CN114142985B - 一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统及方法 - Google Patents

一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，包括：光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块；光学信号播放模块可播放预先设置的视频；多个光学捕捉与处理模块均可捕捉与处理预先设置的视频的帧；多个光学捕捉与处理模块的帧率均大于光学信号播放模块的帧率；外部的多个物理隔离信息系统中的每一个上至少安装一个光学捕捉与处理模块。本发明通过高帧率的光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块的配合使用，可以自动化和更高精度地实现多个物理隔离信息系统之间的时间同步。

Description

一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统及方法
技术领域
本发明涉及船舶信息系统技术领域，尤其涉及一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统及方法。
背景技术
船舶信息系统属于完全独立又完整的小型电力系统，上层监测和控制功能的实现完全依赖于底层数据的采集，精确与否完全由数据准确性决定。各分信息系统节点之间的协调工作、统一动作必须在高精度时间同步的基础上进行。
然而，现有技术通过人工分别对物理隔离的多个信息系统进行手动的时间设置，自动化程度不高；且受人工手动设置的限制，物理隔离的多个信息系统的时间同步精度较差，最多只能达到毫秒级，不适应更高精度应用的需求。
发明内容
本发明提供了一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统及方法，其目的在于对内部无GPS信号，不允许安装无线射频及通信系统，且需完全物理隔离的多个信息系统间进行更高精度及更自动化的时间同步。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，包括：光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块；
所述光学信号播放模块可播放预先设置的视频；
所述多个光学捕捉与处理模块均可捕捉与处理所述预先设置的视频的帧；
所述多个光学捕捉与处理模块的帧率均大于所述光学信号播放模块的帧率；
外部的多个所述物理隔离信息系统中的每一个上至少安装一个所述光学捕捉与处理模块。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，所述处理所述预先设置的视频的帧包括对帧进行图像检测、判断所述帧是否为预设帧以及设置所述物理隔离信息系统的时间同步基准。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，所述物理隔离信息系统为船舶物理隔离信息系统。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，所述光学信号播放模块的帧率不小于2000帧/秒。
为实现上述目的，第二方面，本发明提供一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，包括如下步骤：
S1.设置光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块的帧率，并对所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频进行预设帧的设置；
S2.捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的帧并对所述帧进行图像检测；
S3.若所检测的帧不是预设帧，则返回到所述捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的帧并对所述帧进行图像检测；若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准；
S4.基于多个所述时间同步基准完成对应的多个所述物理隔离信息系统的时间同步。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，所述预设帧为所述预先设置的视频中的某一个帧，若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准具体为：
所述多个光学捕捉与处理模块均检测到第m帧的所述预设帧，则多个所述光学捕捉与处理模块均以各自检测到此第m帧的时刻为各自的时间同步基准；
其中，m为预设帧的帧编号，则分别代表任意三个编号为A、B、C的光学捕捉与处理模块检测到第m帧的所述预设帧时的时刻。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，所述预设帧为所述预先设置的视频中的某几个连续的帧，若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准具体为：
所述光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设帧，则将所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准设置为
其中，A为任意一个所述光学捕捉与处理模块的编号，为编号为A的光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设帧中的第一个帧的前一帧的时刻，/>为在预先设置的视频的帧中选取连续p个帧的总时间间隔，/>为该连续p个帧的单帧平均时间间隔。
根据本发明提供的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，在初始时设置了光学信号播放模块的帧率后，先进行该帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程，然后再将光学信号播放模块的帧率调高一些，再进行该更高帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程；以此类推，进一步调高光学信号播放模块的帧率，直至达到光学信号播放模块所能达到的最大帧率，得到最大帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)不用人工设置时间，采用自动化图像识别结果进行时间同步。
(2)通过高帧率的光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块的配合使用，实现多个物理隔离信息系统间的更高精度的时间同步，可实现超毫秒甚至微秒级的时间同步。
(3)通过对预设连续帧进行匹配，对多帧计算平均时间间隔，可进一步提高时间同步精度。
(4)通过设置光学信号播放模块的帧率，时间同步精度可根据不同需求进行调整变化。
(5)采用分阶梯时间同步方法，由低到高多步骤设置光学信号播放模块的帧率，可进一步提高本发明时间同步光学方法的稳定性和可操作性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些较佳实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合一些附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在一个实施例中，本发明提供一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，包括：光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块。
所述光学信号播放模块可播放预先设置的视频。此实施例的图中，高速画面播放系统即为所述光学信号播放模块。高速画面播放系统可以采用市场上已有的高速图像播放系统，也可以专门设计高速画面播放系统，比较简单易操作的一种设计方案是高速电机带动的转动图片，通过设置不同的电机转速，可以应对不同精度的时间同步设置需求。并且高速画面播放系统的画面内容即图像帧顺序是预先设置好的，用于后续检测识别后的时间同步。
所述多个光学捕捉与处理模块均可捕捉与处理所述预先设置的视频的帧。此实施例的图中，高速相机和高速视觉处理模块的组合构成了所述光学捕捉与处理模块。高速相机用于捕捉所述预先设置的视频的帧，而高速视觉处理模块则用于处理所述预先设置的视频的帧。
所述多个光学捕捉与处理模块的帧率均大于所述光学信号播放模块的帧率。此实施例中，高速相机的帧率大于高速画面播放系统的帧率。高速画面播放系统的帧率决定了物理隔离的多个信息系统所能达到的时间同步精度，高速画面播放系统的帧率越大，物理隔离的多个信息系统所能达到的时间同步精度就越高。
外部的多个所述物理隔离信息系统中的每一个上至少安装一个所述光学捕捉与处理模块，即至少安装一套高速相机和高速视觉处理模块的组合，位于多个物理隔离信息系统中的光学捕捉与处理模块的时间同步了，其分别对应的多个物理隔离信息系统的时间也就同步了。至少安装一个所述光学捕捉与处理模块，即也可以安装两个或以上数量的所述光学捕捉与处理模块，目的是为了在一个不能正常工作后，其他的能够补上，从而通过冗余增加系统的可靠性。
所述处理所述预先设置的视频的帧包括对图像帧进行图像识别检测、判断所述图像帧是否为预设图像帧以及设置所述物理隔离信息系统的时间同步基准。预设图像帧即为预先设置的视频的帧中取一部分帧作为与其他识别检测到的图像帧进行对比的比对基准。
优选的，所述物理隔离信息系统为船舶物理隔离信息系统。因为，目前没有自动化程度及精度较高的方法解决船舶领域有物理隔离要求的多个信息系统间的时间同步问题。
优选的，所述光学信号播放模块的帧率不小于2000帧/秒，此帧率可以使时间同步精度达到超毫秒级。
如图2所示，在另一个实施例中，本发明提供一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，包括如下S1-S4的步骤：
S1.设置光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块的帧率，并对所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频进行预设图像帧的设置。
S2.捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的图像帧并对所述图像帧进行图像检测。
S3.若所检测的图像帧不是预设图像帧，则返回到上一步S2.捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的图像帧并对所述图像帧进行图像检测；若所检测的图像帧是预设图像帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准。
S4.基于多个所述时间同步基准完成对应的多个所述物理隔离信息系统的时间同步。
当预设图像帧为预先设置的视频中的某一个图像帧时，若所检测的图像帧是预设图像帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准具体为：
多个光学捕捉与处理模块均检测到第m帧的所述预设图像帧，则多个光学捕捉与处理模块均以各自检测到此第m帧的时刻为各自的时间同步基准。
其中，m为预设图像帧的帧编号，分别代表任意三个编号为A、B、C的光学捕捉与处理模块检测到第m帧的所述预设图像帧时的时刻。
由于每个图像帧的时间戳间隔存在一定的波动，因此优选的，预设图像帧为预先设置的视频中的某几个连续的帧。此时，若所检测的图像帧是预设图像帧，则分别设置多个光学捕捉与处理模块的时间同步基准具体为：
光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设图像帧，则将光学捕捉与处理模块的时间同步基准设置为
其中，A为任意一个光学捕捉与处理模块的编号，为编号为A的光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设图像帧中的第一个帧的前一帧的时刻，/>为在预先设置的视频的图像帧中选取连续p个图像帧的总时间间隔，/>为该连续p个图像帧的单帧平均时间间隔。其他光学捕捉与处理模块B、C等通过上述相同算法可得各自的时间同步基准
如此一来，通过与预设的连续图像帧进行匹配，对多帧计算平均时间间隔，可进一步提高时间同步精度。
优选的，在初始时将光学信号播放模块的帧率设置为较低帧率(例如1帧/秒)后，先进行该较低帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程，各光学捕捉与处理模块先将时间同步到秒级精度；然后再将光学信号播放模块的帧率调高一些(例如100帧/秒)，再进行该更高帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程，各光学捕捉与处理模块再将时间同步到10毫秒级精度；以此类推，进一步调高光学信号播放模块的帧率，直至达到光学信号播放模块所能达到的最大帧率(例如10000帧/秒)，得到该最大帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置，此时，各光学捕捉与处理模块最后可将时间同步到100微秒级精度。这种采用分阶梯时间同步的方法，由低到高多步骤设置光学信号播放模块的帧率，可进一步提高本发明时间同步光学方法的稳定性和可操作性。
以上所述仅为本发明的一些较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.设置光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块的帧率，并对所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频进行预设帧的设置；
S2.捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的帧并对所述帧进行图像检测；
S3.若所检测的帧不是预设帧，则返回到所述捕捉所述光学信号播放模块播放的预先设置的视频的帧并对所述帧进行图像检测；若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准；
在所述预设帧为所述预先设置的视频中的某一个帧的情况下，若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准,具体为：
所述多个光学捕捉与处理模块均检测到第m帧的所述预设帧，则多个所述光学捕捉与处理模块均以各自检测到此第m帧的时刻为各自的时间同步基准；
其中，m为预设帧的帧编号，则分别代表任意三个编号为A、B、C的光学捕捉与处理模块检测到第m帧的所述预设帧时的时刻；
S4.基于多个所述时间同步基准完成对应的多个所述物理隔离信息系统的时间同步。
2.根据权利要求1所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，其特征在于，在所述预设帧为所述预先设置的视频中的某几个连续的帧的情况下，若所检测的帧是预设帧，则分别设置多个所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准具体为：
所述光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设帧，则将所述光学捕捉与处理模块的时间同步基准设置为
其中，A为任意一个所述光学捕捉与处理模块的编号，为编号为A的光学捕捉与处理模块检测到k个连续的帧的所述预设帧中的第一个帧的前一帧的时刻，/>为在预先设置的视频的帧中选取连续p个帧的总时间间隔，/>为该连续p个帧的单帧平均时间间隔。
3.根据权利要求1所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，其特征在于，在初始时设置了光学信号播放模块的帧率后，先进行该帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程，然后再将光学信号播放模块的帧率调高一些，再进行更高帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置流程；以此类推，进一步调高光学信号播放模块的帧率，直至达到光学信号播放模块所能达到的最大帧率，得到最大帧率级别的光学捕捉与处理模块的时间同步基准的设置。
4.一种实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，应用如上述权利要求1至3中任一项所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学方法，其特征在于，包括：光学信号播放模块和多个光学捕捉与处理模块；
所述光学信号播放模块可播放预先设置的视频；
所述多个光学捕捉与处理模块均可捕捉与处理所述预先设置的视频的帧；
所述多个光学捕捉与处理模块的帧率均大于所述光学信号播放模块的帧率；
外部的多个所述物理隔离信息系统中的每一个上至少安装一个所述光学捕捉与处理模块。
5.根据权利要求4所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，其特征在于，所述处理所述预先设置的视频的帧包括对帧进行图像检测、判断所述帧是否为预设帧以及设置所述物理隔离信息系统的时间同步基准。
6.根据权利要求4所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，其特征在于，所述物理隔离信息系统为船舶物理隔离信息系统。
7.根据权利要求4所述的实现物理隔离信息系统时间同步的光学系统，其特征在于，所述光学信号播放模块的帧率不小于2000帧/秒。
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