用意法半導(dǎo)體(ST)公司的L6219。
[0024]其功能是控制垂直控制電機(jī)4和水平控制電機(jī)6進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動，從而實現(xiàn)圖像增穩(wěn)。
[0025]6)水平控制電機(jī)6
為了提高補(bǔ)償運(yùn)動的精度，選用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)。
[0026]步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的約束條件是:在理想條件下，一段時間內(nèi)，步進(jìn)電機(jī)正反方向運(yùn)動的步數(shù)相等。
[0027]3、本裝置的工作原理
微控制器2收集傳感器I的輸出參數(shù)，經(jīng)過算法解算，輸出給電機(jī)控制芯片5，電機(jī)控制芯片5根據(jù)輸入?yún)?shù)控制水平方向控制電機(jī)6和俯仰方向控制電機(jī)4進(jìn)行補(bǔ)償。
[0028]二、方法 1、水平方向控制軟件流程
如圖2，水平方向控制流程包括下列步驟:
A、陀螺儀傳感器采集水平旋轉(zhuǎn)臺在水平方向上的角速度參數(shù)輸出給微控制器-201；
B、微控制器通過軟件濾波算法分離出水平運(yùn)動-202；
所述的濾波算法是四階IIR ButterWorth低通濾波。
[0029]C、微控制器計算出水平方向上需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘?203 ；
D、微控制器輸出這個補(bǔ)償量給電機(jī)控制芯片，電機(jī)控制芯片控制水平控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動-204 ；
E、判斷水平控制電機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動是否滿足約束條件-205，是則跳轉(zhuǎn)到步驟A-201進(jìn)行下一次采集，否則進(jìn)入步驟F-206 ；
F、水平控制電機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動沒有滿足約束條件，把水平方向需要進(jìn)行的位置補(bǔ)償量反饋給步驟C-203。
[0030]2、垂直方向控制流程
如圖3，垂直方向控制軟件流程包括下列步驟:
a、傳感器分別米集垂直方向的角速度和垂直方向的加速度參數(shù)輸出給微控制器-301 ；
b、微控制器根據(jù)傳感器I輸入的角速度和加速度進(jìn)行姿態(tài)解算輸出姿態(tài)角-302；
所述的姿態(tài)解算是四元數(shù)法運(yùn)動微分方程。
[0031]C、微控制器根據(jù)姿態(tài)角計算出需要補(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ枯敵鼋o電機(jī)控制芯片-303 ；
d、電機(jī)控制芯片通過前饋方式對垂直控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置校正-304；
e、判斷垂直控制電機(jī)的位置校正是否滿足約束條件-305，是則跳轉(zhuǎn)到步驟a-301進(jìn)行下一次采集，否則進(jìn)入步驟f-306 ；
f、垂直控制步進(jìn)電機(jī)的位置校正沒有滿足約束條件-305，把垂直方向需要進(jìn)行的位置補(bǔ)償量反饋給步驟c-303。
【權(quán)利要求】
1.一種實現(xiàn)球機(jī)圖像防抖的裝置，其特征在于: 包括傳感器(I)、微控制器(2)、電源(3)、垂直控制電機(jī)(4)、電機(jī)控制芯片(5)和水平控制電機(jī)(6)； 傳感器(I)、微控制器(2)和電機(jī)控制芯片(5)依次連接，抖動時，微控制器(2)根據(jù)傳感器(I)輸出的加速度和角速度數(shù)據(jù)計算出需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘亢托枰a(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ浚侔蜒a(bǔ)償量傳遞給電機(jī)控制芯片(5)； 電機(jī)控制芯片(5)分別與垂直控制電機(jī)(4)和水平控制電機(jī)(6)連接，電機(jī)控制芯片(5)根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)牧?，控制垂直控制電機(jī)(4)和水平控制電機(jī)(6)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動； 電源(3)分別與傳感器(I)、控制器(2)、垂直控制電機(jī)(4)、電機(jī)控制芯片(5)和水平控制電機(jī)(6 )連接，提供電壓和電流。
2.基于權(quán)利要求1所述裝置的防抖方法，其特征在于: ①加速度傳感器和陀螺儀傳感器檢測球機(jī)鏡頭的抖動，輸出加速度和角速度數(shù)據(jù)； ②微控制器接受上述角速度數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行濾波計算處理，分離運(yùn)動，產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘浚? ③微控制器接受上述角速度和加速度數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行姿態(tài)解算，獲取姿態(tài)角，產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ浚? ④水平控制電機(jī)根據(jù)微控制器產(chǎn)生的角速度補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動，保證抖動時，球機(jī)鏡頭在水平方向的位置保持不變`； ⑤垂直控制電機(jī)根據(jù)微控制器產(chǎn)生的位置校正量進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動，保證抖動時，球機(jī)鏡頭在俯仰方向的位置保持不變。
3.按權(quán)利要求2所述的防抖方法，其特征在于水平方向控制流程: A、傳感器采集水平旋轉(zhuǎn)臺在水平方向上的角速度參數(shù)輸出給微控制器(201); B、微控制器通過軟件濾波算法分離出水平運(yùn)動(202)； C、微控制器計算出水平方向上需要補(bǔ)償?shù)慕撬俣攘?203); D、微控制器輸出這個補(bǔ)償量給電機(jī)控制芯片，電機(jī)控制芯片控制水平控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)動(204); E、判斷水平控制步進(jìn)電機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動是否滿足約束條件(205)，是則跳轉(zhuǎn)到步驟A(201)進(jìn)行下一次采集，否則進(jìn)入步驟F (206)； F、水平控制步進(jìn)電機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動沒有滿足約束條件，把水平方向需要進(jìn)行的位置補(bǔ)償量反饋給步驟C (203)。
4.按權(quán)利要求2所述的防抖方法，其特征在于垂直方向控制流程: a、傳感器分別米集垂直方向的角速度和垂直方向的加速度參數(shù)輸出給微控制器(301)； b、微控制器根據(jù)傳感器輸入的角速度和加速度進(jìn)行姿態(tài)解算輸出姿態(tài)角(302)； C、微控制器根據(jù)姿態(tài)角計算出需要補(bǔ)償?shù)奈恢眯Ｕ枯敵鼋o電機(jī)控制芯片(303); d、電機(jī)控制芯片通過前饋方式對垂直控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位置校正(304); e、判斷垂直控制步進(jìn)電機(jī)的位置校正是否滿足約束條件(305)，是則跳轉(zhuǎn)到步驟a(301)進(jìn)行下一次采集，否則進(jìn)入步驟f (306)； f、垂直控制步進(jìn)電機(jī)的位置校正沒有滿足約束條件(305)，把垂直方向需要進(jìn)行的位置補(bǔ)償量反饋給步驟C (303)。`
【文檔編號】G05D3/12GK103533238SQ201310456944
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】廖洲, 倪祖高 申請人:武漢烽火眾智數(shù)字技術(shù)有限責(zé)任公司