CN103139483B - 一种非匀速运动情况下tdi ccd均匀成像的光源频闪控制方法 - Google Patents

一种非匀速运动情况下tdi ccd均匀成像的光源频闪控制方法 Download PDF

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一种非匀速运动情况下TDI？CCD均匀成像的光源频闪控制方法，属控制领域。其包括非匀速运动的被测对象和TDI？CCD相机，其光源频闪控制方法为设置一个用于配合TDI？CCD曝光的LED光源，设置一个频闪频率转换器，将被测对象之运动速度信号转换成频闪频率信号，以此信号来控制LED光源的开启和关闭频率，以及控制TDICCD相机的同步曝光。其检测被测对象的运动速度，根据被测对象的运动速度来实时同步控制光源的频闪周期，使TDI？CCD相机在其推扫周期内总的曝光时间固定，从而实现了对非匀速运动被测对象成像时输出灰度一致的图像。

Description

一种非匀速运动情况下TDI CCD均匀成像的光源频闪控制方法
技术领域
本发明属于测量控制领域，尤其涉及一种用于保证照相机成像效果的曝光控制方法。
背景技术
在对高速、高分辨率要求的带材(如：带钢、玻璃、布匹等)表面质量视觉检测系统中，数字式相机正在得到越来越多的应用。
CCD(ChargeCoupleDevice，电荷耦合器件)相机作为光电探测图像采集的前端传感器，早已被人们所采用。
通用的CCD相机是以CCD为光敏面，利用CCD在设定驱动脉冲驱动下进行自扫描，将按空间分布的图像分解成与像素对应的时序信号，再按一定的方式输出合乎规定制式的视频图像信号。
TDI(TimeDelayedandIntegration，时间延迟积分)CCD是近几年发展起来的一种新型光电传感器。TDICCD的工作原理与普通线阵CCD的工作原理有所不同，TDICCD相机具有多级结构，其通过对同一目标多次曝光，采用延迟积分的方法，利用同步多级时间累积积分来延长曝光时间，，从而提高相机在低照度情况下的灵敏度和信噪比。其优点是大大增加了光能的收集，在光线较暗的场所也能输出一定信噪比的信号，可大大改善因环境条件恶劣引起信噪比太低这一不利因素。
对于M级的TDICCD相机，其曝光时间是普通CCD相机的M倍，动态范围(DynamicRange，照片中最亮和最暗的地方之间的跨度，表示图像中所包含的从“最暗”至“最亮”的范围；其用于抑制曝光不足，同时保持影像的亮度不变。动态范围越大，所能表现的层次越丰富，所包含的色彩空间也越广)是普通CCD相机的倍。
在高速、高分辨率视觉检测系统中，应用TDICCD相机进行成像，可以降低光源照度及光能量对相机相对孔径的要求。
在光源照度一定情况下，在TDICCD象移与被测对象运动同步时，因TDICCD的曝光视觉随被测对象的速度变化而变化，输出的被测对象图像灰度也随之变化。被测对象运动速度高时，因累积曝光时间短，图像平均灰度值低；被测对象运动速度低时，累积曝光时间长，图像平均灰度值高。
为了获得被测对象均匀一致的灰度图像，就需要根据被测对象的运动速度对光源进行实时同步控制。
公告日为2011.04.20，授权公告号为CN101660966B的中国发明专利，公开了“一种TDICCD相机动态成像的模拟装置”，其公开了一种用于航天的TDICCD动态成像的模拟仿真装置。
公告日为2010.07.28，授权公告号为CN101309370B的中国发明专利，公开了“一种TDICCD器件的光电转换模拟装置及方法”，其公开了TDICCD器件的光电转换试验设备及方法。
但是上述这些专利均未涉及视觉检测系统中被测对象非匀速情况下均匀成像时光源的控制问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，其检测被测对象的运动速度，根据被测对象的运动速度来实时同步控制光源的频闪周期，使TDICCD相机在其推扫周期内总的曝光时间固定，从而实现了对非匀速运动被测对象成像时输出灰度一致的图像。
本发明的技术方案是：提供一种非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，包括非匀速运动的被测对象和TDICCD相机，所述的TDICCD相机为N级，在每N次编码器信号后触发一次光源进行曝光，其特征是所述的光源频闪控制方法至少包括下列步骤：
A、设置一用于配合TDICCD曝光的LED光源，该LED光源具有纳秒级的响应速度，其频闪可通过脉冲信号来进行控制；
B、设置一频闪频率转换器，该转换器可将被测对象之运动速度信号转换成频闪频率信号，以此信号来控制LED光源的开启和关闭频率，以及TDICCD相机的同步曝光；
C、检测被测对象的运动速度；
D、将被测对象的运动速度信号转换为电信号；
E、将被测对象运动速度的电信号送入频闪频率转换器；
F、频闪频率转换器根据测对象运动速度的电信号生成对应的、具有一定频率的脉冲信号；
G、将脉冲信号送至LED光源；
H、LED光源根据脉冲信号来进行频闪；
I、将脉冲信号同步地送至TDICCD相机，实现同步曝光：
J、对于非匀速运动被测对象的成像，在光源照度一定的情况下，通过控制LED光源的频闪周期，使TDICCD象元总的累积曝光量保持稳定，从而获得不受运动速度影响、灰度均匀的图像。
进一步的，所述的LED光源，根据被测对象的运动速度，实时地同步调整频闪频率，从而使TDICCD相机获得灰度一致的被测对象图像。
进一步的，所述的LED光源频闪时，每次开启的时间保持不变，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
在所述的LED光源频闪时，固定每行CCD推扫周期中LED光源的开启时间，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
所述的LED光源频闪时，开启的时间由TDICCD相机的级数及视觉检测系统所需的最高行频进行限制。
其所述的视觉检测系统所需最高行频，受TDI相机的级数与像素行转移时间的乘积限制，即：
Δte＜N/fh
上式中，Δte为有效曝光时间，N为TDI相机的级数，fh为被测对象最高速度时对应的相机最高触发频率。
具体的，在所述N级TDICCD相机拍摄的开始时刻，TDICCD曝光的区域为A到D，下一时刻，曝光区域为B到E，沿被测对象运动方向依次类推。
所述的LED光源为摄像用LED光源。
所述的频闪频率转换器为速度/电压-频率转换电路。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.根据被测物体的运动速度，来控制LED光源的频闪频率，使TDICCD相机在其推扫周期内总的曝光时间固定，从而实现了对非匀速运动被测对象成像时输出灰度一致的图像；
2.在光源照度一定的情况下，通过控制频闪周期，使TDICCD象元总的累积曝光量保持稳定，从而得到不受运动速度影响、灰度均匀的图像；
3.由于固定每行CCD推扫周期中LED光源的开启时间，克服了因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
附图说明
图1是本控制方法的流程示意图；
图2是TDI相机频闪曝光时间分析示意图；
图3是相机触发与光源频闪控制时序示意图；
图4是TDI相机频闪成像示意图；
图5是曝光过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1中，本发明的技术方案包括非匀速运动的被测对象和TDICCD相机，所述的TDICCD相机为N级，在每N次编码器信号后触发一次光源进行曝光，其特征是所述的光源频闪控制方法至少包括下列步骤：
A、设置一用于配合TDICCD曝光的LED光源，该LED光源具有纳秒级的响应速度，其频闪可通过脉冲信号来进行控制；
B、设置一频闪频率转换器，该转换器可将被测对象之运动速度信号转换成频闪频率信号，以此信号来控制LED光源的开启和关闭频率，以及TDICCD相机的同步曝光；
C、检测被测对象的运动速度；
D、将被测对象的运动速度信号转换为电信号；
E、将被测对象运动速度的电信号送入频闪频率转换器；
F、频闪频率转换器根据测对象运动速度的电信号生成对应的、具有一定频率的脉冲信号；
G、将脉冲信号送至LED光源；
H、LED光源根据脉冲信号来进行频闪；
I、将脉冲信号同步地送至TDICCD相机，实现同步曝光：
J、对于非匀速运动被测对象的成像，在光源照度一定的情况下，通过控制LED光源的频闪周期，使TDICCD象元总的累积曝光量保持稳定，从而获得不受运动速度影响、灰度均匀的图像。
进一步的，所述的LED光源，根据被测对象的运动速度，实时地同步调整频闪频率，从而使TDICCD相机获得灰度一致的被测对象图像。
进一步的，所述的LED光源频闪时，每次开启的时间保持不变，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
在所述的LED光源频闪时，固定每行CCD推扫周期中LED光源的开启时间，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
所述的LED光源频闪时，开启的时间由TDICCD相机的级数及视觉检测系统所需的最高行频进行限制。
其所述的视觉检测系统所需最高行频，受TDI相机的级数与像素行转移时间的乘积限制，即：
Δte＜N/fh
上式中，Δte为有效曝光时间，N为TDI相机的级数，fh为被测对象最高速度时对应的相机最高触发频率。
具体的，在所述N级TDICCD相机拍摄的开始时刻，TDICCD曝光的区域为A到D，下一时刻，曝光区域为B到E，沿被测对象运动方向依次类推。
所述的LED光源为摄像用LED光源。
所述的频闪频率转换器为速度/电压-频率转换电路。
由于上述TDICCD相机、LED光源以及频率转换电路均为现有技术，故其具体构成、相互之间的具体连接关系等在此不再叙述。
图2中，以8级TDI相机为例，给出了配合频闪光源进行曝光的过程示意。
如TDI相机为N级，则可以在每N次编码器信号后触发一次光源进行曝光，光源开启的时间需小于TDI级数与像素行转移时间的乘积。
图3中，给出了相机触发与光源频闪时序，其中有效曝光时间为Δte，需注意，该参数必须小于被测对象最高速度时TDI级数与像素行转移时间的乘积。
设TDI级数为N，被测对象最高速度时对应的相机最高触发频率为fh，则有
Δte＜N/fh
上式中，Δte为有效曝光时间，N为TDI相机的级数，fh为被测对象最高速度时对应的相机最高触发频率。
图4中，以4级TDICCD相机成像为例对本技术方案进行说明，设相机行频为f，频闪曝光时间为2/f(使其中的两级TDI象元曝光，另外两级象元不曝光，达到降低频闪频率的目的)。
图中TDI-1至TDI-4所示区域为TDI相机的CCD靶面，被测对象为A到N区域。
开始时刻，4级TDICCD曝光的区域为A到D，下一时刻，曝光区域为B到E，沿被测对象运动方向依次类推。
其具体曝光过程示意图如图5所示。
由图3、4和5可知，假设被测对象表面S，在相机行转移时间(1/f)内TDI相机的第i级象元处的电荷累积量为Si，则被测对象表面成像后的效果如图4中最右侧一栏所示。
去除A区域不进行分析，可以发现，被测对象表面成像均为两级TDI象元感应电荷累积之和。
在4级TDI象元对应的被测对象表面处光源照度均匀一致时，各区域成像灰度一致。
由于上述附图均采用业内标准画法和习惯性标注，本领域的技术人员完全可以领会和理解其图面含义，故不再做进一步的叙述。
由于本技术方案在应用TDICCD相机的视觉检测项目中，固定每行CCD推扫周期中LED光源的开启时间，克服了因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化。
同时，本技术方案在应用TDICCD相机的视觉检测项目中，配合TDICCD曝光的LED光源可根据被测对象的运动速度实时同步调整频闪频率，从而获得灰度一致的被测对象图像。
本发明可广泛用于在非匀速运动被测对象的视觉检测项目领域中，配合TDICCD相机成像获得灰度一致的检测对象图像。

Claims (5)

1.一种非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，包括非匀速运动的被测对象和TDICCD相机，所述的TDICCD相机为N级，在每N次编码器信号后触发一次光源进行曝光，其特征是所述的光源频闪控制方法至少包括下列步骤：
A、设置一用于配合TDICCD曝光的LED光源，该LED光源具有纳秒级的响应速度，其频闪可通过脉冲信号来进行控制；
B、设置一频闪频率转换器，该转换器可将被测对象之运动速度信号转换成频闪频率信号，以此信号来控制LED光源的开启和关闭频率，以及TDICCD相机的同步曝光；
C、检测被测对象的运动速度；
D、将被测对象的运动速度信号转换为电信号；
E、将被测对象运动速度的电信号送入频闪频率转换器；
F、频闪频率转换器根据测对象运动速度的电信号生成对应的、具有一定频率的脉冲信号；
G、将脉冲信号送至LED光源；
H、LED光源根据脉冲信号来进行频闪；
I、将脉冲信号同步地送至TDICCD相机，实现同步曝光：
J、对于非匀速运动被测对象的成像，在光源照度一定的情况下，通过控制LED光源的频闪周期，使TDICCD象元总的累积曝光量保持稳定，从而获得不受运动速度影响、灰度均匀的图像；
其中，在所述的LED光源频闪时，每次开启的时间保持不变，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化；
所述的LED光源频闪时，固定每行CCD推扫周期中LED光源的开启时间，以克服因被测对象速度变化而引起的图像平均灰度的变化；
所述的LED光源频闪时，开启的时间由TDICCD相机的级数及视觉检测系统所需的最高行频进行限制；
所述所需的最高行频，受TDI相机的级数与像素行转移时间的乘积限制，即：
Δte<N/fh
上式中，⊿te为有效曝光时间，N为TDI相机的级数，fh为被测对象最高速度时对应的相机最高触发频率。
2.按照权利要求1所述的非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，其特征是所述的LED光源，根据被测对象的运动速度，实时地同步调整频闪频率，从而使TDICCD相机获得灰度一致的被测对象图像。
3.按照权利要求1所述的非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，其特征是在所述N级TDICCD相机拍摄的开始时刻，TDICCD曝光的区域为A到D，下一时刻，曝光区域为B到E，沿被测对象运动方向依次类推。
4.按照权利要求1所述的非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，其特征是所述的LED光源为摄像用LED光源。
5.按照权利要求1所述的非匀速运动情况下TDICCD均匀成像的光源频闪控制方法，其特征是所述的频闪频率转换器为速度/电压—频率转换电路。
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