CN110177220A - 一种具有外部授时功能的相机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了的具有外部授时功能的相机及其控制方法，主要包括：与内部计数器连接的第一、第二计数锁定器，该第一计数锁定器与同步信号接口连接，获取同步信号触发时的计数值t，并向同步计算单元传送，同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T，当同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；第二计数锁定器分别与触发控制装置及时间戳计算单元连接，当触发控制器令相机曝光电路工作时，第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送，时间戳计算单元依据t_a及第一时间数据，根据公式T_f=(t_a–tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f，籍此使相机时间戳和UTC世界时同步。

Description

一种具有外部授时功能的相机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种外部授时控制技术，尤其涉及具有外部授时功能的相机及其控制方法。

背景技术

现有的工业相机普遍带有GPIO口用于接收外部触发(触发拍照或者连拍)，但是拍摄的照片包含的时间戳信息是相机内部产生的。其时钟参考信号由相机内置的晶体振荡器产生，时间戳信息由时钟参考信号累积而产生，因此现有此类相机的在拍摄时的时间戳和外界UTC时钟并无关联性。

究其原因，在于现有相机在拍照时记录下的时间戳为两种形式：1.内部晶体振荡器在相机通电时起振，然后从一个固定初值(一般从0开始)进行累加，并将累加器的数值转换为时间；2.由用户设置相机时间(民用单反相机或卡片相机多使用这个时间戳格式)，内部有电池和寄存电路保存当前时间，断电后会利用备用电池继续走时。

然而由于用户设置的误差，以及相机内部振荡器频率的不稳定性，随着时间的推移，相机内寄存的时间会和UTC世界时的间隔误差越来越大，因此此类相机所拍摄的照片/影象数据无法通过准确的时间戳进行管控，对后续根据时间轴管控数据的处理工作带来极大影响，从而对本领域技术人员造成了一定的困扰。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有外部授时功能的相机及其控制方法，以实现相机接受外部授时管理，同步相机曝光时间戳。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有外部授时功能的相机，其包括：与内部计数器连接的第一、第二计数锁定器，同步计算单元，时间戳计算单元，触发控制装置，其中该第一计数锁定器与同步信号接口连接，获取同步信号触发时的计数值t，并向该同步计算单元传送，该同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T，当该同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；该第二计数锁定器分别与触发控制装置及时间戳计算单元连接，当触发控制器令相机曝光电路工作时，第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送，该时间戳计算单元依据t_a及第一时间数据，根据公式T_f＝(t_a-tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f。

优选地，该具有外部授时功能的相机，还包括：第三计数锁定器，其分别与内部计数器，同步计算单元及同步通信接口连接，当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选出合规的T和t。

优选地，其中该第一对应规则包括：设定外部时间戳数据T必须在同步信号到达后的预设窗口时间Tw以内送达，且距离上一次数据到达的时间不得短于预设窗口时间Twnext，即满足t_n-t＞Tw或t-t_n1＜Twnext任一条件时，则丢弃本次记录的T和t数据，反之则被认为有效，并记录到同步计算单元。

优选地，其中该第一时间数据包括：tr，td和k，其中记第一组的T和t的组合为T₁，t₁，第二组为T₂，t₂，则tr＝t₂，td＝T₂-t₂，k＝(T₂-T₁)/(t₂-t₁)。

优选地，该具有外部授时功能的相机，还包括对第一时间数据的校准计算，即获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est；

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHIFT_MAX)，k-K_SHIFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。

优选地，该触发控制装置包括：内部曝光触发控制单元，触发源控制器，该触发源控制器分别与该第二计数锁存器及相机曝光电路连接，该内部曝光触发控制单元分别与触发源控制器及内部计数器连接，当内部曝光触发控制单元工作时读取内部计数器计数值t_now，并向时间戳计算单元发送，以供其计算T_now＝(t_now-tr)*k+td，并根据触发帧率f，计算tnext＝(Tnext-td)/k+tr获取下一次触发时间，以供内部曝光触发控制单元执行，按时发送内部触发信号至触发源控制器。

优选地，该触发控制装置包括：外部曝光触发接口，触发源控制器，该外部曝光触发接口与触发源控制器连接，以传输外部触发信号令至触发源控制器。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种具有外部授时功能的相机控制方法，步骤包括：S1同步信号接口锁存控制第一计数锁定器，获取同步信号触发时的计数值t，并向该同步计算单元传送；S2同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T；S3当同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；S4第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送；S5时间戳计算单元依据t_a及第一时间数据，根据公式T_f＝(t_a-tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f。

优选地，其中S2步骤还包括：当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选合规的T和t。

优选地，其中步骤S3还包括：对第一时间数据的校准计算，即获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est；

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHlFT_MAX)，k-K_SHIFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。

通过本发明提供的具有外部授时功能的相机及其控制方法，能够实现接收外部授时的功能，使得相机内寄存的时间会和UTC世界时同步，籍此校准相机曝光时的时间戳，便于对所拍摄的照片/影象数据的时间戳进行精准管控，便于后续根据时间轴管控数据的处理工作，极大的提高了数据处理效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的具有外部授时功能的相机的基本结构示意图；

图2为本发明的具有外部授时功能的相机的控制方法中的数据窗口筛选示意图；

图3为本发明的具有外部授时功能的相机的控制方法流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，在本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“S1”、“S2”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本发明的具有外部授时功能的相机在设计上，主要通过设置同步信号接口及同步通信接口与外部授时设备的I/0接口及通信接口连接，以进行时间同步，其中在本发明的实施例中，该同步信号接口优选为同步脉冲输入接口，以发出同步的脉冲信号，优选信号形式是PPS(Pulse per Second)，既整秒脉冲信号，以向相机输出脉冲信号来控制时间同步率，而该同步通信接口是与脉冲触发信号对应的时间戳的传递接口，优选信号形式是GPRMC信号。物理接口形式可以采用常见的串口如RS232或者RS485，也可采用通用串行总线如USB和以太网Ethernet等接口。时间戳的通信协议可以自定义或采用如GPRMC等通用协议。

请参阅图1至图2，具体来说，本发明提供的该具有外部授时功能的相机，其主要包括：与内部计数器连接的第一、第二计数锁定器，同步计算单元，时间戳计算单元，触发控制装置，其中该触发控制装置为外部触发时，则该触发控制装置包括：外部曝光触发接口，触发源控制器，该外部曝光触发接口与触发源控制器连接，以传输外部触发信号令至触发源控制器，其中该第一计数锁定器与同步信号接口连接，获取同步信号触发时的计数值t，并向该同步计算单元传送，该同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T，当该同步计算单元获取至少两组T和t时，计算第一时间数据。其中该第一时间数据包括：tr，td和k数据，具体来说该第一数据的计算过程为，根据同步信号触发时的计数值t及外部时间戳数据T的接收时间顺序，记第一组的T和t的组合为T₁，t₁，第二组为T₂，t₂，根据公式进行计算：

tr＝t₂；

td＝T₂-t₂；

k＝(T₂-T₁)/(t₂-t₁)

从而计算获取该tr，td和k数据，并向时间戳计算单元传送。

此外该第二计数锁定器分别与触发控制装置及时间戳计算单元连接，当触发控制器令相机曝光电路工作时，该第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送，该时间戳计算单元依据T_a及第一时间数据，根据计算公式：

T_f＝(t_a-tr)*k+td

即可获取相机曝光时外部授时同步时间戳Tf，完成外部授时同步。此后分别通过该时间戳计算单元输出该时间戳T_f，该相机曝光电路输出相机图像数据至该数据输出单元后，即可输出具有外部授时时间戳的相机图像数据包。

另一方面，在优选实施方式中，为了筛选出合格的T和t数据，避免产生数据混乱造成后续计算出错，如图2所示该同步脉冲输入接口和同步通信接口，可以以一定间隔发送同步信号。同步信号的波形如图2所示。首先，同步脉冲输入接口发送一个特性的波形，如：单个脉宽信号，并将发送该信号的UTC时间打包为通信数据包后通过同步通信接口向相机发送。

具体来说，该具有外部授时功能的相机，还包括：第三计数锁定器，其分别与内部计数器，同步计算单元及同步通信接口连接，当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选出合规的T和t。

其中第一对应规则包括：设定外部时间戳数据T必须在同步信号到达后的预设窗口时间Tw以内送达，其中该窗口时间优选为数百毫秒，且距离上一次数据到达的时间不得短于预设窗口时间Twnext，即满足t_n-t＞Tw或t-t_n1＜Twnext任一条件时，则丢弃本次记录的T和t数据，反之则被认为有效，并记录到同步计算单元。从而可以筛选出对应时间和组别关系的合格T和t数据，避免后续计算误差的产生，提高了计算准确性和稳定性。

另一方面，在优选实施方式中，还提供了一种对第一时间数据进行校准计算的方案，以修正时间跳变，进一步提高计算精确性，具体来说，该校准方法包括再获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est；

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHIFT_MAX)，k-K_SHlFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。

其中，TD_SHIFT_MAX是时间跳变修正的最大容许值，单位为纳秒，本实施例中优选取2000纳秒，K_SHIFT_MAX为时钟频率修正的最大容许值，无单位，本实施例中优选取1ppm。籍此在该校准计算过程完成后，将三个新值同时更新，以便时间戳计算单元和触发源控制器使用。

其中值得一提的是，该触发控制装置从结构上还可以是内部触发，其主要包括：内部曝光触发控制单元，触发源控制器，该触发源控制器分别与该第二计数锁存器及相机曝光电路连接，该内部曝光触发控制单元分别与触发源控制器及内部计数器连接，当内部曝光触发控制单元工作时读取内部计数器计数值t_now，并向时间戳计算单元发送，以供其计算T_now＝(t_now-tr)*k+td，并根据触发帧率f，计算过程如下：

Period＝1000000000ns/f；

Tnext＝Cell(Tnow*Period)；

其中，Period为帧率f的倒数，触发周期，单位转换为纳秒。Cell为向上取整函数。

将Tnext通过以下公式转换为内部计数器的计数值：计算tnext＝(Tnext-td)/k+tr获取下一次触发时间，以供内部曝光触发控制单元执行，按时发送内部触发信号至触发源控制器。然后，该单元等待内部计数器的计数值达到tnext，并在到达时触发相机曝光。曝光后，该单元继续计算下一次曝光时间Tnext并重复上述过程。

请参阅图3，根据本发明的另一方面，还提供了一种具有外部授时功能的相机控制方法，步骤包括：S1同步信号接口锁存控制第一计数锁定器，获取同步信号触发时的计数值t，并向该同步计算单元传送；S2同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T；S3当同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；S4第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送；S5时间戳计算单元依据T_a及第一时间数据，根据公式T_f＝(t_a-tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f。

其中，在优选实施方式下，该S2步骤还包括：当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选合规的T和t。

其中，在优选实施方式下，该步骤S3还包括：对第一时间数据的校准计算，即获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est；

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHIFT_MAX)，k-K_SHIFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。

籍此通过本发明提供的具有外部授时功能的相机及其控制方法，能够实现接收外部授时的功能，使得相机内寄存的时间会和UTC世界时同步，籍此校准相机曝光时的时间戳，便于对所拍摄的照片/影象数据的时间戳进行精准管控。使得相机接收外部授时后，输出的每张照片附带的时间戳信息都是外部时钟下采样时的时间，使时间戳信息更为可靠精确可控；此外本发明的相机结构还能适应多台相机接收外部授时，实现多台相机间的同步触发、协同拍摄，比如6-8台相机组成的VR全景相机阵列的同步拍摄，便于接受同一外部授时控制，获得相同时间戳的影象数据，便于后续进行融合处理；此外还能够实现相机与其他支持外部授时的传感器的时钟同步，即多传感器融合的前提就是所有的传感器采集到的信息所附带的时间戳都属于同一条时间轴，从而实现多传感器同步采样，方便后处理程序对传感器数据进行有效融合处理。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制，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。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (10)

1.一种具有外部授时功能的相机，其包括：与内部计数器连接的第一、第二计数锁定器，同步计算单元，时间戳计算单元，触发控制装置，其中所述第一计数锁定器与同步信号接口连接，获取同步信号触发时的计数值t，并向所述同步计算单元传送，所述同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T，当所述同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；所述第二计数锁定器分别与触发控制装置及时间戳计算单元连接，当触发控制器令相机曝光电路工作时，第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送，所述时间戳计算单元依据t_a及第一时间数据，根据公式T_f＝(t_a-tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f。

2.根据权利要求1所述具有外部授时功能的相机，还包括：第三计数锁定器，其分别与内部计数器，同步计算单元及同步通信接口连接，当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选出合规的T和t。

3.根据权利要求2所述具有外部授时功能的相机，其中所述第一对应规则包括：设定外部时间戳数据T必须在同步信号到达后的预设窗口时间Tw以内送达，且距离上一次数据到达的时间不得短于预设窗口时间Twnext，即满足t_n-t＞Tw或t-t_n1＜Twnext任一条件时，则丢弃本次记录的T和t数据，反之则被认为有效，并记录到同步计算单元。

4.根据权利要求1所述具有外部授时功能的相机，其中所述第一时间数据包括：tr，td和k，其中记第一组的T和t的组合为T₁，t₁，第二组为T₂，t₂，计算公式：tr＝t₂；td＝T₂-t₂；k＝(T₂-T₁)/(t₂-t₁)。

5.根据权利要求4所述具有外部授时功能的相机，还包括对第一时间数据的校准计算，即获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est；

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHIFT_MAX)，k-K_SHIFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。

6.根据权利要求1所述具有外部授时功能的相机，所述触发控制装置包括：内部曝光触发控制单元，触发源控制器，所述触发源控制器分别与所述第二计数锁存器及相机曝光电路连接，所述内部曝光触发控制单元分别与触发源控制器及内部计数器连接，当内部曝光触发控制单元工作时读取内部计数器计数值t_now，并向时间戳计算单元发送，以供其计算T_now＝(t_now-tr)*k+td，并根据触发帧率f，计算tnext＝(Tnext-td)/k+tr获取下一次触发时间，以供内部曝光触发控制单元执行，按时发送内部触发信号至触发源控制器。

7.根据权利要求1所述具有外部授时功能的相机，所述触发控制装置包括：外部曝光触发接口，触发源控制器，所述外部曝光触发接口与触发源控制器连接，以传输外部触发信号至触发源控制器。

8.一种具有外部授时功能的相机控制方法，步骤包括：

S1 同步信号接口锁存控制第一计数锁定器，获取同步信号触发时的计数值t，并向所述同步计算单元传送；

S2 同步计算单元通过同步通信接口接收外部时间戳数据T；

S3 当同步计算单元获取至少两组T和t时计算第一时间数据，并向时间戳计算单元传送；

S4 第二计数锁定器锁存相机曝光时的计数值t_a并向时间戳计算单元发送；

S5 时间戳计算单元依据T_a及第一时间数据，根据公式T_f＝(t_a-tr)*k+td计算获取相机曝光时外部授时同步时间戳T_f。

9.根据权利要求8所述的具有外部授时功能的相机控制方法，其中S2步骤还包括：

当同步通信接口向同步计算单元传输外部时间戳数据T时，控制锁存第三计数锁定器，获取时间戳数据到达的计数值t_n，并向同步计算单元传输，以供同步计算单元根据第一对应规则筛选合规的T和t。

10.根据权利要求9所述的具有外部授时功能的相机控制方法，其中步骤S3还包括：

对第一时间数据的校准计算，即获取第三组的T和t的组合为T₃，t₃，计算：

td_est＝td+(tr-t₃)*k；

td_truth＝T₃-t₃；

td_err＝td_truth-td_est：

td_err＝MIN(MAX(td_err，-TD_SHIFT_MAX)，+TD_SHIFT_MAX)；

k_truth＝(T₃-T₂)/(t₃-t₂)；

k＝MIN(MAX(k_truth，k+K_SHIFT_MAX)，k-K_SHIFT_MAX)；

td＝td+td_err；

tr＝t₃。