CN1599427A - 高速摄像方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速摄像方法，及一种高速摄像系统。由若干CMOS成像单元组成的阵列与火花源点阵通过光学系统一一对应，各光路互不干扰，CMOS成像单元阵列通过单片机和外部触发电路统一控制，在系统上电复位和预充电后，延时器检测系统同步信号的特定状态，开始计数；在延时器计数达到设定值后，延时ΔT1，输出触发事件发生的信号S1；延时器开始计时，输出触发拍摄信号S2；CMOS成像单元的内部曝光控制电路打开快门；事件在CMOS成像单元的曝光期间内发生，并同时给出触发火花闪光的信号S3触发火花阵列依次闪光，对应的CMOS像素阵列依次拍摄。具有高的分辨率，且不需要传统的化学感光胶片，成本低，可以再现高速运动的过程。可广泛应用于高速摄像领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种高速摄像技术领域，尤其涉及一种高速数字摄像方法及其系统。
背景技术：
高速摄像系统要有很高的时间分辨率，才能捕捉到高速运动过程中的一些细微的变化过程和现象；另外，还要求光路中感光点尽可能多，即高的空间分辨率，这样才能使观察到的运动情形更逼真，图像更清晰。
在数字图像传感器出现之前，高速摄像机都采用化学感光胶片，用过以后要更换新的底片，特别是用计算机处理图像的时候还要先用扫描仪等数字化仪转换成数字图像。
在国内，高速数字成像技术方面的研究相对落后。高速成像设备大多是作为一种研究工具从国外购买。受到技术的限制，从事高速数字成像技术研究的较少。
国内几所大学材料力学实验室做材料分析实验使用的频闪多幅高速摄像机，采用化学底片作为成像介质，利用频闪火花源点阵和胶片阵列一一对应，通过光学分光系统使各个成像单元之间的光路互不干扰。在材料受撞击时触发频闪火花依次闪光。频闪火花0.5μs的闪光可以将闪光瞬间材料受撞击的物理现象“冻结”住，在胶片上成像。曝光后的胶片经过显影、定影、漂白和烘干等几道工序才能冲印出照片；如果用计算机进行分析，还要通过扫描仪等转化为数字图像；整个实验必须在暗室里进行，而且使用一次以后就得更换新的底片，使用起来非常不方便；并且这种高速摄像系统必须得使用特殊的化学感光胶片，材料费也很昂贵。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有高分辨率的、不需用化学感光胶片、成本低的高速数字摄像方法。
本发明的另一目的还在于提供一种高速数字摄像系统。
奔放发明的高速摄像方法，由若干CMOS成像单元组成的阵列与火花源点阵通过光学系统一一对应，各光路互不干扰，CMOS成像单元阵列通过单片机和外部触发电路统一控制，其步骤包括
1)接通电源，系统复位；
2)CMOS像素阵列预充电；
3)延时器检测系统同步信号的特定状态，开始计数；
4)在延时器计数达到设定值后，延时ΔT1，输出触发事件发生的信号S1；
其中ΔT1+事件触发到事件发生的时间T1＝系统同步信号周期的整数倍；
5)延时器开始计时，当计时大于等于T1-T2-nTVS而小于T1-T2-nTVS+CMOS成像单元的曝光时间时，输出触发拍摄信号S2；其中T2为快门打开时间到下一个系统同步信号特定状态的时间；TVS为系统同步信号周期；n＞1；
6)CMOS成像单元的内部曝光控制电路在检测到第n个系统同步信号的特定状态时打开快门；
7)事件在CMOS成像单元的曝光期间内发生，并同时给出触发火花闪光的信号S3触发火花阵列依次闪光，对应的CMOS像素阵列依次拍摄。
所述CMOS成像单元阵列具有标准USB接口。
所述系统同步信号为系统的垂直同步信号，所述系统同步信号的特定状态为垂直同步信号的上升沿。
所述事件为落锤自由下落后与被摄物体的撞击；事件触发到事件发生的时间T1为落锤从自由下落到撞击被摄物体的时间。
本发明的高速摄像系统，包括若干CMOS成像单元阵列；若干火花源点阵；延时器；CMOS成像单元阵列与火花源点阵通过光学系统一一对应，各光路互不干扰；其特在于CMOS成像单元阵列通过单片机和外部触发电路统一控制；上电复位后输出周期性的同步信号，并对CMOS像素阵列进行预充电；
延时器检测到系统同步信号的特定状态时开始计数；在延时器计数达到设定值后，延时ΔT1，输出触发事件发生的信号S1；其中ΔT1+事件触发到事件发生的时间T1＝系统同步信号周期的整数倍；
延时器开始计时，当计时大于等于T1-T2-nTVS而小于T1-T2-nTVS+CMOS成像单元的曝光时间时，输出触发拍摄信号S2；其中T2为快门打开时间到下一个系统同步信号特定状态的时间；TVS为系统同步信号周期；n＞1；
CMOS成像单元的内部曝光控制电路在检测到第n个系统同步信号的特定状态时打开快门；
事件在CMOS成像单元的曝光期间内发生，并同时给出触发火花闪光的信号S3触发火花阵列依次闪光，对应的CMOS像素阵列依次拍摄。
所述CMOS成像单元包括一CMOS图像传感器，DSP图像处理器，数据缓存器SDRAM，单片机和外触发同步电路。
所述CMOS成像单元还包括CF卡。
所述CMOS成像单元的图像处理器内嵌USB接口。
所述CMOS成像单元由单个电源供电。所述单个电源为一带管脚的电源转化芯片。
本发明以CMOS成像为核心技术，火花源点阵通过光学系统与CMOS阵列一一对应，各个光路之间互不干扰。每一个CMOS成像单元都有自己的图像处理电路和图像存储单元，分别通过各自的USB接口下载图像到计算机。各个图像传感器通过单个电源统一控制，具有一致的水平同步信号HS和垂直同步信号VS。整个系统以VS为基准信号，使火花闪光和CMOS曝光保持同步。通过火花在闪耀时释放大量的能量，获得高亮度的照明，使对应的CMOS传感器曝光，将高速运动物体的影像瞬间“冻结”。这样，一个CMOS成像单元就记录了高速运动过程中的一幅图像。在高速运动过程中，火花源点阵依次闪光，CMOS阵列就记录了多幅图像，从而可以再现高速运动的过程。
本发明具有高的分辨率，且不需要传统的化学感光胶片，成本低。
附图说明：
图1 本发明的4×4 CMOS阵列示意图
图2 单个CMOS成像单元示意图
图3 外部触发曝光时序图
图4 硬件主要接口框图
图5 成像系统电源结构
图6 单片机控制主流程
图7 系统同步控制示意图
1-电动阀门；2-落锤；3-滑杆；4-拍摄物体；
h为落锤下降高度；
图8 延时器工作主流程
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本实施方案采用4×4的CMOS图像传感器面阵，相邻CMOS器件的上下和左右间距都为60mm。每一个CMOS图像传感器都有自己的图像处理电路和图像存储单元，分别通过各自的USB接口下载图像到计算机。各个图像传感器通过单个电源统一控制，具有一致的水平同步信号HS和垂直同步信号VS。整个系统以VS为基准信号，使火花闪光和CMOS曝光保持同步。
成像单元采用分辨率为VGA(640×480像素)的单色CMOS图像传感器，拍摄结果为640×480的黑白位图文件(.bmp)，如果选择对图像进行压缩，可以得到JPEG文件(.jpg)。空间分辨率为640×480已经能够很清晰地显示出被撞击材料内部的条纹变化。
如图1所示，系统采用4×4的CMOS阵列，间距为60mm，与火花源点阵一一对应。可以通过同步控制电路使火花源的闪光落在对应的CMOS曝光时间内。CMOS可以工作在整幅曝光模式下，CMOS成像时让系统工作在黑暗环境中，这样CMOS曝光时间内只有火花源进来的光，火花源的闪光时间只有0.5μs，但是强度足够让CMOS正常曝光。通过调整火花源点阵的闪光延时，可以分幅地拍摄高速运动过程的分解图像，一片CMOS负责记录下来一幅图像，这样4×4的CMOS阵列就可以拍摄到16幅图像，这16幅图像可以再现高速运动过程中发生的物理现象。每个CMOS成像单元都有自己的数据处理电路和图像存储单元，各个成像单元通过系统时钟统一控制，系统时钟为CMOS上电复位以后产生的场同步信号VS。各个成像单元有统一的电源供电，上电以后各个CMOS的VS保持同步。除此之外，各个成像单元的结构相同。数字成像子系统就是由16个成像单元组成。
如图2所示，数字图像传感器采用单色CMOS图像传感器，分辨率为640×480。单个CMOS成像单元以CMOS图像传感器和DSP图像处理器(台湾Winbond公司的W9968CF)为核心部件，加以单片机(Winbond公司的W78LE516)和外触发同步电路，SDRAM(韩国现代半导体公司1M×16的HY57V1616)是数据缓存器，在不掉电的情况下可以暂时保存静态图像。CF卡是可选器件，可以用来永久的保存图像。DSP图像处理器通过I2C总线对CMOS的寄存器进行设置，CMOS输出YUV信号给DSP图像处理器进行处理，以标准的图像文件格式存储在数据缓存器SDRAM中。拍摄到的图片可以通过标准USB接口输入到计算机，同时，在通过USB与计算机相连的情况下，成像单元工作在PC camera模式下，即相当于一个摄像头。成像单元需要两种工作电压，CMOS图像传感器需要工作在5V电压下，其它器件需要3.3V的工作电压。
如图3所示，说明了如何通过在火花闪光的瞬间，控制CMOS图像传感器曝光获得高速运动的图像。CMOS图像传感器由内部曝光控制电路进行自动曝光控制，当CMOS工作在逐行扫描模式下，内部曝光控制信号处于高电平，在水平同步信号的上升沿，电源开始对CMOS像素阵列进行预充电，Tpr为充电时间。随后电子快门打开，像素阵列开始曝光，当内部曝光控制信号处于低电平，整个像素阵列完成整体曝光，Tex为曝光时间。这时电子快门关闭，开始输出图像数据。同步控制电路响应外部触发信号，使火花闪光的时间刚好落在CMOS图像传感器曝光的时间之内。由于曝光是对感光的积分过程，只要火花闪光的亮度足够强，就能使像素阵列完成曝光，记录下来高速运动物体被“冻结”瞬间的图像。
如图4所示，CMOS图像传感器部分为主板上的电路，图像处理、存储、控制部分为子板上的电路，二者通过双排针相连。其中YUV为CMOS输出给图像处理器W9968CF的视频信号，CMOS的内部寄存器通过I2C总线由单片机设置，I2C总线由W9968CF的串行控制寄存器CR01的两个位进行模拟，这两个位是串行接口数据写SDW(CR01.1)和串行接口时钟写SCW(CR01.0)。另外CMOS还为W9968CF提供像素时钟PCLK、水平同步HS和垂直同步VS信号。其中时钟由晶振产生，频率为视频信号副载波频率的4倍频，即27MHz的普通晶振，晶振的负载电容值由使用的晶振的参数决定。W9968CF内嵌USB数据收发器，直接用USB电缆和计算机相连。视频预览和静态图像下载都通过USB接口在计算机上操作。
主板上还有同步触发电路，同步触发电路发出SNAP信号给单片机，使CMOS成像单元可以完成一幅静态图像的拍摄。
如图5所示，系统选用MAXIM公司的电源芯片MAX756，它是一升压直流变直流的电压转化芯片，用于低压电源输入的电压调整。输入电压可以低至0.7V，通过管脚选择，输出电压可以分别为3.3V和5V。在输出电流为200mA的情况下效率为87％。芯片采用8-pin的DIP封装。成像系统电源需要两种直流电压，分别为3.3V和5V。系统工作在数字静态相机和摄像头两种模式下，在数字静态相机模式下，使用3V的直流电源供电，整个成像阵列需要专门的3V的直流电源，输出的额定电流不能低于3A；在摄像头模式下，系统从USB电缆获得电压，为5V。输入电压通过DC-DC电压转化后变成恒定的电压值3.3V和5V，经过低通滤波以后给芯片供电。
如图6所示，单片机主要完成：初始化单片机与W9968CF之间的接口；对W9968CF进行初始化；对CMOS进行初始化；控制完成一幅静态图像的曝光；协助W9968CF对图像进行压缩、量化和zigzag扫描；创建图像头文件，将图像存储到SDRAM中。
如图7所示，按下快门SNAP后，内部电路检测场同步信号VS，当检测到第四个VS的上升沿后，自动曝光控制电路打开电子快门，CMOS的像素开始整幅曝光，曝光时间可在0～32.4ms之间连续可调，分度值为127μs，工作时，选择最长的曝光时间32.4ms便于控制。之后内部电路控制电子快门关闭，CMOS像素完成曝光。CMOS图像传感器就记录下来它曝光时间内的图像信息。延时器能触发电动阀门打开并开始计数，在落锤下落到底端时让延时器停止计数，反复做几次，确定落锤下落的时间T1，T1为固定值。将T1的值进行修正，加上使其等于VS周期的整数倍。延时器的量程要大于
并能实时显示计数，在量程范围内能连续计时，分度值为1ms。延时器能检测到相机阵列的场同步信号VS。VS为TTL电平，是一周期信号，周期为66.7ms，其中高电平时间为400μs。延时器能检测到VS的上升沿并有计数功能，能计100个数。因为CMOS在上电复位后还需要对CMOS像素电路进行预充电，计到100个VS上升沿(时间大约为6.7s)能保证CMOS工作正常。设定相机快门SNAP按下到下一个VS上升沿的到来的时延为T2。快门按下到相机曝光这段时间为(T2+3Tvs)，Tvs为66.7ms，即(T2+200ms)。0＜T2＜Tvs，取T2为40ms。因此落锤下落到(T1-240ms)的时候延时器控制相机开始拍摄。
如图8所示，电源打开以后，CMOS相机阵列开始上电复位，并输出VS的周期信号，延时器开始检测VS的上升沿并开始计数，当计数达到100后，延时输出触发电动阀门打开的信号S1，落锤开始自由下落。同时延时器开始计时，当计时(T1-240ms)时，输出触发相机拍摄信号S2。这样相机将在240ms后开始曝光，同时240ms后落锤开始与被拍摄物体相撞。这时给出触发火花闪光的信号S3。控制火花闪光的延时器可以控制火花的闪光都落在相机的曝光时间之内，用一个电源控制开关可以统一控制系统联动。
Claims (10)
1、一种高速摄像方法，由若干CMOS成像单元组成的阵列与火花源点阵通过光学系统一一对应，各光路互不干扰，CMOS成像单元阵列通过单片机和外部触发电路统一控制，其步骤包括
1)接通电源，系统复位；
2)CMOS像素阵列预充电；
3)延时器检测系统同步信号的特定状态，开始计数；
4)在延时器计数达到设定值后，延时ΔT1，输出触发事件发生的信号S1；
其中ΔT1+事件触发到事件发生的时间T1＝系统同步信号周期的整数倍；
5)延时器开始计时，当计时大于等于T1-T2-nTVS而小于T1-T2-nTVS+CMOS成像单元的曝光时间时，输出触发拍摄信号S2；其中T2为快门打开时间到下一个系统同步信号特定状态的时间；TVS为系统同步信号周期；n＞1；
6)CMOS成像单元的内部曝光控制电路在检测到第n个系统同步信号的特定状态时打开快门；
7)事件在CMOS成像单元的曝光期间内发生，并同时给出触发火花闪光的信号S3触发火花阵列依次闪光，对应的CMOS像素阵列依次拍摄。
2、如权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于所述CMOS成像单元阵列具有标准USB接口。
3、如权利要求1所述的高速摄像方法，其特征在于所述系统同步信号为系统的垂直同步信号，所述系统同步信号的特定状态为垂直同步信号的上升沿。
4、如权利要求1或2或3所述的高速摄像方法，其特征在于所述事件为落锤自由下落后与被摄物体的撞击；事件触发到事件发生的时间T1为落锤从自由下落到撞击被摄物体的时间。
5、一种高速摄像系统，包括若干CMOS成像单元阵列；若干火花源点阵；延时器；CMOS成像单元阵列与火花源点阵通过光学系统一一对应，各光路互不干扰；其特在于CMOS成像单元阵列通过单片机和外部触发电路统一控制；上电复位后输出周期性的同步信号，并对CMOS像素阵列进行预充电；
延时器检测到系统同步信号的特定状态时开始计数；在延时器计数达到设定值后，延时ΔT1，输出触发事件发生的信号S1；其中ΔT1+事件触发到事件发生的时间T1＝系统同步信号周期的整数倍；
延时器开始计时，当计时大于等于T1-T2-nTVS而小于T1-T2-nTVS+CMOS成像单元的曝光时间时，输出触发拍摄信号S2；其中T2为快门打开时间到下一个系统同步信号特定状态的时间；TVS为系统同步信号周期；n＞1；
CMOS成像单元的内部曝光控制电路在检测到第n个系统同步信号的特定状态时打开快门；
事件在CMOS成像单元的曝光期间内发生，并同时给出触发火花闪光的信号S3触发火花阵列依次闪光，对应的CMOS像素阵列依次拍摄。
6、如权利要求5所述的高速摄像系统，其特征在于所述CMOS成像单元包括一CMOS图像传感器，DSP图像处理器，数据缓存器SDRAM，单片机和外触发同步电路。
7、如权利要求6所述的高速摄像系统，其特征在于所述CMOS成像单元包括CF卡。
8、如权利要求5或6或7所述的高速摄像系统，其特征在于所述CMOS成像单元的图像处理器内嵌USB接口。
9、如权利要求5所述的高速摄像系统，其特征在于所述CMOS成像单元由单个电源供电。
10、如权利要求9所述的高速摄像系统，其特征在于所述单个电源为一带管脚的电源转化芯片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090520 Termination date: 20110915 |