CN110319815A - 一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统及方法，属于摄影测量技术领域，同步曝光系统包括N个相机，第i个相机的信号输出端连接第i+1个相机的信号输入端，i＝1、2、……、N‑1，且第N个相机的信号输出端连接第1个相机的信号输入端，各相机之间的连接构成环形连接结构。本发明通过将各相机串联连接成环形连接结构，由主相机产生并输出触发脉冲信号，环形连接结构中的其他相机依次转发该触发脉冲信号，最终由主相机接收该触发脉冲信号，然后计算主相机输出和发送触发脉冲信号的延时时间，结合相机总数计算得到控制相机同步曝光的曝光时刻，实现多相机同步曝光，同步精度较高，同步效果较好。

Description

一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统及方法

技术领域

本发明属于摄影测量技术领域，具体涉及一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统及方法。

背景技术

多相机系统中的广角高清系统以及图像拼接系统需要从多个独立的相机获取不同视场的图像，利用视场的重叠区域，通过图像拼接算法，将图像拼接成全景图像显示。拼缝处理效果决定系统的设计性能。为了提升算法拼缝处理效果，理想状态下，各个相机的成像参数、成像时刻需保持一致，尤其是相机的曝光时间。对于现有技术的多相机系统，其无法保证各相机曝光成像时间的同步精度，同步曝光的控制效果较差，从而造成在多相机成像的图像拼接后得到的全景图像出现缝隙。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，用于解决现有技术中多相机同步曝光效果差的问题；还提供一种基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，也用于解决现有技术中多相机同步曝光效果差的问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，包括N个相机，N≥2，第i个相机的信号输出端连接第i+1个相机的信号输入端，i＝1、2、……、N-1，且第N个相机的信号输出端连接第1个相机的信号输入端，各相机之间的连接构成环形连接结构；其中，第1个相机作为主相机，其他相机为从相机；

主相机的信号输出端用于输出触发脉冲信号，该触发脉冲信号通过环形连接结构被主相机的信号输入端接收；主相机用于根据所述触发脉冲信号从主相机的信号输出端输出的输出时刻，以及所述触发脉冲信号从主相机的信号输入端接收的接收时刻，计算所述输出时刻和接收时刻之间的总延时时间，并根据所述总延时时间和相机总数计算两个相邻相机间的平均延时时间；

利用该平均延时时间计算并控制各相机的曝光时刻，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中T3为根据触发脉冲信号得到的曝光时刻，△T为所述总延时时间，△T/N为所述平均延时时间；控制第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、……、N。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，该环形连接结构与多相机同步曝光系统中的环形连接结构相同，因此，基于该环形连接结构，本发明的多相机同步曝光方法包括以下步骤：

1)控制主相机的信号输出端输出触发脉冲信号，获取主相机的信号输出端输出所述触发脉冲信号的输出时刻，当主相机的信号输入端通过环形连接结构接收到所述触发脉冲信号时，获取主相机的信号输入端接收到所述触发脉冲信号的接收时刻，计算所述输出时刻和接收时刻之间的延时时间，作为总延时时间；

2)根据该延时时间和相机总数计算两个相邻相机间的平均延时时间，根据该平均延时时间计算并控制各相机的曝光时刻，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中T3为根据触发脉冲信号得到的曝光时刻，△T为所述总延时时间，△T/N为所述平均延时时间；控制第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、……、N。

本发明的同步曝光系统和同步曝光方法，设计了一种环形连接结构，通过将各相机串联连接成环形连接结构，由主相机产生并输出触发脉冲信号，环形连接结构中的其他相机依次转发该触发脉冲信号，最终由主相机接收该触发脉冲信号，然后计算主相机输出和发送触发脉冲信号的延时时间，结合相机总数计算得到控制相机同步曝光的曝光时刻，实现多相机同步曝光，同步精度较高，同步效果较好。

对上述同步曝光系统和同步曝光方法，各相机均包括曝光信号生成模块和控制器，所述控制器设置有同步触发接口、外部触发接口和曝光控制接口，所述曝光控制接口连接所述曝光信号生成模块，所述同步触发接口为所述信号输入端，所述外部触发接口为所述信号输出端。各相机的控制器用于根据得到的曝光时刻通过曝光控制接口发出控制信号，以控制曝光信号生成模块进行工作。在上述同步曝光系统中，控制器采用FPGA，实现曝光信号生成模块的控制。

对上述同步曝光系统和同步曝光方法，任两个相邻的相机之间的连接线路长度相等，保证任两个相邻的相机之间的信号延时相等，提高多相机同步曝光的精度。

对上述同步曝光系统，各相机的控制器均设置有以太网接口，主相机的控制器的以太网接口通过以太网连接各从相机的控制器的以太网接口，用于通过以太网将所述平均延时时间从主相机的控制器发送至各从相机的控制器，实现所述平均延时时间的快速传输，保证多相机同步曝光的精度。

对上述同步曝光方法，当所述总延时时间或所述平均延时时间小于设定时间时，该设定时间的范围为0～10ns，则认定总延时时间或平均延时时间可忽略不计，因此，采用根据相机的外部触发信号得到的曝光时刻控制各相机同步曝光，仍能够保证多相机同步曝光的精度。

附图说明

图1是本发明的多相机同步曝光系统示意图；

图2是本发明多相机同步曝光系统中各相机的同步接口板示意图；

图3是本发明的触发脉冲信号在相邻相机之间的延时示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

同步曝光系统实施例：

如图1所示的基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，包括6个相机，第i个相机的信号输出端(即图中标有外部触发的外部触发接口)连接第i+1个相机的信号输入端(即图中标有同步触发的同步触发接口)，i＝1、2、……、5，且第6个相机的信号输出端连接第1个相机的信号输入端，各相机之间的连接构成环形连接结构，其中，第1个相机指定为主相机，其他相机为从相机，分别为L1、L2、L3、L4、L5。其中，主相机作为触发脉冲信号的发起设备，产生周期的触发脉冲信号，触发脉冲信号经过从相机的串联转发后，重新回到主相机的同步触发接口上。

对于同步曝光系统中的相机而言，各相机的结构相同，均包括控制器，控制器设置有同步触发接口、外部触发接口、曝光控制接口和以太网接口，曝光控制接口连接有曝光信号生成模块，该曝光信号生成模块用于根据控制器发送的同步曝光信号进行曝光操作。主相机的控制器的以太网接口通过以太网连接各从相机的控制器的以太网接口，用于通过以太网将计算得到的补偿参数从主相机的控制器发送至各从相机的控制器，各从相机的控制器根据接收的补偿参数计算相机的曝光时刻，根据计算的曝光时刻通过曝光控制接口向曝光信号生成模块发送同步曝光信号，曝光信号生成模块根据该同步曝光信号控制相机内的相应传感器进行曝光，该传感器根据曝光信号生成模块的控制进行曝光成像。

各相机的同步接口板如图2所示，控制器采用FPGA，设置有SMA-1以及SMA-2两路SMA接口，分别对应为图1中的同步触发接口和外部触发接口，FPGA还设置有接口J1，即上述曝光控制接口。FPGA的以太网接口通过100M以太网利用RJ45接头连接网线，各相机通过以太网交换机连接，用于传输补偿参数。

主相机的外部触发接口用于输出触发脉冲信号，该触发脉冲信号通过上述环形连接结构被主相机的同步触发接口接收。通过上述环形连接结构可看出，每个相机相对于左侧连接的相机都会有延时存在，延时包括线路延时及转发延时，线路延时、转发延时合并表示为△t，因此，触发脉冲信号从主相机的外部触发接口输出的输出时刻T1，到该触发脉冲信号从主相机的同步触发接口接收的接收时刻T2，这二者间的时间差为6*△t，即输出时刻T1和接收时刻T2之间的总延时时间△T。

可见，上述△t即为两个相邻相机间的平均延时时间，为了得到该平均延时时间，主相机根据采集的输出时刻T1和接收时刻T2，计算总延时时间△T，并根据总延时时间△T和相机总数N(在本实施例中，N＝6)计算两个相邻相机间的平均延时时间，用作计算曝光时刻的补偿参数。

主相机的控制器将该补偿参数通过以太网配置到各从相机的控制器。各相机利用该补偿参数计算并控制各相机的曝光时刻，实现多相机同步曝光。计算各相机的曝光时刻时，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中，T3为根据相机的外部触发信号得到的初始曝光时刻，△T为上述总延时时间，△T/N为上述平均延时时间，即补偿参数；在从相机中，第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、4、5、6，分别对应图1中的L1、L2、L3、L4、L5。

当求得的总延时时间或平均延时时间小于设定时间时，设定时间的范围为0～10ns，采用上面根据相机的外部触发信号得到的初始曝光时刻控制各相机同步曝光；上述设定时间优选为5ns。

本实施例中，由于相机的曝光形式分为循环曝光和全局曝光两种工作模式，循环曝光的工作模式是在相机启动后根据相机参数以最大可能的成像帧率进行曝光成像，而全局曝光的工作模式是根据相机的外部摄像触发脉冲进行曝光成像。因此，为了保持每个独立相机曝光时刻完全一致，对于上述同步曝光方法，各相机需设置在全局曝光的工作模式。

本实施例中，触发脉冲信号在任两个相邻相机之间的延时差异是忽略不计的，即任两个相邻相机之间△t的大小相等，但实际上任两个相邻相机之间的延时差异是存在的，如图3所示，触发脉冲信号在任两个相邻相机之间的实际延时分别为△T1、△T2、△T3、△T4、△T5、△T6，为了提高同步曝光的精度，使延时差异尽量减小，即△T1、△T2、△T3、△T4、△T5、△T6均近似于△t，需满足一定的条件，如满足以下条件①，或条件②，或同时满足条件①和②，如下所示：

①保证各相机的设备情况相同；

②任两个相邻相机之间连接的线缆长度相等。

本实施例以6个相机串联构成环形连接结构为例，为使各相机同步曝光，主相机需延时5*△t，从相机L1需延时4*△t，以此类推，最后的从相机L5则无需延时。作为其他实施方式，构成环形连接结构的相机数量最少可以为两个，即一个主相机和一个从相机，当然，构成环形连接结构的相机数量只要在两个以上就能够实现本实施例的同步曝光过程。

本实施例中的触发脉冲信号是依据系统设计的帧率和曝光时间得到的，为了使相机连续成像，该触发脉冲信号为需要周期发送的信号，并且，该触发脉冲信号实际使用时作为相机的外部触发信号的源脉冲，即相机的外部触发信号是根据触发脉冲信号的上升沿而得到的。

另外，本实施例的同步曝光系统为了减少开发成本，选用的控制器优选为FPGA，也可以采用其他可编程芯片，如DSP等，除了可编程芯片，还可以采用微处理器，如ARM等。

需要说明的是，本实施例中的曝光信号生成模块及其控制的传感器均属于现有相机内的现有结构，因此这里不再对其结构多做介绍。

同步曝光方法实施例：

本实施例提出的同步曝光方法，仍是基于上述同步曝光系统实施例中的环形连接结构，并且可以应用到上述同步曝光系统的硬件构成中。

具体的同步曝光方法包括以下步骤：

(1)各相机上电后，设置各相机工作在全局曝光的工作模式；

(2)主相机的控制器控制主相机的信号输出端输出触发脉冲信号，获取主相机的信号输出端输出该触发脉冲信号的输出时刻T1，当主相机的信号输入端通过环形连接结构接收到触发脉冲信号时，获取主相机的信号输入端接收到触发脉冲信号的接收时刻T2，计算输出时刻T1和接收时刻T2之间的延时时间，作为总延时时间△T；

(3)主相机的控制器根据总延时时间△T和相机总数N计算两个相邻相机间的平均延时时间△T/N，并通过以太网将平均延时时间△T/N发送至各从相机；

(4)主相机和各从相机的控制器根据该平均延时时间△T/N计算并控制各自的曝光时刻，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中T3为根据相机的外部触发信号得到的初始曝光时刻；第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、……、N。

在上面步骤(3)中，当总延时时间△T或平均延时时间△T/N小于设定时间时，该设定时间的范围为0～10ns，则认定总延时时间或平均延时时间可忽略不计，因此，采用根据相机的外部触发信号得到的初始曝光时刻控制各相机同步曝光，仍能够保证多相机同步曝光的精度。

本发明通过将各个相机进行串联构成环形连接结构，由起始端相机产生周期的触发脉冲信号，其他相机接收并转发该信号，最终仍由起始端相机接收。为了获得精确的时间控制，使各个相机精确同步曝光，本发明通过计算得到的补偿参数对各相机产生的信号延时进行补偿，得到各相机的曝光时刻，对相机的初始曝光时刻进行了修正，实现了多相机同步曝光，保证同步曝光的精度，相对现有技术提高了同步曝光效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，在上述同步曝光方法实施例的步骤(3)中，主相机的控制器还可以将总延时时间△T通过以太网发送给各从相机的控制器，各相机的控制器单独计算平均延时时间△T/N。即主相机的控制器通过以太网交换机将总延时时间△T以10ns为单位量化成32bit数值，该数值通过广播的方式下发至各从相机的以太网接口，各从相机的控制器利用收到的数值进行补偿参数的配置。

又如，总延时时间△T与设定时间的比较，或者，平均延时时间△T/N与设定时间的比较，既可以单独由主相机的控制器完成，也可以由从相机的控制器完成，还可以分别由主相机和从相机的各自控制器完成。

又如，步骤(3)和步骤(4)中涉及的计算还可以单独由主相机的控制器完成，各从相机仅接收由主相机的控制器计算得到的曝光时刻即可，而不必接收平均延时时间。

因此，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权利要求范围之内。需要说明的是，以上所述的更改和变化同样适用于上述同步曝光系统实施例。

另外，本发明中存在方位用语，如“左侧连接的相机”，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

Claims (9)

1.一种基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，其特征在于，包括N个相机，N≥2，第i个相机的信号输出端连接第i+1个相机的信号输入端，i＝1、2、……、N-1，且第N个相机的信号输出端连接第1个相机的信号输入端，各相机之间的连接构成环形连接结构；其中，第1个相机作为主相机，其他相机为从相机；

主相机的信号输出端用于输出触发脉冲信号，该触发脉冲信号通过环形连接结构被主相机的信号输入端接收；主相机用于根据所述触发脉冲信号从主相机的信号输出端输出的输出时刻，以及所述触发脉冲信号从主相机的信号输入端接收的接收时刻，计算所述输出时刻和接收时刻之间的总延时时间，并根据所述总延时时间和相机总数计算两个相邻相机间的平均延时时间；

利用该平均延时时间计算并控制各相机的曝光时刻，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中T3为根据触发脉冲信号得到的初始曝光时刻，△T为所述总延时时间，△T/N为所述平均延时时间；第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、……、N。

2.根据权利要求1所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，其特征在于，各相机均包括曝光信号生成模块和控制器，所述控制器设置有同步触发接口、外部触发接口和曝光控制接口，所述曝光控制接口连接所述曝光信号生成模块，所述同步触发接口为所述信号输入端，所述外部触发接口为所述信号输出端。

3.根据权利要求1所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，其特征在于，任两个相邻的相机之间的连接线路长度相等。

4.根据权利要求2所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，其特征在于，各相机的控制器均设置有以太网接口，主相机的控制器的以太网接口通过以太网连接各从相机的控制器的以太网接口，用于通过以太网将所述平均延时时间从主相机的控制器发送至各从相机的控制器。

5.根据权利要求2所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光系统，其特征在于，所述控制器为FPGA。

6.一种基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，其特征在于，该同步曝光方法对应的环形连接结构包括N个相机，N≥2，第i个相机的信号输出端连接第i+1个相机的信号输入端，i＝1、2、……、N-1，且第N个相机的信号输出端连接第1个相机的信号输入端，第1个相机作为主相机，其他相机为从相机；所述同步曝光方法包括以下步骤：

1)控制主相机的信号输出端输出触发脉冲信号，获取主相机的信号输出端输出所述触发脉冲信号的输出时刻，当主相机的信号输入端通过环形连接结构接收到所述触发脉冲信号时，获取主相机的信号输入端接收到所述触发脉冲信号的接收时刻，计算所述输出时刻和接收时刻之间的延时时间，作为总延时时间；

2)根据该总延时时间和相机总数计算两个相邻相机间的平均延时时间，根据该平均延时时间计算并控制各相机的曝光时刻，主相机的曝光时刻为T3+(N-1)*△T/N，其中T3为根据触发脉冲信号得到的初始曝光时刻，△T为所述总延时时间，△T/N为所述平均延时时间；第j个相机的曝光时刻为T3+(N-j)*△T/N，j＝2、3、……、N。

7.根据权利要求6所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，其特征在于，各相机均包括曝光信号生成模块和控制器，所述控制器设置有同步触发接口、外部触发接口和曝光控制接口，所述曝光控制接口连接所述曝光信号生成模块，所述同步触发接口为所述信号输入端，所述外部触发接口为所述信号输出端。

8.根据权利要求6所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，其特征在于，任两个相邻的相机之间的连接线路长度相等。

9.根据权利要求6所述的基于环形连接结构的多相机同步曝光方法，其特征在于，当所述总延时时间或所述平均延时时间小于设定时间时，采用所述初始曝光时刻控制各相机同步曝光；所述设定时间的范围为0～10ns。