CN101414095B - 一种摄像机同步led闪光补光的控制方法 - Google Patents
一种摄像机同步led闪光补光的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法，包括以下步骤：根据快门参数计算光脉冲宽度参数；检测是否计算完成，若为是，则根据快门参数设置脉冲宽度；检测是否设置完成，若为是，则根据脉冲宽度参数查表求得相位参数；检测是否查表完成，若为是，则根据相位参数设置相位。与现有技术相比，本发明将LED光源闪光脉冲与快门进行同步，为摄像机提供高速闪光的光源，在保证补光的前提下降低电能消耗，并通过这种方式降低LED的工作温度从而延长LED的寿命。还可以在对人摄像时，在保证成像质量的前提下，感觉光源的亮度较低，被拍摄的人不会有灯光刺眼感觉，因此拍摄过程表现自然的优点。
Description
技术领域
本发明涉及摄像机补光的方法，尤其涉及一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法。
背景技术
在低照度环境下，普通摄像机(非低照度摄像机，非超低照度(星光级)摄像机)不能成像或者图像的噪声很大图像质量很差。
为了弥补普通相机在低照度环境下光照不足的问题，一般采用辅助光源来照亮摄像机拍摄的区域。这种辅助光源常用恒定亮度白炽灯持续照明或恒定亮度白光LED持续照明。
辅助的补光光源在室内或半室内半室外应用最多，比如银行办公区域、24小时自助银行的自动取款机照明、办公大楼的室内外走廊、大楼的电梯间等等。
室外应用也有，但室外应用多是安全监控，在夜晚或光照不足时多采用红外补光照明。比如道路监控、广场治安监控、高速路交通监控等等。
在上述举例的许多应用场合，电源供电没有问题，允许使用低成本大功率灯光照明来保证摄像机获得的图像满足应用要求。
但对于某些应用，供电系统不能提供大功率的照明供电。这种情况下，一般会选用高成本的白光LED照明方案，比如移动电话在低照度下的摄像照明、家用摄像机在低照度下的摄像照明等等。这些照明方式都是恒定亮度白光LED持续照明，LED的照明、供电控制简单可靠，成本低廉。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在保证成像质量的前提下，被拍摄的人不会有灯光刺眼感觉的摄像机同步LED闪光补光的控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据快门参数计算光脉冲宽度参数；
(2)检测是否计算完成，若检测结果为否，则返回步骤(1)；
(3)若步骤(2)中检测的结果为是，则根据快门参数设置脉冲宽度；
(4)检测是否设置完成，若检测结果为否，则返回步骤(3)；
(5)若步骤(4)中检测的结果为是，则根据脉冲宽度参数查表求得相位参数；
(6)检测是否查表完成，若检测结果为否，则返回步骤(5)；
(7)若步骤(6)中检测的结果为是，则根据相位参数设置相位。
所述的根据快门参数计算光脉冲宽度参数包括以下步骤：
设：摄像机快门打开时刻的相位为0相位；
视频图像采集周期为T(PAL制式40.000ms；NTSC制式33.333ms)；
场同步信号输出延迟时间为D；
场同步信号分离延迟时间为tDis；
场同步信号锁相跟踪延迟时间为tPLL；
闪光灯开启延迟时间为tLon；
闪光灯关闭延迟时间为tLoff；
则，摄像机快门打开的时刻为：tSO＝nT(n＝0，1，2，......)；
摄像机快门关闭的时刻为：tSC＝nT+S(n＝0，1，2，......)；
场同步信号输出的时刻为：tSYNC＝nT/2+D；
闪光灯开启时刻为：
ton＝2*(tSYNC-D)-tPLL-tLon+(tPLL+tLon)＝nT＝tSO；
闪光灯关闭时刻为：
toff＝2*(tSYNC-D)+S-tPLL-tLoff+(tPLL+tLoff)＝nT+S＝tSC。
由此计算，得到控制LED闪光灯的控制参数：
闪光相位延迟时间：P＝2D+tPLL+tLon
闪光脉冲宽度时间：W＝S
可得到控制相位关于开门速度的函数P(s)＝2*D(s)+tPLL+tLon。
与现有技术相比，本发明提供不闪烁的并且与摄像机快门同步的闪光光源。将LED光源闪光脉冲与快门进行同步，为摄像机提供高速闪光的光源，在保证补光的前提下降低电能消耗，并通过这种方式降低LED的工作温度从而延长LED的寿命。还可以在对人摄像时，在保证成像质量的前提下，感觉光源的亮度较低，被拍摄的人不会有灯光刺眼感觉，因此拍摄过程表现自然的优点。
附图说明
图1是本发明一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法的流程图；
图2是本发明一种摄像机同步LED闪光补光的控制系统的主要结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，在一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法中，步骤1为起始步骤，根据快门参数计算光脉冲宽度参数；在步骤2中，检测是否计算完成，若检测结果为否，则返回步骤1；若步骤2中检测的结果为是，则在步骤3中，根据快门参数设置脉冲宽度；在步骤4中，检测是否设置完成，若检测结果为否，则返回步骤3；若步骤4中检测的结果为是，则在步骤5中，根据脉冲宽度参数查表求得相位参数；在步骤6中，检测是否查表完成，若检测结果为否，则返回步骤5；若步骤6中检测的结果为是，则在步骤7中，根据相位参数设置相位。
LED光源的发光效率比白炽灯光源、日光灯光源、普通节能灯光源都要高。同时，LED光源的体积很小。另外，LED光源的开关频率可达到10000Hz以上。LED光源的这些特点，为LED光源在各个行业的应用创造了极好的条件。
虽然LED光源的成本比普通灯泡的成本高，但其发光效率高、可以降低能源消耗，若使用同步闪光控制方法来工作，可以进一步降低能源消耗并降低LED的工作温度，提高LED光源的寿命。综合上述优点，LED的实际平均使用成本远远低于普通灯泡的照明，并且对供电的功率要求大大降低。
本发明中，使用LED光源来为摄像机提供辅助光源以便在光线不足时提供补光。与常规的摄像机补光不同之处在于，本发明使用闪光形式的补光方式来完成补光的功能。闪光只在摄像机快门打开的期间闪光，其余时间关闭光源的输出，这样可以最大限度地节省电能。然而，使用一般的闪光形式来补光，会出现光源照明的闪烁感。本发明提供的LED闪光方式的摄像机同步补光方法，还使用倍频技术来提高闪光的频率，消除闪光LED光源的闪烁感。
实验测试表明，低频(60Hz以下)的LED闪光会使人够感晕眩，被测试者普遍感觉不舒服，这种心理感觉会影响健康。100Hz以上的闪光光源，不论光脉冲的宽度多窄(光脉冲占空比可接近于0)，均不会被觉察到光源是闪烁的，被测试者感觉光源的亮度是恒定的。因此，需要使用100Hz以上的闪光频率来消除闪光光源的闪烁感。
在快门速度为1/10000时使用闪光脉冲宽度为100us进行测试，被测试者不会觉察到闪光灯在工作。使用摄像机视频信号的场同步信号的2倍频(PAL制式100Hz；NTSC制式120Hz)的闪光，人的视觉系统不会出现闪烁感，会感觉光源的亮度是恒定的。这样在缓慢的亮度调节过程中，不会导致人的不适应。通过跟踪摄像机的同步信号来实现闪光与像机快门之间的同步，通过控制闪光的脉宽来调节补光的光量。
跟踪摄像机同步信号的方法是利用复合视频信号同步分离电路将场同步信号分离出来，利用其偶数场的场同步信号的边沿作为跟踪同步的边沿来锁定场同步信号。
给定摄像机快门参数S后，
设：摄像机快门打开时刻的相位为0相位；
视频图像采集周期为T(PAL制式40.000ms；NTSC制式33.333ms)；
场同步信号输出延迟时间为D；
场同步信号分离延迟时间为tDis；
场同步信号锁相跟踪延迟时间为tPLL；
闪光灯开启延迟时间为tLon；
闪光灯关闭延迟时间为tLoff；
则，摄像机快门打开的时刻为：tSO＝nT(n＝0，1，2，......)；
摄像机快门关闭的时刻为：tSC＝nT+S(n＝0，1，2，......)；
场同步信号输出的时刻为：tSYNC＝nT/2+D；
闪光灯开启时刻为：
ton＝2*(tSYNC-D)-tPLL-tLon+(tPLL+tLon)＝nT＝tSO；
闪光灯关闭时刻为：
toff＝2*(tSYNC-D)+S-tPLL-tLoff+(tPLL+tLoff)＝nT+S＝tSC。
由此计算，得到控制LED闪光灯的控制参数：
闪光相位延迟时间：P＝2D+tPLL+tLon
闪光脉冲宽度时间：W＝S
将摄像机在各种快门速度下的闪光控制相位制作成该摄像机的LED闪光相位控制表，可得到控制相位关于开门速度的函数P(s)＝2*D(s)+tPLL+tLon。这样，光源控制器就可以在各种不同的快门速度下实现与摄像机快门同步的闪光。这种补光是最节省能源的闪光照明。
然而，上述的闪光频率很低，PAL制式为25Hz；NTSC制式为30Hz。显然，这种很低的闪光频率会引起人们的闪烁感觉，因此必须将其倍频。由于普通摄象机的复合视频输出信号将一帧图象分两场(奇数场和偶数场)输出，场频已经是帧频的2倍频，达到50Hz(PAL制式)或60Hz(NTSC制式)。这种50Hz或60Hz频率的闪光依然会引起人们的闪烁感觉。将闪光频率提高到场频的两倍，可到达100Hz(PAL制式)或120Hz(NTSC制式)，这样的闪光频率就不会引起闪烁感。
为了消除LED闪光引起的闪烁感，需要将摄像机输出的场同步信号分离出来后倍频，使闪光的频率达到100Hz以上。倍频的方法可以使用PLL频率合成技术也可以使用DDS直接数字频率合成技术。但由于DDS不能进行相位同步，不能用于场同步信号的倍频，以保证固定的相位关系。
为了准确的定时关系，需要两个定时器来处理LED闪光：一个是光脉冲输出定时器；另一个是光脉冲关闭定时器。两个定时器都与场同步信号的二倍频信号同步。
控制器只需要根据快门的参数设置好两个定时器的预设定时值，两个减计数定时器就会自动在场同步倍频信号的同步下进行工作。定时完成自动输出一个1us宽度的脉冲用于触发闪光控制的开关。
其中场同步信号的倍频采用的是PLL锁相频率合成技术。倍频的信号相位与场同步信号的相位进行比较，使输出的倍频信号同步于摄像机的场同步信号。
如图2所示，该图2是本发明一种摄像机同步LED闪光补光的控制系统的主要结构示意图，其结构包含光源控制处理器8，同步定时器9，LED闪光灯10，晶振时钟11，摄像机12。
根据图像的亮度调节快门速度，将快门参数发送到摄像机8以及光源控制处理器8，光源控制处理器8根据快门参数查表获得控制光源的相位参数，然后根据相位参数和快门参数设置同步定时器9。
同步定时器9在1.0000MHz晶振时钟11的驱动下，并在2倍频场同步信号的同步下，对光脉冲的相位及脉宽进行高精度定时，使LED闪光灯10的闪光脉冲与摄像机12的快门同步，并且其频率是快门频率的4倍，以保证LED闪光灯10的光源不存在闪烁感。
PAL：英文Phase Alternating Line的缩写。
NTSC：英文National Television System Committee的缩写。
SECAM：法文Sequentiel Couleur A Memoire的缩写。
LED：Light Emitting Diode的缩写，即发光二极管。
us：微秒，10-6秒。
Hz：赫兹，频率的单位。
PLL：锁相环。
DDS：直接数字频率合成。
补光：高亮度的光源在短时间内发光。
同步：闪光的光脉冲与图像传感器的快门同频工作并保持相位稳定。
摄像机：利用图像传感器采集视频图像信号的设备，输出信号为PAL制式、NTSC制式或SECAM制式的复合视频信号。
Claims (2)
1.一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据快门参数计算光脉冲宽度参数；
(2)检测是否计算完成，若检测结果为否，则返回步骤(1)；
(3)若步骤(2)中检测的结果为是，则将摄像机在各种快门速度下的闪光控制相位制作成该摄像机的LED闪光相位控制表，可得到控制相位关于快门速度的函数P(s)＝2*D(s)+tPLL+tLon，光源控制器就可以在各种不同的快门速度下实现与摄像机快门同步的闪光；
(4)根据图像的亮度调节快门速度，将快门参数发送到摄像机以及光源控制处理器，光源控制处理器根据快门速度查表获得控制光源的相位参数；
(5)检测是否查表完成，若检测结果为否，则返回步骤(4)；
(6)若步骤(5)中检测的结果为是，则根据控制光源的相位参数和快门参数设置同步定时器。
其中步骤3)中的P(s)为闪光相位延迟时间；D(s)为场同步信号输出延迟时间；tpLL为场同步信号锁相跟踪延迟时间；tLon为闪光灯开启延迟时间。
2.根据权利要求1所述的一种摄像机同步LED闪光补光的控制方法，其特征在于，所述的根据快门参数计算光脉冲宽度参数包括以下步骤：
设：摄像机快门打开时刻的相位为0相位；
视频图像采集周期为T，在PAL制式下，T为40.000ms；在NTSC制式下，T为33.333ms；
场同步信号输出延迟时间为D；
场同步信号分离延迟时间为tDis；
场同步信号锁相跟踪延迟时间为tPLL；
闪光灯开启延迟时间为tLon；
闪光灯关闭延迟时间为tLoff；
则，摄像机快门打开的时刻为：tSO＝nT(n＝0，1，2，......)；
摄像机快门关闭的时刻为：tSC＝nT+S(n＝0，1，2，......)；
场同步信号输出的时刻为：tSYNC＝nT/2+D；
闪光灯开启时刻为：
ton＝2*(tSYNC-D)-tPLL-tLon+(tPLL+tLon)＝nT＝tSO；
闪光灯关闭时刻为：
toff＝2*(tSYNC-D)+S-tPLL-tLoff+(tpLL+tLoff)＝nT+S＝tSC。
由此计算，得到控制LED闪光灯的控制参数：
闪光相位延迟时间：P＝2D+tPLL+tLon
闪光脉冲宽度时间：W＝S
可得到控制相位关于快门速度的函数P(s)＝2*D(s)+tPLL+tLon。
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