CN113518219B - 一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及相机参数分析技术领域，提供本发明涉及一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法。设定程序对LED标校灯进行电脉冲控制，LED标校灯对应曝光时间偏差模糊度测量、曝光时间偏差测量运行两种工作模式。曝光时间偏差模糊度通过多级灯检测多台设备相机大致的偏差，该偏差用于确立各设备曝光时间的先后，其偏差值用于后续高精度测量偏差值时，标校灯亮灯设置的依据。利用曝光时间偏差模糊度检测结果设置一级灯的亮灯时间；在实验数据中检测计算各设备的曝光起始偏差，在此基础上结合各设备的曝光时间，计算出目标中心时间偏差。本发明在地面条件下能够方便进行实验，避免了相机外同步测量法误差较大，角反射体测量法进行机载悬挂，设计和实验的成本比较高的情况。

Description

一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法

技术领域

本发明涉及相机参数分析技术领域，具体涉及一种检测相机曝光时间偏差的方法。

背景技术

相机曝光时间是为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间。对于光测设备来讲，曝光时间是决定各型目标成像质量的重要基础因素。

相机曝光时间偏差是指多台相机(两台及以上)对相同目标进行拍摄时曝光时间的偏差，包括曝光起始偏差、目标中心时间偏差。其中，曝光起始偏差指各相机开始曝光的时间点之间的差值；目标中心时间偏差指各相机曝光时间中心点之间的差值。对于光测设备来讲，曝光时间偏差是决定各型目标在不同相机曝光图像中运动位置差异的重要基础因素。实际相机的曝光时间偏差与设定值有一定偏差，对于测量设备来讲，需要较为精确的检测相机的曝光时间偏差以开展相关的测试测量工作。

中心曝光、前沿曝光模式下不同设备相机曝光时间偏差如图1所示。现有技术中主要采用角反射体测量法、相机外同步测量法进行测量。

角反射体测量法：利用角反射体的同向反射的特点，模拟多台光测设备的合作目标，以频闪灯的起始闪烁时间作为各站点光测设备的外同步触发时间，测量不同站点多台光测设备的时间同步性。(李艳红、杨立保.光学测量设备时统取齐方法的研究，计算机光盘软件与应用，2014，80(21)：130-131)。

相机外同步测量法：相机工作时序要依靠相机外同步，相机外同步工作流程如图2所示。以光电经纬仪为例，设备时统为分系统提供基础同步信号作为系统外同步信号，在此基础上生成相机外同步信号，通过测量不同设备的系统外信号的时间偏差，并且测量各设备系统外同步信号与相机外同步信号的时间偏差，在上述测量基础上确定不同设备相机的曝光时间偏差。

上述测量方法的缺陷如下，角反射体测量法需要对角反射体进行机载悬挂，设计和实验的成本比较高；该方法中角反射体需要时统终端进行控制，需要准备高精度时统设备，成本较高；该方法测量光测设备的时间同步性，对应是否能够进行目标中心时间偏差测量并不明晰；测量精度为1/1000秒，在较高精度测量领域并不适用(如光电经纬仪典型曝光时间1ms，其要求测量精度要远高于1ms)；该方法要求光电设备具有红外设备，并能进行稳定跟踪，同时机载红外合作目标，这些要求对测量设备和实验方案的设计要求均较高。

而相机外同步测量法是一种间接测量方法，相机曝光工作流程如图3所示。相机外同步信号触发后，相机进行曝光，该曝光时刻会有一定的延时；对于不同的设备，器件的响应存在差异，其曝光延迟也不相同。基于上述原因，通过相机外同步测量法测量的不同设备曝光起始偏差误差较大；同时，该方法难以测量目标中心时间偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法，解决现有曝光时间偏差检测方法存在测量精度不高、实验方法复杂、检测代价较为昂贵及目标中心时间偏差难以测量的技术问题。

本发明的技术方案包括如下三个步骤：标校灯测量标准设定、曝光时间偏差模糊度、曝光时间偏差测量。下面对这三个步骤进行详细的解释和说明。

步骤1、标校灯测量标准设定

在标校装置上布置一排LED灯，利用电脉冲驱动LED灯，实现流水灯的效果；使用光电经纬仪拍摄LED流水灯，依次点亮LED灯，保证流水灯中至少有一个灯处于点亮状态，此状态保证流水灯随着时间推进不断将后续的LED点亮，标校灯由多排LED流水灯组成，各排流水灯亮灯的时间可分级设置和同级设置；

分级设置时，低级的流水灯运行一个周期后，上级流水灯点亮一个(进位)，以此类推，上下级灯点亮时间关系如下式所示：

ΔT_i＝ΔT_i+1·l_i+1 (1)

其中，ΔT_i为i级灯亮灯时间，ΔT_i+1为i+1级灯亮灯时间，l_i+1为i+1级灯的数量；

同级设置时，各排流水灯统一运行，逐个点亮，各灯亮灯时间一致，全部亮完为一周期；

拍照后，依据光电经纬仪照片上LED灯具体的亮灯情况并结合每个灯亮的时间即可确定标校装置显示的相对测量时间；LED亮灯时间相同情况下，分级设置方式可显示的曝光时间较长，同时，同级设置可以提高标校装置的时间表示精度。

步骤2、曝光时间偏差模糊度测量

曝光时间偏差模糊度测量指测量大致的曝光时间偏差，该偏差检测需要先测量曝光模糊度时刻即大致的曝光时刻；标校灯的各排流水灯亮灯时间采用分级设置；LED标校灯排列共n级，1到n-1级每级l个灯，第n级2*l个灯；第1级周期最长，以后周期逐级递减，第n级2*l个灯是考虑将最低级的精度尽量提高一些，这里n代表得级数，l代表列数，通过上述设置测量单个设备的曝光模糊度时刻，即大致的曝光时刻；

同时通过调整各级的周期来改变曝光模糊度时刻和精度；第1级到第n级对应的亮灯时间分别为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄...ΔT_n，亮灯位置分别为n₁、n₂、n₃、n₄...n_n。

实际操作注意下级灯全亮后上级灯进位点亮

实际操作时，由于下级灯全亮后进位，上级灯点亮一个，同时相机曝光特点会对已亮的LED都进行曝光，则会产生某级灯亮≥2个，而下一灯全亮的曝光效果；为了能够计算曝光模糊度时刻T_时刻模糊，则找到亮灯≥2个的某级，若亮n_亮个灯则将该级亮灯时间乘以n_亮，对应调整上下各级的亮灯时间；调整后实现1至n-2级亮灯数量为1，n级亮灯数量＜2*l，n-1级亮灯数量为1或2。

由于测量曝光起始偏差，所以设n_n为n级首灯的位置，且n-1级亮灯数量为1或2，其首灯与n级曝光起始对应，则n_n-1为n-1级首灯的位置，其余各级为末灯位置，则曝光模糊度时刻T_时刻模糊为：

T_时刻模糊＝ΔT₁·(n₁-1)+ΔT₂·(n₂-1)+ΔT₃·(n₃-1)+ΔT₄·(n₄-1)+...+ΔT_n·(n_n-1) (2)

采用下式计算曝光模糊度时间T_模糊，指某设备大致的曝光时间，n_n总数为n级的亮灯数：

T_模糊＝ΔT_n·n_n总数 (3)

对于n_设备台设备，n_设备≥2，根据设备照片的时标确定“同时刻”(理论值)拍摄的n_设备张标校灯照片即每台设备对应一张照片，跟据公式(2)分别计算各个设备的曝光模糊度时间T_{时刻模糊1}、T_{时刻模糊2}、...、T_{时刻模糊n}，按照前文描述对标校灯设定进行调整，使n_设备台设备拍摄效果均达到测量要求；以第i台设备为测量基准，则曝光时间偏差模糊度T_{偏差粗值1}、...、T_{偏差粗值n-1}为：

步骤3、曝光时间偏差测量

曝光时间偏差测量包括曝光起始偏差、目标中心时间偏差两个内容。曝光起始偏差测量不同设备相机曝光起始时间的偏差；目标中心时间偏差测量不同设备相机曝光中心时刻的偏差，该测量值主要解决设备观测运动目标时，通常设定曝光过程中图像运动中心为目标位置，该偏差测量值反映不同设备相机对运动中心拍摄的时间偏差。

在曝光时间偏差测量中，将全部LED标校灯调整为一级(同级设置)并依次点亮。点亮时间根据步骤2所得的相机曝光模糊度时间、曝光时间偏差模糊度来设定。

取n_设备-1个|T_偏差粗值|的最大值MAX(|T_{偏差粗值1}|...|T_{偏差粗值n-1}|)，将该值同曝光模糊度时间中最大值MAX(T_模糊1...T_模糊n)进行比较，取两者中较大值作为T_偏差测量，可根据测量结果适当调整T_偏差测量取值直至满足需求为止；将LED灯的点亮时间设置为T_偏差测量/n_LED左右，即ΔT_曝光要略大于T_偏差测量/n_LED，n_LED为LED灯的总数量，如此，相机曝光时间偏差的测量精度可以达到ΔT_曝光；

根据不同设备照片的首灯位置计算曝光起始偏差，选取第i_设备台设备作为测量基准，则第j_设备台设备与第i_设备台设备的曝光起始偏差按照如下方法计算：第j_设备台设备照片首灯为i₁行j₁列，第i_设备台设备照片首灯为i₂行j₂列；

若T_偏差模糊<0，且(i₁-1)·l+j₁＜(i₂-1)·l+j₂或者T_偏差模糊>0，且(i₁-1)·l+j₁＞(i₂-1)·l+j₂时，

T_起始偏差＝((i₁-1)·l+j₁-(i₂-1)·l-j₂)·ΔT_曝光 (5)

若T_偏差模糊<0，且(i₁-1)·l+j₁＞(i₂-1)·l+j₂时，

T_起始偏差＝((i₁-1)*l+j₁-(i₂-1)*l-j₂-n·l)·ΔT_曝光 (6)

若T_偏差模糊>0，且(i₁-1)·l+j₁＜(i₂-1)·l+j₂时，T_起始偏差为

T_起始偏差＝((i₁-1)*l+j₁-(i₂-1)*l-j₂+n·l)·ΔT_曝光 (7)

其余n_设备-2台设备按照相同方法计算T_起始偏差。

目标中心时间偏差需要在曝光起始偏差测量基础上结合相机曝光时间的测量，曝光时间测量方式如下：标校灯中亮灯时间为ΔT_曝光，各行亮灯数量分别为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅...n_n+1，则设备的曝光时间为：

T_曝光＝ΔT_曝光·n₁+ΔT_曝光·n₂+ΔT_曝光·n₃+ΔT_曝光·n₄+...+ΔT_曝光·n_n+1 (8)；

目标中心时间取相机曝光时间中点处，结合曝光起始偏差解算目标中心时间偏差如下：

T_{目标中心时间偏差}＝T_起始偏差+T_曝光j/2-T_曝光i/2 (9)

其中，T_曝光j为第j_设备台设备的曝光时间，T_曝光i为第i_设备台设备的曝光时间，其余n_设备-2台设备按照相同方法计算T_{目标中心时间偏差}即可。

本发明相对现有技术的有效收益

1、本发明提出的标校灯测量方法，采用LED作为光源，直接用待测相机对标校灯进行拍摄，避免了相机外同步测量法这种间接测量的方法误差较大的问题。

2、本发明提出的标校灯测量原理，采用LED作为光源，利用标校灯架对光源进行安装，采用FPGA对光源进行控制，该测量设备结构容易实现，在地面条件下能够方便进行实验，避免角反射体测量法进行机载悬挂，设计和实验的成本比较高的情况。

3、本发明提出的标校灯测量原理，直接将设备相机对标校灯进行拍照，根据图像效果进行测量数据分析，不需要为标校灯购置时统设备，避免角反射体测量法需要为光源配置时统设备，以及时统信号与光电设备需要建立精确的时间同步基准情况。

4、本发明采用的曝光时间偏差检测方式利用整个标校灯的LED作为一级灯(同级设置)，这种方式可以有效提高检测的精度，同时避免多级灯重复闪烁，灯运行位置不易确定的问题。

5、本发明方法运用于实际的曝光时间偏差检测工作中，检测精度高。在具体实施例子中，检测精度为80us，针对具体待测设备，可以调整检测精度，达到10us的检测精度。

附图说明

图1是中心曝光和前沿曝光时间偏差分析示意图；

图2是相机外同步工作流程示意图；

图3是相机曝光工作流程示意图；

图4是本发明LED标校灯测量基本原理示意图；

图5是本发明多级LED灯流水灯装置示意图；

图6是本发明五级时钟闪烁法示意图

图7是本发明五级灯测量数据示意图；

图8是本发明一级灯测量数据示意图；

图9是本发明一级灯测量数据分析；

图10是本发明检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的阐述和说明。

本发明的检测方法流程如图10所示。设定程序对LED标校灯进行电脉冲控制，LED标校灯对应曝光时间偏差模糊度测量、曝光时间偏差测量运行两种工作模式。

本发明采用曝光时间偏差模糊度、曝光时间偏差两种标校灯运行模式来确定相机的曝光时间偏差。

曝光时间偏差模糊度通过多级灯检测多台设备(2台及以上)相机大致的偏差，该偏差用于确立各设备曝光时间的先后，其偏差值用于后续高精度测量偏差值时，标校灯亮灯设置的依据。

曝光时间偏差采用一级灯检测多台设备(2台及以上)相机的曝光起始偏差、目标中心时间偏差。利用曝光时间偏差模糊度检测结果设置一级灯的亮灯时间；在实验数据中检测计算各设备的曝光起始偏差，在此基础上结合各设备的曝光时间，计算出目标中心时间偏差。

实施例1

步骤1、标校灯测量标准设定

在标校装置上布置一排LED灯，利用电脉冲驱动LED灯，实现流水灯的效果，如图4所示。让光电经纬仪拍摄LED流水灯，拍得的照片中至少有一个灯亮，从光电经纬仪照片上LED亮的情况(第几个灯亮了)结合每个灯亮的时间就能确定标校装置显示的相对测量时间。

可以通过多级LED灯流水装置提高标校装置的时间表示精度，如图5所示。

步骤2、曝光时间偏差模糊度测量

这里的曝光时间偏差模糊度测量指测量大致的曝光时间偏差时间。

LED排列如图6所示，共5级，1到4级每级5个灯，第5级10个灯。每一级的周期如图1所示，按照此设计，测量时间模糊度为2000ms，时间精度为320μs。

另外，可以通过调整各级的周期来改变时间模糊度和精度。以图6为例，第1级到第5级对应的亮灯周期分别为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄、ΔT₅，亮灯位置分别为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅，则设备的标校灯时间为：

T＝ΔT₁·(n₁-1)+ΔT₂·(n₂-1)+ΔT₃·(n₃-1)+ΔT₄·(n₄-1)+ΔT₅·(n₅-1) (10)

图7为设备五级灯拍摄效果图，分别为两个设备的拍摄图像数据。

图7中的左边示意图显示，灯组的前4行对应第1～4级，5、6行对应第5级。根据公式

T_时刻模糊＝ΔT₁·(n₁-1)+ΔT₂·(n₂-1)+ΔT₃·(n₃-1)+ΔT₄·(n₄-1)+...+ΔT_n·(n_n-1) (11)且n₅为5级首灯的位置，n₄为4级首灯的位置，计算得设备1(1号车)曝光时刻为1924160us，设备2(6号车)曝光时刻为1923200us，曝光时间偏差模糊度T_偏差模糊为0.96ms(960us)，如表1所示。

表1五级灯测量数据计算

采用下式计算曝光模糊度时间T_模糊1与T_模糊2，n_n总数为n级的亮灯数：

T_模糊＝ΔT_n·n_n总数 (12)

计算得T_模糊1为2560us、T_模糊2为2560us。

步骤3、曝光时间偏差测量

T_模糊1较T_偏差模糊(960us)大，以T_模糊1为基础选择T_偏差测量，这里ΔT_曝光设置为80us，将标校灯30个LED调整为一级，T_偏差测量设置为2400us。

图8为两台设备(1、6号车)一级灯拍摄效果图；灯组各行列设定亮灯时间相同；一级灯主要用于曝光时间检测和时间偏差检测，由于整个灯组作为基础检测单元，不分时间级，其检测精度较高。

由于T_偏差模糊大于0，且起始灯1号车大于6号车，故采用公式

T_起始偏差＝((i₁-1)·l+j₁-(i₂-1)·l-j₂)·ΔT (13)

计算曝光起始偏差T_起始偏差为960us。

设备的曝光时间按照下式：

T_曝光＝ΔT_曝光·n₁+ΔT_曝光·n₂+ΔT_曝光·n₃+ΔT_曝光·n₄+...+ΔT_曝光·n_n+1 (14)

数据如表2所示，数据分析图如图9所示，可以看到在该检测精度条件下，两车曝光时间均为2080us，6号车曝光时间较1号车提前960us。

表2一级灯测量数据计算

目标中心时间取相机曝光时间中点处，结合曝光起始偏差解算目标中心时间偏差按照下式：

T_{目标中心时间偏差}＝T_起始偏差+T_曝光1/2-T_曝光2/2 (15)

目标中心时间偏差T_{目标中心时间偏差}为960us，值与曝光起始偏差相同。

Claims (1)

1.一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、标校灯测量标准设定

在标校装置上布置一排LED灯，利用电脉冲驱动LED灯，实现流水灯的效果；使用光电经纬仪拍摄LED流水灯，依次点亮LED灯，保证流水灯中至少有一个灯处于点亮状态；

所述标校灯由多排LED流水灯组成，各排流水灯亮灯的时间分级设置或同级设置；

分级设置时，低级的流水灯运行一个周期后，上级流水灯点亮一个，以此类推，上下级灯亮灯时间关系如下式所示：

ΔT_i＝ΔT_i+1·l_i+1 (1)

其中，ΔT_i为i级灯亮灯时间，ΔT_i+1为i+1级灯亮灯时间，l_i+1为i+1级灯的数量；

同级设置时，所有流水灯逐个点亮，各灯亮灯时间一致，全部亮完为一周期；

步骤二、曝光时间偏差模糊度测量

曝光时间偏差模糊度测量指测量大致的曝光时间偏差，该偏差检测需要先测量曝光模糊度时刻即大致的曝光时刻；标校灯的各排流水灯亮灯时间采用分级设置；LED标校灯排列共n级，1到n-1级每级l个灯，第n级2*l个灯；第1级周期最长，以后周期逐级递减，第n级2*l个灯是考虑将最低级的精度尽量提高一些，这里n代表得级数，l代表列数，通过上述设置测量单个设备的曝光模糊度时刻，即大致的曝光时刻；

同时通过调整各级的周期来改变曝光模糊度时刻和精度；第1级到第n级对应的亮灯时间分别为ΔT₁、ΔT₂、ΔT₃、ΔT₄...ΔT_n，亮灯位置分别为n₁、n₂、n₃、n₄...n_n；实际操作需要下级灯全亮后上级灯进位点亮，由于下级灯全亮后进位，上级灯点亮一个，同时相机曝光特点会对已亮的LED都进行曝光，则会产生某级灯亮≥2个，而下一级灯全亮的曝光效果；为了能够计算曝光模糊度时刻T_时刻模糊，则找到亮灯≥2个的某级，若亮n_亮个灯则将该级亮灯时间乘以n_亮，对应调整上下各级的亮灯时间；调整后实现1至n-2级亮灯数量为1，n级亮灯数量＜2*l，n-1级亮灯数量为1或2；

由于测量曝光起始偏差，所以设n_n为n级首灯的位置，且n-1级亮灯数量为1或2，其首灯与n级曝光起始对应，则n_n-1为n-1级首灯的位置，其余各级为末灯位置，则曝光模糊度时刻T_时刻模糊为：

T_时刻模糊＝ΔT₁·(n₁-1)+ΔT₂·(n₂-1)+ΔT₃·(n₃-1)+ΔT₄·(n₄-1)+...+ΔT_n·(n_n-1) (2)

采用下式计算曝光模糊度时间T_模糊，指某设备大致的曝光时间，n_n总数为n级的亮灯数：

T_模糊＝ΔT_n·n_n总数 (3)

对于n_设备台设备，n_设备≥2，根据设备照片的时标确定“同时刻”拍摄的n_设备张标校灯照片即每台设备对应一张照片，跟据公式(2)分别计算各个设备的曝光模糊度时间T_{时刻模糊1}、T_{时刻模糊2}、...、T_{时刻模糊n}，通过调整标校灯各级的周期来改变曝光模糊度时刻和精度，使n_设备台设备拍摄效果均达到测量要求；以第i台设备为测量基准，则曝光时间偏差模糊度T_{偏差粗值1}、...、T_{偏差粗值n-1}为：

步骤三、曝光时间偏差测量

曝光时间偏差测量包括曝光起始偏差和目标中心时间偏差的测量；

曝光起始偏差测量不同设备相机曝光起始时间的偏差；

目标中心时间偏差测量不同设备相机曝光中心时刻的偏差，该测量值主要解决设备观测运动目标时，设定曝光过程中图像运动中心为目标位置，该偏差测量值反映不同设备相机对运动中心拍摄的时间偏差；

曝光时间偏差测量中，将全部LED标校灯调整为同级设置并依次点亮，点亮时间根据步骤2所得的相机曝光模糊度时间、曝光时间偏差模糊度来设定；

取n_设备-1个|T_偏差粗值|的最大值MAX(|T_{偏差粗值1}|...|T_{偏差粗值n-1}|)，将该值同曝光模糊度时间中最大值MAX(T_模糊1...T_模糊n)进行比较，取两者中较大值作为T_偏差测量，根据测量结果调整T_偏差测量取值直至满足需求为止；将LED灯的点亮时间ΔT_曝光设置为T_偏差测量/n_LED，即ΔT_曝光要略大于T_偏差测量/n_LED，n_LED为LED灯的总数量，由此相机曝光时间偏差的测量精度达到ΔT_曝光；

根据不同设备照片的首灯位置计算曝光起始偏差，选取第i_设备台设备作为测量基准，则第j_设备台设备与第i_设备台设备的曝光起始偏差按照如下方法计算：第j_设备台设备照片首灯为i₁行j₁列，第i_设备台设备照片首灯为i₂行j₂列；T_偏差模糊为第j_设备台设备相对于第i_设备台设备的T_偏差粗值；

若T_偏差模糊<0，且(i₁-1)·l+j₁＜(i₂-1)·l+j₂或者T_偏差模糊>0，且(i₁-1)·l+j₁＞(i₂-1)·l+j₂时：

T_起始偏差＝((i₁-1)·l+j₁-(i₂-1)·l-j₂)·ΔT_曝光 (5)

若T_偏差模糊<0，且(i₁-1)·l+j₁＞(i₂-1)·l+j₂时：

T_起始偏差＝((i₁-1)*l+j₁-(i₂-1)*l-j₂-n·l)·ΔT_曝光 (6)

若T_偏差模糊>0，且(i₁-1)·l+j₁＜(i₂-1)·l+j₂时：

T_起始偏差＝((i₁-1)*l+j₁-(i₂-1)*l-j₂+n·l)·ΔT_曝光 (7)

其余n_设备-2台设备按照相同方法计算T_起始偏差即可；

目标中心时间偏差需要在曝光起始偏差测量基础上结合相机曝光时间的测量，曝光时间测量方式如下：标校灯中亮灯时间为ΔT_曝光，各行亮灯数量分别为n₁、n₂、n₃、n₄、n₅...n_n+1，则设备的曝光时间为：

T_曝光＝ΔT_曝光·n₁+ΔT_曝光·n₂+ΔT_曝光·n₃+ΔT_曝光·n₄+...+ΔT_曝光·n_n+1 (8)；

目标中心时间取相机曝光时间中点处，结合曝光起始偏差解算目标中心时间偏差如下：

T_{目标中心时间偏差}＝T_起始偏差+T_曝光j/2-T_曝光i/2 (9)

其中，T_曝光j为第j_设备台设备的曝光时间，T_曝光i为第i设备台设备的曝光时间，其余n_设备-2台设备按照相同方法计算T_{目标中心时间偏差}即可。

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