CN110753189B

CN110753189B - 一种相机取像方法及系统

Info

Publication number: CN110753189B
Application number: CN201911353054.5A
Authority: CN
Inventors: 汪舟
Original assignee: Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd; Wuhan Jingli Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd; Wuhan Jingli Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN110753189A

Abstract

本发明提出一种相机取像方法及系统。本发明方法所适用的系统包括：控制终端、采集卡、微处理器、相机传感器，所述的控制终端、采集卡、微处理器、相机传感器依次电连接。本发明构建曝光时间计算模型；设置曝光时间对应的帧周期数始终为0；设置相机传感器每帧图像周期的行数或曝光微调参数，以调整曝光时间；相机传感器接受控制参数，进行图像拍摄；输出曝光图像。本发明对于切换曝光时间拍照的场景，对于取像时间的缩短，具有明显的效果。

Description

一种相机取像方法及系统

技术领域

本发明属于光电检测领域，尤其涉及一种相机取像方法及系统。

背景技术

工业相机一般分为相机传感器，FPGA控制芯片和对外接口三大部分。其中相机传感器主要有CCD和CMOS器件。因为CCD传感器发热量大，高曝光下噪点多，且处理速度慢，品控难度大，成本高。因此CMOS传感器日益成为相机传感器的主流。

CMOS传感器的曝光方式分为全局曝光和卷帘曝光。卷帘曝光的传感器因成本低，目前更加普遍。本发明针对的就是卷帘曝光的相机。

对于卷帘曝光控制，有MASTER模式和SLAVE模式，MASTER模式下，相机传感器输出图像的行场同步信号，都是相机传感器自己生成的；SLAVE模式下，相机传感器输出的行场同步信号，都是由内部微处理器编程产生后，输入给相机传感器，相机传感器使用这些同步信号进行图像数据输出。同时，无论哪种模式，相机传感器还有额外的寄存器配置接口，用于接收内部微处理器发送的配置信息。本发明针对的是SLAVE模式。

SLAVE模式下，由内部微处理器发送帧同步信号和行同步信号给相机传感器，每一帧图像开头，发送一个帧同步信号；每一行图像开头，发送一个行同步信号。相机传感器的帧周期按照功能区分，分为曝光图和输出图。曝光图是相机做曝光的图，即拍摄图像；输出图即相机传感器输出至采集卡的拍摄图像。

现有方案是相机传感器每帧周期内的行数保持不变，改变曝光时间对应的帧周期数，曝光微调参数的值，来改变曝光，且现有方案行数为相机传感器每帧周期内的行数的倍数，导致大概率会多输出一些行,从而在相同有效曝光情况下，现有方案消耗的时间更长。

现有方案的帧同步信号、行同步信号不中断，一直连续输出，所以新的曝光参数输入的时候，可能一帧还在输出过程中，不能及时中断，生成新曝光帧；

综上，现有方案的曝光控制方式，曝光实际消耗的时间可能远大于需要的曝光设定。

发明内容

本发明提出了一种相机取像方法及系统。对于每一帧曝光时间都需要变化的应用场景，有助于提升系统取像速度。尤其对于面板检测等工业应用场景，需要对一个面板，切换不同画面，使用不同曝光参数各取一张图像。使用此发明提供的方案，有助于提升取像速度，提高产线产能。

本发明的技术方案一方面提供了一种相机取像方法，具体包括如下步骤：

步骤1：构建曝光时间计算模型；

步骤2：设置曝光时间对应的帧周期数始终为0；

步骤3：通过设定曝光时间与最小帧周期比较，设置相机传感器每帧图像周期的行数或曝光微调参数，以调整曝光时间；

步骤4：相机传感器接受控制参数，进行图像拍摄；

步骤5：输出曝光图像。

作为优选，步骤1中所述构建曝光时间计算模型具体为：

根据相机传感器每帧周期内的行数、曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数、曝光帧开始后开始曝光的起始行号、每行周期对应的INCK时钟数、初始偏移量、INCK时钟频计算曝光时间。

作为优选，当设定曝光时间小于最小帧周期时，步骤3具体为，

将相机传感器每帧图像周期的行数设置成最小帧周期，通过增加曝光微调参数来减小曝光时间。

当设定曝光时间大于最小帧周期时，步骤3具体为，

将曝光微调参数设置成曝光微调参数最小值，通过增加相机传感器每帧图像周期的行数的大小来增加曝光时间。

作为优选，步骤4中所述控制参数包括：帧同步信号、行同步信号、曝光参数；

步骤4中所述相机接受控制参数，进行图像拍摄，具体为：

通过采集卡向微处理器传输触发信号、设定曝光时间，微处理器结合设定曝光时间进一步计算控制参数，并将控制参数发送至相机传感器，控制相机传感器进行曝光拍摄图像。

作为优选，步骤5中所述输出曝光图像,具体为：

微处理器按照最短帧输出拍摄图像，停止产生控制参数，并等待下一帧图像的曝光参数和触发信号。

本发明另一方面提供了一种相机取像系统，应用如上述的相机取像方法进行取像。

可选的，本发明的卷帘曝光相机取像速度提升系统，包括：

控制终端、采集卡、微处理器、相机传感器，所述的控制终端、采集卡、微处理器、相机传感器依次电连接；

所述控制终端用于进行人机交互，接收设定曝光时间、拍照信号，将设定曝光时间、拍照信号传输至所述采集卡；

所述采集卡接收拍照信号并生成触发信号，将触发信号、设定曝光时间传输至所述微处理器；

所述微处理器用于控制所述相机传感器进行取像，并根据按照最短帧输出拍摄图像；

所述相机传感器用于曝光采集图像，并输出曝光图像至所述微处理器。

本发明再一方面提供了一种测试设备，包含上述的卷帘曝光相机取像速度提升系统。

本发明具有以下有益效果:

本发明的帧同步信号和行同步信号在一帧结束后即中断，在收到新的曝光参数和触发信号后，再立即开启新的帧同步信号和行同步信号，立即生成新的曝光帧。避免了帧同步和行同步信号不中断，一直连续输出，造成新的曝光参数输入的时候，一帧还在输出过程中，不能及时中断生成新曝光帧的问题，因而本发明的响应速度更快。

本发明可以精准控制总输出图像行数，避免总输出图像行数为相机传感器每帧周期内的行数的倍数，导致会多输出一些行,从而在相同有效曝光情况下，消耗的时间长的问题。

本发明提出一种卷帘曝光SENSOR的SLAVE模式的曝光控制方案，对于切换曝光时间进行拍照的应用场景，对于取像时间的缩短，相对传统控制方式，具有明显的效果。

附图说明

图1：相机取像系统框图。

图2：本发明方法流程图。

图3：传统的帧控制方式。

图4：本发明的曝光控制方式。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的实现步骤进行清楚、完整的描述。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本发明系统的技术方案为一种相机取像系统，其特征在于，包括：

具体地，所述微处理器与所述相机传感器通过LVDS接口进行连接，所述微处理器与所述采集卡通过网口连接，所述控制终端与所述采集卡通过网口连接。

所述控制终端选型为电脑终端，用于进行人机交互，接收设定曝光时间、拍照信号，将设定曝光时间、拍照信号传输至所述采集卡；

所述微处理器选型为FPGA，根据每行周期对应的所述相机传感器时钟数、相机传感器每帧周期内的行数产生帧同步信号和行同步信号，结合设定曝光时间通过一种相机取像方法计算曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数，将帧同步信号、行同步信号、曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数传输至所述相机传感器；

所述相机传感器选型为IMX183相机传感器；根据帧同步信号、行同步信号、曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数进行曝光拍摄图像，依据相机传感器每帧图像周期的行数最小值输出拍摄图像至所述微处理器，通过所述采集卡回传至所述控制终端。

下面结合图1至图4介绍本发明的具体实施方式为一种相机取像方法，具体包括如下步骤：

步骤1：通过微处理器构建曝光时间计算模型；

步骤1中所述构建曝光时间计算模型具体为：

exptime = ((XHSperXVS*(SVR-SPL+1)-SHR)*CLKperXHS+IntOffset)/INCK_FREQ

其中，

XHSperXVS，表示相机传感器每帧周期内的行数，即帧同步信号周期内的行同步信号数量；

SVR，表示曝光时间对应的帧周期数，若SVR减1即SVR=0，表示曝光时间小于一帧;SVR=N，表示曝光时间大于等于N-1帧，小于N帧；

SPL，表示曝光起始帧在所有曝光帧中的编号，始终设置为0；

SHR，为曝光微调参数，表示在曝光帧开始后开始曝光的起始行号；

CLKperXHS，表示每行周期对应的相机传感器使用时钟的时钟数，为固定值；

IntOffset，为初始偏移量，为固定值；

INCK_FREQ，表示相机传感器使用时钟的时钟频；

步骤2：通过微处理器设置曝光时间对应的帧周期数始终为0，即曝光帧长度始终只有一帧；

步骤2中所述即曝光帧长度始终只有一帧为：

这样就无须等待多帧曝光结束后，改的曝光时间对应的帧周期数参数才能生效，缩短了等待时间；

忽略固定项,只保留可变项后的公式，简化为：

exptime <----> (XHSperXVS_min-SHR)，有效曝光时间只与曝光微调参数相关。

步骤3：微处理器通过设定曝光时间与最小帧周期比较，设置相机传感器每帧图像周期的行数或曝光微调参数，以调整曝光时间；

当设定曝光时间小于最小帧周期时，步骤3具体为，

将相机传感器每帧图像周期的行数设置成最小帧周期，通过增加曝光微调参数来减小曝光时间，具体计算过程如下：

所述最小帧周期为XHSperXVS_min；

所述曝光微调参数为：

SHR = XHSperXVS_min*(SVR-SPL+1)-(exptime_us*INCKFREQ- IntOffset)/CLKperXHS；

其中，SVR=SPL=0, INCKFREQ和IntOffset为固定值。

当设定曝光时间大于最小帧周期时，步骤3具体为，

将曝光微调参数设置成曝光微调参数最小值，通过增加相机传感器每帧图像周期的行数的大小来增加曝光时间，具体计算过程如下：

所述曝光微调参数最小值为SHR_min；

所述相机传感器每帧周期内的行数计算方法为：

XHSperXVS = ((exptime_us*INCKFREQ- IntOffset)/CLKperXHS+SHR_min)/(SVR-SPL+1)

其中，SVR=SPL=0, INCKFREQ和IntOffset为固定值；

步骤4：相机传感器接受控制参数，进行图像拍摄；

步骤4中所述控制参数包括：帧同步信号、行同步信号、曝光参数；

所述曝光参数为：曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数；

步骤4中所述相机接受控制参数，进行图像拍摄为：

控制终端接收设定曝光时间、拍照信号，将设定曝光时间、拍照信号传输至所述采集卡，采集卡接收拍照信号并生成触发信号，将触发信号、设定曝光时间传输至微处理器；

微处理器结合设定曝光时间通过步骤3计算帧同步信号、行同步信号、曝光参数，将帧同步信号、行同步信号、曝光参数传输至相机传感器。

通过步骤3计算帧同步信号、行同步信号、曝光参数，具体为：

微处理器结合设定曝光时间通过步骤3计算曝光参数，根据每行周期对应的相机传感器时钟数、相机传感器每帧周期内的行数计算帧同步信号和行同步信号，将帧同步信号、行同步信号、曝光参数传输至相机传感器；

步骤5：输出拍摄图像。

步骤5中所述相机传感器根据微处理器控制输出曝光图像为：

相机传感器每帧周期内的行设置为最小帧周期，微处理器根据每行周期对应的所述相机传感器时钟数、相机传感器每帧周期内的行数产生帧同步信号和行同步信号；

步骤5中所述微处理器根据最短帧输出拍摄图像为：

相机传感器每帧周期内的行设置为最小帧周期，具体计算过程为：

XHSperXVS=XHSperXVS_min

相机传感器按照最短帧输出拍摄图像至所述微处理器，并将拍摄图像通过采集卡回传至控制终端，并等待下一帧图像的触发信号。

按照上面的方法，改参数到用参数的delay时间为0，并且可以实现任意曝光时间的图像拍摄。

下面根据结合图3以及图4，进行传统的帧控制方式以及本发明的曝光控制方式的对比分析，具体如下：

如图3所示，VS下面每个“|”表示帧同步信号；HS下面的“|”表示行同步信号。曝光结束后，相机传感器还需要占用1帧用于图像数据输出，为加快速度，这一帧一般为最小帧周期。

传统的曝光控制方式，如图3所示，有效图A输出后，采集卡要更改曝光时间，最快会在无效图B的起始曝光帧修改，发送新的曝光参数，所述曝光参数为曝光时间对应的帧周期数和曝光微调参数。然而，新的曝光参数要等到无效图B输出完成后，在有效图C才能生效。这样，比如图A的曝光为1000ms，图C的曝光为1ms，在图A输出完成后，还需要等待1001ms才能输出曝光时间为1ms的有效图像。从修改曝光参数到使用曝光参数，最少需要1000ms。

本发明的曝光控制方式，如图4所示，有效图B和有效图C的曝光参数修改都可以立即生效，用于当前有效图像的曝光有效时间控制。有效图B的设定曝光时间小于最小帧周期时，有效图B的相机传感器曝光拍摄图像和输出图像都是最短帧周期短，通过改变曝光微调参数的值来调节曝光时间。有效图C的设定曝光时间大于最小帧周期时，曝光微调参数设置成最小值，通过改变相机传感器每帧周期内的行数来改变曝光时间。

与传统曝光控制方式相比，按照本发明曝光控制方式修改曝光参数到使用曝光参数的时间为0，并且可以实现任意曝光时间的图像拍摄，极大提升了相机传感器工作效率，缩短了取像时间，减少了消耗时间。

本发明实施例还提供了一种测试设备，包含上述的卷帘曝光相机取像速度提升系统。需要说明的是，本发明上述实施例所涉及的应用场景可以为自动光学检测设备里面的取像模块的改进，自动光学检测设备包括卷帘曝光相机取像速度提升系统，当然除此之外，还可以包括中控模块、信号产生模块、图像分析处理模块。检测设备用来采集图像并分析检测缺陷时，卷帘曝光相机取像速度提升系统可以作为检测设备里面的图像采集模块。除了上述应用场景，本发明实施例提供的测试设备还可应用于液晶屏的demura设备，但不限于上述场景。

本发明实施例提供的一种相机取像方法、系统及一种测试设备，至少具有以下有益效果:

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种相机取像方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据相机传感器每帧周期内的行数、曝光时间对应的帧周期数、曝光起始帧在所有曝光帧中的编号、曝光微调参数、曝光帧开始后开始曝光的起始行号、每行周期对应的INCK时钟数、初始偏移量、INCK时钟频构建曝光时间计算模型；

步骤2：设置所述曝光时间计算模型中的帧周期数为0；

步骤3：根据设定的曝光时间与最小帧周期之间的大小关系，调整所述相机传感器每帧图像周期的行数或所述曝光微调参数，并根据步骤2得到的新的曝光时间计算模型调整曝光时间；

步骤4：相机传感器接受控制参数产生触发信号，进行图像拍摄，其中，所述控制参数包括帧同步信号、行同步信号、曝光参数；

步骤5：输出曝光图像。

2.根据权利要求1所述的相机取像方法，其特征在于：

步骤1中所述构建曝光时间计算模型具体为：

exptime＝((XHSperXVS*(SVR-SPL+1)-SHR)*CLKperXHS+IntOffset)/INCK_FREQ

其中，

exptime，表示曝光时间；

SVR，表示曝光时间对应的帧周期数，若SVR减1即SVR＝0，表示曝光时间小于一帧；SVR＝N，表示曝光时间大于等于N-1帧，小于N帧；

SPL，表示曝光起始帧在所有曝光帧中的编号，始终设置为0；

IntOffset，为初始偏移量，为固定值；

INCK_FREQ，表示相机传感器使用时钟的时钟频。

3.根据权利要求1所述的相机取像方法，其特征在于：

当设定的曝光时间小于最小帧周期时，步骤3具体为，

4.根据权利要求1所述的相机取像方法，其特征在于：

当设定的曝光时间大于最小帧周期时，步骤3具体为，

5.根据权利要求1所述的相机取像方法，其特征在于：

所述步骤4具体为：

通过采集卡向微处理器传输触发信号、设定的曝光时间，微处理器结合设定的曝光时间进一步计算控制参数，并将控制参数发送至相机传感器，控制相机传感器进行曝光拍摄图像。

6.根据权利要求1所述的相机取像方法，其特征在于：

所述步骤5具体为：

7.一种相机取像系统，其特征在于：应用如权利要求1-6任一项所述的相机取像方法进行取像，其中，

所述相机取像系统包括微处理器和相机传感器，

8.根据权利要求7所述的相机取像系统，其特征在于，还包括：

控制终端、采集卡，所述的控制终端、采集卡、微处理器、相机传感器依次电连接；

所述控制终端用于进行人机交互，接收设定的曝光时间、拍照信号，将设定的曝光时间、拍照信号传输至所述采集卡；

所述采集卡接收拍照信号并生成触发信号，将触发信号、设定的曝光时间传输至所述微处理器。

9.一种测试设备，其特征在于：包含如权利要求7-8任一项所述的相机取像系统，以及中控模块、图像分析处理模块。