一種高動態(tài)范圍圖像自動拍攝裝置的設(shè)計與制作

摘? 要：由于硬件設(shè)備的限制，高動態(tài)范圍圖像（HDRI）需要由一系列同一角度，不同曝光量的圖片合成得出。人工完成此過程需要較長時間，而較長的拍攝時間會提高后期處理時的工作量。為此，文章提出了一種以Arduino微控制器為核心，配合電機(jī)和個人電腦的自動化HDRI拍攝設(shè)備。該系統(tǒng)通過Arduino、藍(lán)牙、Wi-Fi、步進(jìn)電機(jī)以及個人電腦的配合能夠有效實(shí)現(xiàn)全自動完成HDRI全景圖的拍攝，并能降低后續(xù)流程的工作量。

關(guān)鍵詞：HDRI;全景圖;Arduino

中圖分類號：TP368? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）04-0182-04

Design and Manufacture of a HDRI Automatic Image Capturing Device

YANG Runtian

（Department of Electronic and Computer Engineering， University of Toronto， M5S 1A1 Canada）

Abstract： Due to the limitation of hardware equipment， HDRI needs to be synthesized from a series of pictures with the same angle and different exposure. It takes a long time to complete this process manually， and the longer shooting time will increase the workload of post-processing. Therefore， this paper proposes an automatic HDRI photographing device with Arduino microcontroller as the core， combined with motor and personal computer. Through the cooperation of Arduino， Bluetooth， Wi-Fi， stepping motor and personal computer， the system can effectively complete the shooting of HDRI panorama automatically and reduce the workload of subsequent processes.

Keywords： HDRI; panorama; Arduino

0? 引? 言

高動態(tài)范圍圖像（HDRI）是現(xiàn)代計算機(jī)繪圖任務(wù)中的一類重要資源，在數(shù)字藝術(shù)以及影視制作中有著廣泛的應(yīng)用[1]。不同于一般的圖片，高動態(tài)范圍圖像的亮度未經(jīng)剪裁，保留了完整的光照信息[1]，因此能夠在計算機(jī)軟件中真實(shí)地重現(xiàn)拍攝時場景的光照情況，從而使模型渲染，后期特效合成的效果更加真實(shí)，在達(dá)到相同視覺效果的條件下節(jié)省人力[2]。

由于硬件設(shè)備的限制，HDRI圖像需要由一系列同一角度，不同曝光量的圖片合成得出。在拍攝全景HDRI圖像時則需在每個不同角度拍攝數(shù)張不同曝光量的圖片[1]。這一過程十分煩瑣費(fèi)時，且隨著拍攝時間增加，云層和太陽的移動會使得后期合成更加困難。拍攝者的陰影也會極大地增添后期處理的工作量。因此本文提出了一種以Arduino微控制器為核心，結(jié)合電機(jī)和電腦的自動化HDRI拍攝設(shè)備。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程

該系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分為可遙控的自動三腳架，主要由Arduino控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、電源、以及藍(lán)牙模塊組成，另一部分是PC端的控制軟件，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時，首先由PC通過藍(lán)牙連接自動三腳架，由Wi-Fi連接相機(jī)。程序檢測連接正常后，用戶可以設(shè)定拍攝參數(shù)并命令開始拍攝。PC端的程序?qū)ㄟ^用戶給定的參數(shù)計算所需的拍攝角度、曝光時間、光圈大小以及感光度，通過藍(lán)牙連接控制三腳架轉(zhuǎn)動到指定角度，并通過Wi-Fi設(shè)置相機(jī)的拍攝參數(shù)并遙控按下快門。在一個角度拍攝完所需的數(shù)張圖片后會轉(zhuǎn)動到下一個角度并重復(fù)這一流程，直到拍攝完所有角度的圖片。

之后用戶可導(dǎo)出相機(jī)中的圖片，用PC端軟件將不同曝光量的圖片合并形成高動態(tài)范圍圖像，并用現(xiàn)有的全景圖拼接軟件拼接成全景圖片。

2? 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)人群為計算機(jī)藝術(shù)及攝影愛好者，因此以器材易于購買，制作方便，模塊化為主要設(shè)計思路。

2.1? 電源系統(tǒng)

由于全景圖大多拍攝于野外，此系統(tǒng)使用12 V，1500 mAh可充電鋰電池作為電源。此型號的電池便于攜帶，容量適中且易于購買，符合此系統(tǒng)的設(shè)計思路。由于Arduino要求5 V電壓供電，此系統(tǒng)使用了DC-DC降壓模塊將12 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓，如圖2所示。為方便使用者查看電池剩余電量，系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了可開關(guān)的數(shù)碼管電壓顯示器，在方便使用者的同時也能避免顯示器的燈光在夜間環(huán)境下影響拍攝質(zhì)量。降壓模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊被分開放置以防發(fā)熱過于集中。

2.2? 電機(jī)及機(jī)械結(jié)構(gòu)

電機(jī)選用了市面上常見的42步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)被廣泛用于3D打印機(jī)等創(chuàng)客項(xiàng)目中，有豐富的配件支持以及較高的穩(wěn)定性。

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由3D打印成型，對強(qiáng)度要求高的連桿和軸承等結(jié)構(gòu)則購買市面上的通用部件。大體上此系統(tǒng)可以分為三部分：基座、主體、搖臂，如圖3、圖4所示?；还潭ㄔ谌_架上，系統(tǒng)中的大部分電子元件用尼龍扎帶固定在基座的預(yù)留槽中。主體由鋼軸和軸承與基座連接，并用同步帶驅(qū)動。主體包含了系統(tǒng)中的兩個步進(jìn)電機(jī)，并起到連接基座和搖臂的作用。搖臂用鋼軸和軸承與主體連接，由同步帶驅(qū)動，末端有用于固定相機(jī)的卡扣。

系統(tǒng)工作時，一顆電機(jī)控制相機(jī)的平面朝向（即東南西北），另一顆電機(jī)控制相機(jī)的俯仰（即低頭抬頭）。其中控制俯仰的電機(jī)需要對抗相機(jī)自身的重力，因此在其上方設(shè)置了可增加皮筋的掛鉤，可在相機(jī)較重的時候使用皮筋助力以防止電機(jī)扭矩不足。

電機(jī)與打印件之間連接的同步帶皆有可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)鎖緊，在方便組裝的同時防止在工作時打滑。

2.3? 控制系統(tǒng)

Arduino Nano、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動器、以及降壓模塊由尼龍扎帶固定在基座上，之間用杜邦線連接，方便組裝和故障檢修。其中Arduino Nano和電機(jī)驅(qū)動器之間的連線較多，因此被集成在同一塊電路板上，如圖5所示。模塊和電路板之間的連接使用了標(biāo)準(zhǔn)的杜邦插槽，方便組裝和更換。

Arduino Nano的通用IO接口被用于控制電機(jī)驅(qū)動器的電機(jī)轉(zhuǎn)向和步進(jìn)接口，以及接收藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)輸入。PCB布局如圖6所示。

3? 軟件設(shè)計

3.1? 控制軟件

此系統(tǒng)包含兩套軟件，一套為Arduino中的程序，一套為PC端上的程序。其中Arduino的程序用C++編寫，PC端的程序由Python編寫。

Arduino的任務(wù)只有控制電機(jī)，因此Arduino與PC端的通訊方式參考了功能類似的G-code。G-code通常被用于控制數(shù)字機(jī)床，激光切割機(jī)或3D打印機(jī)。鑒于此系統(tǒng)的功能略有不同，同時也為降低指令的處理難度，此系統(tǒng)極大的簡化和更改了G-code的格式和指令集以適應(yīng)此系統(tǒng)的應(yīng)用場景。

工作時，PC端的軟件通過藍(lán)牙的串口透傳功能將指令字符串發(fā)送給Arduino，Arduino在接受并完成指令后會再通過藍(lán)牙發(fā)送表示完成的字符串，此時PC端的軟件便可以發(fā)送下一條指令。如果PC端一次發(fā)送了多條指令，Arduino會在內(nèi)存中保存指令隊(duì)列并按順序執(zhí)行。PC端也可以在任何時刻發(fā)送急停信號來終止并清空指令隊(duì)列。

PC端與相機(jī)的通訊由Wi-Fi連接，并用佳能相機(jī)的網(wǎng)絡(luò)API完成。其中相機(jī)作為服務(wù)器，PC端的軟件通過GET或POST http指令來獲取或設(shè)置相機(jī)參數(shù)并遙控快門。

PC端使用pybluez庫實(shí)現(xiàn)跨平臺的藍(lán)牙訪問[3]，使用了requests庫實(shí)現(xiàn)跨平臺網(wǎng)絡(luò)訪問。Arduino指令如表1所示。

3.2? 圖像合并軟件

在完成拍攝后，需要先將同一角度不同曝光量的圖片合并成亮度未剪裁的高動態(tài)范圍圖片。

一般相機(jī)拍攝的jpg格式圖片都會由相機(jī)從線性顏色空間轉(zhuǎn)換為sRGB顏色空間[4]。這是因?yàn)槌Ｒ姷娘@示器能夠顯示的亮度范圍有限，為了使圖片觀感上更接近拍攝時的效果，圖像的顏色需要經(jīng)過非線性變換，即顏色空間的轉(zhuǎn)換[5，6]。

但HDRI的拍攝目的并非感官上好看的圖片，而是與真實(shí)環(huán)境亮度相符的圖片，因此不應(yīng)經(jīng)過這一步處理。為保證HDRI圖片畫面質(zhì)量不被壓縮，拍攝者應(yīng)直接使用包含相機(jī)感光元件記錄的完整信息的RAW格式圖片。這些文件在經(jīng)過RAW格式處理軟件轉(zhuǎn)碼后可以得到圖像亮度與現(xiàn)實(shí)亮度為線性關(guān)系的圖片，通常保存為16位TIFF文件[5]。

在得到不同曝光量的線性亮度圖片后，這些圖片需要被合成為高動態(tài)范圍圖片。因?yàn)橄鄼C(jī)的硬件限制，感光元件只能準(zhǔn)確記錄一定范圍內(nèi)的亮度信息，過亮或過暗都會導(dǎo)致信息的不準(zhǔn)確和噪點(diǎn)。這一記錄范圍就是圖片的動態(tài)范圍。在得到不同曝光量的圖片后，可以在軟件中將每張圖片過亮（過曝）或過暗（欠曝）的部分去除，并將幾張圖片進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠毓庋a(bǔ)償后疊加，就能使整個畫幅都有準(zhǔn)確的亮度信息[1]。因?yàn)樽罱K的成品圖片有著遠(yuǎn)超出一般相機(jī)能夠拍攝的動態(tài)范圍，所以被稱為高動態(tài)范圍圖片（HDRI）。以上操作由Python腳本使用imageio及numpy自動完成[7，8]。

最終的高動態(tài)范圍圖片可被現(xiàn)有的全景圖拼接軟件拼接成全景圖[9，10]，并導(dǎo)入至3D軟件中使用[2]。

4? 結(jié)? 論

本文介紹了一種自動化HDRI圖片拍攝的設(shè)備，探討了軟硬件的設(shè)計思路和方法，以及HDRI合成的基本原理。

本文提到的自動化系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，拍攝和合成HDRI，并能夠在3D軟件中使用。但此系統(tǒng)在操作的便捷和便攜性上還有較大提升空間?？梢灶A(yù)見的改進(jìn)方向包括整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的小型化，穩(wěn)定化，結(jié)構(gòu)與收納箱的集成，防塵防雨結(jié)構(gòu)，以及移動端圖形化控制軟件的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] GITHUB. pybluez [EB/OL].[2021-12-12].https：//github.com/pybluez/pybluez.

[4] CAMBRIDGE IN COLOUR. Understanding Gamma Correctio [EB/OL].[2021-12-12]. https：//www.cambridgeincolour.com/tutorials/gamma-correction.htm.

[5] RAWPEDIA. rawpedia [EB/OL].[2021-12-12].http：//rawpedia.rawtherapee.com/.

[6] CHAOS. Understanding sRGB，gamma，color values [EB/OL].[2021-12-12]. https：//support.chaos.com/hc/en-us/articles/4528579184657--Understanding-sRGB-gamma-color-values-.

[7] IMAGEIO. Welcome to imageio’s documentation！ [EB/OL].[2021-12-12].https：//imageio.readthedocs.io/en/stable/.

[8] NUMPY. NumPy documentation [EB/OL].[2021-12-12].https：//numpy.org/doc/stable/.

[9] 漆馳，劉強(qiáng)，孫家廣.攝像機(jī)圖像序列的全景圖拼接 [J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2001.（7）：605-609.

[10] YOUKIAAA.全景拼接原理及實(shí)現(xiàn)_Yokia-CSDN博客_全景拼接 [EB/OL].[2021-12-12].https：//blog.csdn.net/qq_37374643/article/details/88930316.

作者簡介：楊潤天（2001—），男，漢族，北京人，本科在讀，主要研究方向：硬件與軟件工程。