CN113890959A - 一种多模态图像同步采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多模态图像同步采集系统及方法，所述系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑以及多个不同模态的相机；时间服务器与交换机连接，交换机分别与多台电脑连接，每台电脑均与一个相机连接；时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；多台电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；每个相机通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的电脑进行存储；每个相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。本发明通过高精度时间同步方法，可以实现亚毫秒级的时间同步，满足常规多模态图像同步采集的需求。

Description

一种多模态图像同步采集系统及方法
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，尤其涉及一种多模态图像同步采集方法、系统、移动终端及计算机可读存储介质。
背景技术
在计算机视觉领域，为获取更完备的视觉信息，常需多种模态的图像信息，例如可见光图像、红外图像、深度图像等。不同模态的图像信息可以相互补充，达到图像融合增强、提供数据集真值等目的。无论是出于图像融合处理还是获取数据集真值的目的，实现多种模态图像的同步采集是重要前提。
由于图像产生原理的不同，不同模态图像获取设备的触发采集方式、数据量、图像帧率等方面也存在巨大差异，相比于同种模态图像采集，多模态获取设备功能的差异极大地增加了同步采集的难度。多模态图像的同步采集可以通过硬件同步或者软件同步的方式；理论上，硬件同步精度要高于软件同步精度，但硬件同步的前提是所有的图像获取设备必须具备硬件触发功能。然而，并不是所有种类的商用相机都具备硬件触发功能，例如常见的Kinect深度相机、ZED双目相机等，软件同步成为类似不具硬件同步功能相机同步采集的唯一选择。通过软件同时触发不同模态相机进行同步采集是最直接的方式，但由于相机是非实时操作系统，不同类型相机启动采集的延时量不同也不稳定，这会导致同步精度非常低，很难满足同步采集需求。如何实现多模态图像高精度时间同步成为同步采集需要解决的核心问题。除此之外，随着成像技术的发展，图像分辨力、帧率也逐渐升高，这也伴随着数据量的增大；因此，高采集带宽也是多模态图像同步采集系统需要同时解决的问题。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多模态图像同步采集方法、系统、移动终端及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中多模态图像无法实现高度同步以及高采集带宽的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种多模态图像同步采集系统，其中，所述多模态图像同步采集系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑以及多个不同模态的相机；
所述时间服务器与所述交换机连接，所述交换机分别与多台所述电脑连接，每台所述电脑均与一个所述相机连接；
所述时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；
多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，多台所述电脑通过所述交换机连接所述时间服务器以实现操作系统时间与标准时间的高精度同步。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，不同模态的相机所使用的图像采集软件不同。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，多台所述电脑分散式采集不同模态的图像。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，所述时间服务器采用带NTP功能的时间服务器。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，所述交换机采用多通道交换机。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，所述电脑安装windows系统。
可选地，所述的多模态图像同步采集系统，其中，所述多个不同模态的相机用于获取不同模态的图像。
为实现上述目的，本发明提供基于所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其中，所述多模态图像同步采集方法包括：
多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，并触发每个所述相机开启图像连续采集；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集每一帧图像，同时记录采集时刻的时间戳；
每个所述相机将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储，并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
可选地，所述的多模态图像同步采集方法，其中，所述多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，具体包括：
基于网络时间协议测量每台所述电脑与所述时间服务器的时间差；
暂停一预设时间后，通过应用程序接口函数调整系统参考时钟频率。
可选地，所述的多模态图像同步采集方法，其中，所述调整系统参考时钟频率具体为：
fs＝f0Tp/(Tp+k△T)；
其中，fs表示系统调整后的时钟频率，f0表示系统参考时钟频率，Tp表示暂停的预设时间，△T表示每台所述电脑与所述时间服务器的时间差，k表示比例系数，且0<k<1。
可选地，所述的多模态图像同步采集方法，其中，通过调整所述系统参考时钟频率实现亚毫秒级的时间同步。
可选地，所述的多模态图像同步采集方法，其中，多个所述相机同步采集的图像间的时间差小于1帧图像的时间间隔。
本发明公开了一种多模态图像同步采集系统及方法，所述系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑以及多个不同模态的相机；所述时间服务器与所述交换机连接，所述交换机分别与多台所述电脑连接，每台所述电脑均与一个所述相机连接；所述时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；每个所述相机通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储；每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。本发明通过高精度时间同步方法，可以实现亚毫秒级的时间同步，满足常规多模态图像同步采集的需求。
附图说明
图1是本发明多模态图像同步采集系统的较佳实施例的原理示意图；
图2是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例的流程图；
图3是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中实现操作系统时间与标准时间的高精度同步的流程图；
图4是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中采用Kinect深度和ZED双目两种模态相机同步采集系统照片的示意图；
图5是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中实现亚毫秒级高精度时间同步软件的界面示意图；
图6是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中软件同步精度测试效果的示意图；
图7是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中时间同步精度统计计算结果的示意图；
图8是本发明多模态图像同步采集方法的较佳实施例中Kinect深度与Zed双目图像同步效果对比的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明较佳实施例所述的多模态图像同步采集系统，如图1所示，所述多模态图像同步采集系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑(电脑1、电脑2…电脑N)以及多个不同模态的相机(相机1、相机2…相机N)。
具体地，所述时间服务器与所述交换机连接，所述交换机分别与多台所述电脑(即电脑1、电脑2…电脑N)连接，每台所述电脑均与一个所述相机连接，例如电脑1与相机1连接，电脑2与相机2连接，…，电脑N与相机N连接；所述时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；多台所述电脑(电脑1、电脑2…电脑N)通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；每个所述相机(相机1、相机2…相机N)通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储，例如相机1通过对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的电脑1进行存储，相机2通过对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的电脑2进行存储，…，相机N通过对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的电脑N进行存储；多台所述电脑(电脑1、电脑2…电脑N)通过所述交换机连接所述时间服务器以实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
上述多模态图像同步采集采用多台电脑分散式采集不同模态的图像，可以减轻大数据量采集储存压力，并且可以实现灵活组网，可扩展性强；另外，采用此方式还可以充分利用不同商业相机的图像采集软件，实现多模态图像同步采集系统的快速搭建。
其中，多个相机是不同模态的，不同模态是指每种相机采集的图像类型不同。
不同模态的相机使用的图像采集软件是不一样的，可以利用对应商家提供的采集软件，也可利用商家提供的软件开发包自己设计，无论哪种方式，需要最终采集到的图像带有时间戳信息。
其中，所述时间服务器采用带NTP功能的时间服务器，例如所述时间服务器采用商用恒温晶振式NTP服务器，但不限于商用恒温晶振式NTP服务器，即具有带NTP功能的时间服务器模块即可。
其中，所述交换机采用多通道交换机，例如所述交换机采用TP-LINK 8通道交换机，但不限于TP-LINK 8通道交换机，其他型号的交换机亦可。
其中，所述电脑安装windows系统，例如所述电脑安装windows10系统，但不限于windows10系统，其他windows系统亦可。
其中，所述多个不同模态的相机用于获取不同模态的图像，例如所述相机包括Kinect深度相机和ZED双目相机，本发明不限于这两种相机，其他模态的相机亦可，Kinect深度相机不具有硬件触发采集功能，仅仅提供了软件触发采集功能，可以输出深度图像；ZED双目相机不具有硬件触发采集功能，仅仅提供了软件触发采集功能，可以同步输出含左、右相机的图像。
进一步地，基于所述的多模态图像同步采集系统，本发明还提供一种多模态图像同步采集方法，本发明较佳实施例所述的多模态图像同步采集方法，如图2所示，所述多模态图像同步采集方法包括以下步骤：
步骤S10、多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，并触发每个所述相机开启图像连续采集；
步骤S20、每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集每一帧图像，同时记录采集时刻的时间戳；
步骤S30、每个所述相机将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储，并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
具体地，所述多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，具体包括：基于网络时间协议测量每台所述电脑与所述时间服务器的时间差；暂停一预设时间后，通过应用程序接口函数调整系统参考时钟频率。
其中，所述调整系统参考时钟频率具体为：
fs＝f0Tp/(Tp+k△T)；
其中，fs表示系统调整后的时钟频率，f0表示系统参考时钟频率，Tp表示暂停的预设时间，△T表示每台所述电脑与所述时间服务器的时间差，k表示比例系数，且0<k<1。
也就是说，操作系统时间与时间服务器的高精度同步是实现同步采集的关键步骤之一，对于windows操作系统，其自带的NTP(Network Time Protocol，用来使计算机时间同步化的一种协议)同步服务精度一般在几十ms以上，同步精度差。为实现高精度同步，本发明可以实现亚毫秒级时间同步，如图3所示，方法步骤包括：首先通过windows系统网络时间协议(NTP)测量电脑与时间服务器的时间差△T；然后暂停一段时间Tp(例如1秒)；接着通过windows系统API(Application Programming Interface，应用程序接口)函数SetSystemAdjustment将系统参考时钟频率f0调整为fs，且满足fs＝f0Tp/(Tp+k△T)，(0<k<1)。
通过上述高精度时间同步方法，容易实现亚毫秒级的时间同步，这对于帧率从几十到上千帧的多模态图像，都可以达到同步精度不超过1帧的效果，满足常规多模态图像同步采集的需求。
为更清楚地说明上述系统及方法，实际搭建了如图4所示的多模态图像采集系统：采用了两种仅由软件触发采集功能商用相机，例如Kinect深度相机(相机1)和ZED双目相机(相机2)，电脑1和电脑2安装windows10系统，时间服务器采用商用恒温晶振式NTP服务器，交换机采用TP-LINK 8通道交换机，Kinect深度相机(相机1)和和电脑1连接，ZED双目相机(相机2)和电脑2连接，电脑1和电脑2均与交换机连接，交换机与时间服务器连接。
根据图3所示高精度同步原理设计了如图5所示的亚毫秒级高精度时间同步软件，如图5所示，当选择NTP选项时，可以实时显示操作系统时间与时间服务器的时间偏差；同时选择Autoadjust(自动调节)选项时，可以自动对操作系统时间进行高精度同步调整。对所设计的同步软件进行了时间同步精度测试，结果如图6所示，在启动Autoadjust选项后，系统时间可以快速实现与时间服务器的同步，并且能持续地能保证时间同步的稳定性。通过对同步误差的统计分析，从图7可以看出所提出的方法同步精度高于0.2ms。
电脑1和电脑2通过时间同步软件(即同步算法软件)与时间服务器进行时间同步后，分别开启对Kinect深度相机的深度图像和ZED双目相机的双目图像的连续采集，例如采集帧率为30fps(frame per second，每秒传输帧数)。两种模态图像的同步采集效果如图8所示显示：图中运动的物体为一支自由落体的笔，将最邻近时间戳的两种图像进行对比(相邻时刻左右图像对比时间戳)，从自由落体的笔与背景的位置关系可以看出，两种图像的采集是同步的；从图像记录的绝对时间上看，两者存在固定的8～9ms的时间记录差，这主要是由于两种相机软件触发采集时刻、及触发到采集的延时不同造成的，这对于此类商用的不同模态的相机是难以避免的，但这种时间差不会超过1帧的时间间隔，相机的采集帧率越高，将更有利于减少这种时间差。
不同模态图像采集设备(例如不同模态的相机)属于异质系统(具有不同性质的系统)，触发采集方式、数据量、图像帧率等存在巨大差异，要实现多模态图像的同步采集，大数据量及时间对齐是两大难题。本发明所提出的同步采集系统与方法，利用分散式采集方式缓解数据存储压力，容易实现任意模态图像采集的扩展；利用高精度时间同步算法，实现多模态采集设备时钟的同步，再利用邻近时间戳实现来多模态图像的帧同步，将不同模态图像采集设备软件触发延迟不可控的影响降低到了单帧同步误差，本发明为快速搭建多模态同步系统提供了一种简易系统和方法。
综上所述，本发明提供一种多模态图像同步采集系统及方法，所述系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑以及多个不同模态的相机；所述时间服务器与所述交换机连接，所述交换机分别与多台所述电脑连接，每台所述电脑均与一个所述相机连接；所述时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；每个所述相机通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储；每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。本发明通过高精度时间同步方法，可以实现亚毫秒级的时间同步，满足常规多模态图像同步采集的需求。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (13)

1.一种多模态图像同步采集系统，其特征在于，所述多模态图像同步采集系统包括：时间服务器、交换机、多台电脑以及多个不同模态的相机；
所述时间服务器与所述交换机连接，所述交换机分别与多台所述电脑连接，每台所述电脑均与一个所述相机连接；
所述时间服务器用于提供高精度、高稳定的标准时间；
多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集和存储每一帧图像的同时记录采集时刻的时间戳；并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
2.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，多台所述电脑通过所述交换机连接所述时间服务器以实现操作系统时间与标准时间的高精度同步。
3.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，不同模态的相机所使用的图像采集软件不同。
4.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，多台所述电脑分散式采集不同模态的图像。
5.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，所述时间服务器采用带NTP功能的时间服务器。
6.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，所述交换机采用多通道交换机。
7.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，所述电脑安装windows系统。
8.根据权利要求1所述的多模态图像同步采集系统，其特征在于，所述多个不同模态的相机用于获取不同模态的图像。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其特征在于，所述多模态图像同步采集方法包括：
多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，并触发每个所述相机开启图像连续采集；
每个所述相机通过各自对应的图像采集软件在采集每一帧图像，同时记录采集时刻的时间戳；
每个所述相机将采集的图像数据发送给对应连接的所述电脑进行存储，并通过最邻近时间戳实现多模态图像的时间同步。
10.根据权利要求9所述的基于所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其特征在于，所述多台所述电脑通过同步算法软件实现操作系统时间与标准时间的高精度同步，具体包括：
基于网络时间协议测量每台所述电脑与所述时间服务器的时间差；
暂停一预设时间后，通过应用程序接口函数调整系统参考时钟频率。
11.根据权利要求10所述的基于所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其特征在于，所述调整系统参考时钟频率具体为：
fs＝f0Tp/(Tp+k△T)；
其中，fs表示系统调整后的时钟频率，f0表示系统参考时钟频率，Tp表示暂停的预设时间，△T表示每台所述电脑与所述时间服务器的时间差，k表示比例系数，且0<k<1。
12.根据权利要求11所述的基于所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其特征在于，通过调整所述系统参考时钟频率实现亚毫秒级的时间同步。
13.根据权利要求11所述的基于所述多模态图像同步采集系统的多模态图像同步采集方法，其特征在于，多个所述相机同步采集的图像间的时间差小于1帧图像的时间间隔。
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