CN103458158B - 线阵相机曝光时间的控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线阵相机曝光时间的控制方法及其系统，包括一FPGA和一接触式图像传感器；FPGA用于接收外部触发信号，在接收到外部触发信号后，该FPGA产生一个只用于曝光，不接收一接触式图像传感器输出数据的第一信号；以及该FPGA还产生一个不进行曝光，只用于控制接收该一接触式图像传感器输出数据的第二信号。在触发行频改变的情况下，使用本方法及其系统可以得到灰度值均匀、高质量的扫描图像，对于提高机器视觉检测行业的图像成像质量具有非常重要的意义。

Description

线阵相机曝光时间的控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及图像成像技术领域，具体涉及一种线阵相机曝光时间的控制方法及其系统。

背景技术

接触式图像传感器CIS（contact image sensor）具有结构简单，体积小，成本低，使用方便等特点，目前已广泛应用在便携式扫描、票据识别、工业检测等领域。曝光时间作为一个重要的参量直接影响图像的质量，而图像质量的好坏直接决定扫描设备的性能，因此曝光时间的控制成为扫描设备设计重点、难点。一般工业检测中使用的外触发CIS线阵相机因其采集背景相对固定，触发频率也是固定的，通常采用恒定的曝光时间即可获得均匀的图像。然而，在某些应用场合，需要改变触发频率配合机械运转速度来获得高质量图像时，触发频率一旦发生改变，采用常见的一次触发控制方法会导致扫描图像存在严重的灰度值不均匀问题。

图像质量作为评价整个相机的重要指标之一，直接影响着后续图像处理与分析的结果，国内外许多学者对此进行过大量的研究。Sato S等人对RGB三种颜色像素采用不同的曝光时间，并且使用图像重建算法处理数据，在高分辨率、高密度的小型成像设备上实现了较高的灵敏度；Schleicher D C H考虑光圈数和相机增益两个因素，提出了曝光时间的计算方法；Pillman B等人提出了曝光参数对数字图像质量的影响模型，并根据这个模型提出了一种计算曝光参数的半经验公式。这些方法涉及的算法复杂，为保证系统的实时性，需使用大量的 硬件资源，不适合在低成本的领域中使用。除了上述研究外，很多学者通过校正的方法提高图像质量。朱均超等人采用分段校正的方法对原始图像校正；Kwan A L C等人提出了新的平场校正技术；Kim J等人对图像的色彩失真和非线性做了校正，这类方法是针对有问题的图像进行还原，还原效果很大程度上依赖于采用的校正方法。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种一种线阵相机曝光时间的控制系统及其方法，用于解决线阵相机由于外触发信号的频率变化，可能导致图像的灰度值不均匀的技术问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种线阵相机曝光时间的控制系统，包括一FPGA和一接触式图像传感器；

一FPGA，用于接收外部触发信号，在接收到外部触发信号后，该一FPGA产生一个只用于曝光，不接收

一接触式图像传感器输出数据的第一信号；以及该一FPGA还产生一个不进行曝光，只用于控制接收该一接触式图像传感器输出数据的第二信号。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，所述一FPGA包括用于检测外触发信号变化的检测模块。

根据本发明的一个实施方案，所述检测模块检测到外触发信号有效时，所述一FPGA产生两个开始脉冲触发信号触发接触式图像传感器扫描。

根据本发明的一个实施方案，所述一FPGA包括计时模块，所述一FPGA通过计时模块定时产生触发接触式图像传感器扫描的两个开始脉冲触发信号。

根据本发明的一个实施方案，所述计时模块为计数器。

根据本发明的一个实施方案，所述第二信号包括开始触发脉冲信号和计时模块产生的时钟信号，通过所述时钟信号和开始触发脉冲信号控制一接触式图像传感器输出模拟信号。

根据本发明的一个实施方案，还包括曝光模块和A/D转换电路，在第一信号的情况下，只用于曝光模块的曝光，不用于A/D转换电路转化数据；在第二信号的情况下，控制曝光模块不进行曝光，而控制A/D转换电路将一接触式图像传感器输出的模拟信号转化为数字信号。

根据本发明的一个实施方案，所述曝光模块包括光源控制芯片和LED光源，所述一FPGA接收到外部触发信号后通过光源控制芯片驱动LED光源工作，使一接触式图像传感器处于曝光状态。

根据本发明的一个实施方案，所述A/D转换电路将一接触式图像传感器输出的模拟信号转化为数字信号后，FPGA中包括接收该数字信号进行存储的一存储装置、进行处理的一数据接收处理模块和进行发送的发送模块。

本发明还可以是：

一种实现上述线阵相机曝光时间的控制系统的方法，包括：

在接收到外部触发信号后，通过FPGA产生的一个只用于曝光，不接收接触式图像传感器输出数据的第一信号；

以及在接收到外部触发信号后，通过FPGA还产生的另一个不进行曝光，只用于控制接收接触式图像传感器输出数据的第二信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的线阵相机曝光时间的控制方法及其系统，在外触发CIS线阵相机的实际使用中，由于外触发信号的频率变化，可能导致图像的灰度值不均匀；本文针对这个问题提出了一种新的曝光控制方法—二次触发法以及线阵相机曝光时间的控制系统，将一个外触发信号转变为两次触发信号，第一次触发信号用于控制曝光，第二次触发信号用于控制CIS输出数据；该方法使CIS曝光时间（本文指曝光时间长度）恒定，从而使图像灰度均匀，以此为基础制作了一台1.6米长线阵零畸变CIS相机；理论分析及实验结果表明：在触发行频改变的情况下，使用本方法及其系统可以得到灰度值均匀、高质量的扫描图像，对于提高机器视觉检测行业的图像成像质量具有非常重要的意义。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了根据本发明一个实施例的CIS线阵相机的工作流程示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的FPGA的系统框图；

图3a示出了一次触发法灰度曲线示意图；

图3b示出了二次触发法灰度曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本实施例深入分析了可变行频情况下外触发信号影响CIS线阵相机图像质量的原因，提出了一种全新的CIS曝光控制方法—二次触发法。该方法无需复杂的算法，无需后续的图像处理，通过控制时序的改进，就可以使线阵CIS每行的曝光时间恒定，从而消除变化的行频对图像质量的影响。实验结果表明，在外触发频率变化的情况下，二次触发法采集图像的灰度值波动范围比一次触发法缩小了75%，并制作了幅宽1.6米的长线阵相机。

CIS是由光源系统和感光系统单件构成的集成模块，包括LED光源阵列、光电二极管、模拟存储电路。输入信号包括开始触发脉冲信号SP、时钟信号CLK、LED输入电流。输出信号为光信号转换而成的模拟输出电压信号VOUT。对于外触发式的CIS线阵相机，整个相机系统有一个外部触发输入信号，该信号每次有效后，CIS线阵相机将产生一行的有效像素输出。

在需要用到外部触发的实际工程应用中，触发信号的频率是与电机的转动以及被扫描物体的运动保持一致的。但是，电机在启动和停止的过程中是非匀速的，并且使用者可能根据实际情况停止扫描一段时间后再启动扫描。这样就造成了外部触发信号的频率往往是可变的，甚至信号会在停止不确定长度的时间后继续有效。

在一实验中，通过外部触发信号频率发生变化时采集到的图像，上半部分的外部触发频率为1kHz，下半部分的外部触发频率为200Hz，明显地，前后两部分图像的灰度值不一致。扫描中途停止2S后继续扫描的图像，明显地，图像中有一条明显的亮线，这是扫描重新启动后采集到的第一行图像。

针对上述问题，下文分析行频的变化对CIS采集图像灰度值影响的原因。CIS内部的感光单元为光电二极管，在反向电压的作用下工作。在没有光照射的情况下，流过微弱的反向电流，称为暗电流I_d。当有光照射到光电二极管的PN结上， 反向电流迅速增大，称为光电流，光电流会使光电二极管上积累电荷，CIS的模拟电压信号输出与电荷的积累量成比例，又因为CIS的输出电压直接影响最终的图像灰度值，所以采集图像的灰度值与CIS内部感光单元积累的电荷量成比例。

在时间为0的时刻，外部触发信号有效，FPGA控制SP信号产生脉冲，同时控制LED曝光时间为t₁，曝光结束后又经过t₂时间后下一个外部触发信号有效。在t₁时间内，光电二极管上的总电流主要由LED光源照射扫描原稿的反射光转换而成，这部分光电流记作I_p1，此外还有系统以外的光照射到光电二极管产生的光电流I_p2和暗电流I_d。在t₂时间内，I_p1为零，但是I_p2和I_d仍然存在。若外部触发信号的周期为T，则可以得到在下一次外部触发信号有效时光电二极管上的电荷量Q为：

$Q={\∫}_0^{t_1}(I_{p1}\left(t\right)+I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt}+{\∫}_{t_1}^{t_2}(I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt},---\left(1\right)$

其中： T＝t₁+t₂ （2）

又因为I_d＜＜I_p1和I_p2＜＜I_p1，（1）可化简为：

$Q={\∫}_0^{t_1}{I}_{p1}\left(t\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{t_1}^{t_2}(I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(3\right)$

令 $Q_1={\∫}_0^{t_1}{I}_{p1}\left(t\right)\mathrm{dt},Q_2={\∫}_{t_1}^{t_2}(I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt},$ 可得：

Q＝Q₁+Q₂ (4)

从（4）式可以看出光电二极管上的总电荷量Q由Q₁和Q₂两部分决定，Q₁反映了曝光时间t₁内CIS内部LED光源照射到被扫描稿件上反射回来的光在感光单元上积累的电荷量，能真实反映被扫描图像的像素值，是相机系统需要的有效信号。Q₂反映了非曝光时间t₂内感光单元所积累的电荷，不能反映被扫描图像的特征，是无效的干扰信号。

从Q₂的表达式可以得知，在CIS线阵相机系统外界环境不变的情况下，即I_d和I_p2为已知的固定量，Q₂的值由t₂决定。进一步分析可知在曝光时间t₁固定的情况下，Q₂的值完全由外部触发信号的周期T决定。外部触发信号的周期越大，Q₂的值就越大，CIS输出的模拟电压信号就越大，最后得到的图像的灰度值就越高。扫描过程中暂停触发的情况下，随着暂停时间的增加，Q₂的值也不断增加，因此导致重新开始触发后采集到的第一行图像的灰度值很大，近似于一条白线。

（一）二次触发法对图像质量的提升

在仔细分析问题产生原因的基础上，本文提出了二次脉冲触发的方法，有效地解决了上述问题。导致图像灰度值不一致的主要原因是无效电荷Q₂的影响，降低该影响的关键在于控制无效电荷的积累时间t₂。二次触发法的具体思路为：系统每当接受到一次外部触发信号后，FPGA就产生两个开始脉冲触发信号SP触发CIS，其中第一个SP信号只用于曝光，不接收CIS的输出数据，第二个SP信号不进行曝光，只接收CIS输出的数据，此时接收到的数据为第一个SP信号曝光产生的信号。设在时间为0的时刻，外部触发信号有效，FPGA产生第一个SP信号，同时控制LED曝光时间为t₁，之后又产生第二个SP信号，两个SP信号的时间间隔为T₁，易知t₁<T₁，这样可得在第二次SP信号有效时，光电二极管上积累的电荷量Q^*为：

$Q^{*}={\&Integral;}_0^{t_1}{I}_{p1}\left(t\right)\mathrm{dt}+{\&Integral;}_{t_1}^{T_1}(I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt}---\left(5\right)$

令 $Q_1^{*}={\&Integral;}_0^{t_1}{I}_{p1}\left(t\right)\mathrm{dt},Q_2^{*}={\&Integral;}_{t_1}^{T_1-t_1}(I_d\left(t\right)+I_{p2}\left(t\right))\mathrm{dt},$ 可得

$Q^{*}=Q_1^{*}+Q_2^{*}---\left(6\right)$

由（5）、（6）两式可知感光单元上积累的无效电荷量Q^* ₂只与两个SP信号的固定时间间隔有关，与外部触发信号的周期无关。这样当外部触发信号的频率改变时，将不会影响图像的灰度值。

（二）二次触发法的实现

CIS线阵相机系统

如图1所示，图1示出了根据本发明一个实施例的CIS线阵相机的工作流程示意图，一种线阵相机曝光时间的控制系统，包括FPGA10和接触式图像传感器20；

FPGA10用于接收外部触发信号，在接收到外部触发信号后，该FPGA10产生一个只用于曝光，不接收接触式图像传感器10输出数据的第一信号；以及该一FPGA10还产生一个不进行曝光，只用于控制接收该一接触式图像传感器20输出数据的第二信号,其中第一信号和第二信号都可为开始脉冲触发信号SP。

曝光模块可以包括光源控制芯片和LED光源，所述FPGA10接收到外部触发信号后通过光源控制芯片驱动LED光源工作，使接触式图像传感器20处于曝光状态，同时，通过时钟信号CLK和开始脉冲触发信号SP信号控制接触式图像传感器20（CIS）输出模拟信号，该模拟电压经过后面的AD30转换后变为数字信号，再经过FPGA10处理后上传至上位机PC40显示图像。

在第一信号的情况下，只用于曝光模块的曝光，不用于A/D转换电路30转化数据；在第二信号的情况下，控制曝光模块不进行曝光，而控制A/D转换电路30将一接触式图像传感器输出的模拟信号转化为数字信号。

一种线阵相机曝光时间的控制系统的方法，包括：

在接收到外部触发信号后，通过FPGA产生的一个只用于曝光，不接收接触式图像传感器输出数据的第一信号；

以及在接收到外部触发信号后，通过FPGA还产生的另一个不进行曝光，只用于控制接收接触式图像传感器输出数据的第二信号。

（三）二次触发法在FPGA上的实现

FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）具有运行速度快，时钟管理方便等优点。本文提出的二次曝光法可以方便地在基于FPGA上的扫描系统上实现。如图2所示，图2示出了根据本发明一个实施例的FPGA的系统框图，FPGA10包括信号检测模块11、计数器12、锁相环13、数据接收处理模块14、CIS驱动模块15、曝光驱动模块16、AD驱动模块17、数据发送模块18和控制信号产生模块19，具体而言，FPGA10可包括计时模块，FPGA10是通过计时模块定时产生触发接触式图像传感器扫描的两个开始脉冲触发信号；该计时模块可以是计数器12，也可是利用FPGA10片上集成的PLL(Phase Locked Loop)，可以精确地产生每个模块所需要的时钟。外触发信号直接连接到FPGA10的输入管脚，FPGA10包括用于检测外触发信号变化的检测模块11，采用触发信号检测模块11检测触发信号的变化，当检测到外触发信号有效时，FPGA10通过计数器12定时产生两个开始脉冲触发信号触发CIS扫描。其中在第一次触发过程，控制曝光模块曝光，不控制AD转化数据；在第二次触发过程中，控制曝光模块不进行曝光，而控制AD将CIS输出的模拟信号转化为数字信号，FPGA10接收该数字信号通过存储装置进行存储、通过数据接收处理模块18进行处理以及通过数据发送模块18进行发送等后续步骤。

（四）实验结果及分析

色彩均匀纸张扫描结果

采用CIS线阵相机扫描一张A4幅面白色纸张，该纸张色彩均匀。分别用频率为500Hz、1kHz、2kHz、4kHz的外部触发信号进行触发扫描，CIS的曝光时 间均为50μs。在每种频率的扫描图像中任意选取一行统计平均灰度值数据，传统的一次触发法和本文提出的二次触发法的比较情况如表1所示。

表1两种曝光方法的效果比较

图3a示出了一次触发法灰度曲线示意图；图3b示出了二次触发法灰度曲线示意图。比较图3a、图3b的一次触发法和二次触发法采集到图像的灰度分布曲线。仍然是采集一张色彩均匀的纸张，外触发行频在一定范围内随机发生变化，统计每一行像素的灰度平均值，绘制灰度分布曲线，横轴为行数，纵轴为一行的灰度平均值。由图3a、图3b可知，一次触发法采集到的图像灰度平均值在96至112的范围内波动，而二次触发法采集到的图像灰度平均值在100至104范围内变化，波动范围缩小了75%。

从表1可以明显地看到在不同的外触发信号频率下，虽然CIS曝光时间相同，但是对于相同的扫描原稿得到的图像差异很大，外触发信号的频率越低，扫描得到的图像灰度值越高，平均灰度值差异高达58。采用二次触发法后，该问题得到了有效地解决，扫描图像的灰度值不再受外触发信号频率的影响，平均灰度值差异降低至3，一致性提高了近20倍。

有图案的纸张扫描结果

采用CIS线阵相机扫描一张有图案的纸张，采用外触发方式进行采图，触发频率随机变化。一次触发法采集到的图像，白色字体上有非常明显的横条纹， 这是因为触发行频不一致造成的。二次触发法采集到的图像，横条纹消除了，图像灰度值非常均匀。

智能视觉十字绣数码喷印机实际应用结果

将8根A4幅宽的CIS拼接而成的宽幅外触发CIS线阵相机，系统工作时，由图像采集卡通过Camera Link接口向相机发送外部触发信号，可实现1.6米长的宽幅面、零畸变扫描。该相机已成功应用于智能视觉十字绣数码喷印机中，用于实现对十字绣布的清晰成像，采集到的绣布图像，绣布上1*1mm2的孔成像清晰、灰度值均匀，为后端实现喷印位置的精确引导提供了重要保障。目前，已有上百台采用了二次触发法的宽幅外触发CIS线阵相机在智能数码喷印设备上稳定运行。

本文针对外触发线阵相机扫描图像灰度值受外触发信号频率影响的问题，深入分析了触发行频对图像质量的影响机理，提出了二次触发的曝光新方法，解决了行频影响图像质量的问题，并成功应用在智能视觉十字绣数码喷印机上。

实验及测试结果表明：采用二次触发的曝光新方法后，扫描图像的灰度值不再受外触发信号频率的影响，使用不同的外触发行频对色彩均匀的纸张扫描得到的图像灰度值差异和波动范围极低，扫描有图案的纸张可以得到灰度值均匀的高质量扫描图像。将二次触发法应用在智能视觉十字绣数码喷印机，实现1.6米长的宽幅面、零畸变扫描，绣布上1*1mm2的孔成像清晰、灰度值均匀。据我们所知，将二次触发法用于1.6米长线阵CIS相机，在国内还未见报道。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性 描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，包括一FPGA和一接触式图像传感器；

一FPGA，用于接收外部触发信号，在接收到外部触发信号后，该一FPGA产生一个只用于曝光，不接收一接触式图像传感器输出数据的第一信号；

以及该一FPGA还产生一个不进行曝光，只用于控制接收该一接触式图像传感器输出数据的第二信号；

所述一FPGA包括用于检测外触发信号变化的检测模块；

所述检测模块检测到外触发信号有效时，所述一FPGA产生两个开始脉冲触发信号触发接触式图像传感器扫描。

2.根据权利要求1所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，所述一FPGA包括计时模块，所述一FPGA通过计时模块定时产生触发接触式图像传感器扫描的两个开始脉冲触发信号。

3.根据权利要求2所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，所述计时模块为计数器。

4.根据权利要求3所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，所述第二信号包括开始触发脉冲信号和计时模块产生的时钟信号，通过所述时钟信号和开始触发脉冲信号控制一接触式图像传感器输出模拟信号。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，还包括曝光模块和A/D转换电路，在产生第一信号的情况下，只用于曝光模块的曝光，不用于A/D转换电路转化数据；在产生第二信号的情况下，控制曝光模块不进行曝光，而控制A/D转换电路将一接触式图像传感器输出的模拟信号转化为数字信号。

6.根据权利要求5所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，所述曝光模块包括光源控制芯片和LED光源，所述一FPGA接收到外部触发信号后通过光源控制芯片驱动LED光源工作，使一接触式图像传感器处于曝光状态。

7.根据权利要求6所述的线阵相机曝光时间的控制系统，其特征在于，所述A/D转换电路将一接触式图像传感器输出的模拟信号转化为数字信号后，FPGA中包括接收该数字信号进行存储的一存储装置、进行处理的一数据接收处理模块和进行发送的一发送模块。

8.一种实现如权利要求1所述线阵相机曝光时间的控制系统的方法，其特征在于，包括：

在接收到外部触发信号后，通过FPGA产生的一个只用于曝光，不接收接触式图像传感器输出数据的第一信号；

以及在接收到外部触发信号后，通过FPGA还产生的另一个不进行曝光，只用于控制接收接触式图像传感器输出数据的第二信号；

通过所述一FPGA中的用于检测外触发信号变化的检测模块，其检测到外触发信号有效时，所述一FPGA产生两个开始脉冲触发信号触发接触式图像传感器扫描。