CN115297250B - 图像采集装置、方法、电子设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供的图像采集装置、方法、电子设备及存储介质，属于图像技术领域，包括：滤光设备、成像设备和控制设备；所述控制设备用于接收所述滤光设备发送的驱动信息，并根据所述驱动信息控制所述滤光设备的滤光波段调节，以及触发所述成像设备进行图像采集，所述驱动信息是基于所述滤光设备的滤光波段调节确定的；所述滤光设备内置于所述成像设备中，用于对所述成像设备滤光处理。本发明提供的图像采集装置、方法、电子设备及存储介质，通过设置独立的滤光设备，能够在不移动成像设备的情况下，自动更换滤光设备的滤光片的波长，从而使得拍摄的不同波段的相片的均在同一光路上，无需额外的配置调整。

Description

图像采集装置、方法、电子设备及存储介质

技术领域

本发明涉及图像技术领域，尤其涉及图像采集装置、方法、电子设备及存储介质。

背景技术

多光谱成像技术增强了多种行业应用的感知能力，在农业、医疗等领域发挥重要作用。

目前，常使用安装有不同滤光片的相机或互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS）感光芯片和独立的热红外相机指向同一目标拍摄，通过近似的光路及不可控的时序间隔获取相应多光谱成像数据。

然而，上述方法会造成拍摄的相片光路不一致，需后期对相片的配置调整。

发明内容

本发明提供的图像采集装置、方法、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中拍摄的相片光路不一致的缺陷，实现拍摄相片的光路一致。

本发明提供一种图像采集装置，包括：

滤光设备、成像设备和控制设备；

所述控制设备用于接收所述滤光设备发送的驱动信息，并根据所述驱动信息控制所述滤光设备的滤光波段调节，以及触发所述成像设备进行图像采集；所述驱动信息是基于所述滤光设备的滤光波段调节确定的；

所述滤光设备内置于所述成像设备中，用于对所述成像设备滤光处理。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述滤光设备，包括滤光轮、无刷电机和采集模块；

所述无刷电机的驱动轴连接所述滤光轮，用于驱动所述滤光轮转动；

所述采集模块，用于采集所述驱动信息，并将所述驱动信息发送至所述控制设备；

所述控制设备，具体用于根据所述驱动信息，控制所述无刷电机的转速，并触发所述成像设备进行图像采集，所述转速与所述成像设备的图像采集频率对应。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述驱动信息包括所述无刷电机的相电流、转速信息和位置信息；所述位置信息为所述无刷电机的旋转角度；

所述控制设备，具体用于根据所述相电流、转速信息和位置信息，生成触发信号和所述无刷电机的控制信号，所述触发信号用于触发所述成像设备进行图像采集，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述控制设备，具体用于以预设频率执行以下操作：

将所述相电流进行克拉克变换，获取第一电流信息；

基于所述位置信息，对所述第一电流信息进行派克变换，获取第二电流信息；

根据电流期望值与所述第二电流信息，获取补偿电流差；所述电流期望值是基于所述转速信息确认的；

根据所述补偿电流差，确定补偿电压，以根据所述补偿电压，生成所述控制信号。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述采集模块包括编码器，所述编码器用于采集所述无刷电机的位置信息；

所述控制设备，还用于根据所述位置信息，对所述无刷电机的转速进行验证。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述成像设备，包括图像传感器和镜头；

所述滤光轮设置于所述图像传感器和所述镜头之间；

所述滤光轮上设有多个波段的滤光片，每个滤光片通过所述滤光轮的旋转调整位置，用于对从所述镜头到所述图像传感器的光线进行分光处理。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述装置还包括至少一个目标相机，目标相机是除所述成像设备之外的相机；

所述触发信号，还用于触发每个目标相机进行图像采集。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述装置还包括上位机，所述上位机分别与所述成像设备和所述控制设备通信连接；

所述上位机用于接收所述成像设备采集的光谱图像；

还用于接收所述控制设备发送的每个光谱图像的参数信息，并通过所述参数信息确定每个光谱图像的光谱通道；

所述参数信息包括：时间戳、曝光时间和增益；所述参数信息是由所述成像设备进行图像采集时发送至所述控制设备的；

所述时间戳是基于所述位置信息确定的；

所述光谱通道是基于所述滤光片的波段确定的。

根据本发明提供的一种图像采集装置，所述上位机还与所述每个目标相机通信连接；用于接收所述每个目标相机采集的图像数据；

将所述图像数据与所述光谱图像进行时序同步。

本发明还提供的一种图像采集方法，包括：

接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的；

在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号；

将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

根据本发明提供的一种图像采集方法，所述无刷电机的转速是基于以下方法控制的：

接收所述无刷电机的相电流和转速信息；

根据所述相电流、转速信息和位置信息，生成所述无刷电机的控制信号，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速。

根据本发明提供的一种图像采集方法，在所述生成触发信号之后，还包括：

将所述触发信号发送至每个目标相机的光耦隔离输入端，以触发所述每个目标相机采集图像数据；所述图像数据与所述光谱图像时序同步。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述图像采集方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述图像采集方法。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述图像采集方法。

本发明提供的图像采集装置、方法、电子设备及存储介质，通过设置独立的滤光设备，能够在不移动成像设备的情况下，自动更换滤光设备的滤光片的波长，从而使得拍摄的不同波段的相片的均在同一光路上，无需额外的配置调整。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的图像采集装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的图像采集装置的结构示意图之二；

图3是本发明提供的图像采集方法的流程示意图；

图4是本发明提供的电子设备的结构示意图。

附图标记：

100：图像采集装置；110：滤光设备；120：成像设备；130：控制设备。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

通过分光棱镜式多光谱相机或多线多光谱相机与热红外相机组合的方法，对取景对象，可以获取存在视觉差异的多光谱图像和时序不可同步的热成像数据；也存在使用手动或简易电动滤波轮式多光谱相机与热红外相机组合采集的方法，通过人工转动或低速电动转动获取多光谱和热红外成像数据。

现有独立热红外相机与多CMOS式或分光棱镜式、手动或简易电动滤光轮式多光谱相机组合获取数据的装置及方法，存在先天性制约，一个相机多个镜头多镜头会造成光路不一致，存在配准制约；分光棱镜式多光谱存在因棱镜光学特性导致的波段较少且单一的问题；手动或简易电动滤光轮式多光谱相机存在采集效率低、帧率低下且不可控的缺点。

同时独立的热红外相机与光谱系统无法实现精密的时序同步，存在时间变化导致的数据准确性问题；且常用多CMOS多光谱相机并发数据量巨大，有限处理性能下无法实现高帧率获取数据，不具备实时多源数据融合和边缘计算的先决条件。

本发明提供一种严格精密闭环控制的滤光轮式多光谱及热红外成像装置，电机控制滤光片高速精准旋转并与相机或CMOS/CCD驱动电路形成实时触发同步，同时通过通用输入输出（General Purpose Input Output，GPIO）接口对热红外相机/模组形成严格的时序同步，光路一致性极高的多光谱和同步采集的热红外成像数据，并通过精密闭环控制带来的高帧率低延时特性为稳定的边缘计算和多源数据实时融合提供支持。

下面结合图1至图4描述本发明的实施例所提供的图像采集装置、方法、电子设备及存储介质。

图1是本发明提供的图像采集装置的结构示意图之一，如图1所示，图像采集装置100包括但不限于以下结构：

滤光设备110、成像设备120和控制设备130；

所述控制设备130用于接收所述滤光设备110发送的驱动信息，并根据所述驱动信息控制所述滤光设备110的滤光波段调节，以及触发所述成像设备120进行图像采集；所述驱动信息是基于所述滤光设备的滤光波段调节确定的；

所述滤光设备110，用于对所述成像设备进行分光处理。

其中，滤光设备110可以设置在成像设备120和拍摄目标之间，用于对进入成像设备的光线进行分光处理，以选取所需辐射波段。滤光设备110对光线波段的过滤可以选择或调节。

拍摄目标为待拍摄的对象，其状态可以是静止的，也可以是运动的。

成像设备120可以为CMOS或电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）等工业相机。

控制设备130可以为51单片机或STM32单片机等微控制单元（MicrocontrollerUnit，MCU），也可以为数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片等具有控制功能的嵌入式芯片，在本发明后续实施例中均以MCU控制为例进行说明，其不视为对本发明保护范围的限定。

驱动信息可以包括滤光设备在调节滤光波段的过程中，滤光设备的各个滤光部件的位置信息，以及滤光部件的调节速度。滤光部件可以为窄带滤光片。

具体地，滤光设备调节滤光波段的过程中，在控制设备130根据滤光部件的位置信息，确定滤光部件与成像设备120的光路的位置关系，若滤光部件位于光路上，则控制设备130向成像设备120发送触发信号，以触发成像设备120对拍摄目标进行图像采集，能够实现自动成像精确对准。

成像设备和拍摄目标均不动，通过滤光设备中的滤光部件切换了各个不同的波段通道，成像设备和拍摄目标均没有发生位置上改变，进而采集的图像在同一个位置拍摄且相对应的，因此光路是一致的。

本发明提供的图像采集装置，通过设置滤光设备，能够在不移动成像设备的情况下，自动更换滤光设备的滤光片的波长，从而使得拍摄的不同波段的相片的均在同一光路上，无需额外的配置调整。

可选地，所述滤光设备，包括滤光轮、无刷电机和采集模块；

所述无刷电机的驱动轴连接所述滤光轮，用于驱动所述滤光轮转动；

所述采集模块，用于采集所述驱动信息，并将所述驱动信息发送至所述控制设备；

所述控制设备，具体用于根据所述驱动信息，控制所述无刷电机的转速，并触发所述成像设备进行图像采集，所述转速与所述成像设备的图像采集频率对应。

高速的拍摄可以有效地规避光环境的变化，也对运动过程中物体的拍摄具有重要意义，而滤光设备中高速转动的电机很难实现精准控制。例如，电机的转速可以达到每秒钟20转，甚至每秒钟30转。

步进电机容易丢步，丢步的累积会导致误差越来越大，控制不精准；而伺服电机体积大且造价高昂，并不适应于与成像设备成套使用，因此，本发明选用小体积的无刷电机，能够在高速运转的条件下实现精准控制。

滤光轮上可以设置多个不同波段的窄带滤光片，滤光轮的中心轴连接无刷电机的驱动轴，通过驱动轴带动滤光轮沿中心轴转动，在滤光轮转动的过程中，滤光轮上每个窄带滤光片的位置也会发生改变。

在滤光轮上的所需波段的滤光片旋转至正对着成像设备的光路的位置时，MCU触发成像设备对拍摄目标进行图像采集，进而确保能够采集到所需的光谱图像。

其中，可以根据对拍摄目标的图像采集的频率需求，通过MCU控制无刷电机的转速，也可以根据无刷电机的转速，通过MCU控制图像采集频率；其中，无刷电机的转速越高，图像采集频率越高，反之亦然。

控制设备130利用磁场定向控制/矢量变频闭环控制（Field-Oriented Control，FOC）方法对高速旋转的无刷电机进行精准控制，进而控制滤光轮上滤光部件的位置，实现无刷电机带动滤光轮的高速稳定旋转和精准位置信息反馈。

采集模块可以包括位置编码器，以及MCU外接的采样电流电路和晶振电路；其中，位置编码器用于采集无刷电机的转动位置，即电机转子的转动角度θ，采样电流电路用于对无刷电机的相电流进行采样监测，晶振电路用于对采集模块提供时钟信号；采集模块可以根据电机的转动位置和时钟信号，得到无刷电机的转速，也可以通过转速传感器测得。

位置编码器可以为磁电编码器或光电编码器，用于记录无刷电机转动的角度。位置信息可以是编码器随时间推移采集的所有无刷电机的驱动轴的转动角度。

接着，可以将位置信息、相电流和转速的组合，作为驱动信息。

根据本发明提供的图像采集装置，MCU和编码器无刷电机组成旋转装置，通过精密FOC控制实现精准控制无刷电机带动滤光轮高速转动、动态响应及位置反馈，进而控制成像设备对拍摄目标的高速的多光谱图像采集。

可选地，所述驱动信息包括所述无刷电机的相电流、转速信息和位置信息；所述位置信息为所述无刷电机的旋转角度；

所述控制设备，具体用于根据所述相电流、所述转速信息和所述位置信息，生成触发信号和所述无刷电机的控制信号，所述触发信号用于触发所述成像设备进行图像采集，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速。

MCU可以根据所述相电流、转速信息和位置信息，通过速度环、电流环和位置环，调节无刷电机的驱动电压，进而可以实现无刷电机转速的精准闭环控制，驱动电压与无刷电机的转速成正相关。

在根据位置信息识别到滤光轮上的滤光片处于工业相机的光路上的情况下，生成触发信号，以触发工业相机对拍摄目标进行图像采集，以得到完整的光谱图像。

根据本发明提供的图像采集装置，通过对无刷电机进行信息采集，利用闭环控制生成调节无刷电机驱动电压的控制信号，进而实现对高速转动时电机转速的调节，同时触发工业相机工作，避免了滤光轮上的非滤光片部分对工业相机光路的遮挡。

可选地，所述控制设备，具体用于以预设频率执行以下操作：

将所述相电流进行克拉克变换，获取第一电流信息；

基于所述位置信息，对所述第一电流信息进行派克变换，获取第二电流信息；

根据电流期望值与所述第二电流信息，获取补偿电流差；所述电流期望值是基于所述转速信息确认的；

根据所述补偿电流差，确定补偿电压，以根据所述补偿电压，生成所述控制信号。

预设频率可以是MCU接收编码器发送的位置信息的频率，相电流和转速信息的采集频率也可以为预设频率。

其中，相电流包括无刷电机的三相电流，分别为a相、b相和c相的电流i _a、i _b和i _c；速度信息为无刷电机的驱动轴的角速度ω。

首先，在电流环中，采样电流电路对无刷电机的相电流进行采集，可以得到i _a、i _b和i _c；

其次，通过克拉克（Clarke）变换，将i _a、i _b和i _c转换到α-β坐标系上，得到i _α和i _β，作为第一电流信息；

接着，通过位置编码器可以采集到的转子的位置θ；转子的位置即为无刷电机的位置信息；

根据转子的位置θ，进行派克（Park）变换，把i _α和i _β变换到d-q坐标系上，得到i _d和i _q，作为第二电流信息；

再将i _d和i _q，以及对应的电流期望值I _{D_REF}和I _{Q_REF}分别输入至差值计算器，将i _d和i _q分别与电流期望值I _{D_REF}和I _{Q_REF}作对比，能够得到i _d和i _q的补偿信号；分别将这两个补偿信号发送至两个不同的比例积分（Proportional Integral，PI）调节器中，进而计算输出应该补偿的电压V _q和V _d，将这两个电压进行Park逆变换，得到V _α和V _β，再对V _α和V _β进行Clarke逆变换，得到V _a、V _b和V _c，利用三相电桥对V _a、V _b和V _c这三个电压进行脉冲宽度调制（Pulse WidthModulation，PWM）波调制，生成无刷电机的控制信号，持续对无刷电机的相电流进行采集，实现对无刷电机闭环控制。

其中，I _{Q_REF}是在速度环中，根据转子的角速度ω确定的，具体地，将速度期望值ω_REF和转子的角速度ω输入至差值计算器，可以得到ω的补偿信号，将这个补偿信号发送至比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）调节器中，进而计算输出电流期望值I _{Q_REF}；另外，可以令I _{D_REF}=0。

速度期望值ω_REF是在位置环中，根据编码器采集的转子的位置θ确定的，具体地，将位置期望值θ _REF和转子的位置θ输入至差值计算器，可以得到θ的补偿信号，将这个补偿信号发送至PID调节器中，进而计算输出速度期望值ω_REF。

根据本发明提供的图像采集装置，通过对无刷电机的精准闭环控制，实现滤光轮式多光谱相机的高帧率和高质数据获取，在出现干扰的情况下也可以通过闭环控制实现规避误差，具备抗干扰能力。

可选地，所述采集模块包括编码器，所述编码器用于采集所述无刷电机的位置信息；

所述控制设备，还用于根据所述位置信息，对所述无刷电机的转速进行验证。

MCU可以根据编码器采集的新的位置信息θ，与位置期望值θ _REF进行对比验证；也可以根据编码器采集的位置信息θ计算无刷电机的角速度ω，并与速度期望值ω_REF进行对比验证，以形成对无刷电机的精准闭环控制。

根据本发明提供的图像采集装置，通过编码器采集的位置信息对闭环调节的结果进行验证，形成一个完整的闭环控制。

可选地，所述成像设备，包括图像传感器和镜头；

所述滤光轮设置于所述图像传感器和所述镜头之间；

所述滤光轮上设有多个波段的滤光片，每个滤光片通过所述滤光轮的旋转调整位置，用于对从所述镜头到所述图像传感器的光线进行分光处理。

工业相机的相机本体中内置有图像传感器，且滤光轮设置于工业相机的图像传感器和镜头之间，镜头的焦距、光圈等参数均可根据使用场景的光线和与拍摄目标的距离进行调整更换；图像传感器的曝光时间可以根据使用场景光线强弱确定，光线越强则曝光时间越短，光线越弱则曝光时间越长。

工业相机的相机本体先连接滤光轮，再与C/CS卡口镜头连接，通过无刷电机带动滤光轮旋转，使得滤光轮上的每个滤光片均能转动到工业相机的光路上，进而在进行光谱图像采集时，对从镜头到图像传感器的光线进行分光处理，避免了滤光轮上的非滤光片部分对工业相机光路的遮挡。

根据本发明提供的图像采集装置，通过无刷电机带动滤光轮高速旋转，进而带动滤光片的波段精准切换，实现单一工业相机的光谱响应频段划分，具有自由度高，可按需选择光谱频段，同时在不同的使用场景下均能获取更高质量的数据或得到更高的采集帧率。

可选地，所述装置还包括至少一个目标相机，目标相机是除所述成像设备之外的相机；

所述触发信号，还用于触发每个目标相机进行图像采集。

目标相机可以为：热成像相机、RGB相机或偏振相机等除工业相机之外且具备光耦隔离输入的相机设备。

每个目标相机的光耦隔离输入端，均可以通过SPI/IIC总线直接连接至MCU的GPIO接口上，也可以通过驱动板直接提供USB数据链路与MCU进行连接，由MCU控制每个目标相机和工业相机的采集时序，在同一时间，MCU将每个相机的触发信号分别发送至对应的目标相机与工业相机，实现高同步性的数据采集。

MCU可以通过编码器得到滤光轮上每个滤光片的位置，再生成工业相机以及每个目标相机的触发信号，并通过光耦隔离等方式提供稳定的信号输出，触发信号可根据相机设备的种类不同自行设置触发波形，例如上升沿触发或下降沿触发分别对应不同的触发波形。

若相机发生一定的振动或位置移动，再次拍摄时会存在拍摄位置角度的偏移，导致光路不一致。MCU也可根据相机类型调整触发信号输出的时长及次数，以供工业相机和每个目标相机分别对接收到的触发信号进行验证，实现触发消抖，避免出现误判信号等电气干扰。

根据本发明提供的图像采集装置，通过MCU的I/O接口实现对多个相机的精准时序同步控制。

可选地，所述装置还包括上位机，所述上位机分别与所述成像设备和所述控制设备通信连接；

所述上位机用于接收所述成像设备采集的光谱图像；

还用于接收所述控制设备发送的每个光谱图像的参数信息，并通过所述参数信息确定每个光谱图像的光谱通道；

所述参数信息包括：时间戳、曝光时间和增益；所述参数信息是由所述成像设备进行图像采集时发送至所述控制设备的；

所述时间戳是基于所述成像设备的成像时间确定的；

所述光谱通道是基于所述滤光片的波段确定的。

上位机可以为ARM/X86架构的计算机，通过高速串行计算机扩展总线标准（Peripheral Component Interconnect Express，PCIE）通道转接通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）或1/2.5/5/10Gbps网卡，分别与成像设备和MCU通信连接，通过高达40Gbps的高带宽传输链路实现高并发海量数据传输与处理，实现数据高并发传输。通过PCIE扩展USB或网络接口，提供了高并发海量数据的传输能力，相对于现有网络交换机扩展或通用串行总线集线器（Universal Serial Bus Hub，USB-Hub）方案大大降低了延时，提高了传输带宽。

上位机程序通过工业相机数据水印中的触发计数，实现光谱图像与滤光片的一一对应，即实现多光谱成像。

上位机在根据回调事件，确定接收到工业相机拍摄的光谱图像后，对该光谱图像进行处理，通过光谱图像中的触发计数，识别该光谱图像对应的光谱通道，并将时间戳、曝光时间和增益等参数信息记录在光谱图像的文件中并保存，周而复始实现高速多光谱成像。

其中，一个滤光片对应一个光谱通道，时间戳记录了拍摄该光谱图像的世界时间。

根据本发明提供的图像采集装置，通过将拍摄的光谱图像与通道进行对应，实现光谱图像的光谱通道的区分。

可选地，所述上位机还与所述每个目标相机通信连接；用于接收所述每个目标相机采集的图像数据；

将所述图像数据与所述光谱图像进行时序同步。

MCU的GPIO接口分别连接工业相机和每个目标相机的光耦隔离输入端，通过向光耦隔离输入端发送触发信号，以触发各相机同时对拍摄目标进行图像采集，实现数据的时序同步获取。

上位机还可以通过高速串行计算机扩展总线标准（Peripheral ComponentInterconnect Express，PCIE）通道转接通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）或1/2.5/5/10Gbps网卡，分别与每个目标相机通信连接。

例如，在目标相机为热成像相机的情况下，上位机还可以通过读取热成像数据并计算温度对照表实现热成像。

上位机通过与MCU的通讯，实现整体图像采集装置的启停，以及图像采集装置中相关参数的设置。

根据本发明提供的图像采集装置，通过MCU的I/O接口触发计数和成像计数，实现对多个相机的高速稳定时序同步触发，使得上位机能够得到延时极低的多源数据，具备高速高同步性和高质量的数据特性。

图2是本发明提供的图像采集装置的结构示意图之二，如图2所示，包括：滤光轮、编码器、MCU、工业相机、热成像相机、PCIE转1/2.5/5/10Gbps网卡或USB，以及ARM/X86架构的计算机作为上位机，其中，滤光轮上设有n个滤光片。

图像采集装置中所有设备上电，上位机与工业相机、热红外相机以及MCU分别建立通讯，待通讯成功建立后，MCU控制无刷电机带动滤光轮低速旋转至初始位置，并向上位机报告就绪状态，此时上位机向工业相机和热红外相机分别发出初始化命令，待收到工业相机和热红外相机的初始化结束回馈后，整体系统报告为全部就绪状态。

启动后，上位机向MCU发出使能命令，MCU控制无刷电机带动滤光轮开始高速旋转，MCU通过编码器实时获取滤光轮的位置信息，当MCU通过位置信息读取到滤光片切换成功后，即滤光片完成半周期旋转时，立即通过GPIO接口向工业相机发送触发信号，通过在滤光片进入光路的情况下触发工业相机进行图像采集，确保单帧完整处于对应滤光片光路下，避免将滤光轮上的非滤光片部分拍摄入照片，上位机接收到回调事件后处理该光谱图像，通过光谱图像中的触发计数，识别该光谱图像对应的光谱通道，并将时间戳、曝光时间和增益等参数信息记录在光谱图像的文件中并保存，周而复始实现高速多光谱成像。单个滤光片从开始进入工业相机的光路到完全离开光路的过程，为该滤光片的一个旋转周期。

当滤光片完成半周期旋转时，MCU通过GPIO接口同步触发热红外相机进行图像采集，并实现光谱图像和热成像数据的时间戳同步，上位机保存热成像数据，至此实现完整闭环控制的高速热成像与多光谱成像体系。

此外，本发明提供的图像采集装置自由度及可扩展性极高。在软件层面，不仅可通过单一的上位机进行数据的接收处理，亦可发布为ROS节点主题供订阅，加入YOLO等算法实时融合并处理。在硬件层面，可根据用户的需要替换工业相机CMOS芯片及驱动电路以实现更高帧率或更高成像素质，可更换需要增删或修改滤光片组合，同时MCU的GPIO接口亦可加入RGB相机、偏振相机等其他具备光耦隔离输入的相机设备进行同步数据获取。

根据本发明提供的图像采集装置，通过全自动化的精准闭环控制及无需人力干预的滤光片高速切换，相对于手动滤光轮，减少了人工干预成本，提高了采集效率；相对现有的普通电动滤光轮式工业相机，大大提高了采集帧率和成像画质，实现了精准严格稳定的闭环控制。

图3是本发明提供的图像采集方法的流程示意图，如图3所示，包括：

首先，在步骤S1中，接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的。

编码器将所采集无刷电机的位置信息发送至MCU，位置信息可以是编码器随时间推移采集的所有无刷电机的驱动轴的转动角度。

接着，在步骤S2中，在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号。

MCU根据位置信息，可以确定滤光轮上每个滤光片的旋转的位置，进而在每个滤光轮进入工业相机的光路时，生成触发信号。

光路为从拍摄目标通过镜头到图像传感器的光的路径。

随后，在步骤S3中，将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

滤光轮上镶嵌的滤光片的旋转周期与滤光片的面积和镶嵌位置相关，单个滤光片从开始进入工业相机的光路到完全离开光路的过程，为该滤光片的一个旋转周期。

在该滤光片完成半个旋转周期时，将触发信号发送至工业相机的光耦隔离输入端，由于电信号的传输时间极短，可以瞬间触发工业相机进行光谱图像采集。

本发明实施例提供的图像采集方法，执行主体可以为电子设备或者电子设备中能够实现该图像采集方法的软件或功能模块或功能实体，本发明实施例中电子设备包括但不限于上述实施例中的控制设备。需要说明的是，上述执行主体并不构成对本发明的限制。

本发明提供的图像采集方法，通过全自动化的图像采集控制及无需人力干预的滤光片高速切换，相对于手动滤光轮，减少了人工干预成本。

可选地，所述无刷电机的转速是基于以下方法控制的：

接收所述无刷电机的相电流和转速信息；

根据所述相电流、转速信息和位置信息，生成所述无刷电机的控制信号，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速。

MCU在接收编码器发送的位置信息之外，还接收MCU外接的采样电流电路采集无刷电机的相电流，以及接收转速传感器采集的无刷电机的转速信息。

MCU以根据所述相电流、转速信息和位置信息，通过速度环、电流环和位置环，调节无刷电机的驱动电压，进而可以实现无刷电机转速的精准闭环控制，驱动电压与无刷电机的转速成正相关。

在根据位置信息识别到滤光轮上的滤光片处于工业相机的光路上的情况下，生成触发信号，以触发工业相机对拍摄目标进行图像采集，以得到完整的光谱图像。

根据本发明提供的图像采集方法，通过对无刷电机进行信息采集，利用闭环控制生成调节无刷电机驱动电压的控制信号，进而实现对高速转动时电机转速的调节，同时触发工业相机工作，避免了滤光轮上的非滤光片部分对工业相机光路的遮挡。

可选地，在所述生成触发信号之后，还包括：

将所述触发信号发送至每个目标相机的光耦隔离输入端，以触发所述每个目标相机采集图像数据；所述图像数据与所述光谱图像时序同步。

目标相机可以为：热成像相机、RGB相机或偏振相机等具备光耦隔离输入的相机设备。

每个目标相机的光耦隔离输入端，均可以通过SPI/IIC总线直接连接至MCU的GPIO接口上，也可以通过驱动板直接提供USB数据链路与MCU进行连接，由MCU控制每个目标相机和工业相机的采集时序，在同一时间，MCU将每个相机的触发信号分别发送至对应的目标相机与工业相机，实现高同步性的数据采集。

MCU可以通过编码器得到滤光轮上每个滤光片的位置，再生成工业相机以及每个目标相机的触发信号，并通过光耦隔离等方式提供稳定的信号输出，触发信号可根据相机设备的种类不同自行设置触发波形，例如上升沿触发或下降沿触发分别对应不同的触发波形。

若相机发生一定的振动或位置移动，再次拍摄时会存在拍摄位置角度的偏移，导致光路不一致。MCU也可根据相机类型调整触发信号输出的时长及次数，以供工业相机和每个目标相机分别对接收到的触发信号进行验证，实现触发消抖，避免出现误判信号等电气干扰。

根据本发明提供的图像采集方法，MCU通过I/O接口实现对多个相机的高速稳定时序同步触发，使得上位机能够得到延时极低的多源数据，具备高速高同步性和高质量的数据特性。

图4是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行图像采集方法，该方法包括：接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的；在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号；将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的图像采集方法，该方法包括：接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的；在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号；将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的图像采集方法，该方法包括：接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的；在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号；将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种图像采集装置，其特征在于，包括：

滤光设备、成像设备和控制设备；

所述滤光设备，包括滤光轮、无刷电机和采集模块；

所述无刷电机的驱动轴连接所述滤光轮，用于驱动所述滤光轮转动；

所述采集模块，用于采集驱动信息，并将所述驱动信息发送至所述控制设备；所述驱动信息包括所述无刷电机的相电流、转速信息和位置信息；所述位置信息为所述无刷电机的旋转角度；

所述控制设备用于接收所述滤光设备发送的所述驱动信息，并根据所述驱动信息控制所述滤光设备的滤光波段调节，具体用于根据所述相电流、所述转速信息和所述位置信息，生成触发信号和所述无刷电机的控制信号，所述触发信号用于触发所述成像设备进行图像采集，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速，所述转速与所述成像设备的图像采集频率对应；所述驱动信息是基于所述滤光设备的滤光波段调节确定的；

所述滤光设备内置于所述成像设备中，用于对所述成像设备滤光处理。

2.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述控制设备，具体用于以预设频率执行以下操作：

将所述相电流进行克拉克变换，获取第一电流信息；

基于所述位置信息，对所述第一电流信息进行派克变换，获取第二电流信息；

根据电流期望值与所述第二电流信息，获取补偿电流差；所述电流期望值是基于所述转速信息确认的；

根据所述补偿电流差，确定补偿电压，以根据所述补偿电压，生成所述控制信号。

3.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述采集模块包括编码器，所述编码器用于采集所述无刷电机的位置信息；

所述控制设备，还用于根据所述位置信息，对所述无刷电机的转速进行验证。

4.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述成像设备，包括图像传感器和镜头；

所述滤光轮设置于所述图像传感器和所述镜头之间；

所述滤光轮上设有多个波段的滤光片，每个滤光片通过所述滤光轮的旋转调整位置，用于对从所述镜头到所述图像传感器的光线进行分光处理。

5.根据权利要求4所述的图像采集装置，其特征在于，所述装置还包括至少一个目标相机，目标相机是除所述成像设备之外的相机；

所述触发信号，还用于触发每个目标相机进行图像采集。

6.根据权利要求5所述的图像采集装置，其特征在于，所述装置还包括上位机，所述上位机分别与所述成像设备和所述控制设备通信连接；

所述上位机用于接收所述成像设备采集的光谱图像；

还用于接收所述控制设备发送的每个光谱图像的参数信息，并通过所述参数信息确定每个光谱图像的光谱通道；

所述参数信息包括：时间戳、曝光时间和增益；所述参数信息是由所述成像设备进行图像采集时发送至所述控制设备的；

所述时间戳是基于所述位置信息确定的；

所述光谱通道是基于所述滤光片的波段确定的。

7.根据权利要求6所述的图像采集装置，其特征在于，所述上位机还与所述每个目标相机通信连接；用于接收所述每个目标相机采集的图像数据；

将所述图像数据与所述光谱图像进行时序同步。

8.一种图像采集方法，应用于如上述权利要求4-7中任一项所述图像采集装置，其特征在于，包括：

接收无刷电机的位置信息；所述位置信息是由编码器采集的；

在根据所述位置信息，确定滤光轮上的任一滤光片进入成像设备的光路的情况下，生成触发信号；

将所述触发信号发送至所述成像设备的光耦隔离输入端，以触发所述成像设备采集光谱图像。

9.根据权利要求8所述的图像采集方法，其特征在于，所述无刷电机的转速是基于以下方法控制的：

接收所述无刷电机的相电流和转速信息；

根据所述相电流、转速信息和位置信息，生成所述无刷电机的控制信号，所述控制信号用于调节所述无刷电机的驱动电压，以控制所述无刷电机的转速。

10.根据权利要求8所述的图像采集方法，其特征在于，在所述生成触发信号之后，还包括：

将所述触发信号发送至每个目标相机的光耦隔离输入端，以触发所述每个目标相机采集图像数据；所述图像数据与所述光谱图像时序同步。

11.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求8-10任一项所述图像采集方法。

12.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8-10任一项所述图像采集方法。

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