CN102821251A - 一种应用快速开关光源的高速摄像方法及应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用快速开关光源的高速摄像方法及应用装置，包括以下步骤：拍摄装置对目标物体连续拍摄，在拍摄装置的每一次快门时间内，快速开关光源依次先后发出若干种不同颜色的单色光照射目标物体，然后将不同颜色的单色光所对应的分色图像从混合图像中提取出来，并按照先后照射的时间顺序排列整合。本发明还公开了一种应用LED光源的高速摄像装置，包括拍摄模块、LED光源模块、开光控制电路模块和图像处理模块；所述拍摄模块包括摄像镜头，以及与摄像镜头对应的拍摄传感器，所述LED光源模块包括若干不同发光颜色的LED发光器件，所述开关控制电路模块用于控制LED光源模块和拍摄模块，所述图像处理模块用于接收并处理拍摄模块所拍摄得到的图像。

Description

一种应用快速开关光源的高速摄像方法及应用装置

技术领域

本发明涉及高速摄像系统领域，特别涉及一种应用快速开关光源的高速摄像方法，本发明还提供了应用该方法的装置。

背景技术

高速摄像是一种把高速运动变化过程的空间信息和时间紧密联系在一起进行图像记录的方法，能将瞬变、高速过程连续记录下来，并运用图像分析设备进行定量计算的方法，其最早应用于弹道分析，至今已从军事逐渐扩展到民用,从工业到医学生物,从宏观机械运动到微观机制的研究。高速摄像可以在很短的时间内完成对高速目标的快速、多次采样，当以常规速度放映时，所记录目标的变化过程就清晰、缓慢地呈现在我们眼前。高速光电成像技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等突出优点。

传统高速摄像的工作原理是：高速运动目标受到自然光或人工辅助照明灯光的照射产生反射光，或者运动目标本身发光，这些光的一部分透过高速成像系统的成像物镜。经物镜成像后，落在光电成像器件的像感面上，受驱动电路控制的光电器件，会对像感面上的目标像快速响应，即根据像感面上目标像光能量的分布，在各采样点即像素点产生响应大小的电荷包，完成图像的光电转换。带有图像信息的各个电荷包被迅速转移到读出寄存器中。读出信号经信号处理后传输至电脑中，由电脑对图像进行读出显示和判读，并将结果输出。因此，一套完整的高速成像系统由光学成像、光电成像、信号传输、控制、图像存储与处理等几部分组成。

目前，一般摄像机、DV机最多能达到50-60~300帧每秒，手机30帧/s，而一般高速摄像机通常可以达到每秒600~10000帧的速度记录，有些军方专用的高速摄像机甚至可达到1百万~1千万帧每秒。为实现高速摄像的技术效果，传统的高速摄像机和其他高速成像仪器更为重视捕获时间频率高的图像，并以此作为实现高速摄像的当然手段。而需要在高频率下采集图像样本数据，除了传感器和照明设备灵敏度的限制外，采样频率也受到快门速度和传感器的ADC速度和其他相关数据处理瓶颈现在。故，高速摄像的传感器需要具备特殊的结构、工艺和材料，使其能够在高速的情况下进行正常工作。

另外，在摄像领域中使用人工辅助照明灯光（俗称闪光灯）经历了从镁粉闪光灯、一次闪光灯（闪光炮）至电子闪光灯的发展历程；当前普遍使用的电子闪光灯是利用气体放电原理，采用集成电路和蓝硅晶体管组成的光敏控制电路，能自动根据拍摄距离和反光的强弱控制明灭时间。以上所述的闪光灯有其不足之处，即不能够实现瞬时的快速开关：从其通电至开始发光，有一定的延迟时间，俗称预热；从其断电至发光结束，也有一定的延迟时间，俗称余辉。在高速摄像中，特别是在黑暗环境的高速摄像中，闪光灯的连续闪烁，由于延迟时间（余辉）的存在，不能达到很高的闪烁频率。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种应用快速开关光源的高速摄像方法，该方法在现有的快门速度下，利用高速闪断光源曝光，实现高速摄像的功能，其具有成本低，高速摄像效果好的有益效果。

本发明的另一个目的在于提供一种应用上述方法的高速摄像装置，相对于现有的摄像装置具有具有成本低、易普及的有益效果。

本发明一种应用快速开关光源的高速摄像方法的技术方案是，包括快门、拍摄传感器、图像处理模块和快速开关光源模块；所述快速开关光源模块至少包括2种具有不同色光的光源；所述快门与快速开关光源模块的动作相关联；

该方法包括如下步骤：

步骤一、快门动作，进行曝光；

步骤二、在快门曝光时间内，所述快速开关光源模块的不同颜色光源依次开关；

步骤三、拍摄传感器获得包含有不同色光背景的混合图像；

步骤四、图像处理模块提取混合图像中不同色光背景的分色图像；

步骤五、按照不同颜色光源依次开关的先后顺序，将上述不同色光背景的分色图像合成视频。

本发明的快速开关光源是指在一个快门时间内能够进行多次开关动作的光源，具有良好的开关截断性能，能在毫秒级甚至微秒级进行开关动作，优选采用LED（Light EmmittingDiode）光源，然而根据发明原理，本领域技术人员可以轻易联想到其他的快速开关光源，如激光光源等，也属于保护范围。

LED照明光源近年来发展非常较快，其照明性能越来越好，价格也相对较低，具有绿色光源之称。而且，LED的切换时间可以在很高的精确度和微秒级甚至更短时间的高速情况下进行控制。本发明正是采用LED可以高速开关的性能，在保持快门曝光时间不变的情况下，在曝光时间内通过对不同颜色光源的快速开关，使得目标物体能够反射不同色光，从而获得高频率的由不同光色“标引”的图像信号，再通过后期的图片处理，将曝光时间内混合有不同光色的混合图像分别按不同光色“标引”的图片进行提取，再按照时间先后顺序合成高速摄像效果的视频。本发明与现有技术相比，采用相对简单、成本低的LED光源分色光标引的原理，在不需要提高快门曝光频率的情况下完成高速摄像，具有成本低，高速摄像效果好的有益效果。

本发明的高速摄像方法还利用了色彩学的颜色组合原理，单一颜色能够从混合颜色中分离，提高了拍摄的速率。

优选的，所述LED光源发出的为单一波长的纯色光。根据色彩组合的原理，单一颜色能够从混合颜色中分离。

优选的，所述不同颜色光源为红光LED、绿光LED和蓝光LED中的任意两种或全部的组合。R、G、B三色光是各数码领域常用的颜色处理方案，使用R、G、B的搭配，能够尽量与当前市场上的电子处理设备兼容。

优选的，所述快门为机械快门，快门曝光时间为机械快门的一次开关时间。

优选的，所述快门为电子快门，所述的快门曝光时间为拍摄传感器感光一次感光时间。

所述电子快门(Electronic Shutter)是相对机械快门功能提出的一个术语，它相当于控制拍摄传感器感光的时间，为摄像领域所熟知的概念。通常在摄像机中，所谓的电子快门原理与机械快门不同，它是利用电子的方式来控制拍摄传感器（如：CCD（Charge CoupledDevice）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor））每个像素存储电荷的时间，从而实现拍摄不同运动速度物体的要求。

优选的，在所述步骤一前还有建立目标物体反射特性步骤，该步骤为，所述LED光源模块对目标物体分别照射分色光和由多种分色光组成的混合光，并分别拍摄其图像，依据获得的分色光图像和混合光图像确定目标物体对于分色光和混合光的组合关系，该组合关系即为目标物体的反射特性。

建立目标物体的反射特性，具有多种用途。

优选的，所述反射特性用于校准步骤四中所提取得到的分色图像。

优选的，依据所述反射特性从混合图像中提取分色图像。

优选的，所述建立目标物体反射特性的步骤时，目标物体为静止和不发光状态，拍摄环境为无光环境。在目标物体静止、环境黑暗的情况下建立目标物体的反射特性，该反射特性更加准确。

优选的，所述步骤四中，从混合图像中每提取一张不同色光背景的分色图像之后，将该分色图像所对应的颜色从混合图像中提取，下一张待提取的分色图像从该已提取上一张分色图像对应颜色的混合图像中提取。

采用每提取一张图像，即减去混合图像中相应像素点的方法，使提取速率更高，且图像更清楚。

优选的，重复实施若干次步骤一至步骤五，将每次实施步骤五所得到的视频按时间顺序整合；或者重复实施若干次步骤一至步骤四，之后实施一次步骤五。

不断重复步骤一至四或一至五，可获得目标物体在指定时间内的运动视频。可以边获得混合图像，边提取分色图像；也可以先一次性获得所有的混合图像，后再提取分色图像。

优选的，包括去模糊的步骤，该步骤为，使用多个同步拍摄的拍摄装置从不同角度进行拍摄，依据不同拍摄装置所拍摄得到的同一时间点不同视角的图像数据处理模糊的图像，或者用于存储样本的3D信息。

优选的，包括若干拍摄装置，所述拍摄装置为各自利用步骤一至步骤五的方法进行拍摄的装置，所述拍摄装置按照预先设定的顺序依次循环拍摄，所拍摄得到的图像按照拍摄的时间先后顺序进行排列整合。从而进一步提高拍摄速率。

优选的，最终将提取得到的分色图像转换为对应的黑白图像以合成视频文件,为观看方便。

本发明还提供一种高速摄像装置，特别是一种应用优选方案中LED作为光源模块的高速摄像装置，其技术方案是：包括拍摄模块、LED光源模块、开光控制电路模块和图像处理模块；所述拍摄模块包括快门、摄像镜头和与摄像镜头对应的拍摄传感器；所述LED光源模块至少包括2种具有不同色光的LED发光器件；所述开关控制电路模块使LED光源模块和快门相联动，具体为使LED光源模块在一次快门曝光时间内依次进行不同颜色光源的开关动作；所述拍摄传感器将快门曝光时间内获得的混合图像传给图像处理模块，由图像处理模块对图像进行提取和视频整合。

本高速摄像装置利用的LED照明光源，近年来的发展非常迅速，日常及工业应用越来越普及，其照明性能越来越好，价格也相对较低。LED光源的效率非常高，而且，LED的切换时间可以在很高的精确度和微秒级甚至更短时间的高速情况下进行控制。本发明的高速摄像装置相对于传统的高速摄像机，具有很大价格优势，利于普及应用。

优选的，所述LED光源模块为红光LED、绿光LED和蓝光LED的任意两种或全部的组合。

优选的，所述LED光源模块以阵列形式布置，具体为由不同色光的LED灯珠封装组成的阵列或不同色光LED芯片组成的阵列。

优选的，所述不同发光颜色的LED发光器件间隔排列在发光阵列内。

优选的，另外一个方案是，所述LED光源模块以投影仪方式布置，具体为由不同色光的LED灯珠封装一起通过一个或多个投影镜头将光投射到物体上。

优选的，所述每一种发光颜色的LED发光器件具有有若干个，所有发光颜色的LED发光器件组成一个面状的发光阵列。

优选的，所述面状发光阵列为平面发光阵列或有利于聚光的弧面发光阵列。

通过使用各种阵列的方式，使LED光照更加均匀，无死角，尽量充分满足高速运动目标的光照需求

优选的，所述LED光源模块具有多个，不同光源模块从不同角度照射目标物体。

由于拍摄模块具有多个摄像镜头，多个拍摄角度，如果使用单一的发光模块，容易使部分角度的细节得不到充分的照明。因而在拍摄模块的周围设置发光模块，使光线更均匀，闪光无死角。

优选的，所述LED光源模块由同一个开光控制电路模块同时控制，或由不同开光控制电路模块协同控制。

优选的，所述快门为机械快门，具体为由机械开合以控制一次曝光的机械结构；或者，所述快门为电子快门，具体为控制拍摄传感器感光时间的电子控制模块。

优选的，所述图像处理模块包括RGB信号采集器，拍摄模块所拍摄得到的图像数据通过RGB信号采集器传给图像处理模块。

优选的，所述摄像镜头具有多个，该多个摄像镜头用于分别从不同视角同步拍摄目标物体。

优选的，所述摄像镜头具有多个，该多个摄像镜头用于按照预先设定的顺序，依次循环拍摄。从而进一步提高拍摄速率。

优选的，所述拍摄传感器具有多个，所述一个拍摄传感器对应多个摄像镜头或者拍摄传感器和摄像镜头一一对应。

摄像镜头和拍摄传感器既包括采用一一对应的方式设置，还可以采用所有摄像镜头对应一个拍摄传感器，多个摄像镜头对应一个拍摄传感器而其余摄像镜头各自对应一个拍摄传感器，以及一个摄像镜头对应多个拍的摄传感器的设置方式等等。关于拍摄传感器和摄像镜头的设置，对应方式，取决于后期数据处理的需求以及传感器设置的需求。其中同一拍摄传感器对应多个摄像镜头的方式，有利于简化拍摄传感器的加工工艺。

优选的，所述所有拍摄传感器组成一个传感器平面。以便于拍摄传感器对数据进行处理。

优选的，所述摄像镜头通过固定框架以一体成型或拼接的方式相互连接。使各摄像镜头之间更加紧密地配合。

优选的，所述所有摄像镜头排列成一个镜头面，镜头面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干个平面以一定折角的方式拼接的组合面。从而使镜头排列更加紧凑合理。

本发明利用对高速运动目标物体的照明，在短的断电周期可以用来延长时间频率。本发明需要至少一个与摄像镜头的快门同步控制的LED光源照明设备，目标物体最好处于黑暗环境下，正常情况下本身不发光，或即使可发光，但在本发明的光源下仍然能够反射不同光色的情形。本发明的高速摄像装置能够采集到高速运动物体的图像信息，经过计算和图像处理，从而可以观察和测量目标物体的运动方式和规矩，其典型的应用是工业中所需高速摄像机，还可以应用于其他需要用到高速摄像的场合。

附图说明

图1是本发明高速摄像装置一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明高速摄像装置一种实施例的框架连接示意图；

图3是本发明高速摄像装置一种实施例的镜头布置示意图；

图4是本发明高速摄像装置一种实施例的镜头与传感器布置关系示意图；

图5是本发明高速摄像装置一种实施例的LED光源模块示意图；

图6是本发明具体实施例的利用投影镜头投射光示意图；

图7是本发明高速摄像装置一种实施例的工作原理示意图；

图8是本发明高速摄像装置一种实施例的不同色光源照明下的图像采集原理图；

图9是本发明具体实施例的所有摄像镜头同时工作在不同色LED闪光下的高速摄像算法和过程分析图；

图10是本发明具体实施例的所有摄像镜头不同时工作在同色LED闪光下的高速摄像算法和过程分析图；

图11是本发明具体实施例的摄像镜头分别工作在同色和不同色LED闪光下的高速摄像算法和过程分析图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步说明：

如图1至图5所示，一种应用LED光源的高速摄像装置，包括拍摄模块2，所述拍摄模块2包括四个摄像镜头，分别为第一摄像镜头2A、第二摄像镜头2B、第三摄像镜头2C和第四摄像镜头2D，该四个摄像镜头呈矩的方式排列，即矩形排列。

如图2所示的拍摄模块2，所述四个摄像镜头排列成一个平直的镜头面，摄像镜头之间具有一定间隙，并通过固定框架以一体成型或拼接的方式相互固定。

在其他实施例中，所述摄像镜头还可以是两个，呈上下排列，或三个，成三角形排列，以及四个以上。

所有摄像镜头排列成一个镜头面，镜头面可以是平直的表面，还可以是具有弧度的弧面，还可以是由若干个平面以具有一定折角的方式拼接的组合面，根据所需拍摄的目标物体的具体情况而定。摄像镜头之间可以紧密排列也可以具有一定空隙。

如图1所示，所述拍摄模块2还包括四个与所述四个摄像镜头一一对应的拍摄传感器9，该四个拍摄传感器9组成一个传感器面，每个摄像镜头对应一个独立的拍摄传感器，便于拍摄传感器对数据进行处理。常用的拍摄传感器有CCD传感器等。

所述快门包括机械快门和电子快门。所述电子快门(Electronic Shutter)是相对机械快门功能提出的一个术语，它相当于控制拍摄传感器感光的时间，为摄像领域所熟知的概念。对于CCD传感器来说，由于CCD感光的实质是信号电荷的积累，则感光时间越长，信号电荷的积累时间也就越长，输出信号电流的幅值也就越大。通过调整光生信号电荷的积累时间(即调整时钟脉冲的宽度)，即可实现控制CCD感光时间的功能。在机械快门的场合，本发明的快门为由机械控制的可快速开关的机械结构；在电子快门的场合，本发明的快门为控制传感器光生信号电荷的积累时间，以控制传感器感光时间的电子控制模块。

在其他实施例中，摄像镜头和拍摄传感器可以不采用一一对应的方式设置，如所有摄像镜头对应一个拍摄传感器，多个摄像镜头对应一个拍摄传感器而其余摄像镜头各自对应一个拍摄传感器，以及一个摄像镜头对应多个拍摄传感器，等等。关于拍摄传感器和摄像镜头的设置，对应方式，取决于后期数据处理的需求以及传感器设置的需求。其中同一拍摄传感器对应多个摄像镜头的方式，有利于简化拍摄传感器的加工工艺。

如图4所示，为摄像镜头和拍摄传感器之间的布置示意图，第一摄像镜头2A与物体之间的距离为p，第一摄像镜头2A的直径宽度为d，第一摄像镜头2A与第一拍摄传感器9A之间的距离为μ。物像经过摄像镜头后投射在拍摄传感器上，拍摄传感器记录该物像，使之从光信号转换为方便处理的电信号，得到拍摄的图像。

本发明的拍摄模块2增加了一定数量的摄像镜头，不同摄像镜头之间或者辅助摄像镜头和主摄像镜头之间协同工作，可以提高图像的清晰度；同时为了得到高的时间频率图像，使不同摄像镜头的快门具有时间上的不同补偿。所有摄像镜头的曝光时间都是相互关联并已知的。

如图1所示，本实施例的高速摄像装置还包括LED光源模块1、图像处理模块4和连通各模块的数据线7。

其中，所述LED光源模块1包括LED发光阵列6，本实施例的LED光源模块1相当于高速摄像装置的闪光灯。

如图5所示的LED光源模块1，其发光面上设有LED发光阵列6，该发光阵列6由发光颜色分别为红、绿、蓝的三种LED组成（本说明书中除特别说明外，分别用R、G、B来表示红、绿、蓝颜色），各色LED间隔排列。图5所示的发光阵列6中，每一列为相同发光颜色的LED，R、G、B依次间隔排列。

所述各色LED有序排列集成在一起，形成一个平面的LED发光列阵，可以是集成在同一平面内发光面，也可以集成为带弧度的有利于聚光的发光面。

所述组成LED发光阵列的各色LED可以是LED封装灯珠，或LED芯片，所述单颗LED封装灯珠内可以只封装一种颜色的LED芯片，还可以同时封装两种或三种颜色的LED芯片；此外，还可以通过集成封装的方式得到发光阵列。

在其他实施例中，还可以采用其他三种颜色的组合，如紫、黄、青组合等；还可以使用两种颜色的组合，如蓝、黄组合，青、红组合，紫、绿组合等。目前，在数字图像处理方面，使用较多的是R、G、B的组合，且R、G、B的LED产品也比较常见，价格低，发光质量好，故而本实施例选择采用R、G、B的组合方式。

图6显示的是另一种实施方式中的LED光源模块，其是以投影仪的方式布置，具体为由不同色光的LED灯珠6封装一起通过一个或多个投影镜头7将光投射到物体上。

图1中的高速摄像装置包括两个LED光源模块1，设于拍摄模块2的两侧。由于拍摄模块2具有多个摄像镜头，多个拍摄角度，如果使用单一的发光模块，容易使部分角度的细节得不到充分的照明。因而在拍摄模块的两侧设置发光模块，使光线更均匀，闪光无死角。

所述开关控制电路模块5用于控制LED光源模块1的照明，使之与拍摄模块2的快门开关协同工作。每种不同颜色的LED（R、G、B）由一个开关控制电路进行控制5，同种颜色的LED同时控制。为方便协同控制，拍摄模块的快门开关也由该开关控制电路模块5控制。

各色LED（R、G、B）的开关由开关控制电路模块5按照设定的时间频率与镜头快门协同工作，各色LED在设定的镜头曝光获取一幅图像的时间（一次快门时间）内按照已知的时间频率依次亮起，然后由拍摄传感器获取图像，该图像包含了R、G、B三幅分色图像，该三幅图像分别对应不同的时间点，将该三幅图像分别提取出来后，即可得到目标物体在该三个时间点的运动图像。

如图1和图2所示，本实施例的高速摄像装置的图像处理模块4包括RGB信号采集器3，拍摄传感器9将获取的图像上传至RGB信号采集器3，RGB信号采集器3将图像数据提交到图像处理模块4进行数据处理。图像处理模块4将从RGB信号采集器3中接收的图像电子信息经算法合成为动态视频，转送到外部计算机。

所述图像处理模块4还用于根据外部控制信号调节传感器和/或镜头的工作状态。因为图像处理模块可根据外部设备输入的控制信号调节传感器和/或镜头的工作状态，所以可使本装置始终工作在较理想的状态，保证采集和输出的动态视频信号准确。

如图7所示，为本实施例高速摄像装置的工作过程，其具体工作步骤如下：

1）按照要求的时间频率设定多个镜头的快门频率和各色LED光源阵列的开关频率。摄像镜头的快门开启时间同LED光源开关时间相关联。

2）当目标物体8快递移动时，摄像镜头快门开启，进行曝光并获取一幅图像。在快门开启至关闭的时间内，发光颜色为R、G、B的LED阵列顺序开关一次，每次开关应先关闭当前颜色的LED阵列，再打开下个颜色的LED阵列；此时拍摄传感器获取到包含有R、G、B背景的一幅图像，由传感器送入到RGB信号采集器中；按照此规则持续拍摄，将获取到的一系列图像均送入到RGB信号采集器中。

3）将RGB信号采集器中的图像送入到图像处理模块中进行处理，按照各色LED阵列开关的时间顺序将R、G、B分色图像从R、G、B混合图像中提取出来，经过算法整合，最终形成清晰的连续的视频。为方便观看，将各分色图像统一转换为黑白图像。

以上R、G、B闪光的顺序可互换。

图8中，在普通视频镜头的曝光期间内，多重的时间追踪点被标定。本图中，5个时间追踪点被标定，第一个是白色照明追踪点，第二个是红色，第三个是蓝色，第四个是绿色，第五个是又到红色，以上每个时间点都能获得一幅图像10

本实施例的高速摄像装置能够采集到高速运动物体的图像信息，经过计算和图像处理，从而可以观察和测量目标物体的运动方式和规矩，其典型的应用是工业中所需高速摄像机，还可以应用于其他需要用到高速摄像的场合。

本实施例通过点阵式的LED光源和两个以上镜头的设置，利用同步的LED光源开关和摄像镜头曝光时间，收集不同光背景下的系列图像信息，从而有利于通过外部计算机计算形成连续的视频图像，以此解决传统高速摄像机无法清晰准确获得图形信息的问题。

本实施例利用对高速运动目标物体的照明，短的断电周期可以用来延长时间频率。本发明需要至少一个与摄像镜头的快门同步控制的LED光源照明设备，目标物体最好处于黑暗环境下，且本身不发光。将普通摄像镜头的曝光时间设置为工作在3040ms的正常视频速率，例如，25或30帧/秒，当激活快门的时候，LED光源也被激活进入到预定的开关时间。

举例如下：将摄像镜头快门的速率设为30帧/秒，也就是33ms开关一次，如果使用3种LED光源颜色，每种颜色有10ms的照射时间和1ms的黑暗时间。相当于摄像镜头具有90帧/秒的速率。可见本装置提高了普通摄像设备的拍摄速率。

图9至图11所示，为本发明具体实施例高速摄像方法的示意图：

如图9所示，为本实施例所有摄像镜头同时工作在不同色LED闪光下的高速摄像的方法，当物体运动，不同颜色的LED光源（R、B、G）相继照射，所有摄像镜头的快门同时开关，每个摄像镜头在单个快门内均获得一幅包含R、B、G背景的图像。在快门单次开启和关闭的时间内，发光颜色为R、B、G的LED阵列顺序开关一次，每次开关先关闭当前颜色的LED阵列，再打开下个颜色的LED阵列。

从所得到的包含R、B、G背景的混合图像中，提取其R、B、G分色图像，由于不同分色图像代表了不同时间点的目标物体，依据其先后顺序将R、B、G分色图像依次排列，原本为一个时间点的一张照片，变成了三个时间点的三张照片，相当于拍摄速率提高了三倍。

多镜头多传感器同时工作可以解决图像不清晰的问题，以及获取更多的图像数量。图像不清晰可以认为是测不准，如果只用一个摄像镜头，目标物体的方向就不能准确地测到。使用多个摄像镜头就可以获取多的图像数量，从而通过算法进行合成提炼出更加清晰的图像。

如图10所示，为本实施例所有摄像镜头不同时工作在同色LED闪光下的高速摄像的方法，四个摄像镜头快门分别以设定的频率依次工作。然后将相同时间间隔内获取到的图像依次排列，经过算法整合，可以得到相应的视频，提高了拍摄速率。本方法中所使用的LED闪光灯可以使用白色的，也可使用单色的。

如图11所示，是本实施例中摄像镜头分别工作在同色和不同色LED闪光下的高速摄像的方法。本图中，四个摄像镜头快门分别以设定的频率依次工作，通过图9所示的方法获取高速运动目标的连续图像；与此同时，每个摄像镜头通过图8所示的方法获取包含G、B、R背景的混合图像，即红色、蓝色、绿色LED光源按照设定频率依次亮起，在每个摄像镜头快门的一次开关时间内获得一幅以蓝色、红色、绿色为背景色的混合图像，再从所得到的包含R、B、G背景的混合图像中提取其R、B、G分色图像，从而获得高速运动目标的连续图像。

根据图11所示实施例的摄像方法，相应地增加LED光源照亮动作的频率（闪光频率），那么可以获取到的图像数量将进一步成倍增加，相应的拍摄速率也会成倍增加。这样就可以大大增加了分析图像运动状态的原始数据。

可见，图11所示高速摄像的方法，其详细步骤为：

步骤1、设置工作环境。去除其他照明设备，将拍摄环境设置为黑暗的环境，拍摄的目标物体本身不发光。

黑暗的环境可以使本发明中定义的LED光源显得比环境的光线强烈很多，可以突出所有的LED光源对目标物体的照射，所得到的图像会有更好的效果，此外还可以加强后期得到的图像的效果。

步骤2、校准目标物体的反射特性。对目标物体进行不同的LED光源曝光，分别拍摄其白光、红光、绿光、蓝光的图像，并确定它们相互之间组合的关系，以建立目标物体的反射特性。

通过对目标物体进行对各种颜色的反射特性的测试，得到目标物体本身的对各种颜色光线的反射数据。此数据将在以后的图像提取中使用到。

步骤3、开始拍摄。

摄像镜头的拍摄方案：将若干个（图10中为四个）拍摄速率相同的摄像镜头按照预先设定的均匀的时间间隔，依次循环拍摄图像。例如图10中，第一摄像镜头、第二摄像镜头、第三摄像镜头、第四摄像镜头，按照均匀的时间间隔依次开启和关闭快门一次，每个摄像镜头各拍摄一张图像；四个摄像镜头依次拍摄一个回合后，再重新从第一摄像镜头开始拍摄，至第四摄像镜头结束，以此类推，循环进行。为使拍摄更精确，每个摄像镜头快门开启的时间点在上一个摄像镜头快门关闭的时间点之后，优选为上述两个时间点重合。将上述不同摄像镜头循环拍摄的图像，按照时间先后顺序进行整合，得到相应的拍摄目标物体的视频。

LED光源的曝光方案：在每个摄像镜头快门的每一次曝光时间内（即，从快门开启到关闭的时间），LED光源按照预先设定的均匀的时间间隔，依R、G、B三种光色的顺序对目标物体曝光，此时摄像镜头获得的单张图像为包含了R、G、B三个曝光时间点的混合图像。基于LED光源能够快速响应的特点，LED光源能够发出近似方波脉冲的光线，使得R、G、B光线在极短时间内完成一次闪灭，不会相互干扰。例如，摄像镜头快门的速率设为30帧/秒，也就是33ms开关一次，如果使用3种LED光源颜色（R、G、B），每种颜色有10ms的照射时间和1ms的黑暗时间，每种光色之间不会互相干扰。

步骤4、从混合图像中提取分色图像。

提取第一张图像：将最先曝光的颜色所对应的分色图像从混合图像中提取出来，并将该分色图像作为第一幅图像。本实施例中，最先被曝光的是R，则将混合图像中所有的红色像素点提取出来作为第一幅图像。依据第二步骤中建立的目标物体的反射特性，对第一幅图像进行校准，使其图形更准确和更清晰。将混合图像中对应第一幅图像的像素点减去。

提取第二张图像：按照提取第一张图像的方法，将其次曝光的颜色所对应的分色图像从已被减去第一张图像像素点的混合图像中提取出来，并将该分色图像作为第二幅图像。本实施例中，其次被曝光的是G，将已被减去R像素点的混合图像中所有的绿色像素点提取出来作为第二幅图像。依据第二步骤中建立的目标物体的反射特性，对第二幅图像进行校准，使其图形更准确和更清晰。从已被减去第一张图像对应像素点的混合图像中再次减去第二幅图像对应的像素点。

提取第三张图像：将最后曝光的颜色所对应的分色图像提取出来，作为第三幅图像。本实施例中，最后被曝光的是B，混合图像在提取第一张和第二张图像时，已被减去相应的R和G像素点，其剩余的B像素点即为第三张图像。依据第二步骤中建立的目标物体的反射特性，对第二幅图像进行校准，使其图形更准确和更清晰。

采用每提取一张图像，即减去混合图像中相应像素点的方法，使提取速率更高，且图像更清楚。

步骤5、整合视频。按照先后拍摄和先后曝光的时间顺序，将所得到的所有摄像镜头对应的所有分色图像进行排列整合，得到相应的目标物体的高速拍摄视频。本实施例中，每个摄像镜头对应的R、G、B三幅分色图像，其曝光顺序为R、G、B，将该三幅分色图像按照R、G、B的顺序排列；所有摄像镜头的拍摄顺序为，从第一摄像镜头到第四摄像镜头，然后循环，将每个摄像镜头先拍摄的R、G、B图像排在前面，后拍摄的排在后面；经过如此方式整合，即可得到对应的高速摄像的连续的视频。

为观看方便，将所有分色图像统一转换为黑白图像。

本高速摄像方法利用的LED照明光源，近年来，LED(发光二极管)的发展非常迅速，日常及工业应用越来越普及，使得它降低了生产成本并提高了性能。LED光源的效率非常高。而且，LED的切换时间可以在很高的精确度和微秒级甚至更短时间的高速情况下进行控制。这两个因素为本发明提供了非常好的条件。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (32)

1.一种应用快速开关光源的高速摄像方法，包括快门、拍摄传感器、图像处理模块和快速开关光源模块；所述快速开关光源模块至少包括2种不同色光光源；所述快门与快速开关光源模块的动作相关联；

该方法包括如下步骤：

步骤一、快门动作，进行曝光；

步骤二、在快门曝光时间内，所述快速开关光源模块的不同颜色光源依次开关；

步骤三、拍摄传感器获得含有不同色光背景的混合图像；

步骤四、图像处理模块提取混合图像中不同色光背景的分色图像；

步骤五、按照不同颜色光源依次开关的先后顺序，将上述不同色光背景的分色图像合成视频。

2.按照权利要求1所述的高速摄像方法，所述快速开关光源模块为LED光源。

3.按照权利要求2所述的高速摄像方法，其特征在于：所述LED光源发出单一波长的纯色光。

4.按照权利要求2-3任一项所述的高速摄像方法，其特征在于：所述不同颜色光源为红光LED、绿光LED和蓝光LED中的任意两种或全部的组合。

5.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：所述快门为机械快门，快门曝光时间为机械快门的一次开关时间。

6.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：所述快门为电子快门，所述的快门曝光时间为拍摄传感器感光的一次感光时间。

7.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：在所述步骤一前还有建立目标物体反射特性步骤，该步骤为，所述快速开关光源模块对目标物体分别照射分色光和由多种分色光组成的混合光，并分别拍摄其图像，依据获得的分色光图像和混合光图像确定目标物体对于分色光和混合光的组合关系，该组合关系即为目标物体的反射特性。

8.按照权利要求7所述的高速摄像方法，其特征在于：所述反射特性用于校准步骤四中所提取得到的分色图像。

9.按照权利要求7所述的高速摄像方法，其特征在于：依据所述反射特性从混合图像中提取分色图像。

10.按照权利要求7所述的高速摄像方法，其特征在于：所述建立目标物体反射特性的步骤时，目标物体为静止和不发光状态，拍摄环境为无光环境。

11.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：所述步骤四中，从混合图像中每提取一张不同色光背景的分色图像之后，将该分色图像所对应的颜色从混合图像中提取，下一张待提取的分色图像从该已提取上一张分色图像对应颜色的混合图像中提取。

12.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：重复实施若干次步骤一至步骤五，将每次实施步骤五所得到的视频按时间顺序整合；或者重复实施若干次步骤一至步骤四，之后实施一次步骤五。

13.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：包括去模糊步骤，该步骤为，使用多个同步拍摄的拍摄装置从不同角度进行拍摄，依据不同拍摄装置所拍摄得到的同一时间点不同视角的图像数据处理模糊的图像，或者用于存储样本的3D信息。

14.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：包括若干拍摄装置，所述拍摄装置为各自利用步骤一至步骤五的方法进行拍摄的装置，所述拍摄装置按照预先设定的顺序依次循环拍摄，所拍摄得到的图像按照拍摄的时间先后顺序进行排列整合。

15.按照权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于：最终将提取得到的分色图像转换为对应的黑白图像以合成视频文件。

16.一种应用权利要求2所述方法的基于LED光源的高速摄像装置，其特征在于：包括拍摄模块、LED光源模块、开光控制电路模块和图像处理模块；

所述拍摄模块包括快门、摄像镜头和与摄像镜头对应的拍摄传感器；

所述LED光源模块至少包括2种具有不同色光的LED发光器件；

所述开关控制电路模块使LED光源模块和快门相联动，具体为使LED光源模块在一次快门曝光时间内依次进行不同颜色光源的开关动作；

所述拍摄传感器将快门曝光时间内获得的混合图像传给图像处理模块，由图像处理模块对图像进行提取和视频整合。

17.按照权利要求16所述的高速摄像装置，其特征在于：所述LED光源模块为红光LED、绿光LED和蓝光LED的任意两种或全部的组合。

18.按照权利要求16或17所述的高速摄像装置，其特征在于：所述LED光源模块以阵列形式布置，具体为由不同色光的LED灯珠封装组成的阵列或不同色光LED芯片组成的阵列。

19.按照权利要求18所述的高速摄像装置，其特征在于：所述不同发光颜色的LED发光器件间隔排列在发光阵列内。

20.按照权利要求16或17所述的高速摄像装置，其特征在于：所述LED光源模块以投影仪方式布置，具体为由不同色光的LED灯珠封装一起通过一个或多个投影镜头将光投射到物体上。

21.按照权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述每一种发光颜色的LED发光器件具有若干个，且LED发光器件组成一个面状的发光阵列。

22.按照权利要求21所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述面状发光阵列为平面发光阵列或有利于聚光的弧面发光阵列。

23.按照权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述LED光源模块具有多个，不同光源模块从不同角度照射目标物体。

24.按照权利要求23所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述LED光源模块由同一个开光控制电路模块同时控制，或由不同开光控制电路模块协同控制。

25.根据权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述快门为机械快门，具体为由机械开合以控制一次曝光的机械结构；

或者，所述快门为电子快门，具体为控制拍摄传感器感光时间的电子控制模块。

26.按照权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述图像处理模块包括RGB信号采集器，拍摄模块所拍摄得到的图像数据通过RGB信号采集器传给图像处理模块。

27.按照权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述摄像镜头具有多个，该多个摄像镜头用于分别从不同视角同步拍摄目标物体。

28.按照权利要求16所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述摄像镜头具有多个，该多个摄像镜头用于按照预先设定的顺序，依次循环拍摄。

29.按照权利要求27或28所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述拍摄传感器具有多个，所述一个拍摄传感器对应多个摄像镜头或者拍摄传感器和摄像镜头一一对应。

30.按照权利要求29所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述所有拍摄传感器组成一个传感器平面。

31.按照权利要求27或28所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述摄像镜头通过固定框架以一体成型或拼接的方式相互连接。

32.按照权利要求31所述的应用LED光源的高速摄像装置，其特征在于：所述所有摄像镜头排列成一个镜头面，镜头面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干个平面以一定折角的方式拼接的组合面。

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