一種分時并行圖像采集裝置及其標定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分時并行圖像采集裝置及其標定方法；分時并行圖像采集裝置，包括鏡頭、棱鏡組、圖像傳感器陣列和控制器；入射光線經(jīng)過鏡頭入射至棱鏡組，棱鏡組將入射光線分成N路光強各不相同的子光束，N路子光束分別聚焦在與入射光線垂直的圖像傳感器陣列中N個圖像傳感器上，控制器分別控制各個圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，獲得不同時刻物體的圖像，達到了N倍的圖像采集幀率，實現(xiàn)了圖像的高速采集。本發(fā)明能夠顯著提高高速圖像采集的頻率，能夠使得拍攝兩幅圖像的時間間隔更短；通過控制單一圖像傳感器芯片的采圖順序，使后者在前一個圖像傳感器的曝光間隔內(nèi)采圖，這樣就可在相同的時間周期內(nèi)的采圖次數(shù)增多，從而提高整個裝置的采圖頻率。
【專利說明】一種分時并行圖像采集裝置及其標定方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像采集【技術(shù)領域】，更具體地，涉及一種分時并行圖像采集裝置及其標定方法。
【背景技術(shù)】[0002]高速攝影是指相機采圖頻率大于128幅/秒，可連續(xù)獲得3幅以上的攝影，而要實現(xiàn)高速攝影的必備儀器是高速攝像機，高速攝像機在科研及其他諸多領域應用非常廣泛，常被用作記錄分析物體的運動變化，甚至生物器官、微生物、分子的運動，例如在粒子圖像測速領域，高速攝像機已經(jīng)成為不可缺少的工具。
[0003]粒子圖像測速技術(shù)是圖象分析技術(shù)的一種，采用兩個時間間隔很短的脈沖激光光源照亮所需要測量的流場，利用高速攝像機將所照明的流場中的示蹤粒子記錄下來，利用計算機進行圖象處理得到示蹤粒子的速度場的信息，從而反映流體速度場的一種技術(shù)。
[0004]現(xiàn)代高速相機的感光器件一般為CXD或CMOS器件，單一圖像傳感器芯片要達到超高速納秒級別時間間隔的采圖頻率價格極其昂貴，從而大大限制了高速相機的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種分時并行圖像采集裝置，其目的在于提高圖像采集幀率并實現(xiàn)圖像的高速采集；由此解決現(xiàn)有技術(shù)中單一圖像傳感器芯片要達到超高速納秒級別時間間隔的采圖頻率，價格極其昂貴的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明提供的分時并行圖像采集裝置，包括鏡頭、棱鏡組、高速圖像傳感器陣列和控制器；工作時，入射光線經(jīng)過所述鏡頭入射至所述棱鏡組，所述棱鏡組將入射光線分成N個光強各不相同的子光束，N個子光束分別聚焦在與所述入射光線垂直的高速圖像傳感器陣列中N個圖像傳感器上，控制器分別控制各個圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，獲得不同時刻物體的圖像，達到了 N倍的圖像采集幀率，實現(xiàn)了圖像的高速采集；N為大于等于3的整數(shù)。
[0007]更進一步地，所述棱鏡組包括(N+1)個半透棱鏡，所述(N+1)個半透棱鏡分為相互垂直設置的兩組，每一組均包括多個平行布置的半透棱鏡；入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第一光束，入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第二光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第三光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第四光束；所述第一光束與所述第三光束平行，所述第二光束與所述第四光束平行。
[0008]更進一步地，高速圖像傳感器陣列包括N個圖像傳感器，依次設置在N個半透棱鏡的反射光路上。
[0009]更進一步地，控制器的控制時序包括N個周期性方波，后一個方波與前一個方波
的時序間隔依次為ΛΤ1、ΛΤ2、......Λ TN ;其中T= (Λ Tl+Λ Τ2+…Λ TN) ;Τ為單個圖像傳
感器兩次曝光時間間隔Ti為第i個圖像傳感器和第i+Ι個圖像傳感器曝光的時間間隔。
[0010]本發(fā)明還提供了一種如上述的分時并行圖像采集裝置的標定方法，其特征在于，包括下述步驟:
[0011](I)幾何標定:在鏡頭前放置方格或點陣標定板，通過控制器控制N個圖像傳感器進行曝光采集，對每個圖像傳感器采集的圖像進行去鏡頭畸變處理以及坐標變換后實現(xiàn)了多個相機拍攝位置完全相同的標定；
[0012](2)亮度標定:控制器控制N個圖像傳感器同時曝光，同一時刻拍攝到同一物體的N張圖像，以其中一張為標準，對亮度大于該圖像的其他圖像進行亮度減弱處理，對亮度小于該圖像的其他圖像進行亮度增強處理，然后根據(jù)灰度直方圖精細調(diào)整，以便使所有圖像
亮度一致。
[0013]更進一步地，亮度減弱或增強的具體數(shù)值根據(jù)公式Ti =#蘊含的倍數(shù)關(guān)系快速
調(diào)整，其中Itl為總光強；Ni為光線到達第i個傳感器時經(jīng)過的棱鏡數(shù)目山為經(jīng)過分光棱鏡后第i個圖像傳感器得到的光線強度。
[0014]本發(fā)明通過該裝置可以獲得單一高速圖像傳感器芯片多倍的采圖頻率；通過控制單一圖像傳感器芯片的采圖順序，使后者在前一個圖像傳感器的曝光間隔內(nèi)采圖，這樣就可在相同的時間周期內(nèi)的采圖次數(shù)增多，從而提高整個裝置的采圖頻率。通過相應的標定算法，保證了采圖的準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明實施例提供的分時并行圖像采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明實施例提供的分時并行圖像采集裝置中控制器的時序控制圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0018]本發(fā)明提供的分時并行圖像采集裝置包括:一組用于將入射光線分成N路的光學棱鏡組，經(jīng)過分光后的光線照射在由N個數(shù)字圖像傳感器芯片組成的感光陣列上，圖像采集控制器精確控制N個數(shù)字圖像傳感器芯片依次分時觸發(fā)曝光，以獲得不同時刻物體的圖像，從而達到原高速圖像傳感器芯片N倍的圖像采集幀率，實現(xiàn)圖像的高速及超高速采集。
[0019]本發(fā)明提供的分時并行圖像采集裝置采用多傳感器芯片并行采集方式，在時序電路控制下順序觸發(fā)，理論采圖頻率可以達到并行傳感器個數(shù)乘以單個傳感器的采圖頻率，從而具有結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，采圖頻率高的特點，對于同樣的高采樣頻率，多芯片結(jié)構(gòu)比單芯片結(jié)構(gòu)的造價要低很多，可實現(xiàn)圖像的高速及超高速采集的作用。
[0020]本發(fā)明的積極效果是:(I)通過該裝置可以獲得單一高速圖像傳感器芯片多倍的采圖頻率；(2)通過控制單一圖像傳感器芯片的采圖順序，使后者在前一個圖像傳感器的曝光間隔內(nèi)采圖，這樣就可在相同的時間周期內(nèi)的采圖次數(shù)增多，從而提高整個裝置的采圖頻率。(3)通過相應的標定算法，保證了采圖的準確性。
[0021]以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案:整體架構(gòu)如圖1所示，入射光線經(jīng)過鏡頭I射入棱鏡組2，棱鏡組2將入射光線分成N個光強各不相同的子光束后，N個子光束分別聚焦在與入射光線垂直的高速圖像傳感器陣列3中的每個圖像傳感器上，圖像采集與傳輸控制器4控制每個高速圖像傳感器按照如圖2所示的時序依次曝光和依次輸出圖
像。
[0022]在本發(fā)明實施例中，棱鏡組2包括(N+1)個半透棱鏡，(N+1)個半透棱鏡分為相互垂直設置的兩組，每一組均包括多個平行布置的半透棱鏡；入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第一光束，入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第二光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第三光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第四光束；所述第一光束與所述第三光束平行，所述第二光束與所述第四光束平行。
[0023]光學棱鏡(半透鏡)組排列如圖1所示，排列形狀按/ ”分為兩支(組)，同一支的棱鏡互相平行，兩組棱鏡互相之間相互垂直。N個棱鏡在兩支數(shù)目大致均等(N為偶數(shù)則兩支數(shù)目各半，N為奇數(shù)則“ \ ”組多I個棱鏡)避免一支過長而引起最后的傳感器感光不足。
[0024]在本發(fā)明實施例中，高速圖像傳感器陣列3包括N個圖像傳感器，依次設置在N個半透棱鏡的反射光路上。
[0025]控制器4的控制時序包括N個周期性方波，后一個方波與前一個方波的時序間隔依次為ΛΤ1、ΛΤ2、……Λ TN;其中T= ( Λ Tl+Λ Τ2+…Λ TN) ;Τ為單個圖像傳感器兩次曝光時間間隔Ti為第i個圖像傳感器和第i+Ι個圖像傳感器曝光的時間間隔。
[0026]如圖2所示，C1、C2.....CN分別為第一、第二.....第N片高速圖像傳感器芯片
的曝光時序圖，C為等效的單個相機的曝光時序圖，時序控制流程如下:圖像采集與傳輸控制器4控制第一片高速圖像傳感器芯片進行曝光，第一片高速圖像傳感器芯片經(jīng)過時間Atl(其中Atl由高速圖像傳感器設置來確定)完成曝光采集圖像后，經(jīng)過時間ΛΤ1，圖像采集與傳輸控制器4控制第二片高速圖像傳感器芯片曝光，第二片高速圖像傳感器芯片經(jīng)過時間Λ t2完成曝光采集圖像后，經(jīng)過Λ Τ2時間，控制第三片高速圖像傳感器芯片曝光，依次控制第N個高速圖像傳感器芯片曝光，攝像機陣列完成時間序列上圖像采集，從而實現(xiàn)將采圖頻率提高到單一高速圖像傳感器芯片頻率N倍的效果，實現(xiàn)圖像的超高速采集，其中T= ( Λ Tl+Λ Τ2+...Λ TN) ;Τ為單個圖像傳感器兩次曝光時間間隔；Λ Ti為第i個圖像傳感器和第i+Ι個圖像傳感器曝光的時間間隔等于1、2……N。
[0027]由于光線到達每個圖像傳感器芯片經(jīng)過的棱鏡的個數(shù)不同，光強度的損失也不同，因此每個圖像傳感器芯片拍攝到的圖像的亮度不同，同時由于多個棱鏡和圖像傳感器芯片安裝的位置不同，從而造成拍攝到的同一幅圖像存在平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變換，因此事先需要對該裝置進行標定，根據(jù)需要我們提出一次曝光標定方法，同時實現(xiàn)N個相機圖片位置對應(幾何標定)和N個相機的圖片亮度相同(亮度標定)。
[0028]幾何標定:在鏡頭前放置高精度的方格或點陣標定板，控制所有芯片進行曝光采圖，對每個圖像傳感器芯片采集到的圖像進行常規(guī)的去鏡頭畸變和將世界坐標轉(zhuǎn)換成像素坐標的變換，將每個圖像傳感器芯片對應的轉(zhuǎn)換關(guān)系存入計算機，即得到如下關(guān)系式:[0029]對標定板上某一點j坐標為[xwj，ywJ, zwJ, 1]τ，對應在第i個相機平面的像素坐標為[Uij, Vij, I]τ，存在下面的關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種分時并行圖像采集裝置，其特征在于，包括鏡頭(I)、棱鏡組(2)、高速圖像傳感器陣列⑶和控制器⑷； 工作時，入射光線經(jīng)過所述鏡頭(I)入射至所述棱鏡組(2)，所述棱鏡組(2)將入射光線分成N個光強各不相同的子光束，N個子光束分別聚焦在與所述入射光線垂直的高速圖像傳感器陣列(3)中N個圖像傳感器上，控制器(4)分別控制各個圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，獲得不同時刻物體的圖像，達到了 N倍的圖像采集幀率，實現(xiàn)了圖像的高速采集；N為大于等于3的整數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的分時并行圖像采集裝置，其特征在于，所述棱鏡組(2)包括(N+1)個半透棱鏡，所述(N+1)個半透棱鏡分為相互垂直設置的兩組，每一組均包括多個平行布置的半透棱鏡； 入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第一光束，入射光線經(jīng)水平方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第二光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的反射光定義為第三光束，入射光線經(jīng)垂直方向布置的半透棱鏡后的透射光定義為第四光束；所述第一光束與所述第三光束平行，所述第二光束與所述第四光束平行。
3.如權(quán)利要求2所述的分時并行圖像采集裝置，其特征在于，所述高速圖像傳感器陣列(3)包括N個圖像傳感器，依次設置在N個半透棱鏡的反射光路上。
4.如權(quán)利要求1所述的分時并行圖像采集裝置，其特征在于，所述控制器(4)的控制時序包括N個周期性方波，后一個方波與前一個方波的時序間隔依次為Λ Τ1、Λ Τ2、……ΛTN;其中了=(厶1'1+厶了2+夂厶了吣；Τ為單個圖像傳感器兩次曝光時間間隔；ATi為第i個圖像傳感器和第i+Ι個圖像傳感器曝光的時間間隔。
5.一種如權(quán)利要求1-4任一項所述的分時并行圖像采集裝置的標定方法，其特征在于，包括下述步驟: (1)幾何標定:在鏡頭前放置方格或點陣標定板，通過控制器控制N個圖像傳感器進行曝光采集，對每個圖像傳感器采集的圖像進行去鏡頭畸變處理以及坐標變換后實現(xiàn)了多個相機拍攝位置完全相同的標定； (2)亮度標定:控制器控制N個圖像傳感器同時曝光，同一時刻拍攝到同一物體的N張圖像，以其中一張為標準，對亮度大于該圖像的其他圖像進行亮度減弱處理，對亮度小于該圖像的其他圖像進行亮度增強處理，然后根據(jù)灰度直方圖精細調(diào)整，以便使所有圖像亮度—致。
6.如權(quán)利要求5所述的標定方法，其特征在于，亮度減弱或增強的具體數(shù)值根據(jù)公式Ii 蘊含的倍數(shù)關(guān)系快速i周整，其中I。為總光強；Ni為光線到達第i個傳感器時經(jīng)過的棱鏡數(shù)目為經(jīng)過分光棱鏡后第i個圖像傳感器得到的光線強度。
【文檔編號】H04N7/18GK103581625SQ201310514510
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】楊華, 張步陽, 尹周平, 熊有倫, 張冰, 李勇, 梅爽 申請人:華中科技大學