CN104506753A - 一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，由相关硬件和软件组成，包括通用GPS接收设备、信号接收整理模块、主控通信模块、外同步频率生成与调整模块、外同步时间间隔调整与生成模块、外同步信号生成模块、外同步信号相机逻辑匹配化模块、外同步信号相机电平匹配化模块。GPS接收设备接收卫星信号并实时输出时间B码，信号接收整理模块实时将时间B码整理成可编程逻辑器件可以接收的电平信号，可编程逻辑器件通过一系列处理模块生成目标相机的外同步信号，然后外同步信号相机电平匹配化模块将外同步信号整理成相机匹配的电平信号来控制相机；可编程逻辑器件内运行各个模块为本发明的核心控制算法。
Description
技术领域
本发明属于成像控制技术领域。具体涉及一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生办法。
背景技术
随着技术的进步，信息技术与计算机技术得到了快速发展，装备相机的特种仪器也得到了长足的发展，但随着对相机曝光时间精度要求的不断提高，实际上也就是产生了对相机的外同步的精度要求。传统上一些装备相机的特种仪器原来对相机的外同步控制或者彻底没做要求，让相机工作在内同步模式，或者只是简单的生成外同步信号使相机工作在精度一般的外同步模式。常规的外同步方式的精度主要依靠系统的晶振精度保证。事实上晶振的输出频率会随着温度产生较大的变化，而且晶振的个体差异与PCB板布局布线的差异也会造成晶振频率的漂移。由于的频率漂移的存在，传统方式产生的外同步，外同步信号的时间间隔就会存在一些误差。在以前的设备中，相机的外同步曝光控制比起相机内同步已经提高了不少视频系统的观测精度，但随着任务对设备要求的不断提高，希望外同步信号可以将误差尽量最小化，即不但要和授时设备的秒信号同步起来，还要求毫秒级的外同步信号之间的间隔误差尽量最小化。
中国专利文献库公布了一项名称为《一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法》(专利申请号2014102179092)的发明专利申请技术，该发明专利申请技术公开了本发明公开一种光纤陀螺中光强和相位调制项的实时同步测量方法。通过相位调制器在光纤陀螺中加入相位调制信号，每一个相位调制信号由两个调制步组成，两个调制步的持续时间均为光纤陀螺中光纤环的渡越时间；对光纤陀螺中两个调制步对应的输出信号进行模拟数字转换采样，获得其各自的数字输出信号；再进行计算获得光纤陀螺当前时刻的光强和相位调制项；重复上述步骤进行测量，得到各个测试时间点下对应的光强和相位调制项。本发明能够进行实时同步测量，同时获得光纤陀螺中的光强和相位调制项，用于光纤陀螺硬件本身的光强和相位调制项的测试评估，测量方法可靠性高，无需对光纤陀螺硬件进行改动。该发明申请在进行测量的时候时效性不高，相对于相机控制而言体积过大，功耗过高，而且技术方案太复杂，从而效果不好。
一般的相机工作在内同步模式下，根据相机内部产生的一个频率来采样、A/D转换、输出图像。在一些高级应用中，工程师希望相机采样的绝对时间由系统决定，即向相机输送外同步控制信号，使相机的采样、A/D转换、输出图像的节奏由外同步决定。此时外同步本身的稳定性就非常重要了，如果外同步信号间的时间不均匀，就会造成相机输出的图像有顿挫感，而且也直接影响图像产生的时间精度，系统级的应用带来误差，在这些高级应用中，系统会根据图像流中的物体运动来计算物体的运动轨迹、运动姿态，所以相机产生每张图片的绝对时间是一个非常重要的参数，这就需要由绝对时间为源来产生优越的外同步来控制相机曝光。
发明内容
本发明要解决技术问题为：为了克服传统相机控制外同步频率周期间隔误差较大、且会随着环境变化而变化的缺点，为在机载设备对空间不够、功耗低的情况下，提供一种用于相机曝光控制的精确外同步产生方法，能够有效、低成本、低功耗的实现生成控制相机外同步，从而提高成像质量。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，适用于一种硬件平台，该硬件平台包含通用GPS接收设备接收GPS信号、信号接收整理模块进行GPS信号电平转换、主控用于收发命令、可编程逻辑器件(包含外同步频率生成与调整模块、外同步间隔生成与调整模块、外同步信号生成模块、外同步相机逻辑匹配化模块)用于控制和生成相应的精确外同步信号、外同步信号相机电平匹配化模块用于发送相机需要的信号。
实现用于实时误差调整的相机曝光控制外同步产生方法通过以下步骤：
步骤1：GPS接收设备接收卫星信号并实时输出时间B码，信号接收整理模块实时将时间B码整理成可编程逻辑器件可以接收的电平信号。
步骤2：可编程逻辑器件中的外同步频率生成与调整模块接收和翻译时间B码，得到B码包含的绝对时间的秒信息，然后产生系统内秒同步。
步骤3：主控通信模块同时接收主控制系统的命令得到该系统相机所需要的外同步频率n Hz，并告知外同步频率生成与调整模块。
步骤4：在外同步频率生成与调整模块中，根据上一步得到外同步频率n Hz，使用频率为m MHz本地晶振作为时钟源，将每一个系统内秒同步之间的间隔划分为n个间隔，每个间隔都单独使用m MHz的时钟源独立计数，每个时钟累加数累加一次。初始状态，这样从第1个到n-1个间隔每个间隔的计数值为y＝(m/n)*106。第n个间隔的一直计数直到下一个系统内秒同步为止，实际计数值为x，则最后一个间隔，即第n个间隔的产生的误差为a＝|x-y|。这里有时会出现一种极端情况，既是当环境温度和布局布线影响极大的滞缓了晶振的信号时，原本在相邻2个秒同步之间至少需要累加n个间隔，结果只累加了n-t个间隔，t∈[1:n]，将上面提到的通常情况也考虑到这个公式的范围内，则t的范围改为t∈[0:n]即可。实际工程上由于存在晶振的工作温度限制、温度漂移限制、相机的最高工作帧频等等限制，t的实际值受到了限制，即一般t∈[0:2]。
步骤5：判断t的值，当t∈[1:n]时，说明环境滞缓了晶振的频率。在下一个系统内秒同步之间的间隔内，从第1个到n-1-t个间隔的计数值为y＝(m/n)*106-104，在此次系统内秒同步之间的间隔结束后判断t的值，如果t∈[1:n]，则不断重复步骤5，从第1个到n-1-t个间隔的计数值为y＝(m/n)*106-b*t*104，公式中b为递加数每重复一次步骤5，即加1，将b引入公式是为增加整个步骤5的收敛速度，当t较大时y的变化值也较大，104是经验参数，适用于的晶振80～100MHz，考虑到收敛效率和收敛曲线的梯度不应过大，经验参数为晶振百分之一时比较合适。
当t＝0时，说明环境温度滞缓的晶振频率造成的误差已经显著缩小，在一个系统内相邻秒同步之间的间隔内至少有n个间隔了。
步骤6：由步骤4、步骤5过渡到步骤6后，系统需要采用新的迭代方法来实时逼近理想值，如果系统一开始t＝0则可以直接开始步骤6。在一个系统内秒同步之间的间隔内从1个到n-1个间隔的计数值为y，第n个间隔的计数为x，则最后一个间隔产生的误差为a＝|x-y|，并希望lai→m0a-0＝0。不断实时迭代步骤6，且在迭代中为了兼顾收敛效率和收敛曲线的梯度不应过大，可以在每次迭代中遵循简单的分段线性规则，如公式所示。
当x>y时，即ynew收敛的大小为：a的一半的n-1等分，然后取整。
当x≤y时，即ynew收敛的大小同样为：a的一半的n-1等分，然后取整。
当a足够小时公式中的a/2需要改为a。
不断实时迭代步骤6，可使最后一个间隔实时的误差a<n-1，即前n-1个间隔时间长度完全相等，第n个间隔与第n-1间隔的时间差也小于秒。
步骤7：根据n个间隔产生频率为n的同步信号。
步骤8：信号发送整理模块将频率为n的同步信号整理成相机匹配的外同步控制信号，从而达到精确实时的控制相机曝光时机的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明避免了普通的根据晶振时钟计数方法所产生的较大的外同步的时间间隔的不均匀。
(2)本发明可以在消耗很少的功耗和体积的情况下，只使用简单的加减运算，即可实时的产生优良的外同步信号来控制相机曝光，特别适合机载系统。
附图说明
图1为本发明一种用于相机曝光控制的实时调整误差的外同步产生方法通用流程结构图；
图2为本发明一种用于相机曝光控制的实时调整误差的外同步产生方法信号整理模块流程结构图；
图3为本发明一种用于相机曝光控制的实时调整误差的外同步产生方法外同步频率调整模块流程结构图；
图4为本发明一种用于相机曝光控制的实时调整误差的外同步产生方法外同步生成模块流程结构图；
图中通用1、GPS接收设备、2、信号接收整理模块、3、主控、4、外同步频率生成与调整模块、5、外同步间隔生成与调整模块、6、外同步信号生成模块、7、外同步相机逻辑匹配化模块、8、外同步信号相机电平匹配化模块、9、可编程逻辑器件、10、相机。
具体实施方式
在中国科学院光电技术研究所的某机载设备中，实际采用了此方法，产生了理想的效果。
在本设备中采用了超高灵敏度的彩色相机panasonic AW-E650，此相机根据系统的总体设计需要工作在50Hz的外同步模式下。
如图1所示，一种用于相机曝光控制的精确外同步产生方法，适用于一种硬件平台，该硬件平台包含通用GPS接收设备1接收GPS信号、信号接收整理模块2进行GPS信号电平转换、主控3(即主控制器3)用于收发命令、可编程逻辑器件9(包含外同步频率生成与调整模块4、外同步间隔生成与调整模块5、外同步信号生成模块6、外同步相机逻辑匹配化模块7)主要用于控制和生成相应的精确外同步信号、外同步信号相机电平匹配化模块8用于发送相机需要的信号、相机10。分别采用如图1、图2、图3、图4所示，实现步骤如下：
步骤1：使用差分接收芯片DS90LV032接收国产天奥公司的GPS接收机的B码(LVDS信号)转化为单端信号(LVTTL信号)。
步骤2：可编程逻辑器件采用Xilinx公司的CPLD_XC2C256，分析B码信号，得到实时的绝对秒同步信号。
步骤3：CPLD扩展的RS422总线，从设备控制中心计算机得到需要将panasonicAW-E650的外同步设置为50Hz的信息。
步骤4：根据要求需要产生50Hz的信号，FPGA系统采用50MHz晶振信号作为本地时钟信号。将每2个相邻秒同步信号之间分为50等份，每个等份都使用50MHz时钟信号进行计数，那么理想的情况是每个等份的计数值为1×106。
实际上，由于本设备选用晶振的频率稳定性为±50ppm，温度与其它因素带来的频率稳定性影响为±100ppm，，那么考虑最差的情况是晶振的稳定性为±150ppm。令偏差频率为△f、频率为f，那么根据经典公式△f＝(f×ppm)/106。那么此系统中晶振的实际频率区间为[50×106-7500,50×106+7500]Hz。20.003.
假设晶振频率变到最慢的情况，即它的实际频率为50×106-7500Hz。那么如果初始程序从第1等份到第49等份都按理想计数值1×106来计数,那么实际使用时间为(1×106×49)÷(50×106-7500)＝980.147ms。所以在这个系统中不可能出现频率数值还没计到50个等份就遇见下一个秒同步信号的情况。
步骤5：令相邻秒同步之间的间隔内从第1个到第49个间隔，每个间隔的计数值为y，y的初始值为1×106，第50个间隔的计数为x，则最后一个间隔产生的误差为a＝|x-y|，算法希望a实时的保持最小，不断实时迭代步骤5，且在迭代中为了兼顾收敛效率和收敛曲线的梯度不应过大，可以在每次迭代中遵循简单的分段线性规则，如公式所示。
当x>y时，即ynew收敛的大小为：a的一半的49等分，然后取整。
当x≤y时，即ynew收敛的大小同样为：a的一半的49等分，然后取整。
在本系统中当a≤500时。
当x>y时，即ynew收敛的大小为：a的49等分y，然后取整。
当x≤y时，即ynew收敛的大小同样为：a的49等分，然后取整。
不断实时迭代步骤5，可使最后一个间隔实时的误差a<49，即前n-1个间隔时间长度完全相等，第n个间隔与前面的间隔的差实时控制小于秒，即小于0.98μs。
步骤6：在每个间隔开始计数的时候产生一个相机外同步脉冲，频率正好为50Hz。
步骤7：用CPLD内的信号发送整理单元将50Hz的同步脉冲，整理成相机匹配的复合外同步控制信号，然后通过光电隔离芯片将其调整为TTL电平，然后送给相机。
本发明实施例中，系统产生50Hz的复合外同步信号同步相机曝光。传统的方法是直接利用晶振来产生复合外同步信号，频率变化的误差会累积到整秒内最后一个脉冲中，误差可能达到150μs。采用本方法后误差最大都小于0.98μs。传统方法会导致相机曝光时机在时间上不均匀，在人眼视觉上观察者会感到图像呈秒周期性的闪烁。使用本方法，图像稳定不闪烁，而且由于降低了外同步与真实时间的误差，本方法大幅提高了图片的后期分析价值
本发明已经成功应用于中国科学院光电技术研究所某机载仪器的设计上，该产品性能稳定可靠，在只是用CPLD情况下，以极小的功耗和重量开销解决了传统方法导致问题，提高了成像质量。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (4)
1.一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，其特征在于：适用于一种硬件平台，该硬件平台包含通用GPS接收设备(1)接收GPS信号、信号接收整理模块(2)进行GPS信号电平转换、主控(3)用于收发命令、可编程逻辑器件(9)、外同步频率生成与调整模块(4)、外同步间隔生成与调整模块(5)、外同步信号生成模块(6)、外同步相机逻辑匹配化模块(7)、用于控制和生成相应的精确外同步信号、外同步信号相机电平匹配化模块(8)用于发送相机需要的信号、相机(10)；
实现用于实时误差调整的相机曝光控制外同步产生方法通过以下步骤：
步骤1：GPS接收设备(1)接收卫星信号并实时输出时间B码，信号接收整理模块(2)实时将时间B码整理成可编程逻辑器件可以接收的电平信号；
步骤2：可编程逻辑器件中的外同步频率生成与调整模块(4)接收和翻译时间B码，得到B码包含的绝对时间的秒信息，然后产生系统内秒同步；
步骤3：主控(3)通信模块同时接收主控制系统的命令得到该系统相机所需要的外同步频率n Hz，并告知外同步频率生成与调整模块(4)；
步骤4：在外同步频率生成与调整模块(4)中，根据上一步得到外同步频率nHz，使用频率为m MHz本地晶振作为时钟源，将每一个系统内秒同步之间的间隔划分为n个间隔，每个间隔都单独使用m MHz的时钟源独立计数，每个时钟累加数累加一次；初始状态，这样从第1个到n-1个间隔每个间隔的计数值为y＝(m/n)*106；第n个间隔的一直计数直到下一个系统内秒同步为止，实际计数值为x，则最后一个间隔，即第n个间隔的产生的误差为a＝|x-y|；
步骤5：判断t的值，当t∈[1:n]时，说明环境滞缓了晶振的频率；在下一个系统内秒同步之间的间隔内，从第1个到n-1-t个间隔的计数值为y＝(m/n)*106-104，在此次系统内秒同步之间的间隔结束后判断t的值，如果t∈[1:n]，则不断重复步骤5，从第1个到n-1-t个间隔的计数值为y＝(m/n)*106-b*t*104，公式中b为递加数每重复一次步骤5，即加1，将b引入公式是为增加整个步骤5的收敛速度，当t较大时y的变化值也较大，104是经验参数，适用于的晶振80～100MHz，考虑到收敛效率和收敛曲线的梯度不应过大，经验参数为晶振百分之一时比较合适；
当t＝0时，说明环境温度滞缓的晶振频率造成的误差已经显著缩小，在一个系统内相邻秒同步之间的间隔内至少有n个间隔了；
步骤6：由步骤4、步骤5过渡到步骤6后，系统需要采用新的迭代方法来实时逼近理想值，如果系统一开始t＝0则可以直接开始步骤6；在一个系统内秒同步之间的间隔内从1个到n-1个间隔的计数值为y，第n个间隔的计数为x，则最后一个间隔产生的误差为a＝|x-y|，并希望不断实时迭代步骤6，且在迭代中为了兼顾收敛效率和收敛曲线的梯度不应过大，可以在每次迭代中遵循简单的分段线性规则，如以下公式所示：
当x>y时，即ynew收敛的大小为：a的一半的n-1等分，然后取整；
当x≤y时，即ynew收敛的大小同样为：a的一半的n-1等分，然后取整；
当a足够小时公式中的a/2需要改为a；
不断实时迭代步骤6，可使最后一个间隔实时的误差a<n-1，即前n-1个间隔时间长度完全相等，第n个间隔与第n-1间隔的时间差也小于秒；
步骤7：根据n个间隔产生频率为n的同步信号；
步骤8：信号发送整理模块将频率为n的同步信号整理成相机匹配的外同步控制信号，从而达到精确实时的控制相机曝光时机的目的。
2.根据权利要求1所述的一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，其特征在于：所述的可编程逻辑器件(9)包含外同步频率生成与调整模块(4)、外同步间隔生成与调整模块(5)、外同步信号生成模块(6)、外同步相机逻辑匹配化模块(7)。
3.根据权利要求1所述的一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，其特征在于：所述的可编程逻辑器件(9)一般包含FPGA、CPLD中的一种或者几种处理器。
4.根据权利要求1所述的一种相机曝光控制实时误差补偿外同步信号产生方法，其特征在于：步骤(4)中有时会出现一种极端情况，既是当环境温度和布局布线影响极大的滞缓了晶振的信号时，原本在相邻2个秒同步之间至少需要累加n个间隔，结果只累加了n-t个间隔，t∈[1:n]，将上面提到的通常情况也考虑到这个公式的范围内，则t的范围改为t∈[0:n]即可；实际工程上由于存在晶振的工作温度限制、温度漂移限制、相机的最高工作帧频等等限制，t的实际值受到了限制，即一般t∈[0:2]。
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