CN111787238B - 基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法和高帧频相机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法和高帧频相机。利用多片低帧频的探测器交错曝光插值成高帧频的方法，首先要解决的问题是各探测器起始曝光的精确控制，为此本发明首先让探测器提前进入到SI状态，在SI状态等待同步脉冲；在SI状态TX2信号为曝光起始信号，拉高时光敏像素区的电荷被清除，TX2的下降沿光敏区开始累计电荷即开始曝光，故TX2在等待期间的持续拉高不会导致提前或滞后曝光；当收到同步触发脉冲后将启动曝光，此时N块探测器同步误差在一个时钟周期，最终实现高精度曝光同步。

Description

基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法和高帧频相机
技术领域
本发明属于高帧频成像技术领域，涉及一种高帧频相机及其曝光方法。
背景技术
高帧频相机主要用于拍摄高速运动目标，单台相机实现高帧频的设计受限于探测器的性能。目前，国内高速相机的研究处于探索阶段，相机的分辨率和帧频较低。而国外部分发达国家已研制出成熟的CMOS高帧频相机，如日本NAC公司，瑞士的AOS公司，美国的ReadLake公司等。国外高速相机价格昂贵，且有进口限制。国内急需使用国产探测器实现高帧频相机设计。
发明内容
本申请的目的是：提出一种新的高帧频相机及其曝光方法，可以不受单片探测器帧频限制而满足高帧频性能要求。
为了实现以上目的，本申请提出以下解决方案：
基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法，包括以下步骤：
1)使多片探测器(产品参数相同)的控制时序均进入SI阶段；
2)在对应于探测器固有的TX2信号高电平终止时刻(也即下降沿时刻)，控制探测器计数器停止计数，使得所有操作时序保持锁定(即保持探测器控制时序不变，从而处于SI等待状态，等待同步触发脉冲的到来)，其中TX2信号继续处于高电平；
所述TX2信号为探测器曝光起始信号(探测器曝光驱动信号)；当TX2信号为高电平时，光敏像素区的电荷被清除；当TX2信号的下降沿到来时，光敏像素区开始累计电荷，即开始曝光；
3)向所述多片探测器等间隔发送硬触发脉冲，使每个探测器在SI阶段收到对应的硬触发脉冲时，计数器恢复工作，释放操作时序控制，此时即实现了多片探测器的高精度曝光同步；
4)基于探测器的控制时序，重复执行步骤1)至步骤3)。
可选地，所述多片探测器均为GSENSE2020探测器。
可选地，设所需高帧频为F,探测器片数为N，则相邻两片探测器的触发时间间隔INTE＝1/F，设计需求的单片探测器的帧频F_single＝F/N，周期为T_frame_single＝1/F_single，则实际选择的探测器的计算帧周期T_frame_DDS＜T_frame_single。
可选地，所述硬触发脉冲以其下降沿或上升沿触发TX2信号的下降沿到来。
相应的，本发明还提供一种高帧频相机，包括探测器，所述探测器具有内部控制单元，用于实现探测器固有的操作时序控制；其特殊之处在于，还包括外部控制器和相应的程序存储器，所述探测器共有多片；所述程序存储器存储的程序被外部控制器加载后实现上述基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法。
可选地，所述探测器采用CMOS图像传感器，探测器的曝光驱动信号需要外部控制。
可选地，所述探测器为GSENSE2020探测器。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用多片探测器插值成高帧频的思路，从而基于常规的探测器也能够实现高帧频相机的效果，不受单片探测器帧频限制，只需各片探测器精确间隔曝光即可。
本发明提出的多片探测器曝光同步方案，切实保证了得到插值成的高帧频满足拍摄高速运动目标的要求，又能保证了各探测器的高精度曝光同步，即各探测器曝光时间误差最大1个时钟周期。
附图说明
图1为外部控制器向各片探测器发送硬触发脉冲的示意图。
图2为分发到各片探测器的触发信号的示意图。
图3为GSENSE2020探测器控制时序的三种情况。
图4为图3中STATE B下的一些操作状态。
图5为TX2在Normal(正常状态)和Syn(同步控制状态)下以及相应触发信号的时序关系。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步详述本发明。
如图1、图2所示，本实施例利用多片低帧频的探测器交错曝光插值成高帧频的方法，其中，外部控制器对N片探测器精确等间隔发送硬触发脉冲Trig_X(包括Trig_1、Trig_2……Trig_N)，触发各探测器的曝光起始。该方案适用于探测器驱动信号(尤其曝光驱动如TX2)可由外部控制的传感器。
该方案实现的关键在于处理好多片探测器曝光同步问题，否则插值成的高帧频将没有意义。对于多片探测器曝光同步问题，重点是各探测器起始曝光的精确控制。在接收到外部曝光同步信号后，能准确同步到各探测器进行启动曝光；然后各片探测器相应依次输出图像，共同组成高帧频图像。
当然，如图1中所示的外部控制器向各个探测器板发送硬触发脉冲时，由于控制器的晶振和各个探测器板的晶振不是同源的，故各探测器板的采样可能会有1个周期的误差，这就是最大曝光同步误差。
以下以长光辰芯的GSENSE2020国产探测器为例，介绍通过多探测器组合实现高速相机的高精度曝光同步设计。
如图3所示，探测器所处的操作总共有三种情况，即根据曝光时间的长短有这三种控制时序，其中STATE A是曝光短时探测器驱动时序，STATE C是曝光最长时探测器驱动时序。每种情况都是由SI，FOT，RD，BLANK等状态组成，不管哪种操作都有SI状态存在。探测器工作时需要在不同的阶段给不同的控制时序，才执行本阶段相应的工作。如图4所示某个曝光条件下的一些操作状态(图3中的STATE B)；下面进一步解释各阶段的功能：
SI阶段：探测器将会清空各像素光电二极管的所有电荷，开始新的积分。
RD阶段：在探测器中的像素数据将会逐行读出，也就是读出图像。
FOT阶段：探测器将会转移在当前帧中采集的所有积分电荷到像素存储器中，即停止了曝光。
N-1：表示本阶段操作的是第N-1帧的图像，N-2类似。
SI阶段(即清空积分电荷阶段)总共需要6行的时间，期间需要其他信号的配合，最后则需要TX2至少拉高一行的时间才能完成电荷的清空。
本发明的构思是：首先让探测器提前进入到SI状态，在SI状态等待同步脉冲；在SI状态TX2信号为曝光起始信号，拉高时光敏像素区的电荷被清除，TX2的下降沿光敏区开始累计电荷即开始曝光，故TX2在等待期间的持续拉高不会导致提前或滞后曝光；当收到同步触发脉冲后将即时启动曝光，此时N块探测器同步误差在一个时钟周期,故实现高精度曝光同步。
本实施例是基于多片GSENSE2020探测器的高精度曝光同步实现方法，包括以下步骤：
步骤一，对N片GSENSE2020探测器精确等间隔发送硬触发脉冲Trig_X(包括Trig_1、Trig_2……Trig_N)；硬触发脉冲Trig_X用来触发各探测器的曝光起始。
用多片探测器实现高帧频设计的第一步就是多探测器的同步曝光。若设计帧频为F,探测器片数为N，则相邻两片探测器的触发时间间隔INTE＝1/F，设计需求的单片探测器的帧频F_single＝F/N，周期为
T_frame_single＝1/F_single；
工作期间控制端先向第一片探测器发送Trig_1脉冲，等待时间INTE后，再向第二片探测器发送Trig_2脉冲，等待时间INTE后，再向第三片探测器发送Trig_3脉冲……，当发送完第N片触发后，等待时间INTE后，将会重复向第一片发送Trig_1脉冲……。
第二步，操作每片GSENSE2020探测器控制时序提前进入SI阶段；
依据GSENSE2020探测器的数据手册，T_frame_DDS＝(K/2+13)*T_line,T_line＝130*T_clk_pix,其中T_clk_pix为驱动探测器的像素时钟周期,K为行分辨率,由以上公式可以计算出一片探测器的最小帧周期T_frame_DDS；
保证设计需求的单片探测器帧周期大于计算帧周期即T_frame_single>T_frame_DDS。这能保证探测器控制时序首先进入SI等待状态。
第三步，每片GSENSE2020探测器在SI阶段停止计数器,保持所有操作时序固定；计数器为探测器的原有配置；
当GSENSE2020探测器操作时序进入SI状态后，判断TX2信号拉高后，在对应于探测器固有的TX2信号高电平终止时刻(也即下降沿时刻)，设置stop_cnt置位，此时计数器将进入停止状态，所有操作时序到保持恒定。其中TX2信号为曝光起始信号，拉高时光敏像素区的电荷被清除，TX2的下降沿光敏区开始累计电荷即开始曝光。故stop_cnt置位引起TX2持续拉高不会导致提前或滞后曝光；
如图5所示，在TX2_Normal信号从高到低跳变的时刻，停止时序操作计数器的工作，保持TX2_Normal始终拉高，进入SI等待状态；
第四步，每片GSENSE2020探测器在SI阶段等待硬触发脉冲的到来,启动计数器,释放时序控制；释放控制时序是：(1)释放TX2的控制时序Ctrl timing SI，即释放了其他控制信号；(2)释放TX2的控制，使其拉低；
当检测到硬触发脉冲后stop_cnt清零，此时计数器将进入工作状态，所有操作时序正常进行，TX2信号将拉低即启动曝光，此时即实现了多片探测器的曝光同步。

Claims (7)

1.基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）使所述多片探测器的控制时序均进入SI阶段；在SI阶段，探测器将会清空各像素光电二极管的所有电荷，开始新的积分；
2）在对应于探测器固有的TX2信号高电平终止时刻，控制探测器计数器停止计数，使得所有操作时序保持锁定，其中TX2信号继续处于高电平；
所述TX2信号为探测器曝光起始信号；当TX2信号为高电平时，光敏像素区的电荷被清除；当TX2信号的下降沿到来时，光敏像素区开始累计电荷，即开始曝光；
3）向所述多片探测器等间隔发送硬触发脉冲，使每个探测器在SI阶段收到对应的硬触发脉冲时，计数器恢复工作，释放操作时序控制，此时即实现了多片探测器的高精度曝光同步；
4）基于探测器的控制时序 ，重复执行步骤1）至步骤3）。
2.根据权利要求1所述的基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法，其特征在于，所述多片探测器均为GSENSE2020探测器。
3.根据权利要求1所述的基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法，其特征在于，设所需高帧频为F,探测器片数为N，则相邻两片探测器的触发时间间隔INTE=1/F，设计需求的单片探测器的帧频F_single=F/N，周期为T_frame_single=1/F_single，则实际选择的探测器的计算帧周期T_frame_DDS＜T_frame_single。
4.根据权利要求1所述的基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法，其特征在于，所述硬触发脉冲以其下降沿或上升沿触发TX2信号的下降沿到来。
5.一种高帧频相机，包括探测器，所述探测器具有内部控制单元，用于实现探测器固有的操作时序控制；其特征在于，还包括外部控制器和相应的程序存储器，所述探测器共有多片；所述程序存储器存储的程序被外部控制器加载后实现权利要求1所述基于多片探测器的高精度曝光同步实现方法。
6.根据权利要求5所述的一种高帧频相机，其特征在于，所述探测器采用CMOS图像传感器，探测器的曝光驱动信号需要外部控制。
7.根据权利要求5所述的一种高帧频相机，其特征在于，所述探测器为GSENSE2020探测器。
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