CN104333706A - 高速运动物体拍摄装置及拍摄方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物体摄像技术领域，公开了一种高速运动物体拍摄装置，包括触发控制单元、脉冲发生器、光源控制器、闪光灯和相机，脉冲发生器与触发控制板相连，触发控制板连接相机和光源控制器，闪光灯连接光源控制器。其拍摄方法是：脉冲发生器将高速运动物体的运动信息转换成脉冲信号并发送至所触发控制单元，触发控制单元根据脉冲计数器计算的脉冲量得出运动物体的实时位置和实时速度，根据实时位置和实时速度生成闪光触发信号和曝光触发信号，闪光触发信号送至闪光灯，曝光触发信号送至相机。本发明通过旋转编码器和脉冲光栅尺可以得到运动物体的精确实时速度，从而得到优化的曝光和闪光触发信号。

Description

高速运动物体拍摄装置及拍摄方法

技术领域

本发明涉及物体摄像技术领域，尤其涉及一种高速运动物体拍摄装置及拍摄方法。

背景技术

数字成像技术中的CIS 传感器工作的原理是，每个像素单元的感光二极管不停的捕获入射光子并转换成电荷(光电子)，存储在单元中，即曝光。控制电路将每个像素单元存储的电荷放大并依次读出，形成数字图像。通常，图像采集开始时，控制电路同时将每个像素单元积累的电荷清零，然后开始曝光。达到预设的曝光时间后，控制电路将所有像素单元的电荷同时转移到采样保持电路，曝光结束。然后依次读出每个像素的电荷量，形成数字图像。这种曝光控制的方式，称为全局电子快门。

要得到一张明暗度合适并且低噪的图像，从物理上说，就是要捕获合适数量的光子。对于高速运动的小型物体，要拍摄出清晰的照片，必须使用极短的曝光时间，例如：10us。在这极短的曝光时间内，要捕获合适数量的光子，需要使用亮度极高的光源。由于这种光源在曝光瞬间发出亮度极高的光照，通常无法持续常亮，否则可能会由于发热过大而损坏。这种光源，属于瞬间光源(相对于常亮光源)，或称闪光灯。

参见附图1，外部信号或者软件触发相机曝光，相机曝光开始后，输出闪光灯触发信号，触发闪光。外部信号通常来自光电开关、运动轴位置比较或者数字IO。由于存在曝光与闪光的延时和抖动因素，使实际的曝光位置产生较大的滞后和不确定性，在对高速运动物体拍摄时，会产生图像位置抖动的现象。

为了解决上述问题，现有技术中利用伺服电机位置比较或光电开关信号触发曝光，但是，光电开关的精度以及输出延时降低了触发精度。利用电子快门控制曝光时间，无法达至曝光时间的分辨率。另外曝光位置的不确定性使运动物体的速度越大，图像抖动越大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高速运动物体拍摄装置及拍摄方法，通过计算运动物体的实时速度，补偿曝光和闪光的延迟时间，改善拍摄效果。

本发明采取的技术方案是：

一种高速运动物体拍摄装置，其特征是，包括触发控制单元、脉冲发生器、光源控制器、闪光灯和相机，所述脉冲发生器与所述触发控制单元相连，所述触发控制单元连接所述相机和所述光源控制器，所述闪光灯连接所述光源控制器，所述脉冲发生器将高速运动物体的运动信息转换成脉冲信号并发送至所触发控制单元，所述触发控制单元根据脉冲计数器计算的脉冲量得出所述运动物体的实时速度，根据所述脉冲计数器和实时速度生成闪光触发信号和曝光触发信号，所述闪光触发信号送至所述闪光灯，所述曝光触发信号送至所述相机。

进一步，所述触发控制单元根据所述脉冲计数器、实时速度和预设的闪光超前时间和曝光超前时间，确定闪光提前量和曝光提前量，根据设定的曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，根据所述脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成所述闪光触发信号和曝光触发信号。

进一步，所述脉冲发生器为旋转编码器、脉冲光栅尺或电机驱动器位置脉冲输出。

进一步，所述高速运动物体由直线电机驱动，所述脉冲发生器为所述直线电机自带的光栅尺。

进一步，所述曝光触发信号通过软件触发生成。

进一步，所述触发控制单元与光源控制器连接至总线。

一种应用如上所述的高速运动物体拍摄装置的拍摄方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）所述脉冲发生器将所述运动物体的运动信息转换成脉冲信号，并发送至所述触发控制器；

（2）所述触发控制单元根据所述脉冲计数器计算的脉冲量，得到所述运动物体的实时速度；

（3）根据所述实时速度、设定的曝光超前时间和闪光超期时间确定曝光提前量和闪光提前量；

（4）根据设定的曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，

（5）根据所述脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成所述闪光触发信号和曝光触发信号；

（6）所述闪光触发信号传送至所述光源控制器，所述曝光触发信号传送至所述相机；

（7）所述光源控制器根据所述闪光触发信号控制所述闪光灯，所述相机根据所述曝光触发信号控制曝光，实现拍摄。

进一步，所述曝光触发信号通过软件触发生成。

进一步，所述触发控制单元由光源控制器通过总线控制。

本发明的有益效果是：

（1）通过旋转编码器和脉冲光栅可以得到运动物体的精确实时速度和位置，从而得到优化的曝光和闪光触发信号；

（2）通过闪光灯来精确控制曝光时间；

（3）通过软件设置光源控制器和触发控制单元，精度高。

附图说明

附图1为现在的拍摄装置的原理示意图；

附图2为本发明的拍摄装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明高速运动物体拍摄装置及拍摄方法的具体实施方式作详细说明。

参见附图2，高速运动物体拍摄装置包括触发控制单元、脉冲发生器、光源控制器、闪光灯和相机，脉冲收集器与触发控制单元相连，触发控制单元连接相机和光源控制器，闪光灯连接光源控制器。脉冲发生器选用旋转编码器或脉冲光栅尺。对于由直线电机驱动的高速运动物体来说，脉冲发生器用其自带的光栅尺。触发控制单元与光源控制器通过HTNET总线联接，实现信号传送和管理。脉冲发生器将高速运动物体的运动信息转换成脉冲信号并发送至所触发控制单元，触发控制单元根据脉冲计数器计算的脉冲量得出运动物体的实时速度，触发控制单元根据实时速度和设定的闪光超前时间、曝光超前时间、曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，根据脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成闪光触发信号和曝光触发信号。曝光触发信号也可通过软件触发生成。闪光触发信号送至闪光灯，曝光触发信号送至相机。

上述高速运动物体拍摄装置的拍摄方法的步骤如下：

（1）所述脉冲发生器将所述运动物体的运动信息转换成脉冲信号，并发送至所述触发控制器；

（2）所述触发控制单元根据所述脉冲计数器计算的脉冲量，得到所述运动物体的实时速度；

（3）根据所述实时速度和设定的曝光超前时间和闪光超期时间确定曝光提前量和闪光提前量；

（4）根据设定的曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，

（5）根据所述脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成所述闪光触发信号和曝光触发信号；

（6）所述闪光触发信号传送至所述光源控制器，所述曝光触发信号传送至所述相机；

（7）所述光源控制器根据所述闪光触发信号控制所述闪光灯，所述相机根据所述曝光触发信号控制曝光，实现拍摄。

本发明利用外加旋转编码器或光栅尺脉冲信号位置比较触发曝光使用外加旋转编码器或脉冲型光栅尺、或者使用直线电机自带的光栅尺，进行脉冲计数，得到实时位置，位置的时间精度为±1 脉冲周期。实时位置与预设的触发位置硬件比较，输出触发信号。此方法可获得极高的时间精度。有效的曝光时间由相机的快门曝光时间和闪光灯闪光时间的重叠部分决定。由于相机的快门时间调整范围和精度有限，而闪光灯的闪光时间可以精确的调整，因此可以利用闪光灯来精确控制曝光时间，闪光灯的闪光时间精确到0.1us，调整范围0 至10ms，使用定制的光源控制器。根据当前的运动速度增加曝光触发和闪光触发的提前量。曝光和闪光使用定制的触发控制单元进行触发控制，提前的时间量可以设定。控制板自动根据实时的运动速度计算提前的曝光位置和闪光位置。另外由于光源控制器对触发信号的响应时间和抖动可以忽略不计，实际曝光位置的抖动便得以消除。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高速运动物体拍摄装置，其特征在于：包括触发控制单元、脉冲发生器、光源控制器、闪光灯和相机，所述脉冲发生器与所述触发控制单元相连，所述触发控制单元连接所述相机和所述光源控制器，所述闪光灯连接所述光源控制器，所述脉冲发生器将高速运动物体的运动信息转换成脉冲信号并发送至所触发控制单元，所述触发控制单元根据脉冲计数器计算的脉冲量得出所述运动物体的实时速度，根据所述脉冲计数器和实时速度生成闪光触发信号和曝光触发信号，所述闪光触发信号送至所述闪光灯，所述曝光触发信号送至所述相机。

2.根据权利要求1所述的高速运动物体拍摄装置，其特征在于：所述触发控制单元根据所述脉冲计数器、实时速度和预设的闪光超前时间和曝光超前时间，确定闪光提前量和曝光提前量，根据设定的曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，根据所述脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成所述闪光触发信号和曝光触发信号。

3.根据权利要求1所述的高速运动物体拍摄装置，其特征在于：所述脉冲发生器为旋转编码器、脉冲光栅尺或电机驱动器位置脉冲输出。

4.根据权利要求1所述的高速运动物体拍摄装置，其特征在于：所述高速运动物体由直线电机驱动，所述脉冲发生器为所述直线电机自带的光栅尺。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的高速运动物体拍摄装置，其特征在于：所述曝光触发信号通过软件触发生成。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的高速运动物体拍摄装置，其特征在于：所述触发控制单元与光源控制器连接至总线。

7.一种应用如权利要求1至5中任一项所述的高速运动物体拍摄装置的拍摄方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）所述脉冲发生器将所述运动物体的运动信息转换成脉冲信号，并发送至所述触发控制器；

（2）所述触发控制单元根据所述脉冲计数器计算的脉冲量，得到所述运动物体的实时速度；

（3）根据所述实时速度、设定的曝光超前时间和闪光超期时间确定曝光提前量和闪光提前量；

（4）根据设定的曝光位置确定曝光触发位置和闪光触发位置，

（5）根据所述脉冲计数器和曝光触发位置以及闪光触发位置生成所述闪光触发信号和曝光触发信号；

（6）所述闪光触发信号传送至所述光源控制器，所述曝光触发信号传送至所述相机；

（7）所述光源控制器根据所述闪光触发信号控制所述闪光灯，所述相机根据所述曝光触发信号控制曝光，实现拍摄。

8.根据权利要求7所述的高速运动物体拍摄方法，其特征在于：所述曝光触发信号通过软件触发生成。

9.根据权利要求7所述的高速运动物体拍摄方法，其特征在于：所述触发控制单元由光源控制器通过总线控制。