CN104253945A - 一种高清相机的实现方法以及一种高清相机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高清相机的实现方法以及一种高清相机：高帧率CMOS Sensor进行图像拍摄；针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；其中，M和N均为正整数。本发明所述方案具有较好的补光效果，且能够减少移动物体的变形和降低实现成本。

Description

一种高清相机的实现方法以及一种高清相机

技术领域

本发明涉及智能交通领域，特别涉及一种高清相机的实现方法以及一种高清相机。

背景技术

随着平安城市建设的推进，智能交通行业呈现迅猛发展之势，在智能交通行业中，由于需要拍摄移动物体，如车辆，并需要对移动物体的特征信息，如车牌和车身颜色等进行识别，因此对交通智能相机提出了很高的要求。

具体来说，对交通智能相机的要求可包括：

1）具有瞬间凝固功能，从而使得移动物体的变形尽量小；

2）由于需要对移动物体的特征信息进行识别，因此拍摄出的图像需要具有比较好的亮度和品质，相应地，需要有比较好的补光。

现有技术中，交通智能相机可采用电荷耦合元件（CCD，Charge Coupled Device）传感器（Sensor）加发光二极管（LED，Light Emitting Diode）灯进行补光的方式来实现。

图1为现有CCD Sensor的曝光方式和LED灯的补光方式示意图。如图1所示，CCD Sensor采用的是全局曝光方式，图像中的所有像素同时曝光开始和结束，并通过垂直电荷耦合元件（VCCD，vertical Charge Coupled Device）方式将像素电荷搬移出来，可以采用具有一定占空比的LED灯来进行补光；假设每帧图像的读出时间（Tf）为40ms，即CCD Sensor的帧率为25fps，曝光时间（Ts）为5ms，那么，可采用占空比为12.5%，点亮时间为5ms，低亮时间为35ms的LED灯来为各帧图像进行补光，N表示第N帧图像。

采用上述方式后，将使得移动物体的变形很小，而且可以获取比较好的图像亮度和品质。

但是，CCD Sensor受到制作工艺限制，成本一直居高不下，从而使得采用CCDSensor的交通智能相机的价格过高，进而限制了其大规模普及。

为此，现有技术中又提出了另外一种交通智能相机的实现方式，即采用互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）Sensor加常亮LED灯进行补光的方式。

图2为现有CMOS Sensor的曝光方式示意图。如图2所示，CMOS Sensor采用卷帘快门（Rolling shutter）的曝光方式，即清除电荷和读出电荷同时工作，对于每行像素，清除电荷的起始工作时间（Reset line）和读出电荷的起始工作时间（read line）的时间差即为曝光时间（shutter）；针对这种曝光方式，补光时需要补整帧图像，以保证整帧图像都是均匀补光。

但是，上述方式在实际应用中也会存在一定的问题，如：由于补光灯一直处于点亮状态，因此容易造成补光灯功耗大、热量大，极易损坏，从而影响补光效果；而且，以CMOS Sensor的帧率为30fps为例，由于采用Rolling shutter的曝光方式，每帧图像的最上方的读出时间和最下方的读出时间之间的时间差将为一帧图像的读出时间，即时间差T=1/30s＝33.3ms，时间差非常大，从而导致移动物体的变形很大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高清相机的实现方法以及一种高清相机，具有较好的补光效果，且能够减少移动物体的变形和降低实现成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高清相机的实现方法，包括：

高帧率互补金属氧化物半导体传感器CMOS Sensor进行图像拍摄；

针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；

其中，所述M和N均为正整数。

一种高清相机，包括：高帧率互补金属氧化物半导体传感器CMOS Sensor和辅助光源；

所述高帧率CMOS Sensor，用于进行图像拍摄；并针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；其中，所述M和N均为正整数。

可见，采用本发明所述方案，采用高帧率CMOS Sensor进行图像拍摄，从而使得每帧图像的最上方的读出时间和最下方的读出时间之间的时间差很小，进而使得移动物体的变形很小；而且，间隔性地从高帧率CMOS Sensor拍摄到的图像中选出部分图像，并利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源来对选出的图像进行补光，对于辅助光源来说，其可仅在需要进行补光时才处于点亮状态，其它时间则可处于低亮状态，即无需一直处于点亮状态，从而延长了辅助光源的使用寿命等，避免了其过早损坏，进而提高了补光效果；另外，本发明所述方案采用常用的、采用Rolling shutter曝光方式的CMOS Sensor，实现成本较低。

附图说明

图1为现有CCD Sensor的曝光方式和LED灯的补光方式示意图。

图2为现有CMOS Sensor的曝光方式示意图。

图3为本发明高清相机的实现方法实施例的流程图。

图4为本发明所述辅助光源的补光方式第一示意图。

图5为本发明所述辅助光源的补光方式第二示意图。

图6为本发明所述辅助光源的补光方式第三示意图。

图7为本发明所述辅助光源的补光方式第四示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚、明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步的详细说明。

图3为本发明高清相机的实现方法实施例的流程图。如图3所示，包括：

步骤31：高帧率CMOS Sensor进行图像拍摄。

所述高帧率CMOS Sensor的帧率可为120fps或60fps等，具体采用哪种帧率可根据实际需要而定。

步骤32：针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光。

M和N均为正整数，具体取值均可根据实际需要而定。

较佳地，在实际应用中，所述辅助光源可为LED灯。

图4为本发明所述辅助光源的补光方式第一示意图。

如图4所示，假设M的取值为3，N的取值为1，即每间隔3帧图像，则对1帧图像进行补光；为便于表述，按照从左到右的顺序，将各帧图像依次编号为0、1、2、3......；

假设高帧率CMOS Sensor的帧率为120fps，那么，每帧图像的读出时间为1/120s＝8.33ms，相应地，可利用一个占空比为25%，点亮时间为8.33ms，低亮时间为25ms的辅助光源，来对待补光的图像进行补光；其中，辅助光源的占空比的确定方式为：N/（M＋N）＝1/（3＋1）＝25％；

具体来说，在图像0的读出时间，由于需要对图像0进行补光，因此辅助光源处于点亮状态；在图像1、图像2和图像3的读出时间，由于不需要对图像1、图像2和图像3进行补光，因此辅助光源处于低亮状态；在图像4的读出时间，由于需要对图像4进行补光，因此辅助光源处于点亮状态；依此类推。

需要说明的是，上述辅助光源的点亮时间8.33ms仅为一个较佳值，如果略大于该值，也是可以的，只是会造成一定的光源浪费等。

另外，在实际应用中，每帧图像的读出时间均由有效数据时间和消隐时间两部分组成，而真正需要补光的只是每帧图像的有效数据时间，因此，可仅在待补光的图像的有效数据时间，控制辅助光源处于点亮状态。

图5为本发明所述辅助光源的补光方式第二示意图。

对照图4所示情况，如图5所示，辅助光源的点亮时间可为（8.33-X）ms，X即表示每帧图像的消隐时间，这样一来，辅助光源的占空比即可小于25％，从而可节省光源等；即辅助光源的占空比可为：a×〔1/（3＋1）〕，a小于1。

基于上述介绍可知，辅助光源的占空比可根据M和N计算得出：

其中，若需要保证辅助光源的点亮时间等于每帧图像的读出时间，即恰好对待补光的图像进行整帧图像补光，则辅助光源的占空比可等于N/(M+N)；

若仅需要对待补光的图像的有效数据时间进行补光，则辅助光源的占空比可等于（有效数据时间/每帧图像的读出时间）*N/(M+N)；

若要使辅助光源的点亮时间大于每帧图像的读出时间，则辅助光源的占空比可大于N/(M+N)。

图6为本发明所述辅助光源的补光方式第三示意图。

如图6所示，假设M的取值为2，N的取值也为2，即每间隔2帧图像，则对2帧图像进行补光；为便于表述，按照从左到右的顺序，将各帧图像依次编号为0、1、2、3......；

假设高帧率CMOS Sensor的帧率为120fps，那么，每帧图像的读出时间为1/120s＝8.33ms，相应地，可利用一个占空比为50%，点亮时间为16.66ms，低亮时间也为16.66ms的辅助光源，来对待补光的图像进行补光；

具体来说，在图像0和图像1的读出时间，由于需要对图像0和图像1进行补光，因此辅助光源处于点亮状态；在图像2和图像3的读出时间，由于不需要对图像2和图像3进行补光，因此辅助光源处于低亮状态；在图像4和图像5的读出时间，由于需要对图像4和图像5进行补光，因此辅助光源处于点亮状态；依此类推。

另外，本发明所述方案中还提出，可根据辅助光源的点亮时间，调节高帧率CMOSSensor的帧率，从而使得每帧图像的读出时间等于辅助光源的点亮时间。

比如，保证辅助光源的点亮时间8.33ms不变，调节高帧率CMOS Sensor的帧率，即将高帧率CMOS Sensor的帧率调节为120fps，从而使得每帧图像的读出时间（1/120s＝8.33ms）等于辅助光源的点亮时间。

再有，本发明所述方案中还提出，在高帧率CMOS Sensor的帧率一定的前提下，当需要对待补光的连续N帧图像进行补光时，可根据辅助光源的点亮时间，仅采用一个辅助光源来进行补光，也可以采用多个辅助光源来进行补光。

即：可利用一个处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光，辅助光源的点亮时间等于或大于连续N帧图像的读出时间总和；

或者，可利用P个辅助光源，P为大于1的正整数，通过交替点亮的方式，对连续N帧图像进行整帧图像补光，P个辅助光源的点亮时间总和等于或大于连续N帧图像的读出时间总和；

P个辅助光源的点亮时间可以相同，也可以不同；较佳地，P个辅助光源中的每个辅助光源的点亮时间均相同，且每个辅助光源的点亮时间均等于连续N帧图像的读出时间总和/P。

比如，假设高帧率CMOS Sensor的帧率为120fps，则每帧图像的读出时间为1/120s=8.33ms，并假设N的取值为1，那么，可利用一个点亮时间为8.33ms的辅助光源，来对待补光的图像进行补光。

再比如，假设高帧率CMOS Sensor的帧率为60fps，则每帧图像的读出时间为1/60s=16.66ms，并假设N的取值为1，那么，可利用两个点亮时间均为8.33ms的辅助光源，通过交替点亮的方式，来对待补光的图像进行补光。

再比如，假设高帧率CMOS Sensor的帧率为60fps，则每帧图像的读出时间为1/60s=16.66ms，并假设N的取值为1，那么，可利用三个点亮时间均为5.55ms的辅助光源，通过交替点亮的方式，来对待补光的图像进行补光。

图7为本发明所述辅助光源的补光方式第四示意图。

如图7所示，假设M的取值为3，N的取值也为1，即每间隔3帧图像，则对1帧图像进行补光；为便于表述，按照从左到右的顺序，将各帧图像依次编号为0、1、2、3......；

假设高帧率CMOS Sensor的帧率为60fps，那么，每帧图像的读出时间为1/60s＝16.66ms；利用三个点亮时间为5.55ms的辅助光源，通过交替点亮的方式，来对待补光的图像进行补光，为便于表述，将三个辅助光源分别称为辅助光源0、辅助光源1和辅助光源2，每个辅助光源的点亮时间均为16.66ms/3=5.55ms。

通常来说，由于制作工艺的限制，对于给定额定功率的辅助光源来说，其点亮时长和点亮强度成反比，即点亮时长越长，则点亮强度越弱，从而不能很好地为图像进行补光，反之，点亮强度越高，则点亮时长越短，从而不能完成整帧图像的补光，即只能达到图像局部较亮，整个图像亮暗不均匀，因此，为了保证适宜的补光强度和补光时长，可采用上述多个辅助光源交替点亮的方式。

基于上述介绍，本发明同时公开了一种高清相机，包括：高帧率CMOS Sensor和辅助光源。

其中，高帧率CMOS Sensor，用于进行图像拍摄；并针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；其中，M和N均为正整数。

另外，

高帧率CMOS Sensor还可进一步用于，当N的取值为1时，仅在待补光图像的有效数据时间，控制辅助光源处于点亮状态。

具体地，

高帧率CMOS Sensor可利用一个处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光，辅助光源的点亮时间等于或大于连续N帧图像的读出时间总和；

或者，

高帧率CMOS Sensor可利用P个辅助光源，P为大于1的正整数，通过交替点亮的方式，对连续N帧图像进行整帧图像补光，P个辅助光源的点亮时间总和等于或大于连续N帧图像的读出时间总和。

较佳地，

P个辅助光源中的每个辅助光源的点亮时间均相同，且每个辅助光源的点亮时间均等于连续N帧图像的读出时间总和/P。

在实际应用中，所述高帧率CMOS Sensor可采用低噪度性能优良的MN34041Sensor来实现，MN34041Sensor最高支持120fps1920*1080的图像输出。

需要说明的是，在实际应用中，除高帧率CMOS Sensor和辅助光源外，上述高清相机中还会进一步包括一些其它组成部分，由于与本发明所述方案无直接关系，故不作介绍。

总之，采用本发明所述方案，采用高帧率CMOS Sensor进行图像拍摄，从而使得每帧图像的最上方的读出时间和最下方的读出时间之间的时间差很小，进而使得移动物体的变形很小；

而且，间隔性地从高帧率CMOS Sensor拍摄到的图像中选出部分图像，并利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源来对选出的图像进行补光，对于辅助光源来说，其可仅在需要进行补光时才处于点亮状态，其它时间则可处于低亮状态，即无需一直处于点亮状态，从而延长了辅助光源的使用寿命等，避免了其过早损坏，进而提高了补光效果；

另外，本发明所述方案中还可采用多个辅助光源交替点亮的方式来进行补光，从而进一步延长了辅助光源的使用寿命等，进而进一步提高了补光效果；

再有，本发明所述方案中采用常用的、采用Rolling shutter曝光方式的CMOSSensor，实现成本较低；

在实际应用中，本发明所述高清相机可应用于智能交通行业，作为交通智能相机对车辆等进行监控，另外，在其它监控场景也同样适用，即本发明所述方案具有广泛适用性，便于普及和推广。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高清相机的实现方法，其特征在于，包括：

高帧率互补金属氧化物半导体传感器CMOS Sensor进行图像拍摄；

针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；

其中，所述M和所述N均为正整数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对连续N帧图像进行整帧图像补光包括：

当所述N的取值为1时，仅在待补光图像的有效数据时间，控制所述辅助光源处于点亮状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对连续N帧图像进行整帧图像补光包括：

利用一个处于点亮状态的辅助光源，对所述连续N帧图像进行整帧图像补光，所述辅助光源的点亮时间等于或大于所述连续N帧图像的读出时间总和；

或者，

利用P个辅助光源，所述P为大于1的正整数，通过交替点亮的方式，对所述连续N帧图像进行整帧图像补光，所述P个辅助光源的点亮时间总和等于或大于所述连续N帧图像的读出时间总和。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述P个辅助光源中的每个辅助光源的点亮时间均相同，且每个辅助光源的点亮时间均等于所述连续N帧图像的读出时间总和/P。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：

根据所述辅助光源的点亮时间，调节所述高帧率CMOS Sensor的帧率，使得每帧图像的读出时间等于所述辅助光源的点亮时间。

6.一种高清相机，其特征在于，包括：高帧率互补金属氧化物半导体传感器CMOSSensor和辅助光源；

所述高帧率CMOS Sensor，用于进行图像拍摄；并针对所拍摄的图像，每间隔连续M帧图像，则利用具有一定占空比的、处于点亮状态的辅助光源，对连续N帧图像进行整帧图像补光；其中，所述M和N均为正整数。

7.根据权利要求6所述的高清相机，其特征在于，

所述高帧率CMOS Sensor进一步用于，当所述N的取值为1时，仅在待补光图像的有效数据时间，控制所述辅助光源处于点亮状态。

8.根据权利要求6所述的高清相机，其特征在于，

所述高帧率CMOS Sensor利用一个处于点亮状态的辅助光源，对所述连续N帧图像进行整帧图像补光，所述辅助光源的点亮时间等于或大于所述连续N帧图像的读出时间总和；

或者，

所述高帧率CMOS Sensor利用P个辅助光源，所述P为大于1的正整数，通过交替点亮的方式，对所述连续N帧图像进行整帧图像补光，所述P个辅助光源的点亮时间总和等于或大于所述连续N帧图像的读出时间总和。

9.根据权利要求8所述的高清相机，其特征在于，

所述P个辅助光源中的每个辅助光源的点亮时间均相同，且每个辅助光源的点亮时间均等于所述连续N帧图像的读出时间总和/P。

10.根据权利要求6或7所述的高清相机，其特征在于，所述高帧率CMOS Sensor为MN34041Sensor。